生物電阻抗分析在疾病臨床監測和診斷中的應用

作者 : ADI現場應用工程師Cosimo Carriero


生物組織的電特性按照電訊號來源可分為主動和被動兩類。如果生物組織的電流由細胞內部的離子產生,我們稱之為主動響應。這些電訊號稱為生物電位,最為人所熟知的例子就是心電圖和腦電圖訊號。如果生物組織對外部電刺激(例如電流或電壓發生器)做出回應,則該回應為被動的。在這種情況下,我們需要考慮生物電阻抗。

生物電阻抗分析

生物電阻抗分析是一種用來測量人體組成和評估臨床狀況的低成本、非侵入技術。生物阻抗是一個由電阻值R(實數部分)和電抗值Xc(虛數部分)組成的複數,前者主要由人體內的水分總量所致,後者主要是由細胞膜產生的電容所致。該阻抗也可以用模為| Z |、相位角為φ的向量來表示。相位角在確定人體組成方面起主要作用。

equation1
equation2
equation3

橫截面積為S、長度為l的導體的電阻R,以及表面積為S、距離為d的平行板電容的容值C由以下公式給出:

equation4
equation5

從公式4和公式5中可以看出,電阻和電容取決於幾何參數(長度、距離和表面積),這意味著它們與採用的測量系統和物理參數有關;也就是說,電阻率ρ和介電常數ε與待測材料的類型(在本示例中為生物組織)密切相關。圖1顯示了一個生物阻抗及其測量儀器的電特性簡化模型。RE考慮的是細胞外液的電阻,RI代表細胞內液的電阻,Cm是細胞膜的電容。儀器與人體之間的連接透過置於皮膚上的電極實現。儀器向電極提供激勵電壓並測量產生的電流。激勵訊號透過連接到後端驅動器的數模轉換器(DAC)產生。透過微控制器對DAC進行編程,從而可設定訊號幅度和頻率。對於電流測量,則採用跨阻放大器(TIA),將其連接到高解析度模數轉換器(ADC)以實現精確測量。使用系統微控制器處理採集到的資料,從中提取分析所需的資訊。

圖1.生物阻抗測量系統框圖。

在生物阻抗測量中,將人體分為五個部分:兩個上肢、兩個下肢和軀幹。這個區分對於理解所使用的測量方法很重要。最常見的是手到腳、腳到腳和手到手。

在生物電阻抗分析(BIA)測試過程中,需要考慮多個因素,包括人體測量參數;即身高、體重、皮膚厚度和體型。其他因素包括性別、年齡、族群以及(尤其是)患者的健康狀況;即任何營養不良或脫水。如果不考慮這些因素,測試結果可能會失真。根據統計資料和考慮了上述各種因素的公式來解讀測量結果。

人體組成

在研究人體組成時,我們引用三室模型,其中包括:

  • 脂肪體質量
  • 細胞質量
  • 細胞外品質

圖2從眾所周知的二室模型瘦體質量(去脂體質量)和脂肪體質量開始,解釋說明了這些概念。脂肪體質量有兩個組成部分,即必需脂肪和儲存脂肪。瘦體質量分為人體細胞品質(由蛋白質品質和細胞內水分組成)和細胞外品質(由細胞外水分和骨品質組成)。最後一個參數是確定含水量的基礎,是由細胞內和細胞外水分的總和得到的人體水分總量。

圖2.人體組成。

從電特性角度來看,細胞內和細胞外電解溶液的行為就像是良導體,而脂肪和骨骼組織則是不良導體。

生物阻抗測量技術

運用廣泛的各種生物阻抗測量技術在使用激勵訊號的頻率方面有所不同。最簡單的儀器是基於固定頻率測量(單頻生物電阻抗分析或SF-BIA),有些儀器採用多頻率系統(多頻生物電阻抗分析或MF-BIA),而最複雜的儀器則在一定頻率範圍內執行實際頻譜測量(生物阻抗頻譜或BIS)。評估結果的技術也有很多種,其中最重要的是生物電阻抗向量分析和即時分析。

在SF-BIA儀器中,注入人體的電流頻率為50 kHz;這是基於所測得的阻抗與人體水分總量(TBW)(阻抗的導電性部分)之間成反比關係,而人體水分總量由細胞內水分(ICW)和細胞外水分(ECW)組成。這項技術針對含水量正常的測試物件可以提供良好的結果,而對於含水量發生了劇烈改變的測試物件,由於該技術評估ICW變化的能力有限,因此會喪失其有效性。

MF-BIA技術透過在低頻和高頻下執行測量來克服SF-BIA的局限性。低頻測量允許對ECW進行更準確的估算,而在高頻下則可獲得TBW的估值。由兩個估值的差得出ICW。然而,該技術也並非十全十美,它在對患有疾病的老年人群進行體液估算時顯示出局限性。

最後,BIS基於阻抗測量,根據圖1的模型,該阻抗在零頻率下是由細胞外液產生的電阻RE,而在無窮大頻率下則是RE與RI的並聯。在這兩個極端頻率下,由細胞膜產生的電容表現為開路或短路。中頻測量提供與電容值有關的資訊。BIS相較於其他技術可提供更多的詳細資訊,但是在這種情況下,測量需要更長的時間。

生物阻抗向量分析(生物電阻抗向量分析或BIVA)是一種基於生物阻抗絕對值測量的人體健康評估技術。它使用一個圖形來顯示阻抗的向量表示,其中橫坐標軸顯示電阻值,而縱坐標軸顯示容性阻抗值,這兩個值均按照患者的身高設定了基準。該方法基於3個公差橢圓的公式:50%、75%和95%。50%的公差橢圓定義了具有人體組成平均值的人群。沿著橢圓的水準軸移動,在右側可識別出瘦體質量百分比較低的個體,反之亦然;也就是說,在左側識別出的是瘦體質量百分比較高的個體。沿著垂直軸移動可確定含水量,趨向橢圓上半部分代表低於標準水準,而橢圓的下半部分則高於標準水準。

圖3.生物電阻抗向量-分析公差橢圓。

觀察人體組成的波動(例如,與瘦體質量、脂肪體質量和人體水分總量正常值的偏差)是確定患者健康狀況的關鍵因素。瘦體質量明顯減少和體液失衡都是診斷疾病時使用的主要參數。當前,生物電阻抗分析已用於診斷以下人體系統疾病:

  • 肺系統
    • 肺癌
    • 肺水腫
  • 心血管系統
    • 術後積液
  • 循環系統
    • 血管內容積
    • 低鈉血症
    • 水合作用
  • 腎臟系統
    • 血液透析
    • 評估幹重
  • 神經系統
    • 阿爾茨海默氏病
    • 神經性厭食症
  • 肌肉系統
    • 訓練期間身體組成的變化
  • 免疫系統
    • 愛滋病病毒感染者評估
    • 癌症患者評估
    • 登革熱

AD5940,一款靈活的高精度類比前端

ADI具有廣泛的阻抗分析產品組合,包括ADuCM35x等元件,ADuCM35x是專為阻抗頻譜設計的高度整合的晶片內系統(SoC)。最近推出於市場的AD5940是一款高精度、低功耗類比前端,其非常適合可攜式應用。 AD5940專為測量生物阻抗和皮膚電導率而設計,由兩個激勵迴路和一個通用測量通道組成。第一激勵迴路能夠產生最大頻率為200 Hz的訊號,並且可以配置為恒電勢器,用於測量不同類型的電化學電池。其基本元件包括一個雙輸出DAC、一個可提供激勵訊號的精密放大器以及一個用於測量電流的跨阻放大器。該迴路在低頻率下工作,功耗低,因此也稱為低功耗迴路。第二個激勵迴路具有類似的配置,但能夠處理最高200 kHz的訊號,因此稱之為高速迴路。該元件配備了一個採集通道,內建一個16位元、800 kSPS SAR型ADC和轉換器類比訊號處理鏈前端,其中包括一個緩衝器、一個可編程增益放大器(PGA)和一個可編程抗混疊濾波器。為了使該架構更為完善,其採用了一個切換開關矩陣複用器,它允許將來自多個元件內部或外部訊號源的多個訊號連接到ADC。如此,除了主要的阻抗測量功能外,還可以執行準確的系統診斷以驗證儀器的全部功能。

圖4顯示了採用四線配置將AD5940用於人體絕對阻抗測量的連接方式。對於這種類型的測量,使用高頻迴路;可編程交流電壓產生器提供激勵訊號。第二個產生器可提供共模電壓,以實現正確測量。透過跨阻放大器測量由人體阻抗產生的電流,並採用16位元ADC進行轉換。該系統能夠在最高200 kHz的頻率下進行測量,在50 kHz下可提供100 dB的訊噪比(SNR)。將數位資料發送到硬體加速器以提取所需數值;即阻抗的實數部分和虛數部分。

圖4.AD5940用於生物電阻抗分析的四線連接。

作為醫療設備,生物阻抗分析儀必須符合IEC 60601標準。該標準設定了可施加於人體的電壓和電流限值。為此,這款元件提供了一個電阻Rlimit來限制最大電流,並提供了四個耦合電容CisoX,以防止將直流分量施加於人體上。

結論

生物阻抗測量是一種快速、非侵入性評估人體組成和診斷某些類型疾病的低成本通用方法。由於使用AD5940等元件,現今的技術可實現精小、高性能、低功耗的生物阻抗分析儀,並且該分析儀可以使用電池供電。AD5940的高整合度、小尺寸和低功耗特性也使其特別適合於穿戴式應用。


Author

Cosimo-Carriero

Cosimo Carriero

Cosimo Carriero joined Analog Devices in 2006, as a field applications engineer, providing technical support to strategic and key accounts. He holds a Master of Science in Physics from Università degli Studi of Milan, Italy. Past experiences include INFN, the Italian Institute for Nuclear Physics, defining and developing instrumentation for nuclear physics experiments, collaboration with small companies, developing sensors and systems for factory automation, Thales Alenia Space, as a senior design engineer for satellite power management systems.