基于阻抗測(cè)量與藍(lán)牙技術(shù)的水腫監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制

喻聰龍，趙興群

東南大學(xué) 生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210096

基于阻抗測(cè)量與藍(lán)牙技術(shù)的水腫監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制

喻聰龍，趙興群

東南大學(xué) 生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210096

人體水腫通常能夠預(yù)示多種內(nèi)部的疾病，如高血壓、糖尿病、充血性心臟病等。本文介紹了一種實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)身體健康狀態(tài)（尤其是老年人）的水腫監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)采用四電極測(cè)量法測(cè)量人體阻抗，通過(guò)人體阻抗值評(píng)估人體水腫狀態(tài)，從而達(dá)到間接監(jiān)護(hù)人體健康的目的；采用藍(lán)牙4.0低功耗無(wú)線技術(shù)，將采集、分析、處理過(guò)的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送、顯示、存儲(chǔ)到移動(dòng)電子設(shè)備（如智能手機(jī)）。與臨床系統(tǒng)相比，該水腫監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有便攜、實(shí)時(shí)的優(yōu)勢(shì)。

阻抗測(cè)量；藍(lán)牙技術(shù)；水腫監(jiān)護(hù)；四電極測(cè)量法；移動(dòng)醫(yī)療

0 前言

水腫是指血管外的組織間隙中有過(guò)多的體液積聚，是一種常見(jiàn)的病理過(guò)程。水腫通常會(huì)預(yù)示著一些內(nèi)部的疾病，如高血壓、糖尿病、充血性心臟病等疾病。因此，對(duì)水腫的檢測(cè)在臨床中有著重要的意義。當(dāng)疾病發(fā)生時(shí),相關(guān)組織與器官的功能性病變往往會(huì)先于器質(zhì)性病變及其它臨床癥狀發(fā)生,如能在疾病的潛伏期或功能代償期及時(shí)檢測(cè)和確認(rèn)這些變化,對(duì)于相關(guān)疾病的普查、預(yù)防和早期治療將是非常有利的。生物電阻抗技術(shù)的生理信息豐富、無(wú)創(chuàng)、安全等特點(diǎn)，使得其在臨床預(yù)防和監(jiān)測(cè)方面有著很廣的應(yīng)用，因此，生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于水腫相關(guān)病情的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和診斷有著重要的意義。

近年來(lái)，移動(dòng)醫(yī)療逐漸興起，成為疾病管理、健康行為評(píng)估、健康行為干預(yù)的重要領(lǐng)域[1]。根據(jù)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)發(fā)布報(bào)告預(yù)測(cè)和艾媒咨詢的數(shù)據(jù)則顯示，到2017年底，全球移動(dòng)醫(yī)療市場(chǎng)的發(fā)展規(guī)模將到達(dá)230億美元，而中國(guó)移動(dòng)醫(yī)療市場(chǎng)收入也將突破百億元,其中可穿戴便攜醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)銷售規(guī)模將近50億元。隨著智能手機(jī)的普及，醫(yī)療數(shù)據(jù)將逐漸集中到智能手機(jī)終端平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程診斷。隨著生理傳感器和無(wú)線通信市場(chǎng)以及云平臺(tái)的成熟，每個(gè)家庭將自己的智能手機(jī)或平板電腦作為生理參數(shù)的監(jiān)護(hù)中心，將成為必然的趨勢(shì)。

本課題設(shè)計(jì)的水腫監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，能夠?qū)⒉杉?、分析、處理過(guò)的水腫阻抗數(shù)據(jù)在智能手機(jī)上顯示、存儲(chǔ)，這對(duì)于該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的便攜化、實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)以及普及推廣具有重要意義。

1 生物阻抗和水腫研究現(xiàn)狀

在國(guó)外，Hoe等人[2]通過(guò)對(duì)子宮頸阻抗的測(cè)量來(lái)鑒別早產(chǎn)（2004）；Mellert，F(xiàn)等人[3]采用電生物阻抗進(jìn)行心肌局部缺血的診斷（2011）；Kristie L.Bell等人[4]通過(guò)生物電阻抗評(píng)估腦性癱瘓兒童的全身含水量（2012）；Kristina Norman等[5]利用生物電阻抗分析對(duì)人體進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)評(píng)估和監(jiān)測(cè)（2012）；Zina Maria等人[6]通過(guò)生物電阻抗，尤其是容抗參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)敗血性休克和器官功能障礙在兒童體內(nèi)的演化（2013）。在國(guó)內(nèi)，陸駿等人[7]利用生物阻抗法進(jìn)行心排血量的測(cè)量（2006）,李章勇等人[8]利用生物阻抗技術(shù)進(jìn)行消化不良和胃動(dòng)力方面的研究（2009）；丁強(qiáng)等人[9]利用生物阻抗進(jìn)行肉制品品質(zhì)的檢測(cè)(2009)。目前，對(duì)水腫的研究主要集中于腦部水腫血腫方面，如Mingxin Qin[10]利用FDTD方法鑒別腦部水腫;其他的水腫研究有利用短期倒譜分析進(jìn)行聲帶水腫的檢測(cè)[11]等。對(duì)于下肢水腫檢測(cè)的研究較少，F(xiàn)ontaine,C[12]利用光電感應(yīng)裝置進(jìn)行水腫程度的檢測(cè)；Michael Mimouni[13]等人利用斷層掃描研究黃斑囊樣水腫病人的黃斑體積參數(shù)與視敏度的關(guān)系。Chia-Wen Chiang[14]等用磁共振成像技術(shù)定量血管性水腫中的白質(zhì)束擴(kuò)散參數(shù)，但是這樣的方法是在器質(zhì)性病變發(fā)生之后才能進(jìn)行檢測(cè)的，這樣就不能進(jìn)行疾病的早期檢測(cè)，而生物阻抗技術(shù)能反應(yīng)組織的功能性病變，對(duì)疾病的早期檢測(cè)有著重要的意義。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由控制芯片、DDS信號(hào)發(fā)生、信號(hào)放大處理、信號(hào)檢測(cè)和無(wú)線通信5個(gè)模塊組成，見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 微處理器模塊

根據(jù)系統(tǒng)的低功耗和穩(wěn)定處理數(shù)據(jù)能力的需要，微處理器單元采用TI公司的cc2540芯片。該芯片的功能十分強(qiáng)大，除了滿足CPU對(duì)其他各個(gè)模塊的控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，還能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理以及無(wú)線傳輸。其豐富的I/O資源更能為其他模塊的加入整合提供了可能，方便了產(chǎn)品的升級(jí)、擴(kuò)展，使產(chǎn)品具有更好的功能集成性。

2.2 DDS信號(hào)發(fā)生模塊

直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)的誕生，使信號(hào)發(fā)生器有了進(jìn)一步的飛躍。系統(tǒng)采用TI公司的AD9838芯片構(gòu)成DDS信號(hào)發(fā)生模塊，其主要作用是通過(guò)向人體注入合適的正弦電流信號(hào)來(lái)進(jìn)行阻抗測(cè)量。

系統(tǒng)中的信號(hào)發(fā)生器由DDS芯片AD9838、緩沖放大、低通濾波等三個(gè)部分組成，為輸出平滑的正弦信號(hào)提供了保證。

2.3 信號(hào)處理模塊和信號(hào)檢測(cè)模塊

信號(hào)處理模塊主要由OPA4344和INA2322芯片構(gòu)成，其功能是對(duì)要測(cè)量的阻抗信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大處理，便于之后的信號(hào)測(cè)量采樣。

信號(hào)檢測(cè)模塊則是以 AD8032芯片為核心構(gòu)建而成的電路模塊。AD8302主要有測(cè)量、控制和電平比較3種工作方式，本文使用它的測(cè)量模式，幅相測(cè)量電路主要由輸入緩沖、AD8302兩部分組成。

2.4 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊采用TI公司推出的CC2540芯片進(jìn)行無(wú)線通信。CC2540集成了2.4 GHz射頻收發(fā)器，是一款完全兼容8051內(nèi)核的無(wú)線射頻單片機(jī)，它與藍(lán)牙低功耗4.0協(xié)議棧共同構(gòu)成高性價(jià)比、低功耗的片上系統(tǒng)解決方案，非常適合藍(lán)牙低功耗應(yīng)用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的功能主要分為DDS驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)的軟件校準(zhǔn)、Cole模型和人體阻抗等效模型參數(shù)的求取、藍(lán)牙數(shù)據(jù)的傳輸以及手機(jī)客戶端的監(jiān)護(hù)。

3.1 DDS驅(qū)動(dòng)

DDS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)AD9838的操作采用并行模式，在并行模式下寄存器的操作是通過(guò)8位總線實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)反復(fù)進(jìn)行5次寫(xiě)操作將40位字頻率控制字寫(xiě)入寄存器，可以控制生成具有不同頻率的正弦信號(hào)，為本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多頻條件下測(cè)量人體阻抗提供了基礎(chǔ)。

3.2 系統(tǒng)校準(zhǔn)

由于芯片、電阻、電容等模擬器件的性能和參數(shù)與理想器件狀態(tài)間的差異，并且AD8302在低頻部分使用時(shí)本身存在誤差，因此，系統(tǒng)需要進(jìn)行校準(zhǔn)。

系統(tǒng)校準(zhǔn)采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸擬合，從而得到各頻率點(diǎn)的斜率和截距兩個(gè)值，斜率用mV/dB表示，截距為回歸直線外延與水平軸的交點(diǎn)。

設(shè)（xi,yi）（i=1，2，3….，n）為取得的一組測(cè)量數(shù)據(jù)，則回歸函數(shù)為：

樣本回歸直線為：

在20 kHz處對(duì)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果，見(jiàn)圖2，（a）圖為對(duì)幅值的擬合，得到? =30.7，b? =923.9；（b）圖為對(duì)相位的擬合，? =-10.8，b? =843.7。

即有

這樣根據(jù)公V式（7）（8）即可較精確的求出待測(cè)阻抗的幅值和相位信息。再用同樣的方法分別對(duì)其他頻率點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖2 20 kHz時(shí)人體阻抗幅值和相位數(shù)據(jù)的擬合

3.3 Cole模型參數(shù)和人體阻抗等效模型參數(shù)的求取[15-16]

建立生物組織內(nèi)單細(xì)胞的等效電路模型（圖3a），其中Re是細(xì)胞外液的電阻，Ce是細(xì)胞外液并聯(lián)電容；Ri是細(xì)胞內(nèi)液的電阻，Ci是細(xì)胞內(nèi)液并聯(lián)電容；Rm是細(xì)胞膜的電阻，Cm是細(xì)胞膜并聯(lián)電容。在低頻范圍內(nèi)（低于1MHz）,細(xì)胞膜的漏電阻Rm很大，可視為開(kāi)路，故可得到簡(jiǎn)化等效電路模型（圖3b）所示的，其中Ri代表整個(gè)生物組織內(nèi)細(xì)胞內(nèi)液的電阻， Re代表整個(gè)生物組織內(nèi)細(xì)胞外液的電阻，Cm代表整個(gè)生物組織內(nèi)細(xì)胞膜并聯(lián)電容。

圖3 生物組織等效電路模型

由圖3(b)所示的模型可以推導(dǎo)電阻抗方程為：

根據(jù)Cole的分析，實(shí)際生物電阻抗在復(fù)平面的軌跡是第四象限的一段圓弧，并非半圓，圓心在第一象限，稱為阻抗圓圖或Cole-Plot,其圓心位于實(shí)軸以下，由此提出了Cole-Cole電阻抗特征方程

其 中，τ=(Ri+Re)Cm，R0=Re，R∞=RiRe/(Ri+Re)。Cole-Cole電阻抗特征方程含有4個(gè)參數(shù)τ、R0、R∞、α，其中τ代表時(shí)間常數(shù)，R0代表頻率為0處的電阻抗，R∞代表頻率為∞處的電阻抗，α為松弛因子，一般在0～1之間取值，其大小決定圓心的位置。本系統(tǒng)將最小二乘擬合法應(yīng)用于Cole-Cole圓圖擬合，得到理論圓心坐標(biāo)（a,b）及半徑R，進(jìn)而得出τ、R0、R∞、α。

然后根據(jù)Cole-Cole模型與阻抗方程(9)式的關(guān)系可以得到模型中的參數(shù)量：

3.4 藍(lán)牙數(shù)據(jù)的傳輸

藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)的軟件平臺(tái)為IAR Embedded Workbench。硬件基礎(chǔ)則采用了cc2540芯片內(nèi)部集成的藍(lán)牙模塊。檢測(cè)模塊采集到的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、算法處理后得到數(shù)字信號(hào)，藍(lán)牙模塊以及外配的陶瓷天線將信號(hào)手機(jī)客戶端。cc2540內(nèi)部藍(lán)牙模塊采用了4.0低功耗技術(shù)，使用它進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，既節(jié)省了硬件資源，又滿足了系統(tǒng)低功耗、節(jié)能的要求。

3.5 手機(jī)客戶端的監(jiān)護(hù)

手機(jī)客戶端接收系統(tǒng)處理、傳輸過(guò)來(lái)的無(wú)線數(shù)據(jù)。并在配套的手機(jī)客戶端APP上顯示（圖4）。綠色、藍(lán)色線分別代表了人體阻抗的幅值和相位的變化情況，十分清晰易懂，便于受試者直接觀察以及后期的數(shù)據(jù)收集和處理。

4 總結(jié)與展望

本文在研究生物阻抗和水腫發(fā)展背景的基礎(chǔ)上，基于藍(lán)牙4.0技術(shù)，設(shè)計(jì)一套生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)。此后，利用本系統(tǒng)進(jìn)行水腫監(jiān)護(hù)的初步研究。在數(shù)名受試者靜坐模擬腿部水腫過(guò)程中記錄阻抗值，研究阻抗和水腫時(shí)間的關(guān)系，并比較不同頻率間阻抗變化區(qū)別。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多頻測(cè)量，利用最小二乘法進(jìn)行Cole模型擬合，并結(jié)合阻抗方程，尋找水腫程度檢測(cè)的參數(shù)。

由于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)到的功能模塊較多，并且只利用系統(tǒng)做了初步試驗(yàn)，所以后期還需要做以下工作：

（1）由于系統(tǒng)本身電路結(jié)構(gòu)的限制，使其在低頻部分的測(cè)量精度不是很高，必須對(duì)系統(tǒng)中各單元電路作進(jìn)一步調(diào)整，以提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

（2）水腫的實(shí)驗(yàn)對(duì)象僅是健康的男性，并沒(méi)有進(jìn)行正常人群和水腫病人之間阻抗的對(duì)比。

（3）系統(tǒng)的界面不夠人性化，參數(shù)提取等算法有待優(yōu)化，如Leigh C Ward等人提出僅利用四個(gè)頻率點(diǎn)的幅值來(lái)擬合Cole模型。

（4）后期需要構(gòu)建人體阻抗數(shù)據(jù)庫(kù)、搭建客戶端與專家間的通信平臺(tái)。人體阻抗數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)客戶端阻抗數(shù)據(jù)，以便于專家提取信息，并及時(shí)提供專業(yè)建議給客戶端，從而實(shí)現(xiàn)身體健康狀態(tài)（尤其是老年人）的實(shí)時(shí)、有效監(jiān)護(hù)。

圖4 在Android智能手機(jī)客戶端顯示阻抗數(shù)據(jù)

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Development of Edema Monitoring System Based on Impedance Measurement and Bluetooth Technology

YU Cong-long, ZHAO Xing-qun
School of Biological Science and Medical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China

Human body edema can often indicate a variety of internal diseases, such as high blood pressure, diabetes, congestive heart. In this paper, the design of an edema monitoring system used to monitor health condition (especially the elderly) in real time is introduced. The system adopts four electrode method to measure body impedance, and assesses human body edema state through the body impedance values, such monitoring the state of human health indirectly. The system collects, analyzes and processes the relevant data, and then transmits, displays, stores them to mobile electronic devices (such as smart phones) in time. Compared with the clinical system, the edema monitoring system has the advantages of being portable and real-time.

impedance measurement; bluetooth technology; edema monitoring; four electrode method; mobile health care

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.01.005

1674-1633(2015)01-0019-04

2014-10-05

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金（BY2014127-04）

作者郵箱：ndt@seu.edu.cn