人體成分分析儀性能測試對比分析

蘇本華 蘇春英 孫仲軒 馮念倫

目前，肥胖及其他健康問題越來越影響著人們的生活質(zhì)量。以往，多數(shù)使用體重指數(shù)(body mass index，BMI)來判斷人們的體型及健康狀況，具有一定的局限性，無法準(zhǔn)確地評估其健康狀況。生物電阻抗分析(bioelectrical impedance analysis，BIA)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)人體成分測量技術(shù)，利用人體中不同成分的導(dǎo)電性差異來測定人體成分的含量，可以對人體內(nèi)的組成成分進(jìn)行有效地分析，符合臨床上對人體成分測量的要求，且具有操作簡便、測量精確、安全、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。通過進(jìn)行人體成分分析測量，能夠準(zhǔn)確地了解人體內(nèi)的營養(yǎng)情況，有效地進(jìn)行臨床診斷的分析指導(dǎo)。

為滿足市場需求，本研究自主研發(fā)了匯醫(yī)融工BCcare 860型人體成分分析儀，應(yīng)用BIA測量技術(shù)對人體內(nèi)的組成成分進(jìn)行分析，并與目前市場上占有量較多的國內(nèi)外三家分析儀進(jìn)行一致性比較。

1 人體成分分析儀的研發(fā)

1.1 技術(shù)背景

BIA測量技術(shù)是一種提取人體生理、病理狀況的檢測技術(shù)，其利用不同的生物組織和器官具有不同電特性的特點(diǎn)來檢測人體的生物醫(yī)學(xué)信息。將特定形狀的電極與人體表面進(jìn)行接觸，通過這些電極注入安全的交流電流信號或電壓信號，從而檢測人體相應(yīng)部位的電阻抗值的變化和電阻抗相位的變化。根據(jù)應(yīng)用目的的不同，可以獲取相應(yīng)人體的生理信息和病理信息。因BIA測量技術(shù)具有相關(guān)設(shè)備比較簡單、成本低廉、無創(chuàng)、無輻射、不要求特殊的使用環(huán)境、可連續(xù)使用等鮮明的特點(diǎn)，在當(dāng)今的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)界，這種測量技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注[2]。

1.2 結(jié)構(gòu)與性能

(1)結(jié)構(gòu)。人體成分分析儀(濟(jì)南匯醫(yī)融工科技有限公司)由主機(jī)、打印機(jī)組成。主機(jī)接口包括手柄裝置接口、電源接口、USB接口及以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)傳輸及分析儀的網(wǎng)絡(luò)功能，并可實(shí)現(xiàn)各個人體成分的測量及數(shù)據(jù)分析，如圖1、圖2所示。

圖1 BCcare 860型人體成分分析儀外觀效果圖

圖2 病例管理測量結(jié)果界面圖

(2)性能。①測試項(xiàng)目：體重、腰臀比、體脂肪、肥胖度、內(nèi)臟脂肪面積、細(xì)胞外液、細(xì)胞內(nèi)液、總水分、去脂體重、肌肉重、蛋白質(zhì)、體脂肪以及無機(jī)鹽；②成分評價：浮腫指數(shù)、體重指數(shù)、基礎(chǔ)代謝、肥胖程度以及體脂肪率；③節(jié)段分析：左上肢水分含量、左下肢水分含量、右上肢水分含量、右下肢水分含量、軀干水分含量、左上肢脂肪含量、左下肢脂肪含量、右上肢脂肪含量、右下肢脂肪含量以及軀干脂肪含量等。

(3)技術(shù)指標(biāo)。BCcare 860型人體成分分析儀能夠?qū)θ梭w組織成份及其變化進(jìn)行檢測和量化，并以此作為參考，用于指導(dǎo)人們的保健鍛煉、評估健美及減肥鍛煉效果，還可用于監(jiān)測兒童營養(yǎng)狀況、提高運(yùn)動員競賽成績、實(shí)施醫(yī)生對患者的臨床診斷以及患者治療后的保健恢復(fù)情況分析。BCcare 860型人體成分分析儀使用1 kHz、5 kHz、50 kHz、250 kHz和500 kHz的5個不同頻率分別對被測者的左上肢、左下肢、右上肢、右下肢以及被測者的軀干進(jìn)行電阻抗分析測量。

1.3 檢測方法

人體成分的測量方法發(fā)展至今已經(jīng)出現(xiàn)了許多方法，目前還無一種既簡單又精確的測定人體成分的理想方法[3]。國內(nèi)外常用的測量人體成分的間接方法有：人體測量估算法、水下稱重法、BIA法、空氣置換法、皮褶厚度法、總鉀量推算法、稀釋法、超聲波法、雙能量X射線吸收法(dual-energy x-ray absorptiometry，DXA)、核磁共振法(magnetic resonance imaging，MRI)以及X射線計算機(jī)斷層成像(computed tomography，CT)法等。而臨床上常用的兩種方法是BIA和DXA。

2 人體成分分析儀的對比分析

2.1 分析儀設(shè)備

(1)清華同方人體成分分析儀。BCA-2A型人體成分分析儀[同方健康科技(北京)有限公司]。同樣適用5個測量頻率(1 kHz、5 kHz、50 kHz、250 kHz和500 kHz)，采用8點(diǎn)接觸式電極。

(2)biospace人體成分分析儀。InBody720型(韓國biospace)。電極方式為8點(diǎn)接觸式電極，直接節(jié)段多頻率生物電阻抗測試法。通過6個不同的頻率(1 kHz、5 kHz、50 kHz、250 kHz、500 kHz和1000 kHz)分別對被測者的右上肢、左上肢、軀干、右下肢及左下肢進(jìn)行30個阻抗測量。

(3)Advance X射線束iDXA骨密度儀。Prodigy Advance型X射線束iDXA骨密度儀(美國GE公司)，可進(jìn)行全身的人體成分測量，如左上肢、右上肢、雙上肢、左下肢、右下肢、雙下肢、頭部、亞全身、軀干、全身骨面積、骨礦含量、骨密度、脂肪含量、瘦肉含量、肋骨、脊柱、骨盆等的骨面積、骨礦含量以及骨密度分析等。

2.2 測試方法

選取山東省級醫(yī)院體檢的66名志愿者，其中男性33名、女性33名，使用待分析的人體成分分析儀分別進(jìn)行體質(zhì)量、總水分、蛋白質(zhì)及體脂肪等進(jìn)行測試。志愿者排除以下情況：①嚴(yán)重的呼吸系統(tǒng)疾病患者；②嚴(yán)重的消化系統(tǒng)疾病患者；③腫瘤患者；④月經(jīng)期、哺乳期婦女；⑤嚴(yán)重的心血管系統(tǒng)疾病患者；⑥手術(shù)外傷患者；⑦嚴(yán)重的貧血患者；⑧嚴(yán)重的浮腫患者；⑨嚴(yán)重的肝病患者；⑩嚴(yán)重的泌尿系統(tǒng)疾病患者。

2.3 測試方案設(shè)計

對行業(yè)內(nèi)主流的BIA法人體成分分析儀的性能進(jìn)行比較，以及目前BIA法與DXA法設(shè)備的性能分析比較。共進(jìn)行兩種測試方案設(shè)計。

(1)測試方案一。選取一名男性健康測試者和一名女性健康測試者，進(jìn)行反復(fù)重復(fù)測量，對于4臺儀器，每個測試者均進(jìn)行30次相同的反復(fù)測試。選取體重、總水分、蛋白質(zhì)和體脂肪率4個測試項(xiàng)目進(jìn)行研究。要求測試時間集中、測試環(huán)境相同，被測者狀態(tài)穩(wěn)定。進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的目的為，評估各個設(shè)備的測試一致性及測試穩(wěn)定性。

(2)測試方案二。對66名被測者分別進(jìn)行4臺設(shè)備的人體成分分析，對每個人測試時，要求測試時間集中、測試環(huán)境相同，被測者狀態(tài)穩(wěn)定。進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的目的為，對同種方法學(xué)及不同方法學(xué)的設(shè)備進(jìn)行分析對比。綜合各儀器的測試指標(biāo)，選取體重、總水分、蛋白質(zhì)及體脂肪率4個測試項(xiàng)目進(jìn)行對比分析。

2.4 分析指標(biāo)

采用雙能X射線吸收法進(jìn)行測量，進(jìn)行身體任何部位的脂肪組織(fat mass，F(xiàn)M)、肌肉組織(lean mass，LM)和全身骨密度(bone mineral density，BMD)及百分率，雙能X射線吸收法是目前臨床應(yīng)用十分廣泛的直接測量人體全身和部分的人體成分分析方法。

3 人體成分分析儀的測試結(jié)果

3.1 一致性測試數(shù)據(jù)

(1)BCcare 860型人體成分分析儀的測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 BCcare 860測試數(shù)據(jù)(±s)

表1 BCcare 860測試數(shù)據(jù)(±s)

性別 體重(kg) 總水分(L) 蛋白質(zhì)(kg) 體脂肪(%)女 70.5±0 36.9±0.5 9.7±0.5 39.7±0.6男 79.8±0 42.6±0.8 11.6±0.6 28.7±0.3

表1內(nèi)的數(shù)據(jù)以平均值及標(biāo)準(zhǔn)差的形式顯示，具體數(shù)據(jù)為同一名男性被測者與同一名女性被測者分別重復(fù)測量30次，其數(shù)據(jù)分布如圖3、圖4所示。

圖3 BCcare 860女性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

圖4 BCcare 860男性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

(2)BCA-2A型人體成分分析儀的測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 BCA-2A測試數(shù)據(jù)(±s)

表2 BCA-2A測試數(shù)據(jù)(±s)

性別 體重(kg) 總水分(L) 蛋白質(zhì)(kg) 體脂肪(%)女 70.5±0 38.6±0.8 8.9±0.6 42.9±1.2男 79.8±0 44.6±1.4 10.4±0.7 29.7±1.6

表2內(nèi)的數(shù)據(jù)以平均值及標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，具體數(shù)據(jù)為同一名男性被測者與同一名女性被測者分別重復(fù)測量30次，其數(shù)據(jù)分布如圖5、圖6所示。

圖5 BCA-2A女性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

圖6 BCA-2A男性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

(3)InBody720型人體成分分析儀的測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 InBody720測試數(shù)據(jù)(x-±s)

表3內(nèi)的數(shù)據(jù)以平均值及標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，具體數(shù)據(jù)為同一名男性被測者與同一名女性被測者分別重復(fù)測量30次，其數(shù)據(jù)分布如圖7、圖8所示。

圖7 InBody720女性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

圖8 InBody720男性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

(4)Prodigy Advance X射線束iDXA骨密度儀的測試數(shù)據(jù)見表4。其中表格內(nèi)的數(shù)據(jù)以平均值及標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，具體數(shù)據(jù)為同一名男性被測者與同一名女性被測者分別重復(fù)測量30次，其數(shù)據(jù)分布如圖9、圖10所示。

3.2 測試分析

(1)體重測試。4個品牌的人體成分分析儀的體重測試數(shù)據(jù)，對于男性被測者和女性被測者均無偏差，每臺測試儀器測試30次的數(shù)據(jù)均相同，表明4個品牌的人體成分分析儀對于體重測試數(shù)據(jù)的一致性非常好，體重數(shù)據(jù)測量十分準(zhǔn)確。

表4 Prodigy Advance測試數(shù)據(jù)(±s)

表4 Prodigy Advance測試數(shù)據(jù)(±s)

性別 體重(kg) 總水分(L) 蛋白質(zhì)(kg) 體脂肪(%)女 70.5±0 35.4±0.1 10.9±0.2 38.9±0.2男 79.8±0 40.1±0.2 12.8±0.2 29.2±0.1

圖9 Prodigy Advance女性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

圖10 Prodigy Advance男性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

(2)總水分指標(biāo)測量。4個品牌的人體成分分析儀分別對女性和男性進(jìn)行測試比較。測試比較的數(shù)據(jù)顯示，Prodigy Advance X射線束iDXA骨密度儀的數(shù)據(jù)波動最小，表明對于總水分?jǐn)?shù)據(jù)測量的一致性非常好。BCcare 860型人體成分分析儀、BCA-2A型人體成分分析儀與InBody720型人體成分分析儀的測試數(shù)據(jù)波動相當(dāng)，表明對于總水分?jǐn)?shù)據(jù)測量一致性水平相當(dāng)，均略差于Prodigy Advance X射線束iDXA骨密度儀，而其測試均值均與Prodigy AdvanceX射線束iDXA骨密度儀存在差異，表明測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性均差于骨密度儀。但是這種測試偏差，可以通過對人體成分分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)的方法來糾正測試結(jié)果。人體成分分析儀分別對女性和男性進(jìn)行測試比較結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 女性被測者總水分對比數(shù)據(jù)分布圖

圖12 男性被測者總水分對比數(shù)據(jù)分布圖

(3)蛋白質(zhì)指標(biāo)的測量。4個品牌的人體成分分析儀分別對女性和男性進(jìn)行測試比較，女性和男性測試數(shù)據(jù)的結(jié)果相似，對于4個品牌的人體成分分析儀顯示，對于男性被測者和女性被測者的蛋白質(zhì)測試均值相差不大。同樣存在Prodigy Advance X射線束iDXA骨密度儀的測試結(jié)果波動最小的情況。其余3個品牌的人體成分分析儀測試結(jié)果均值略低于骨密度儀，同時數(shù)據(jù)波動均大于骨密度儀。表明對于蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)的測量，Prodigy Advance X射線束iDXA骨密度儀的測試結(jié)果最為準(zhǔn)確，其余3個品牌的人體成分分析儀的測試精度相當(dāng)。4個品牌的人體成分分析儀分別對女性和男性被測者的測試結(jié)果比較如圖13和圖14所示。

圖13 女性被測者蛋白質(zhì)對比數(shù)據(jù)分布圖

圖14 男性被測者蛋白質(zhì)對比數(shù)據(jù)分布圖

(4)體脂肪指標(biāo)的測量。4個品牌的人體成分分析儀的女性和男性被測者的測試顯示，Prodigy Advance X射線束iDXA骨密度儀的測試結(jié)果波動最小，同時，BCcare 860型人體成分分析儀的測試結(jié)果與骨密度儀的測試結(jié)果最為接近，但是波動性要大于骨密度儀，測試結(jié)果略好于另外2個品牌的人體成分分析儀。4個品牌的人體成分分析儀的女性和男性被測者的測試結(jié)果比較如圖15和圖16所示。

圖15 女性被測者體脂肪對比數(shù)據(jù)分布圖

圖16 男性被測者體脂肪對比數(shù)據(jù)分布圖

4 BIA分析方法的應(yīng)用效果

20世紀(jì)70年代，人體水分與電阻抗關(guān)系的理論基本成型，同時BIA基本理論建立。到了20世紀(jì)90年代，基于生物電阻抗理論的人體成分分析儀在市場上出現(xiàn)。隨后基于生物電阻抗進(jìn)行人體成分分析的理論不斷發(fā)展，出現(xiàn)生物電阻抗矢量分析法(bioelectrical impedance vector analysis，BIVA)，生物電子光譜學(xué)(bioelectrical spectroscopy，BIS)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法等，BIA的理論方法也在不斷得到擴(kuò)展。同時基于不斷發(fā)展的BIA理論，人體成分分析儀系統(tǒng)也在不斷發(fā)展和完善[4]。

由電阻抗基本理論可知，生物組織在頻率較低時阻抗較大，此時測量的阻抗值主要是細(xì)胞外液的電阻；隨著注入信號頻率的增高，當(dāng)達(dá)到某一值時(如頻率在200 kHz以上)電流可以部分地穿過細(xì)胞膜，這時可同時測量到細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液的電阻。根據(jù)上述原理，BIA中假設(shè)人體都是由非脂肪組織(fat free mass，F(xiàn)FM)和脂肪組織(fat mass，F(xiàn)M)所構(gòu)成，F(xiàn)FM中含有許多的電解質(zhì)和水分，所以電阻抗較低；然而FM是無水的物質(zhì)，所以電阻抗比較高。因此，人體中如果非脂肪的物質(zhì)含量越多則電阻抗的值越低。

Schoeller[5]指出，BIS中，人體細(xì)胞質(zhì)量，尤其是肌肉質(zhì)量構(gòu)成主要的電路途徑。許多研究表明，電阻率常伴隨著不同測量種群的不同而發(fā)生改變[6-7]。

多頻BIA技術(shù)是把人體水分區(qū)分為細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液。細(xì)胞具有雙層膜結(jié)構(gòu)，兩層膜之間是非導(dǎo)電介質(zhì)，兩層膜的兩邊是可以導(dǎo)電的體液，這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于電路中的電容器效應(yīng)。具有通交流、阻直流的特點(diǎn)，對高頻信號具有更低的導(dǎo)通阻抗，因此在對人體進(jìn)行阻抗測試時，可以采用多種頻率的信號進(jìn)行測試，對于高頻信號而言，其可以順利經(jīng)過細(xì)胞膜，而對低頻信號而言，則不能順利地經(jīng)過細(xì)胞膜，而必須找到其他低阻抗路徑(通過細(xì)胞外液)。兩種信號測試過程中，就會反映出不同的電阻值：高頻信號反應(yīng)的是細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液總阻抗值，而低頻信號僅反映細(xì)胞外液阻抗值。利用多頻技術(shù)可以分別測定細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液，從而達(dá)到測定人體內(nèi)水分含量的目的。然后可以利用公式計算出人體的去脂肪組織質(zhì)量和脂肪組織質(zhì)量等人體成分，而其中人體節(jié)段部位分析的測定原理是將人體假定為五段模型：右上肢、右下肢、左上肢、左下肢和軀干，通過數(shù)學(xué)模型測試每個節(jié)段的阻抗。雖然每個節(jié)段的實(shí)際模型并不是完全相同，但與不分節(jié)段的傳統(tǒng)測量儀器相比，已經(jīng)可以極大地提高測量的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

人體成分分析儀對于兒童和青少年生長發(fā)育的監(jiān)護(hù)、科學(xué)地訓(xùn)練運(yùn)動員進(jìn)行有效的指導(dǎo)、肥胖和許多疾病的防治以及患者如何進(jìn)行有效的康復(fù)等都有著很好的應(yīng)用前景[8-9]。人體成分分析設(shè)備的研究和儀器的發(fā)展，對于醫(yī)學(xué)的需求和人們的健康顯得尤為重要。