根据人体的电阻抗特性与体成分之间存在统计关系，通过检测相应的电阻抗及其变化，依据生物电阻抗分析法，利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术，是人体健康检查的重要内容之一。

　　中图分类号：TM934.73 文章编号：1674-2583(2019)09-0009-02

　　DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.09.004

　　中文引用格式：张璐雅，赵静，阮景.一种生物电阻抗家庭健康检测装置的设计[J].集成电路应用, 2019, 36(09): 9-10.

　　Household Health Detection Device for Bioelectric Impedance

　　ZHANG Luya, ZHAO Jing, RUAN Jing

　　Abstract — According to the statistical relationship between the electrical impedance characteristics of human body and the body components, by detecting the corresponding electrical impedance and its changes, according to the bioelectric impedance analysis method, It is one of the important contents of human health examination to extract biomedical information related to physiological and pathological conditions by using the electrical characteristics of biological tissues and organs and their changing laws.

　　Index Terms — bioelectricity, impedance analysis, excitation power supply, measurement frequency.

　　1 引言

　　生物电阻抗分析法是一种用以评估身体成分的间接方法，人体的电阻抗特性与体成分之间存在统计关系。鉴于人们生活对健康的需求，适用于家庭的人体健康状况检测仪受到越来越多的重视，结合现代生物医学工程技术的发展情况和信息技术的发展成果，我们对一种生物电阻抗家庭健康检测装置开展研究。“生物电阻抗家庭健康检测装置”可以作为社区公共医疗健康保障的组成部分。该装置主要完成生物电阻抗的信息采集功能，分布于社区的各个家庭，住户个人可以按照约定时间自主完成自身生物电阻抗测量，通过社区的无线通信网络，将测量结果自动传递到社区公共健康检测中心，由检测中心统一进行信息处理、保存和管理。该系统的最终目标是实现一套社区公共健康检测及信息管理辅助系统。

　　2 关键问题

　　根据生物电阻抗测量采集和信息管理需要，该生物电阻抗家庭检测装置，包括激励电源生成、电阻抗检测与转换、计算处理、电阻抗显示、按键输入、无线通信接口等部分，系统设计需要解决的关键问题包括：（1）激励电源生成：生成激励电源恒流信号，通过电极给人体施加激励信号，以便经过人体流动形成测量所需的电信号。（2）电阻抗检测与转换：实时提取测量电极的输入信号，先进行滤波、放大、整形等处理，并将模拟信号转换为数字信号，然后送至处理机进行处理。（3）计算处理：按照设定的时间间隔实时采集生物电阻抗信息，设计电阻抗算法，根据所测量信息计算出电阻抗值。（4）电阻抗显示：显示由处理机在规定时间段内多次测量的平均电阻抗值，包括检测装置上的液晶显示和社区公共健康检测中心的测试结果显示。（5）按键输入：设置多个功能按键，处理机可以根据按键输入设定相应测量功能。（6）无线通信接口：提供家庭检测装置和社区检测中心之间的信息传递通道，通过无线网络，把来自家庭检测装置处理机的电阻抗值，通过通信协议，送至社区公共健康检测中心，以便为住户个人健康档案提供基础数据。

　　3 系统方案

　　基于生物电阻抗技术的体成分测量方法是一种间接推算的过程，其准确性依赖于人体的成分模型。由于人体可以简化为脂肪物质和非脂肪物质，非脂肪物质又可以分为水分、蛋白质和无机盐。非脂肪组织具有比脂肪组织更小的电阻抗，当交流电加于人体时，电流将主要通过非脂肪组织。引起非脂肪组织导电的主要物质是电解质水，包括细胞内液和细胞外液。由于细胞膜电容的存在，在低频情况下，细胞膜的容抗很大，电流基本上不能穿过细胞膜，只能通过细胞外液；随着电流频率的增加，细胞膜的容抗逐渐减小，通过细胞内路径的电流的比例将随之增大。

　　由于测量所得的是电压降，通过计算得出电阻抗值 Z，该电阻抗包括了电极与被测阻抗间的接触阻抗 Z1、Z2，即 Z＝U/I＝Z1＋Z2＋Zx，并且接触阻抗会随着人体皮肤与电极之间的接触状况而发生变化, 因此需要采用敏感电极来测量电压，只要电流恒定并且敏感电极对输入阻抗足够大就能消除接触电阻抗（Z1、Z2）的影响，才能得到准确性较高的电阻抗值 Zx。因此，我们所研制的人体电阻抗家庭健康检测装置，基于四电极结构，以 50 kHz 正弦波为激励，站立式测量腿对腿间的电阻抗。系统总体思路是：四电极结构由一对激励电极和一对敏感电极组成，利用 MSP430 单片机控制生成 50 kHz 正弦波恒流信号；该信号通过与人体脚掌皮肤接触的激励电极对施加到被测人体上，形成被测人体等效电阻抗的电压；利用敏感电极对所测量的电压来计算被测人体腿对腿间的生物电阻抗，并在显示单元显示测量结果。

　　需要说明的是，研究表明在人体中阻抗和电阻的值仅仅相差约 2～3 Ω，这样的阻值差可以被忽视掉，因此在生物体电阻抗法中，可以用电阻值来近似代替阻抗。

　　（1）电极位置选择。系统所用的四电极结构，通过高输入电阻和高共模抑制比的差分放大器，既解决接触电阻的问题，又可以忽略共模电压。

　　（2）测量频率。根据文献[1]所提供的人体电阻抗谱图和文献[2]研究结果，在特征频率 fc 上，人体电阻抗的虚部 |X| 最大，人体中的脂肪和非脂肪成分同时得到最大的体现，因此选 fc 作为测量频率。通常人体特征频率为 50 kHz。

　　（3）测量电路。系统以单片机为核心，总体框架如图 1 所示。其工作过程如下：首先利用 MSP430 单片机的可编程时钟输出，产生 50 kHz 的方波信号，经过滤波电路后变成正弦电压 Ui；借助电压-电流转换电路，转换出幅值不超过 800μA 的恒流 I，经电极先后通过被测人体电阻 Rx 和标准电阻 Ro；由单片机控制多路选择开关电路，分别选通被测电阻和标准电阻，经过差分放大器，将被测人体阻抗和标准电阻两端的电压降 Ux 和 Uo 送至整流电路，并经低通滤波器转换成直流量 Ux 和 Uo；经 ADC 转换器将 Ux 和 Uo 模数转换的结果送给 MSP430 单片机，按照预定算法计算得到结果 Rx，并送至液晶显示电路显示和无线接口上传。

　　（4）对外接口。① USB 接口：用于注册信息写入（小区编号+装置编号等）。② 无线接口：用于家庭检测装置与健康检测中心之间的数据传递。

　　（5）操作功能设计。设计按键输入电路，用于功能选择和操作（如同一装置的不同个体）。① 功能键初步考虑：启动键 GO 用于启动检测开始。设置键 SET 用于功能设置的进入和退出。选择键 DAT 用于相关初始值的选择。② 操作举例：步骤 1 打开检测装置电源开关，液晶初始显示“电阻抗值：0000”。步骤 2 第一次按下 SET 键，显示“测量次数：XX”，XX 闪烁（默认上次设置值），此时每按一次 DAT 键，则按照 10，20，30，10,…… 的顺序依次变更 XX 显示值。步骤 3 第二次按下 SET 键，显示“测量个体：0X”，X 闪烁（默认上次设置值），此时每按一次 DAT 键，则按照 0，1，2，3，……，7，0，…… 的顺序依次变更 X 显示值。步骤 4 第三次按下 SET 键，退出设置状态，显示“电阻抗值：XXXX”（默认值 0000）。步骤 5 人体脚踩测量电极，按下 GO 键，电极加电装置进入测量状态，3 s 后显示实际测量电阻抗值 XXXX，待所需测量次数完成后，提示音提示检测结束，并通过无线接口发送给检测中心。如果液晶能同时显示 3 行不同值，并且“测量次数”和“测量个体”所显示的正是被测人，则可以直接按下 GO 键进行检测（即步骤 2，步骤 3，步骤 4 可以省略）。

　　4 结语

　　本系统针对社区家庭健康个人检测问题，提出并设计了基于生物电阻抗的家庭健康检测装置系统，其创新点如下：（1）分析研究了人体健康和家庭检测模式的需求，选择了生物电阻抗作为日常观测人体健康状态的一项标准；（2）研究提出了人体生物电阻抗的检测方法和实现方案；（3）设计实现了家庭健康检测装置的系统软硬件方案。

　　参考文献

　　[1] Cole K S,Cole R H.Dispersion and absorption in dielectrics[J].The Journal of Chemical Physics,1941,9(4)：341-35.

　　[2] 刘加恩,董永贵,葛凯.适用于家庭健康检测的生物电阻抗测量系统[J].清华大学学报(自然科学版),2007(08):1330-1333.