生物电阻抗分析在疾病临床监测和诊断分析

（文章来源：EEWORLD）

运用广泛的各种生物阻抗测量技术在使用激励信号的频率方面有所不同。最简单的仪器是基于固定频率测量（单频生物电阻抗分析或SF-BIA），有些仪器采用多频率系统（多频生物电阻抗分析或MF-BIA），而最复杂的仪器则在一定频率范围内执行实际频谱测量（生物阻抗频谱或BIS）。评估结果的技术也有很多种，其中最重要的是生物电阻抗矢量分析和实时分析。

在SF-BIA仪器中，注入人体的电流频率为50 kHz；这是基于所测得的阻抗与人体水分总量(TBW)（阻抗的导电性部分）之间成反比关系，而人体水分总量由细胞内水分(ICW)和细胞外水分(ECW)组成。这项技术针对含水量正常的测试对象可以提供良好的结果，而对于含水量发生了剧烈改变的测试对象，由于该技术评估ICW变化的能力有限，因此会丧失其有效性。

MF-BIA技术通过在低频和高频下执行测量来克服SF-BIA的局限性。低频测量允许对ECW进行更准确的估算，而在高频下则可获得TBW的估值。由两个估值的差得出ICW。然而，该技术也并非十全十美，它在对患有疾病的老年人群进行体液估算时显示出局限性。

最后，BIS基于阻抗测量，该阻抗在零频率下是由细胞外液产生的电阻RE，而在无穷大频率下则是RE与RI的并联。在这两个极端频率下，由细胞膜产生的电容表现为开路或短路。中频测量提供与电容值有关的信息。BIS相比其他技术可提供更多的详细信息，但是在这种情况下，测量需要更长的时间。

生物阻抗矢量分析是一种基于生物阻抗绝对值测量的人体健康评估技术。它使用一个图形来显示阻抗的矢量表示，其中横坐标轴显示电阻值，而纵坐标轴显示容性阻抗值，这两个值均按照患者的身高设定了基准。该方法基于3个公差椭圆的公式：50%、75%和95%。50%的公差椭圆定义了具有人体组成平均值的人群。沿着椭圆的水平轴移动，在右侧可识别出瘦体质量百分比较低的个体，反之亦然；也就是说，在左侧识别出的是瘦体质量百分比较高的个体。沿着垂直轴移动可确定含水量，趋向椭圆上半部分代表低于标准水平，而椭圆的下半部分则高于标准水平。

ADI公司具有广泛的阻抗分析产品组合，包括ADuCM35x等器件，ADuCM35x是专为阻抗频谱设计的高度集成的片内系统(SoC)。最近投放市场的AD5940是一款高精度、低功耗模拟前端，非常适合便携式应用。AD5940专为测量生物阻抗和皮肤电导率而设计，由两个激励环路和一个通用测量通道组成。第一激励环路能够产生最大频率为200 Hz的信号，并且可以配置为恒电势器，用于测量不同类型的电化学电池。其基本组件包括一个双输出DAC、一个可提供激励信号的精密放大器以及一个用于测量电流的跨阻放大器。

该环路在低频率下工作，功耗低，因此也称为低功耗环路。第二个激励环路具有类似的配置，但能够处理最高200 kHz的信号，因此称之为高速环路。该器件配备了一个采集通道，内置一个16位、800 kSPS SAR型ADC和转换器模拟信号处理链前端，其中包括一个缓冲器、一个可编程增益放大器(PGA)和一个可编程抗混叠滤波器。为了完善该架构，采用了一个开关矩阵复用器，它允许将来自多个器件内部或外部信号源的多个信号连接到ADC。这样，除了主要的阻抗测量功能外，还可以执行准确的系统诊断以验证仪器的全部功能。

采用四线配置将AD5940用于人体绝对阻抗测量的连接方式。对于这种类型的测量，使用高频环路；可编程交流电压发生器提供激励信号。第二个发生器可提供共模电压，以实现正确测量。通过跨阻放大器测量由人体阻抗产生的电流，并采用16位ADC进行转换。该系统能够在最高200 kHz的频率下进行测量，在50 kHz下可提供100 dB的信噪比(SNR)。将数字数据发送到硬件加速器以提取所需数值；即阻抗的实数部分和虚数部分。

作为医疗设备，生物阻抗分析仪必须符合IEC 60601标准。该标准设定了可施加于人体的电压和电流限值。为此，这款器件提供了一个电阻Rlimit来限制最大电流，并提供了四个耦合电容CisoX，以防止将直流分量施加于人体上。

生物阻抗测量是一种快速无创评估人体组成和诊断某些类型疾病的低成本通用方法。由于使用AD5940等器件，当前的技术可以实现紧凑、高性能、低功耗的生物阻抗分析仪，并且该分析仪可以使用电池供电。AD5940的高集成度、小尺寸和低功耗特性也使其特别适合可穿戴应用。
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