喻聰龍，趙興群

東南大學 生物科學與醫(yī)學工程學院，江蘇 南京 210096

基于阻抗測量與藍牙技術的水腫監(jiān)護系統(tǒng)的研制

喻聰龍，趙興群

東南大學 生物科學與醫(yī)學工程學院，江蘇 南京 210096

人體水腫通常能夠預示多種內(nèi)部的疾病，如高血壓、糖尿病、充血性心臟病等。本文介紹了一種實時監(jiān)護身體健康狀態(tài)（尤其是老年人）的水腫監(jiān)護系統(tǒng)的設計。 系統(tǒng)采用四電極測量法測量人體阻抗，通過人體阻抗值評估人體水腫狀態(tài)，從而達到間接監(jiān)護人體健康的目的；采用藍牙4.0低功耗無線技術，將采集、分析、處理過的相關數(shù)據(jù)實時傳送、顯示、存儲到移動電子設備（如智能手機）。與臨床系統(tǒng)相比，該水腫監(jiān)護系統(tǒng)具有便攜、實時的優(yōu)勢。

阻抗測量；藍牙技術；水腫監(jiān)護；四電極測量法；移動醫(yī)療

0 前言

水腫是指血管外的組織間隙中有過多的體液積聚，是一種常見的病理過程。水腫通常會預示著一些內(nèi)部的疾病，如高血壓、糖尿病、充血性心臟病等疾病。因此，對水腫的檢測在臨床中有著重要的意義。當疾病發(fā)生時,相關組織與器官的功能性病變往往會先于器質(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檢測和確認這些變化,對于相關疾病的普查、預防和早期治療將是非常有利的。生物電阻抗技術的生理信息豐富、無創(chuàng)、安全等特點，使得其在臨床預防和監(jiān)測方面有著很廣的應用，因此，生物電阻抗測量系統(tǒng)，對于水腫相關病情的及時發(fā)現(xiàn)和診斷有著重要的意義。

近年來，移動醫(yī)療逐漸興起，成為疾病管理、健康行為評估、健康行為干預的重要領域[1]。根據(jù)全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會發(fā)布報告預測和艾媒咨詢的數(shù)據(jù)則顯示，到2017年底，全球移動醫(yī)療市場的發(fā)展規(guī)模將到達230億美元，而中國移動醫(yī)療市場收入也將突破百億元,其中可穿戴便攜醫(yī)療設備市場銷售規(guī)模將近50億元。隨著智能手機的普及，醫(yī)療數(shù)據(jù)將逐漸集中到智能手機終端平臺，實現(xiàn)存儲和遠程診斷。隨著生理傳感器和無線通信市場以及云平臺的成熟，每個家庭將自己的智能手機或平板電腦作為生理參數(shù)的監(jiān)護中心，將成為必然的趨勢。

本課題設計的水腫監(jiān)護系統(tǒng)，能夠?qū)⒉杉?、分析、處理過的水腫阻抗數(shù)據(jù)在智能手機上顯示、存儲，這對于該監(jiān)護系統(tǒng)的便攜化、實時性的實現(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

在國外，Hoe等人[2]通過對子宮頸阻抗的測量來鑒別早產(chǎn)（2004）；Mellert，F(xiàn)等人[3]采用電生物阻抗進行心肌局部缺血的診斷（2011）；Kristie L.Bell等人[4]通過生物電阻抗評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人體進行營養(yǎng)評估和監(jiān)測（2012）；Zina Maria等人[6]通過生物電阻抗，尤其是容抗參數(shù)來預測敗血性休克和器官功能障礙在兒童體內(nèi)的演化（2013）。在國內(nèi)，陸駿等人[7]利用生物阻抗法進行心排血量的測量（2006）,李章勇等人[8]利用生物阻抗技術進行消化不良和胃動力方面的研究（2009）；丁強等人[9]利用生物阻抗進行肉制品品質(zhì)的檢測(2009)。目前，對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行聲帶水腫的檢測[11]等。對于下肢水腫檢測的研究較少，F(xiàn)ontaine,C[12]利用光電感應裝置進行水腫程度的檢測；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)與視敏度的關系。Chia-Wen Chiang[14]等用磁共振成像技術定量血管性水腫中的白質(zhì)束擴散參數(shù)，但是這樣的方法是在器質(zhì)性病變發(fā)生之后才能進行檢測的，這樣就不能進行疾病的早期檢測，而生物阻抗技術能反應組織的功能性病變，對疾病的早期檢測有著重要的意義。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)主要由控制芯片、DDS信號發(fā)生、信號放大處理、信號檢測和無線通信5個模塊組成，見圖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大，除了滿足CPU對其他各個模塊的控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，還能實現(xiàn)信號的采集、處理以及無線傳輸。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、擴展，使產(chǎn)品具有更好的功能集成性。

2.2 DDS信號發(fā)生模塊

直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術的誕生，使信號發(fā)生器有了進一步的飛躍。系統(tǒng)采用TI公司的AD9838芯片構(gòu)成DDS信號發(fā)生模塊，其主要作用是通過向人體注入合適的正弦電流信號來進行阻抗測量。

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

2.3 信號處理模塊和信號檢測模塊

信號處理模塊主要由OPA4344和INA2322芯片構(gòu)成，其功能是對要測量的阻抗信號進行多級放大處理，便于之后的信號測量采樣。

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

2.4 無線通信模塊

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

3 系統(tǒng)軟件設計

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

3.1 DDS驅(qū)動

DDS驅(qū)動系統(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8位總線實現(xiàn)的。通過反復進行5次寫操作將40位字頻率控制字寫入寄存器，可以控制生成具有不同頻率的正弦信號，為本系統(tǒng)實現(xiàn)多頻條件下測量人體阻抗提供了基礎。

3.2 系統(tǒng)校準

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在低頻部分使用時本身存在誤差，因此，系統(tǒng)需要進行校準。

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

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

樣本回歸直線為：

在20 kHz處對系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果，見圖2，（a）圖為對幅值的擬合，得到? =30.7，b? =923.9；（b）圖為對相位的擬合，? =-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阻抗的幅值和相位信息。再用同樣的方法分別對其他頻率點進行校準。

圖2 20 kHz時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)單細胞的等效電路模型（圖3a），其中Re是細胞外液的電阻，Ce是細胞外液并聯(lián)電容；Ri是細胞內(nèi)液的電阻，Ci是細胞內(nèi)液并聯(lián)電容；Rm是細胞膜的電阻，Cm是細胞膜并聯(lián)電容。在低頻范圍內(nèi)（低于1MHz）,細胞膜的漏電阻Rm很大，可視為開路，故可得到簡化等效電路模型（圖3b）所示的，其中Ri代表整個生物組織內(nèi)細胞內(nèi)液的電阻， Re代表整個生物組織內(nèi)細胞外液的電阻，Cm代表整個生物組織內(nèi)細胞膜并聯(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電阻抗方程為：

根據(jù)Cole的分析，實際生物電阻抗在復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個參數(shù)τ、R0、R∞、α，其中τ代表時間常數(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用于Cole-Cole圓圖擬合，得到理論圓心坐標（a,b）及半徑R，進而得出τ、R0、R∞、α。

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

3.4 藍牙數(shù)據(jù)的傳輸

藍牙數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)的軟件平臺為IAR Embedded Workbench。硬件基礎則采用了cc2540芯片內(nèi)部集成的藍牙模塊。檢測模塊采集到的模擬信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、算法處理后得到數(shù)字信號，藍牙模塊以及外配的陶瓷天線將信號手機客戶端。cc2540內(nèi)部藍牙模塊采用了4.0低功耗技術，使用它進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，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 手機客戶端的監(jiān)護

手機客戶端接收系統(tǒng)處理、傳輸過來的無線數(shù)據(jù)。并在配套的手機客戶端APP上顯示（圖4）。綠色、藍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)展背景的基礎上，基于藍牙4.0技術，設計一套生物阻抗測量系統(tǒng)。此后，利用本系統(tǒng)進行水腫監(jiān)護的初步研究。在數(shù)名受試者靜坐模擬腿部水腫過程中記錄阻抗值，研究阻抗和水腫時間的關系，并比較不同頻率間阻抗變化區(qū)別。在此基礎上進行多頻測量，利用最小二乘法進行Cole模型擬合，并結(jié)合阻抗方程，尋找水腫程度檢測的參數(shù)。

由于整個系統(tǒng)設計到的功能模塊較多，并且只利用系統(tǒng)做了初步試驗，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量精度不是很高，必須對系統(tǒng)中各單元電路作進一步調(diào)整，以提高系統(tǒng)的測量精度。

（2）水腫的實驗對象僅是健康的男性，并沒有進行正常人群和水腫病人之間阻抗的對比。

（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頻率點的幅值來擬合Cole模型。

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

圖4 在Android智能手機客戶端顯示阻抗數(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)學研聯(lián)合創(chuàng)新基金（BY2014127-04）

作者郵箱：ndt@seu.edu.cn