黃耐寒，陳 香，王從政，董中飛

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系，合肥市，230027

面向手機(jī)應(yīng)用的皮膚水分與人體脂肪測(cè)量系統(tǒng)的研制

【作 者】黃耐寒，陳 香，王從政，董中飛

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系，合肥市，230027

將生理參數(shù)測(cè)量功能嵌入到手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備是移動(dòng)健康的發(fā)展趨勢(shì)。該文研究了皮膚水分和人體脂肪含量?jī)煞N生理參數(shù)的測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了可貼在手機(jī)表面的、方便嵌入手機(jī)的測(cè)量電極。數(shù)據(jù)處理方面，實(shí)驗(yàn)探索方便快速的測(cè)量方法，皮膚水份和全身體脂測(cè)量結(jié)果，與商用產(chǎn)品相比，均方誤差小于4%，相關(guān)性高達(dá)0.9以上。此外，局部體脂測(cè)量表明，局部體脂含量與局部體阻抗間有接近線性的正相關(guān)關(guān)系。

移動(dòng)健康；皮膚水分；全身體脂含量；局部脂肪含量

0 引言

隨著智能手機(jī)的發(fā)展，把人體生理參數(shù)測(cè)量和健康監(jiān)護(hù)功能嵌入到手機(jī)上逐漸成為可能。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究，如基于手機(jī)的心電、心率、體溫、血氧和血糖等生理參數(shù)測(cè)量[1-4]以及基于手機(jī)的移動(dòng)健康監(jiān)護(hù)[5-6]等。

隨著生活水平的提高，人們對(duì)健康有了更高的要求，皮膚水分、人體脂肪含量成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜容^關(guān)心的生理參數(shù)。皮膚水分和人體脂肪含量的測(cè)量大都是基于生物電阻抗原理，目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了一些具備類(lèi)似功能的產(chǎn)品，缺點(diǎn)是便攜性不夠好，一些脂肪儀體積與常見(jiàn)的體重計(jì)相當(dāng)。

本文以皮膚水分測(cè)量、全身體脂測(cè)量和局部體脂測(cè)量為研究對(duì)象，探索可將皮膚水分和體脂測(cè)量與手機(jī)功能擴(kuò)展相結(jié)合的傳感技術(shù)。具體方法為：從小型化可嵌入手機(jī)等手持移動(dòng)設(shè)備的出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)測(cè)量電極和處理電路，采集大樣本數(shù)據(jù)修正測(cè)量公式以達(dá)到與商用產(chǎn)品相當(dāng)?shù)木_度，并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量效果進(jìn)行評(píng)估。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the hardware

系統(tǒng)采用AD5933作為生物電阻抗的核心測(cè)量器件。MCU用于測(cè)量流程控制、數(shù)據(jù)處理及與上位機(jī)通信，本系統(tǒng)MCU采用封裝小、功能強(qiáng)的C8051F330。MCU通過(guò)SMBus接口（兼容I2C接口）與AD5933進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)UART接口與上位機(jī)通信。為進(jìn)一步縮小整體體積，本系統(tǒng)添加輔助電路使得多種參數(shù)的測(cè)量共用同一套后端處理電路。最終系統(tǒng)電路板大小為45 mm×10 mm×4 mm，可嵌入手機(jī)等手持移動(dòng)設(shè)備。

1.2 電極設(shè)計(jì)

1.2.1 皮膚水分測(cè)量電極

皮膚水分的測(cè)量主要針對(duì)淺表皮膚（主要為角質(zhì)層）的水分含量。從生物電阻抗的角度來(lái)看，人體皮膚可等效為一個(gè)電阻電容網(wǎng)絡(luò)，皮膚含水量變化時(shí)其阻性成分和容性成分也隨之發(fā)生變化。文獻(xiàn)[7-8]表明皮膚的容性成分與水分含量之間的相關(guān)性比阻性成分好，因此本系統(tǒng)采用基于電容原理的叉指形電極，見(jiàn)圖2。叉指形電極為平面電極，可以方便地貼在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備表面。皮膚與電極接觸時(shí)，皮膚充當(dāng)電極的電介質(zhì)影響電極的電容值，根據(jù)電極阻抗可估計(jì)皮膚水分含量。

圖2 皮膚水分測(cè)量電極平面圖Fig.2 PCB of skin moisture-measuring electrode

1.2.2 全身體脂測(cè)量電極

全身體脂測(cè)量對(duì)人體脂肪含量情況作粗略的估計(jì)。人體成分的二元模型[9]將人體簡(jiǎn)化為非脂肪組織和脂肪組織，非脂肪組織主要包括水和肌肉組織，阻抗較小，脂肪組織阻抗較大。有研究[10]表明，阻抗指數(shù)Ht2/z（其中Ht為身高，z為人體阻抗）與人體脂肪含量（FFM）有顯著相關(guān)性（可達(dá)0.8或更高），采用合適的電極測(cè)量人體阻抗可估計(jì)體脂含量。

商用體脂儀采用的電極（如雙手握式，雙腳踩式）大多便攜性不好，很難集成到手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備。本文設(shè)計(jì)了圖3所示電極，包括一對(duì)激勵(lì)電極，一對(duì)測(cè)量電極，分別放在扁平盒子兩側(cè)，測(cè)量時(shí)雙手拇指和食指緊貼對(duì)應(yīng)電極即可。4個(gè)電極片可以貼在手機(jī)側(cè)邊，基本不占用手機(jī)體積。

與一些手握式產(chǎn)品（從手掌測(cè)量體阻抗）、腳踩式產(chǎn)品（從腳掌測(cè)量體阻抗）相比，直接從手指測(cè)量阻抗增大了信號(hào)通路長(zhǎng)度，使得測(cè)量結(jié)果波動(dòng)變大。針對(duì)此問(wèn)題，本系統(tǒng)在硬件上采用恒流激勵(lì)以減小皮膚接觸阻抗影響[11]，在數(shù)據(jù)處理中采用平滑的方法提高測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性。

圖3 全身體脂測(cè)量電極實(shí)物圖Fig.3 Photo of body fat-measuring electrode

1.2.3 局部體脂測(cè)量電極

局部體脂測(cè)量是對(duì)身體某一部位的脂肪含量進(jìn)行估計(jì)，通過(guò)測(cè)量局部組織的阻抗實(shí)現(xiàn)，基本測(cè)量原理與全身體脂測(cè)量類(lèi)似。但待測(cè)組織減小后，測(cè)量時(shí)噪聲增大，并且對(duì)不同人或同一人的不同部位結(jié)果會(huì)有差別，很難找出一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)律。目前基于生物電阻抗的局部體脂測(cè)量主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還沒(méi)有成熟產(chǎn)品出現(xiàn)。

本系統(tǒng)對(duì)局部組織的阻抗測(cè)量采用Wenner型電極[12-13]見(jiàn)圖4，包含外側(cè)兩個(gè)激勵(lì)電極和內(nèi)側(cè)兩個(gè)測(cè)量電極。人體體表脂肪厚度不同時(shí)，電極電流通路上組織的阻抗不同，通過(guò)測(cè)量阻抗可估計(jì)局部體脂含量。局部體脂測(cè)量采用與全身體脂測(cè)量相同的激勵(lì)信號(hào)(交流恒幅電流激勵(lì))。采集數(shù)據(jù)時(shí)為了保證電極與皮膚良好接觸，提高信號(hào)質(zhì)量，在電極上涂導(dǎo)電膏。

圖4 局部體脂測(cè)量原理示意圖Fig.4 Principle of local fat-measuring

1.3 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件包括兩部分：MCU部分和上位機(jī)部分。

MCU部分流程如圖5所示，具體包括測(cè)量流程控制、算法實(shí)現(xiàn)以及測(cè)量結(jié)果傳輸。MCU通過(guò)I2C接口操作AD5933，設(shè)置激勵(lì)信號(hào)，讀取阻抗結(jié)果。MCU每次讀到阻抗數(shù)據(jù)立即進(jìn)行算法處理并將處理結(jié)果通過(guò)UART接口發(fā)送給上位機(jī)。

圖5 MCU軟件流程圖Fig.5 The software fl ow chart of MCU

上位機(jī)部分軟件功能包括發(fā)送配置指令、接收與顯示測(cè)量結(jié)果等。上位機(jī)暫用PC模擬，采用MFC實(shí)現(xiàn)軟件。測(cè)量開(kāi)始時(shí)上位機(jī)向MCU發(fā)送控制指令（包括選擇測(cè)量類(lèi)型、啟動(dòng)測(cè)量與結(jié)束測(cè)量等）和個(gè)人信息（身高、體重等），上位機(jī)收到測(cè)量結(jié)果后顯示結(jié)果并停止本次測(cè)量。由于測(cè)量流程的主要邏輯在MCU實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)軟件邏輯簡(jiǎn)單，可以方便的在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)以用于手機(jī)等移動(dòng)手持設(shè)備。

2 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

2.1 皮膚水分測(cè)量

測(cè)量方法 圖6為受試者水分含量不同的五個(gè)部位皮膚與電極接觸前后測(cè)得的電容值變化情況，電極與皮膚在10 s時(shí)開(kāi)始接觸，由圖6可看出電極與皮膚接觸后的幾秒鐘電容值迅速升高，不同水分含量的皮膚對(duì)應(yīng)的電容值有明顯差別。取接觸時(shí)刻后變化較小的電容值用于皮膚水分含量的估計(jì)。

圖6 含水量不同的多個(gè)部位電容值變化對(duì)比Fig.6 The change of capacitance on several points with different moisture content

激勵(lì)信號(hào) 采用5 kHz交流恒壓信號(hào)。

預(yù)測(cè)模型 受試者6人，每人取6個(gè)部位（手指、手心、手掌內(nèi)側(cè)、手腕、小臂、臉部），用商用水分筆測(cè)量皮膚水分含量，用本系統(tǒng)測(cè)量相同部位的電容值，重復(fù)3次（兩次至少間隔2 h）。采用分段y=a2ln(a1x)函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如式(1)所示。

其中y為水分含量值(%)，x為皮膚電容值(pF)，擬合的決定系數(shù)R2為0.95。

測(cè)試測(cè)量效果 受試者19人，每人取6個(gè)部位（手指、手心、手掌內(nèi)側(cè)、手腕、小臂、臉部），分別用本系統(tǒng)和菲斯凱爾SK-I水分筆測(cè)量各個(gè)部位水分含量，重復(fù)5次（兩次至少間隔2 h）。圖7為測(cè)試結(jié)果，每個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)為本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果，縱坐標(biāo)為菲斯凱爾SK-I測(cè)量結(jié)果，可看出兩系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果非常接近，集中在y=x附近。經(jīng)計(jì)算本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果和菲斯凱爾SK-I相比，均方誤差3.8%，相關(guān)系數(shù)0.98。

圖7 本系統(tǒng)與商用水分筆測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.7 The comparison of skin moisture measurements between our system and a commercial product

測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)整體測(cè)量效果與商用產(chǎn)品相近，但從測(cè)試結(jié)果中也可以看到，在水分含量比較低時(shí)（30%左右）測(cè)量結(jié)果與商用產(chǎn)品還有差距。后續(xù)工作可從兩方面進(jìn)行改進(jìn)，硬件方面調(diào)整阻抗測(cè)量電路的測(cè)量范圍，數(shù)據(jù)處理方面改進(jìn)原有預(yù)測(cè)模型或探索更好的預(yù)測(cè)模型。

2.2 全身體脂測(cè)量

確定測(cè)量點(diǎn) 全身體脂測(cè)量中阻抗測(cè)量結(jié)果基本動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，直接取測(cè)量結(jié)果波動(dòng)較小時(shí)的中值用于估計(jì)體脂含量。

激勵(lì)信號(hào) 采用50 kHz交流電流恒幅信號(hào)。

預(yù)測(cè)模型 體脂測(cè)量的預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式有多種[14]，大都考慮阻抗指數(shù)Ht2/Z，同時(shí)綜合考慮身高(Ht)、體重(Wt)、性別等參數(shù)以提高預(yù)測(cè)效果，本文采用BF=a1Ht2/Z+a2Wt+a3，對(duì)男女單獨(dú)擬合。對(duì)受試者28人（17男11女），同時(shí)用歐姆龍HBF-306體脂儀測(cè)量體脂，用本系統(tǒng)測(cè)量人體阻抗，采用多元線性擬合確定公式系數(shù)。結(jié)果為式(2)。

測(cè)試測(cè)量效果 受試者 23人（13男10女），分別用本系統(tǒng)和歐姆龍HBF-306體脂儀測(cè)量全身體脂含量，重復(fù)4次（兩次至少間隔2 h）。圖8為測(cè)試結(jié)果，可看出兩系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果非常接近，集中在y=x附近。經(jīng)計(jì)算本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果和歐姆龍HBF-306相比，均方誤差1.5%，相關(guān)系數(shù)0.97。

圖8 本系統(tǒng)與商用體脂儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.8 The comparison of body fat measurements between our system and a commercial product

測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)體脂測(cè)量效果與商用產(chǎn)品接近，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。但本系統(tǒng)體脂電極在提高便攜性的同時(shí)使得測(cè)量對(duì)象主要為人體上半身（左右上肢和軀干的阻抗）的體脂含量，對(duì)腹部和腿部的體脂含量反映能力有限。后續(xù)研究可借鑒“分段測(cè)量”等研究成果進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量電極和測(cè)量方法，提高對(duì)整個(gè)人體體脂含量的反映能力。

2.3 局部體脂測(cè)量

在受試者大腿上均勻取15個(gè)點(diǎn)，采用商用皮脂鉗測(cè)量皮脂厚度估計(jì)局部體脂，用本系統(tǒng)測(cè)量相同部位局部阻抗值。每天一次連續(xù)六天得到的阻抗測(cè)量結(jié)果和處理結(jié)果如圖9所示，可看出，不同天的各部位阻抗值會(huì)有整體的上下浮動(dòng)，但單次實(shí)驗(yàn)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的阻抗相對(duì)大小關(guān)系一致。我們推測(cè)這種上下浮動(dòng)是由于測(cè)量條件（如導(dǎo)電膏每次涂抹情況、環(huán)境溫度濕度影響）和人體生理狀況等的影響，這種影響在一次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變化比較小，在不同次實(shí)驗(yàn)間有明顯差別，設(shè)為e，并假設(shè)阻抗(y)與皮脂厚度(x)關(guān)系為 y = f (x)+e。對(duì)六次實(shí)驗(yàn)結(jié)果求均值可得到圖9中“處理結(jié)果”。

圖9 局部阻抗測(cè)量結(jié)果及處理結(jié)果Fig.9 Measurements and processing results of local impedance

圖10為各部位皮脂厚度與阻抗處理結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可看出兩者有明顯線性關(guān)系，利用直線擬合計(jì)算出系數(shù)為0.76。

圖10 大腿部位的皮脂厚度與局部阻抗對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.10 The relation between sebum thickness and local impedance in thigh

然而，在受試者不同部位（包括前臂、上臂、小腿、大腿、腹部、腰部）各取一點(diǎn)，分別測(cè)量皮脂厚度和局部阻抗值，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它們之間有明顯的線性關(guān)系，總結(jié)原因可能為：(1)本實(shí)驗(yàn)中使用商用皮脂鉗測(cè)量皮膚厚度可以粗略的估計(jì)局部體脂含量，但主觀性強(qiáng)，重復(fù)性不夠好。對(duì)此進(jìn)一步研究可考慮采用MRI或超聲等更客觀精確的方法測(cè)量皮脂厚度；(2)導(dǎo)電膏涂抹情況或環(huán)境溫度濕度等也會(huì)影響阻抗測(cè)量結(jié)果，對(duì)此需要探索更穩(wěn)定的受環(huán)境影響小的阻抗測(cè)量方式；(3)不同部位和不同人的組織差異性可能影響阻抗與皮脂厚度之間的關(guān)系，對(duì)此需要進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量方法。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套面向手機(jī)應(yīng)用的皮膚水分和體脂含量測(cè)量傳感器。本設(shè)計(jì)一方面通過(guò)硬件小型化設(shè)計(jì)，使電極和處理電路可方便的嵌入手機(jī)；另一方面通過(guò)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，確定皮膚水分和全身體脂的測(cè)量方法和經(jīng)驗(yàn)公式。與商用產(chǎn)品測(cè)量結(jié)果相比，本文研制的傳感器對(duì)皮膚水分和全身體脂的測(cè)量效果可以滿足要求。在局部體脂測(cè)量方面，本文對(duì)單個(gè)部位（大腿）的研究表明，局部體脂含量與局部阻抗有接近線性的正相關(guān)關(guān)系，適用于多部位的規(guī)律有待進(jìn)一步的研究，后續(xù)研究建議考慮多種因素影響探索更復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，并提高實(shí)驗(yàn)條件。

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Development of Skin Moisture and Body Fat Measurement System for Mobile Application

【 Writers 】Huang Naihan, Chen Xiang, Wang Congzheng, Dong Zhongfei
Department of Electronic Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei, 230027

mobile health, skin moisture measurement, body fat measurement, local body fat measurement

TP216

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.02.001

1671-7104(2014)02-0079-05

2013-12-06

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61271138）

陳香，E-mail: xch@ustc.edu.cn

【 Abstract 】Integrating physiological parameters measurement into mobile devices is a development tendency of mobile healthcare. Measurement methods for skin moisture and body fat content are studied in this paper. Electrodes are designed for easy integration into mobile devices, and can be embedded in the cover of the mobile phone. Experiments were conducted to obtain a fast and easy measurement method. The results of evaluation show that the measurement system can achieve the same accuracy as commercial products (with correlation above 0.9 and root mean squared error below 4%) in skin moisture and body fat content measurement. Measurement of local-area body fat content showed a nearly linear positive correlation between local-area body fat content and local-area body impedance.