基于生物電阻抗技術的人體成分測量裝置的設計

人體的組成成份及變化情況是評價人們營養狀況和健康水平的重要因素。人體成分的分析越來越受到生理學家、營養學家及醫生的重視。肥胖已成為在全球范圍患病人數迅速增加的一種流行性疾病，我國也不例外。特別是人體體內的脂肪含量的分析，對于評價人的營養狀況、體質研究、臨床疾病治療具有重要的意義。對人體成分的測定方法有很多，如水下稱重法、核磁共振法、同位素稀釋法等，這些方法都需要特殊的儀器和設備，且儀器設備大多價格昂貴。針對這種情況，本文根據生物組織電阻抗特性，應用生物電阻抗技術設計制作了安全、無損傷、價廉的人體成分測量裝置。生物電阻抗技術是利用生物組織與器官的電特性來提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫學信息的無創檢測技術。其基本測量方式是通過體表電極向檢測對象施加安全的激勵電流，并使用體表電極檢測相應的電壓變化，獲取相關信息。

檢測原理

人體阻抗特性

人體的基本構造是細胞，每個細胞有一層細胞膜，細胞膜內包裹著細胞內液，在細胞間充盈著細胞外液。細胞膜由雙層磷脂分子和蛋白質組成，細胞內液和細胞外液都相當于電解質溶液，因此細胞膜的導電性遠小于細胞內外液，近似為絕緣體。當直流或低頻電流施加于生物組織時，由于細胞膜的存在，電流將以任意一種可能的方式繞過細胞，主要流經細胞外液;當施加高頻電流時，電流穿過細胞膜，流經細胞內液。

實驗表明，當電流頻率小于50kHz時，電流主要流過細胞外液體;當電流頻率在200kHz以上時，電流可穿過細胞膜。

電流流過生物組織時細胞膜等效于電容，而細胞內外液等效于電阻。對于整個生物組組織，可視為無數的細胞的集合，在低頻電流流過時，由于細胞膜的容抗作用，等效于無數的電容并聯對電流具有容抗作用，等效于一個總電容，根據cole-cole模型，當高頻的電流施加于生物組織時，由于細胞內外液的電阻抗遠大于細胞膜電容抗，可忽略容抗作用，只考慮電阻抗。其等效電路模型如圖1所示，圖中Ri、Rm分別是細胞內液、外液電阻，C為細胞膜電容。