（检测技术与自动化装置专业论文）基于生物电阻抗的人体成分测试与研究.pdf

中文摘要摘要人体成分测试在临床医学与健康研究中具有重要的价值，能够客观、量化地反映人体的营养状况和体液平衡状况，并为青少年生长发育水平的评价提供依据。因此，体成分测试是健康检查的一项重要内容。基于生物电阻抗原理的体成分测试是一种评估身体成分的间接方法，其基本原理是将微弱的交流电信号导入人体，通过测量得到人体各个部分的电阻抗，分析得到相应部分的组成成分。这种方法具有简单易用性和无创性等特点，近年来发展迅速。本文分析了体成分测试系统的发展现状，根据生物电阻抗原理，设计了一种人体成分测试评估系统，主要完成的工作如下：1 、根据分段人体模型完成了系统设计。该系统采用八电极、单频测量技术设计得到了具有精度高、重复性好的测试仪器。通过上位机分析软件能够得到人体各个部分的生物电阻抗，通过分析模型得到人体相应部分的组成成分，完成健康评估。2 、改进体成分建模方法。以如何提高人体成分的预测精度，即提高预测精度和泛化能力为目的，本文研究了两种人体成分模型建立方法：基于统计回归的方法和基于支持向量机的方法。统计回归方法得到的是一系列预测方程，由于预测方程只能保留训练样本的共同特征，而将其他的个性化特征都舍弃，从而限制了该方法的泛化能力。本文在分析统计回归方法的基础上，引入了统计学习的理论，提出用预测模型文件替换传统的预测方程。由于该方法保留- j j l l 练样本的大部分特征，能够适应不同的测试人群，同时，该方法利用凸二次规划方法能够得到全局最优解，避免了局部最优解的问题。利用支持向量机的回归分析建立人体成分模型，是本文的一大亮点。3 、通过对测试数据的统计分析，得出了人体成分与年龄、性别、生活习惯等因素的关联关系。依据得到的人体成分，对建立人体健康专家系统做了初步探讨，主要讨论了如何根据人体成分制定相应的运动处方。目前的人体成分测试往往较为关注单次的测试结果的分析，忽略了人体健康的动态发展趋势。针对这一问题，本文提出建立人体健康数据管理系统的设想，即根据历史数据所反映的健康发展趋势，有针对性的给出运动处方与营养处方，经过不断的优化调整使人体成分之间的比例趋向合理。关键词：生物电阻抗人体成分统计回归支持向量机泛化能力运动处方英文摘要a b s t r a c th u m a nb o d yc o m p o s i t i o nt e s ti so fi m p o r t a n tv a l u ei nc l i n i c a lm e d i c i n ea n db a s i cr e s e a r c h i tc a nr e f l e c tt h eb o d y sn u t r i t i o n a la n df l u i ds t a t u so b j e c t i v e l ya n dq u a n t i f i e d f u r t h e r m o r e ，i tc a na l s op r o v i d et h eb a s i st oe v a l u a t et h eg r o w t ha n dd e v e l o p m e n to ft h ey o n t h s o ，h u m a nb o d yc o m p o s i t i o nt e s ti sa ni m p o r t a n ti t e mo fh e a l t hc h e c k t h ew a yb a s e do nb i o e l e c t r i c a li m p e d a n c ei sa ni n d i r e c tm e a n st oe v a l u a t eb o d yc o m p o s t i o n i t sb a s i cp r i n c i p l ei sa sf o l l o w s f i r s t ，w ei m p o r ta na cc u r r e n ti n t ot h eb o d y t h e n ，w ew i l lo b t a i nb i o e l e c t r i c a li m p e d a n c eo fv a r i o u sc o m p o n e n t sb ym e a s u r i n gt h ev o t a g e b ya n a l y z i n g ，w ew i l lg e tt h ec o m p o s i t i o no fc o r r e s p o n d i n gp a r t s i nr e c e n ty e a r s ，t h i sm e t h o di sd e v e l o p i n gq u i c k l yf o ri t sf e a t u r e so fe a s ya n dn o n i n v a s i v e i nt h i st h e s i s ，w ea n a l y s et h ed e v e l o p m e n to fh u m a nb o d yc o m p o s i t i o nt e s ts y s t e m b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fb i o e l e c t r i c a li m p e d a n c e ，w ed e s i g nab o d yc o m p o s i t i o nt e s t i n ga n de v a l u a t i o ns y s t e m t h em a i nw o r kw ec o m p l e m e n ti sa sf o l l o w s 1 w eh a v ef i n i s h e dt h ed e s i g no ft h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h em u l t i s e g m e n th u m a nb o d ym o d e l t h es y s t e mu s e se i g h te l e c t r o d e s ，s i n g l e f r e q u e n c ym e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s i ti sad e v i c ew i t hf e a t u r e so fh i g hp r e c i s i o n ，g o o dr e p r o d u c i b i l i t y w ec a ng e tb i o e l e c t r i c a li m p e d a n c eo fv a r i o u sc o m p o n e n t st h r o u g ha n a l s i n gs o f t w a r e t h e n ，w ec o u l dc o m p o s i t i o no fv a r i o u sc o m p o s i t i o n sb ya n a l y z i n gm o d e l i nt h ee n d ，w ec a nf i n i s ht h eh e a l t he v a l u a t e 2 w eh a v ei m p r o v e dt h em o d e l i n gm e t h o dt od e a lw i t hb o d yc o m p o s i t i o nd a t a w i t ht h ep u r p o s eo fh o wt oi m p r o v et h ep r e d i c t i o na c c u r a c yo fh u m a nb o d yc o m p o s i t i o n ，t h a ti s ，t oi m p r o v ep r e d i c t i o na c c u r a c ya n dg e n e r a l i z a t i o na b i l i t y ，w es t u d yt w om o d e l i n gm e t h o d si n t h i st h e s i s t h e ya r et h em e t h o db a s e do nt h es t a t i s t i c a lr e g r e s s i o na n dt h eo n eb a s e do ns u p p o r tv e c t o rm a c h i n e w ec a ng e tas e r i e so fp r e d i c t i o ne q u a t i o ni n s t a t i s t i c a lr e g r e s s i o n s i n c ee q u a t i o n sc a no n l ys u s t a i nt h ec o m m e nf e a t u r e so ft r a i n i n gs a m p l e ，d i s c a r d i n gt h eo t h e rp e r s o n a l i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，t h eg e n e r a l i z a t i o na b i l i t yi sl i m i t e d a n a l y z i n gs t a t i s t i c a lt h e o r y , w ei n t r o d u c es t a t i s t i c a lt h e o r y t h e n ，w ep r o p o s er e p l a c et r a d i t i o n a lp r e d i c t i o ne q u a t i o n sw i t hp r e d i c t i o nm o d e lf i l e s s i n et h i sf i l es u s t a i n sa l m o s ta l li i英文摘要f e a t u r e so ft h et r a i n i n gs a m p l e ，i tc a na d a p tt od i f f e r e n tt e s tg r o u p s m e a n w h i l e ，t h i sm e t h o dc a ng e tt h eg l o b a lo p t i m a ls o l u t i o nm a k i n gu s eo fc o n v e xq u a d r a t i cp r o g r a m m i n gm e t h o da n da v o i dt h ep r o b l e mo fl o c a lo p t i m a ls o l u t i o n i ti sam a j o rf e a t u r eo ft h i sp a p e rt h a tw em a k eu s eo fs u p p o r tv e c t o rm a c h i n et oe s t a b l i s ht h eb o d yc o m p o s i t i o nm o d e l 3 w eo b t a i nt h el a wt h a tb o d yc o m p o s i t i o nv a r i e sw i t ha g ea n dl i v i n gh a b i t sb ya n a l y z i n gs a m p l ed a t a w ed oap r i m a r ys t u d ya th o wt oe s t a b l i s hh u m a nb o d yh e a l t he x p e r ts y s t e mw i mt h eb o d yc o m p o s i t i o nd a t a w em a i n l yf o c u so nh o wt od e v e l o pa i la p p r o p r i a t ee x e r c i s ep r e s c r i p t i o nb a s e do nh u m a nb o d yc o m p o s i t i o n a tp r e s e n t ，t h eb o d yc o m p o s i t i o nt e s tc a no n l yp a ya t t e n t i o nt ot e s tr e s u l ta ts o m et i m e b u tt h et e s tr e s u l ta tac e r t a i nt i m ei so n l yas t a t i cv a l u ew h i c hi sn o te n o u g ht or e f l e c tt h et r e n do fh u m a nh e a l t h w ep r o p o s e ，i nt h i sp a p e r , t h a tw es h o u l de s t a b l i s hah u m a nh e a l t hd a t am a n a g e m e n ts y s t e m t h i ss y s t e mc o u l dh e l pu st om a n a g eh e a l t h yd a t ad y n a m i c l y a c c o r d i n gt ot h eh u m a nb o d yh e a l t ht r e n dr e f l e c t e db yh i s t o r yd a t a ，i tc o u l dg i v ear e a s o n a b l ee x e r c i s ep r e s c r i p t i o na n dn t r i t i o nf o r m u l a f i n a l l y , t h e s ep r o g r a m sc o u l dm a k et h er a t i o sa m o n gt h eb o d yc o m p o s i t i o n so p t i m a lb ya d j u s t i n gc o n t i n u a l l y k e yw o r d s ：b i o e l e c t r i c a li m p e d a n c e ，h u m a nb o d yc o m p o s i t i o n ，s t a t i s t i c a lr e g r e s s i o n ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，g e n e r a l i z a t i o na b i l i t y , e x e r c i s ep r e s c i p r i t i o ni i id = i 闻秘学蚺术+ 拳学持诊妒厣制樾：畜爵日l龃v i 9 1 + 丁j ，i ，、。, j -了i 山矿乙妒j 、oji 上，- 本人声翳所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：签字同期：鲤鱼盟中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。曾公开口保密( 年)作者签名：聋塑聱签字日期：立竺孕宰蛐导师签名：签字日期：j 至! 孚业第一章绪论第一章绪论1 1研究动机随着社会的进步和生活水平的提高，人们越来越注重自身健康状况。人体内各种成分维持合理的比例是保持身体健康的重要条件，当疾病发生时，人体内相关组织与器官的功能性变化往往会早于临床症状，如果能在疾病的潜伏期内检测和确认这些变化，对于相关疾病的普查、预防和早期治疗是非常有利的，因此，对人体进行体成分测试是人体健康检查的重要内容之一。人体成分的分析方法有多种( 黄锟等，2 0 0 7 ) ，陆大江( 2 0 0 2 ) 等人从精度、成本、难易度等方面对各种测量方法作了对比分析，对比结果如表1 1 所示。表i 1 人体成分分析法对比测定法费用难易度精确度脂肪分布部位水下称重法中由高不能全身空气置换法高易高不能全身稀释法高由高不能全身总钾量推算法极高难高不能全身一全身d x a 法高易向不能密度、水分等并用法高易高不能全身脂肪溶解气体法高中高不能全身皮褶厚度法低易低能局部超声波法由中由能局部c t 法极高难高能局部，全身m r i 法极高难高能局部，全身红外线法高中高不能局部人体测量估算法低易低能局部，全身生物电阻抗法由易高不能局部，全身从表1 1 可以看出，每一种测试方法都有其各自的优缺点和适用场合。目前常用于身体成分标准化评估方法有：水下称重法、空气置换法、稀释法、总钾量推算法和双能x 线吸收法( 戴昕等，2 0 0 5 ) 。关于这几种评估方法的详细介绍请参阅附录。人体是一个复杂的系统，无时无刻不在进行着复杂的变化，所以人体的成分组成也在不停的变化，如何衡量这个变化，怎样才能能够知道人体发生的变化究竟是好还是坏呢? 某一次的测量结果，能够标志着人体在该时刻所处的状态，例如，在某次测量中发现某人脂肪率偏高，这个结果能够给我们提供多少关于该被测者的健康信息呢? 这个人目前的身体是正在朝哪个方向发展，是正在增加肌肉率、降低脂肪率，还是正在从一个标准的成分构成朝肥胖方向发展，这一次的静第一章绪论态结果无法给出这些信息。因此，静态测试结果对人体健康情况的指示是不够的。对人体成分进行动态测试，也就是通常所说的跟踪监测，给出一段时间的成分变化趋势，这个趋势能够反映出人体的成分变化情况，从而判定人体健康状况的变化趋势。但是上面所提到的方法有的操作很复杂，有的对人体有一定的伤害，不利于对被测者进行跟踪测量，因而限制了这些方法在实际中的应用。从上面的对比分析可以看出，在各种分析方法中，运用生物阻抗法分析人体成分具有简捷、快速、成本低廉、无创、安全等优点，医生和测试对象易于接受，具有广阔的应用前景。一些研究证实，生物电阻抗法的测定结果与体密度法、同位素稀释法等所得的结果有非常显著的相关性，认为该法能够准确地测定人体组成( l u k a s k ih ce ta 1 1 9 8 5 ；l u k a s k ih ce ta 1 1 9 8 7 ：f u l l e re ta 1 1 9 8 9 ：c h e r t o w e ta 1 1 9 9 5 ) 。国内外基于生物电阻抗分析人体成分的仪器采用的数据分析方法大都是传统的统计回归方法，根据回归方程进行预测。采用这种方法，首先要对所研究的内容有充分的了解，得到跟因变量相关的所有参数；同时，为了降低预测的偶然误差，提高预测精度和泛化能力，需要在测试了大量数据之后，进行大样本数据分析；而且回归方程一旦确定，将会固化在软件中，很难根据实际情况进行调整，人群适应性较差。一种能够受参数维数的影响很小甚至不受影响，同时又能在样本数据较小的情况下仍能得到较高的预测精度，还能根据实际需要，动态调整预测模型参数，提高模型的人群适应能力的方法，能够使仪器得到更好的推广和应用。基于这种思想，本文对人体成分研究进行了相应的研究与探讨。1 2 研究目的根据上面提到的问题，本文的研究目的主要有以下几个：首先，要设计一种能够精确测量人体生物电阻抗的仪器，要求该仪器测量精度高、重复性好和易扩展；其次，本文将主要致力于改造现有的体成分数据分析方法，研究新的数据分析方法，建立人体成分构成的预测模型，寻求从生物电阻抗到人体成分之间的精确映射，提高模型的泛化能力：同时，针对目前该领域普遍存在的问题一没有动态监测人体健康数据的情况，研究建立人体健康信息管理数据库的方法，将每一位受试者的历史信息进行对比，以期从成分走势图上发现人体的健康变化情况，为最终给出改善人体健康情况的运动配方和营养配方提供必要的数据。总之，本文所进行的研究主要致力于建立一套人体成分构成的评测体系，用这个系统去评测每一个受测者的健康状况，同时根据测试结果给出具有针对性的2第一章绪论调整方案，以达到提高受测者的健康水平的目的。1 3 研究对象及研究限制本文最后得到的分析结果所应用的数据均是由实验室自行开发的人体成分测试装置获得的，标定该仪器的数据来自于对同一样本，在相同条件下，由d x 一2 0 0所测得的。一、研究对象( 1 ) 、针对年龄在1 8 6 5 岁之间的、健康状况良好的人群进行体成分数据采集( 健康状况良好是指没有能够影响身体水分分布的疾病) ：( 2 ) 、对采集到的数据进行分析，利用参数回归和支持向量机( s v m ) 两种方法分别给出预测模型，通过比较选择一种模型建立方法，并根据样本特征的情况不断调整和修正预测模型；( 3 ) 、针对不同的人群，根据其每天的代谢量，结合身体脂肪率等成分构成，探索建立适合其自身情况的个性化运动处方的方法。二、研究限制( 1 ) 、对受试者进行健康状况调查，选取被测样本中健康状况良好的人群作为训练样本，但是对受试者的身体质量指数范围不设限制，使样本的身体质量指数尽可能离散，从而使模型具有更一般的意义，提高模型的泛化能力和推广能力；( 2 ) 、采集的时间在每天的上午的早饭后2 小时左右，且测试之前都限制饮水量，静坐半小时左右，使测试结果尽量接近人体的实际情况；( 3 ) 、由于对于身体各个组成部分：肌肉、脂肪、水分和无机盐等成分的测试均有标准方法，但是这些方法大都采用生化方法获得数据，是有创的，因此用这些方法获得的数据量较小，属于小样本试验情况；( 4 ) 、由于本文应用的分析方法是借助于统计学方法给出的，因此，所给出的测试结果更多有统计学意义，只能作为健康情况监测，不能取代医学手段。1 4 本论文的工作及内容安排1 4 1本文的工作根据生物电阻抗的发展情况，本文提出了一种基于生物电阻抗技术的人体成分测试仪的设计。该仪器运用多频多电极法测试身体各个节段的电阻抗，在此基础上分析人体成分的构成。主要讨论了基于多频多节段的生物电阻抗测试系统的设计，其中重点的是如何根据获得的人体生物电阻抗信息得到人体成分信息，以及如何根据已有的先验3第一章绪论知识对人体成分建立统计预测模型，文章最后讨论了体成分信息的应用，以及对每个人的生活习惯有什么指导意义。1 4 2内容安排全文共分为6 章，具体内容的安排如下：第一章：绪论。这一部分主要陈述本文的研究动机与研究目的，同时介绍了后续实验所进行的条件。第二章：基于生物电阻抗技术的人体成分测试原理。这一部分首先介绍了生物电阻抗测量技术，包括理论的形成，发展历史及其应用；接着介绍了将生物电阻抗测量技术用在人体成分测试领域的相关历史与应用；最后陈述了基于生物电阻抗技术的人体成分测试原理与分析方法。第三章：仪器设计。具体介绍了人体成分测试仪的设计方法，包括硬件设计和软件设计，最后给出了测试结果。第四章：人体成分的分析方法的研究。这一章主要是介绍数据分析方法，首先给出从生物电阻抗推理人体成分的方法，接着对比了基于参数的统计回归和基于支持向量机的建模方法，最后对这两种建模方法理论的特点进行了对比。第五章：实验验证与分析。首先通过对被测样本的分析，对比了应用两种建模方法得到的预测结果，从而确定了本文所采用的建模方法一支持向量机法：接着分析了由样本数据得到的体成分规律，讨论了体成分数据受哪些因素的影响以及分析结果对人体的健康状况的指导意义。第六章：总结与展望。根据前面对体成分仪器的设计，数据分析方法的对比，体成分数据的分析结果，给出了设计体成分测试系统的必要性，同时，结合该领域目前的发展趋势，提出了该系统的改进方向与意见。1 5 名词解释生物电阻抗分析法( b i o e l e c t r i c a li m p e d a n c ea n a l y z e ，b i a )是一种通过电学方法测定人体水分的技术。原理是将微弱的交流电流信号导入人体时，电流会随着电阻小，传导性能较好的体液运动。水分的多少决定着电流通路的导电性，这个可用叫做阻抗的测定值来表示。以测定阻抗来算出人体构成成分的一般原理是利用人体水分与身高成正比，与人体阻抗成反比。身体质量指数( b o d ym a s si n d e x ，b m i )等于体重( k g ) 除以身高( m ) 的平方的值，是常用于判断肥胖程度的指标。成年人一般在1 9 - 2 4 ，就可看作正常。这并不是通过体内成分分析得出的值，它是外表肥胖的指数。是与体内脂肪总量密切相关的指标，主要反映全身性超重和4第一章绪论肥胖。生物电阻抗频谱法( b i o e l e c t r i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p y ，b i s )是对生物体进行扫频测量，并将得到的电阻抗频谱数据拟合为物理模型的一种分析方法( 孙晓燕等，2 0 0 7 ) 1 鹪推广能力将学习机器( 即预测函数，或称学习函数、学习模型) 对未来输出进行正确预测的能力。本文所用到的名词缩写人体水分总体积( t o t a lb o d yw a t e r ，t b w )细胞外液( e x t r a c e l l u l a rf l u i dv o l u m e ，e c w )细胞内液( i n n e r c e l l u l a rf l u i dv o l u m e ，i c w )脂肪量( f a tm a s s 。f m )非脂肪量( f a tf r e em a s s ，f f m )瘦物质质量( l e a nb o d ym a s s ，l b m )机器学习( m a c h i n el e a r n i n g ，m l )人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i )统计学习理论( s t a t i s t i c a ll e a r n i n gt h e o r y ，s l t )支持向量机( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，s v m )支持向量回归机( s u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n ，s v r )5第二章基于生物电阻抗原理的人体成分分析方法研究第二章基于生物电阻抗的人体成分分析方法研究2 1生物电阻抗测量技术2 1 1生物电阻抗测量技术生物电阻抗测量技术具有悠久的发展历史。1 7 8 0 年，意大利神经生理学家g a l v a n i 通过观察蛙的神经肌肉收缩现象，建立了著名的生物电理论。最早开始研究生物电阻抗的是德国科学家h e r m a n n ，在1 8 7 1 年，他成功地测量了骨骼肌的电阻。1 9 2 0 年，p h i l i p p s o n 最早认识到生物组织细胞膜电容的特性，并提出了将人体组织等效为一个电路模型( s v e r r ee ta 1 2 0 0 0 ) 。1 9 2 8 年，美国学者c o l ek s 提出生物组织的电阻抗可以用复平面上的一段圆弧来表示( 霍旭阳等，2 0 0 7 ) ，同时指出在理想情况下，生物组织在复平面上随频率变化的轨迹是第4 象限的一个半圆。1 9 3 1 年，c o l ek s 和c o l er h 发现青蛙的肌肉组织存在一个散射系数，其电阻抗在复平面上的轨迹并非一个半圆，而是第4 象限的一段圆弧，圆心在第1象限，从而提出了c o l e c o l e 圆图理论，并建立了生物组织的r ，c 三元件电路等效模型，即生物组织可以由其等效细胞内、外液阻抗z f ，磊以及等效细胞膜电容串并联后所组成的模型，如图2 。1 所示( 王文艇等，2 0 0 5 ) 7 3 6 。图2 1 人体三元件模型( u r s u l ae ta 1 2 0 0 4 ) 堙嚣1 9 5 7 年s c h w a n 指出，生物组织的散射系数并不是一个固定值，而是随着频率的变化而变化，从而提出了频散理论，表明生物组织的电特性在不同频段呈现不同的变化( hm o r e la n dmyj a f f r i n ，2 0 0 8 ) 。至此，包括生物组织的尺，c三元件等效电路模型、c o l e - c o l e 阻抗圆图理论和s c h w a n 的频散理论的生物电阻抗理论基本形成，它们是整个生物电阻抗测试的理论基础( a n d e r s o ne ce ta 1 1 9 5 9 ) 。( 1 ) 、生物组织的等效模型生物组织含有大量不同形状的细胞，这些细胞由细胞外液和细胞内液组成6第二章基于生物电阻抗原理的人体成分分析方法研究( 周黎明，2 0 0 6 ) 。从电特性上看，细胞外液和细胞内液可视为电解质，可以将细胞膜等效为电容。因此，当直流或低频电流施加于生物组织时，电流将以任意一种可能的方式绕过细胞，主要流经细胞外液；随着电流频率的增加，细胞膜电容的容抗减小，一部分电流将穿过细胞膜流经细胞内液( 侯曼等，2 0 0 4 ) 1 2 ，如图2 2 所示。所以生物组织的低频电阻抗较大而高频电阻抗较小，电阻抗值由大到小的过渡反映了生物组织细胞膜的电容性质，生物组织的这种特性最早被p h i l i p s o n ( 1 9 2 0 年) 所发现，出现了等效电路的概念。a 低频电流b 高频电流图2 2 交流电流流经细胞示意图( u l r i c he ta 1 2 0 0 6 )生物组织内单个细胞的等效电路模型如图2 3 ( a ) 所示，其中尺p 是细胞外液的电阻，c e 是细胞外液的并联电容：尺p 是细胞膜的电阻，c m 是细胞膜的并联电容；尺f 是细胞内液的电阻，c f 是细胞内液的并联电容。在低频范围内，由于电容的容抗很大，也可视为开路，从而得到如图2 3 ( b ) 所示的简化等效电路模型，此模型又被称为并联等效电路模型。由于整个生物体是由大量的细胞组成，因此生物组织的电路模型也可用图2 3 ( b ) 所示的电路等效，但是此时的c m 、r e ，c m 不仅仅代表某个细胞内、外液电阻和细胞膜电容，而是代表整个生物组织的等效内、外电阻和膜电容，这就是所谓的r 、c 三元件生物电阻抗模型( 袁成刚，2 0 0 5 ) 7 。o( a )( b )图2 3 生物组织的电阻抗模型( 袁成刚，2 0 0 5 ) 77第二章基于生物电阻抗原理的人体成分分析方法研究由图2 3 ( b ) 可推导出电阻抗方程为：z = 民+ 揣( 2 1 )其中，r 。= r e 艮= 害丧f = ( 尺，+ r 。) 巳( 2 2 )由上面的公式可知，此三元件生物电阻抗模型在复平面上的轨迹是第4 象限的一个半圆，圆心在实轴上。( 2 ) 、c o l e - c o l e 理论根据c o l e 的分析，实际生物组织具有频率特性，并非理想的等效电路能够描述的，将实际的影响因素考虑在内得到的电阻抗( 导纳) 在复平面上的轨迹并非一个半圆，而是第4 象限的一段圆弧，圆心在第l 象限，如图2 4 所示。由此提出c o l e c o l e 电阻抗特征方程如下( hm o r e la n dmyj a f f r i n ，2 0 0 8 ) ：z = 比+ 雨r 0 两- - r e o( 2 3 )其中，r o = 气+ 少2 + y 0 2艮= 毛- 4 r 2 + y 0 2口= 1 一三a r c s i n l 必l7 r、，方程中( 2 3 ) 有四个特征参数：t 、天o 、如和a ，分别代表时间常数，频率为o 时的阻抗，频率无穷大时的阻抗和松弛因子，一般在o 一1 之间取值，其大小决定圆心的位置。对图2 3 ( b ) 所示的理想电路模型，阻抗变成了纯电阻，仅= l ，其阻抗圆图是第4 象限的一个半圆，圆心在实轴上。而对实际的人体组织，驴l ，则阻抗圆变成了第4 象限的一段圆弧，如图2 4 所示。1 峥，j频率增长厂、，一j 一尼r 0 尺夏t r呵a g 0 y o )图2 4c o l e c o l e 阻抗圆图( u r s u l ae ta 1 2 0 0 4 ) 1 2 部1、：jl( 2 4 )8第二章基于生物电阻抗原理的人体成分分析方法研究其中z f 细代表在劬频率下圆弧轨迹上的复阻抗。分别计算出阻抗特征参数t 、尺o 、r 。和0 【，从而可以确定生物组织的阻抗随着频率的变化在一段圆弧上变化的情况。( 3 ) 、频散理论生物电阻抗或介电特性参数在某个频率范围内有显著的变化称为频率散射，简称为频散。1 9 7 5 年，s c h w a n 通过对生物组织频率特性的研究，发现生物组织内存在三个不同的频率散射，分别称为a 、p 、和7 频散，如图2 5 所示。o( m s c m )j l，|一1 0 31 0 2l o。，、一图2 5 生物组织的频率特性( 王文艇等，2 0 0 5 ) 9 ( 袁成刚，2 0 0 5 ) 9从图2 5 可以看出，生物组织的介电常数和电导系数。随着频率变化有三个明显的散射区域，其中0 【频散主要发生在音频频段( 几赫兹到几十千赫兹) ，1 3频散主要发生在射频频段( 几十千赫兹到几十兆赫兹) ，丫频散主要发生在微波频段( 几十兆赫以上) 。a 频散表现为细胞膜电容发生变化；在d 频段内，细胞膜的电容己基本恒定，因而随着频率的增加，膜电容的容抗逐渐减小，此时电流穿过细胞膜流经细胞内、外液的比例逐渐变大，因此表现为电导系数随频率升高而增大，介电系数随频率升高而减小( 袁成刚，2 0 0 5 ) 9 ( 王文艇等，2 0 0 5 ) 9 。通常认为，0 【频散与离子扩散有关，p 频散与细胞膜的介电特性和细胞内、外电解液的交感有关，而y 频散大多数是由生物含水物质和小分子的存在引起的。细胞的基本结构决定了生物组织的电阻抗频率在l o o h z 到i o m h z 之间，位于p 频散区内( s v e r r eg r i m n e se ta 1 2 0 0 8 ) 。由此可见，在音频频段和射频频段对生物组织介电特性的研究可以同时反映出细胞内、外液的特征，可用于进行各种临床诊断，如水肿的检测，肿瘤检测等。9第二章基于生物电阻抗原理的人体成分分析方法研究2 1 2生物电阻抗测量技术的发展生物电阻抗测量技术从产生到现在不断发展，其发展有两条主线：测量频率和测量方法。从频率上看，生物电阻抗测量技术的发展，是个由单频向多频发展的过程。在生物电阻抗测量技术发展之初，研究者主要采用单一的信号频率。在1 9 8 3 年，j a nn y b o e r 博士将容积电阻抗原理用于人体总阻抗的测量，研究将阻抗特性用于人体测量，获得了较好的效果( 班东坡，2 0 0 3 ) 。t h o m a s s e t 首先将生物电阻抗测量用于人体成分分析，他把电阻测量作为总体水量测定法的一个指标进行初始研究( 李光明，1 9 9 9 ；刘群，1 9 9 1 ) 。从此，生物电阻抗测量技术便进入了一个新的领域。随着研究的不断深入，研究者发现采用单一的激励频率得到的人体生物电阻抗信息不够丰富，为了获得更加丰富的人体阻抗信息，需要在获得阻抗幅值的同时获得相角，因而出现了采用多频激励信号的生物电阻抗测量技术。美国学者m ak h a l e d 总结了生物电阻抗测量系统采用的激励频率情况，得到的结论是；单频系统采用的频率多为5 0 k h z ，多频系统频率范围在5 到5 0 0 k h z 之间( m a k h a l e d ，m k h a t u n ，1 9 9 5 ) ( 袁成刚，2 0 0 5 ) 。在测量的激励频率不断发展的同时，测量方法也不断进步。最早用电桥法测量生物组织的电阻抗，由于该法操作比较困难，精度不高，所以实际中很少应用了。g e d d e sl a 提出了双电极测量技术，但是由于双电极法的电流分布不均匀，从而误差较大，因此后来又出现了四环电极法，但是由于这种方法很难用在人体测量上，因此被四电极法取代( 孙伟，2 0 0 6 ) 。w a r s a w 理工大学的t p a l k o 以及f b i a l o k o 等学者研制出一套生物电阻抗测量系统，采用多频技术能够提取生物电阻抗的幅值。国外生物电阻抗技术的基础研究水平较高，主要集中在以下几个方面：生物电阻抗测量技术及测量装置的研究；建模及参数提取的研究以及测量方法。国内学者在生物电阻抗测量技术的研究上也有不少成果，主要偏向于应用。第四军医大学的付峰、减益民、董秀珍等，应用四电极法建立了一套测试系统，该系统能够测试生物组织的频率特性。重庆师范学院物理系的唐敏设计出了一套能方便、实用、快速、准确且低成本的测量细胞内、外液的电阻抗分布的装置。第四军医大学生物医学工程系的霍旭阳，尤福生，史学涛等设计了一种基于数值频率合成技术的多频率、高精度生物电阻抗测量系统。中国医学科学院、中国协和医科大学生物医学工程研究所的王慧艳、任超世根据血液的电阻抗一频率特性和典型的三元件血液模型，提出了一种研究血液电特性的新方法一多频率电阻抗法( z h um e i l i ne ta 1 2 0 0 3 ：s m o l aaje ta 1 1 9 9 8 ) 。1 0第二章基于生物电阻抗原理的人体成分分析方法研究纵观国内外生物电阻抗测量技术的现状，测量系统逐渐由试验向临床应用转变，测量技术不断提高，测量精度不断提高，这些都为生物电阻抗测量技术的实际应用的扩展奠定了坚实的基础。2 1 3生物电阻抗测量技术的应用利用生物电阻抗所携带的丰富生理和病理信息，进行人体组织与器官的无损伤功能评价( 王育才等，1 9 9 4 ) 具有很好的应用前景。它可以监测营养状况体液平衡状况，提供人体成分正常值范围，评价生长发育等。生物电阻抗技术提取的电特性信息，对那些影响组织与器官电特性的因素，如血液的流动与分布，肺内的血气交换，体液变化与移动等非常敏感，应用这个特性，进行心、脑、肺及相关循环系统的功能评价，肿瘤的早期发现与诊断以及人体组成成份分析等功能性评价，将使生物电阻抗技术显示优越性，展现其诱人应用前景的广阔天地。目前，国内外将生物电阻抗技术应用于临床研究的主要有以下几个方面：心、脑、肺血管与循环系统功能检测；体内水分的测量及水肿的检测：病变组织的检测及组织的分类；电阻抗断层成像技术( e i t ) ( 袁成刚，2 0 0 5 ) 。不同组织、器官具有不同的结构特点和组成成份，表现出相应的电阻抗特性。今后，生物电阻抗技术的发展和应用主要有以下几方面( 王文艇等，2 0 0 5 ) 1 2 1 ：l 、现行血流图技术的改善与提高人体等效电路模型能够更加准确地描述人体组成：细胞外液、细胞内液和细胞膜的电特性，从而分别提取血液、组织、器官等组织的特征参数，使用更加准确的阻抗量化关系，这样，血流图用于评价人体功能变化的临床应用效果将明显提高。2 、缺血监测在一些心脏手术过程中心脏被人工停止跳动，在这过程中，医生没有任何关于心肌状况的信息，唯一可控制的参数是血液循环恢复的时间( 缺血期) 。因此，一个能指示因缺血而对心脏造成的损害的系统很有意义。3 、肿瘤的早期发现与诊断不同的组织存在不同电导参数，可以用生物阻抗来识别不同的组织。采用对细胞变异敏感的生物电阻抗技术，可在细胞发生癌变的早期获取相关信息，为肿瘤的早期发现、及时治疗和康复监测提供一种有效的无损检测手段。4 、生物阻抗成像将电阻抗的变化信息还原成图像就是电阻抗断层成像e i t ，它通过配置于人体表的电极阵，提取人体组织或器官的电阻抗信息，反映人体内部解剖学结构或生理变化。有研究发现，肌肉生物电阻抗与肌肉收缩张力成正比，肌肉收缩时，1 1第二章基于生物电阻抗原理的人体成分分析方法研究电阻抗增加。e i t 能够提取与人体生理、病理状态相关的组织或器官的电特性信息，使用计算机重建算法处理数据，从而得出反映组织、器官功能状态及其变化规律的功能性图像结果。e i t 能够从生物电阻抗所带的丰富的生理和病理信息，实现功能成像，这是它的突出优点。5 、人体组成成分测定不同的组织器官具有不同的构成特点和组成成份，表现出相应的阻抗特性。使用全信息的阻抗方法可以准确地检测和区分出脂肪、肌肉、矿物质和含水物质等人体组成成份。通过人体组成成分测定，可以评价儿童生长发育中的营养状况，科学地判断肥胖，正确地指导减肥和健美锻炼以及相关疾病的诊断等。2 2基于生物电阻抗技术的人体成分测量2 1 4基本原理基于生物电阻抗的测量法是一种用来评估身体成分的间接方法，其基本思路是将微弱的交流电信号导入人体时，电流会沿着电阻小、传导性能好的体液流动。水分的多少决定了电流通路的导电性，可用阻抗的测定值来表示。大量实验数据表明，人体的电阻抗特性同体成分之间存在统计关系，这就是基于生物电阻抗技术的体成分测量原理。2 1 5发展历史测量人体成分是生物电阻抗测量技术的一个应用，因而跟生物电阻抗测量技术相似，它也经历从单频测量到多频测量的发展历程。早在1 9 4 0 年，b a r n e t t 观察到总体的电阻和电容抗与机体的水分含量有关；1 9 6 2 年t h o m a s t t 预报了t b w 与人体的电阻抗之间的相关性；这个相关性在1 9 6 9年得到了h o f f e r 的证实。1 9 8 5 年l a k a s k i 用生物电阻抗法研究体成份，证明b i a的测定值与体密度及总体4 0 k 测定总体水的相关性很好。在用b i a 分析阶段，研究者大都采用单频信号作为激励信号，最典型的就是5 0 k h z 的信号( k y l ee ta 1 2 0 0 4 ) ，因为有研究发现，5 0 k h z 下测得的t b w 跟用d x a 法测得的t b w 没有显著性差异( h m o r e la n dm y j a f f r i n ，2 0 0 7