基于阻抗測量與藍牙技術的水腫監護系統的研制

喻聰龍，趙興群

東南大學 生物科學與醫學工程學院，江蘇 南京 210096

基于阻抗測量與藍牙技術的水腫監護系統的研制

喻聰龍，趙興群

東南大學 生物科學與醫學工程學院，江蘇 南京 210096

人體水腫通常能夠預示多種內部的疾病，如高血壓、糖尿病、充血性心臟病等。本文介紹了一種實時監護身體健康狀態（尤其是老年人）的水腫監護系統的設計。 系統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，從而達到間接監護人體健康的目的；采用藍牙4.0低功耗無線技術，將采集、分析、處理過的相關數據實時傳送、顯示、存儲到移動電子設備（如智能手機）。與臨床系統相比，該水腫監護系統具有便攜、實時的優勢。

阻抗測量；藍牙技術；水腫監護；四電極測量法；移動醫療

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。當疾病發生時,相關組織與器官的功能性病變往往會先于器質性病變及其它臨床癥狀發生,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、安全等特點，使得其在臨床預防和監測方面有著很廣的應用，因此，生物電阻抗測量系統，對于水腫相關病情的及時發現和診斷有著重要的意義。

近年來，移動醫療逐漸興起，成為疾病管理、健康行為評估、健康行為干預的重要領域[1]。根據全球移動通信系統協會發布報告預測和艾媒咨詢的數據則顯示，到2017年底，全球移動醫療市場的發展規模將到達230億美元，而中國移動醫療市場收入也將突破百億元,其中可穿戴便攜醫療設備市場銷售規模將近50億元。隨著智能手機的普及，醫療數據將逐漸集中到智能手機終端平臺，實現存儲和遠程診斷。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的監護中心，將成為必然的趨勢。

本課題設計的水腫監護系統，能夠將采集、分析、處理過的水腫阻抗數據在智能手機上顯示、存儲，這對于該監護系統的便攜化、實時性的實現以及普及推廣具有重要意義。

1 生物阻抗和水腫研究現狀

在國外，Hoe等人[2]通過對子宮頸阻抗的測量來鑒別早產（2004）；Mellert，F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評估和監測（2012）；Zina Maria等人[6]通過生物電阻抗，尤其是容抗參數來預測敗血性休克和器官功能障礙在兒童體內的演化（2013）。在國內，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，Fontaine,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束擴散參數，但是這樣的方法是在器質性病變發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 系統硬件設計

系統主要由控制芯片、DDS信號發生、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 系統硬件框圖

2.1 微處理器模塊

根據系統的低功耗和穩定處理數據能力的需要，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、數據傳輸的要求，還能實現信號的采集、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，方便了產品的升級、擴展，使產品具有更好的功能集成性。

2.2 DDS信號發生模塊

直接數字頻率合成（DDS）技術的誕生，使信號發生器有了進一步的飛躍。系統采用TI公司的AD9838芯片構成DDS信號發生模塊，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。

系統中的信號發生器由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射頻收發器，是一款完全兼容8051內核的無線射頻單片機，它與藍牙低功耗4.0協議棧共同構成高性價比、低功耗的片上系統解決方案，非常適合藍牙低功耗應用。

3 系統軟件設計

系統軟件的功能主要分為DDS驅動、系統的軟件校準、Cole模型和人體阻抗等效模型參數的求取、藍牙數據的傳輸以及手機客戶端的監護。

3.1 DDS驅動

DDS驅動系統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，為本系統實現多頻條件下測量人體阻抗提供了基礎。

3.2 系統校準

由于芯片、電阻、電容等模擬器件的性能和參數與理想器件狀態間的差異，并且AD8302在低頻部分使用時本身存在誤差，因此，系統需要進行校準。

系統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據，則回歸函數為：

樣本回歸直線為：

在20 kHz處對系統實測數據擬合的結果，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據的擬合

3.3 Cole模型參數和人體阻抗等效模型參數的求取[15-16]

建立生物組織內單細胞的等效電路模型（圖3a），其中Re是細胞外液的電阻，Ce是細胞外液并聯電容；Ri是細胞內液的電阻，Ci是細胞內液并聯電容；Rm是細胞膜的電阻，Cm是細胞膜并聯電容。在低頻范圍內（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細胞內液的電阻， Re代表整個生物組織內細胞外液的電阻，Cm代表整個生物組織內細胞膜并聯電容。

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τ、R0、R∞、α，其中τ代表時間常數，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Cole-Cole模型與阻抗方程(9)式的關系可以得到模型中的參數量：

3.4 藍牙數據的傳輸

藍牙數據傳輸模塊實現的軟件平臺為IAR Embedded Workbench。硬件基礎則采用了cc2540芯片內部集成的藍牙模塊。檢測模塊采集到的模擬信號，經過A/D轉換、算法處理后得到數字信號，藍牙模塊以及外配的陶瓷天線將信號手機客戶端。cc2540內部藍牙模塊采用了4.0低功耗技術，使用它進行數據的無線傳輸，既節省了硬件資源，又滿足了系統低功耗、節能的要求。

3.5 手機客戶端的監護

手機客戶端接收系統處理、傳輸過來的無線數據。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據收集和處理。

4 總結與展望

本文在研究生物阻抗和水腫發展背景的基礎上，基于藍牙4.0技術，設計一套生物阻抗測量系統。此后，利用本系統進行水腫監護的初步研究。在數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，并結合阻抗方程，尋找水腫程度檢測的參數。

由于整個系統設計到的功能模塊較多，并且只利用系統做了初步試驗，所以后期還需要做以下工作：

（1）由于系統本身電路結構的限制，使其在低頻部分的測量精度不是很高，必須對系統中各單元電路作進一步調整，以提高系統的測量精度。

（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）系統的界面不夠人性化，參數提取等算法有待優化，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）后期需要構建人體阻抗數據庫、搭建客戶端與專家間的通信平臺。人體阻抗數據庫可以實時接收、存儲客戶端阻抗數據，以便于專家提取信息，并及時提供專業建議給客戶端，從而實現身體健康狀態（尤其是老年人）的實時、有效監護。

圖4 在Android智能手機客戶端顯示阻抗數據

[1] C urrent mHealth T echnologies for Physical Activity Assessment and Promotion[J].American Journal of Preventive Medicine,2013,45(4):501-507.

[2] Hoe,Y.S.G.Measuring bioimpedance in the human uterine cervix:towards early detection of preterm labor[D].Engineering in Medicine and Biology Society,2004.IEMBS ‘04.26th Annual International Conference of the IEEE.2004.2368-2372.

[3] Mellert,F.Detection of (R eversible) Myocardial Ischemic Injury by Means of Electrical Bioimpedance[J].Biomedical Engineering,IEEE Transactions on,2011.58(6):1511-1518.

[4] Bell KL,Boyd R N,Walker JL,et al.The use of bioelectrical impedance analysis to estimate total body water in young children with cerebral palsy[J].Clinical Nutrition,2013.32:579-584.

[5] K ristina Norman,Nicole Stob?us,Matthias Pirlich,et al.Bioelectrical phase angle and impedance vector analysis-Clinical relevance and applicability of impedance parameters[J]. Clinical Nutrition,2012,31:854-861.

[6] Zina Maria Almeida Azevedog,Daniella Campelo Batalha Cox Mooreg,Flavia Aparecida Alves de Matos,et al.Bioelectrical impedance parameters in critically ill children:Importance of reactance and resistance[J].Clinical Nutrition,2013,32:824-829.

[7] 陸駿,劉長文,朱克毅,等.生物阻抗法與熱稀釋法測心排血量的比較[J].現代中西醫結合雜志,2006,15(18):2458-2459.

[8] 李章勇,胡娜,任超世,等.功能性消化不良診斷與生物電阻抗測量方法[J].國際生物醫學工程雜志.2009.32(2):125-127.

[9] 丁強,王忠義,黃嵐,等.生物阻抗技術及其在肉品檢測中的應用[J].傳感器與微系統,2009,28 (3):4-7.

[10] Mingxin Qin.Study of MIT phase sensitivity for Detecting a Edema Based on FDTD Method[D].Bioinformatics and Biomedical Engineering,2007.ICBBE 2007.The 1st International Conference on.2007.660-663.

[11] Aguiar Neto ,B.G Feature Estimation for Vocal Fold Edema Detection Using Short-Term Cepstral Analysis[D]. Bioinformatics and Bioengineering,2007.BIBE 2007.Proceedings of the 7th IEEE International Conference on.2007.1158-1162.

[12] Fontaine,C.A device for quantifying the severity of lower extremity edema[D].Bioengineering C onference,2004. Proceedings of the IEEE 30th Annual Northeast.2004.27-28.

[13] Michael Mimouni,Yoav Nahum,Anna Levant,et al.Cystoid macular edema:a correlation between macular volumetric parameters and visual acuity[J].Can J Ophthalmol,2014,49:183-187.

[14] Chia-Wen Chianga,Yong Wangb,Peng Sun,et al.Quantifying white matter tract diffusion parameters in the presence of increased extra-fiber cellularity and vasogenicedema[J]. NeuroImage,2014,101:310-319.

[15] 唐敏.生物阻抗測量原理與測量技術[J].生物醫學工程學雜志,1997,14(2):152-155.

[16]Yaxuan Liu,Kaibo Hu.Research on measuring technology and data processing method of multi-frequency bio-impedance[C],CORD Conference Proceedings,2011.4898-4902.

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

江蘇省產學研聯合創新基金（BY2014127-04）

作者郵箱：ndt@seu.edu.cn