疫情影響下，消費者對健康管理的需求也在提升。特別是與健康相關的可穿戴設備，必將成為下一個趨勢。擁有健康的身體，是抗擊疫情最好的武器。

隨時了解自己的身體狀況，是做好健康防護的第一步。身體狀況的檢測有很多方法，今天我們就來討論一下人體阻抗測試的原理、應用和方案，一起學習如何通過人體阻抗測試來“破譯”身體健康的“密碼”。

 人體阻抗測試結果往往能夠反映了一個人的健康狀況。

?皮膚表面的阻抗反映了人的精神狀態(tài)

在精神狀態(tài)改變期間或當人們變得緊張時，人體的交感神經系統(tǒng)激活皮膚中的汗腺。這種效應會增加皮膚導電性，從而使阻抗下降。因此，可以通過觀察皮膚電活動 (EDA) 或皮膚電反應 (GSR)的相對測量，來監(jiān)測壓力或心理健康。

?生物阻抗測量反映了人的健康狀態(tài)

下圖把人體簡化對應的電氣模型：

圖1：人體構成與電氣模型 

從電學的角度來看，細胞內和細胞外的電解質溶液表現(xiàn)為良導體，而脂肪和骨組織則是不良導體。人體不同組織，對應不同的導電特性。對于生物阻抗測量，人體分為五個部分：兩個上肢、兩個下肢和軀干。最常見的是手對腳、腳對腳、手對手。通過測量阻抗可以確定人體的組成成分，例如總體脂百分比或人體含水量。

?生物阻抗矢量分析（BIVA），反映身體的結構信息

生物阻抗是一個復量，由電阻值R（實部）和反應值Xc（虛部）組成，相位角在決定物體的組成方面起著基礎性的作用。

圖2：生物阻抗矢量分析（BIVA）

上圖X軸是根據身高折算后的電阻R，Y軸坐標是根據身高折算過的Xc。

其中50%的橢圓反映了平均人群身體結構。沿著橢圓的X軸Y軸移動，反映了身體成分與平均人群的差異。

?皮膚電活動 (EDA) 或皮膚電反應 (GSR)的相對測量

在皮膚上施加激勵信號，并測量阻抗兩端的電壓。然后測量通過皮膚的電流，既可求出對應電阻與電阻的變化。相對阻抗（或阻抗的變化值）可以直接采用2線測量法來測量。

下圖為AD594x測試電路，顯示了2線測量法的原理。 

圖3：EDA或GSR的測量原理

?小貼士：人體不同成分對應不同測試頻率

對于皮膚表面的阻抗測量，建議使用低頻激勵（而非直流電壓）進行測量，以防止電極極化并消除對人體組織的傷害。通常，最大激勵信號頻率可達200 Hz，因為較高的頻率可穿透進入人體，而不會僅測量皮膚表面。將電極在人體上的某些位置，電導率會隨著人的情緒或精神狀態(tài)變化而變化。

阻抗變化與精神壓力之間的關系并沒有直接公式，因此該測量通常與心率和/或心率變異性等其他測量并行進行。需要開發(fā)一種算法來將各種測量結果轉化為心理壓力水平。

最常見的4線生物阻抗分析（BIA）應用之一是人體成分測量，以測量瘦體重。此外，這種設置也可用于監(jiān)測人體內的含水量或通過生物阻抗譜測量心臟行為。此外，這種設置也可用于監(jiān)測人體內的含水量或通過生物阻抗譜測量心臟行為。其測量原理都是一樣的，但是我們可以通過改變交流激勵頻率和電極在人體的位置來實現(xiàn)不同的應用。

下圖為AD594x測試電路，顯示了4線測量法的原理。此設置中的未知量Z代表人體。對人體施加交流激勵電壓，在此之上疊加一合適的共模電壓并用電壓表測量，利用高速跨阻放大器測量響應電流。最終阻抗可通過下式計算：Z = VCOMMON/I。

圖4：用于人體阻抗分析的4線測量

在上圖3的功能框圖中，可以看到阻抗通過電阻和電容與測量前端隔離。電阻限制了可流過人體的最大電流。CISO確保在電極與地或其他電極之間不會產生直流信號。這是滿足醫(yī)療安全標準 （如IEC 60601）的要求之一。

從硬件和軟件的角度來看，使用AD5940進行開發(fā)非常方便。

由于它完全集成了所需的硬件子系統(tǒng)，AD5940使開發(fā)人員能夠實現(xiàn)復雜的設計，如4線BIA測量回路，只需很少的外部組件。開發(fā)人員可以使用AD5940兩個模擬輸入（AIN）端口，即（如下圖AIN2和AIN3），來配置低帶寬環(huán)路，從而處理所需的低頻測量。同時，可以使用設備的CE0和AIN1端口來實現(xiàn)BIA應用所需的高頻激勵和測量。

圖 5 Analog Devices AD5940參考電路

?硬件支持

一套開發(fā)板可以減少很多硬件接口設計，從而快速開發(fā)產品。把Analog Devices EVAL-ADICUP3029與Arduino UNO一起使用，搭建一個基于 ADUCM3029 的開發(fā)平臺。再附上一個 AD5940 擴展板bio-electric shield, 開發(fā)者能迅速使用 AD5940來開發(fā)生物測量如BIA。另外，開發(fā)者能附加其他擴展板electrochemical shield 以及加一些擴展氣體傳感器gas sensors來實現(xiàn)某種特定有毒氣體分析。

?軟件支持

開發(fā)者可獲得開源C語言 AD5490 firmware library。

生物電阻分析法本身不是在數(shù)學物理定義上嚴格推導出來的，而是由大量數(shù)據依據統(tǒng)計學規(guī)律發(fā)展而來的。在人體阻抗測試測試中，需要考慮多種因素，包括人體測量參數(shù)，即身高、體重、皮膚厚度和體型。其他因素包括性別、年齡、種族，尤其是患者的健康狀況，即任何營養(yǎng)不良或脫水。如果不考慮這些因素，試驗結果可能會失真。測量的解釋是基于統(tǒng)計數(shù)據和考慮到這些不同因素的方程。

最后，祝大家有個健康的身體，平安開心度過這次肺炎疫情。  

更多有關測量的技術資料，請參閱digikey.cn官網內文章：

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