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人体成分测量装置的设计
人体的组成成份及变化情况是评价人们营养状况和健康水平的重要因素。
人体成分的分析越来越受到生理学家、营养学家及医生的重视。
肥胖已成为在全球范围患病人数迅速增加的一种流行性疾病，我国也不例外。
特别是人体体内的脂肪含量的分析，对于评价人的营养状况、体质研究、临床疾病治疗具有重要的意义。
对人体成分的测定方法有很多，如水下称重法、核磁共振法、同位素稀释法等，这些方法都需要特殊的仪器和设备，且仪器设备大多价格昂贵。
针对这种情况，本文根据生物组织电阻抗特性，应用生物电阻抗技术设计制作了安全、无损伤、价廉的人体成分测量装置。
生物电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性来提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的无创检测技术。
其基本测量方式是通过体表电极向检测对象施加安全的激励电流，并使用体表电极检测相应的电压变化，获取相关信息。
检测原理
人体阻抗特性
人体的基本构造是细胞，每个细胞有一层细胞膜，细胞膜内包裹着细胞内液，在细胞间充盈着细胞外液。
细胞膜由双层磷脂分子和蛋白质组成，细胞内液和细胞外液都相当于电解质溶液，因此细胞膜的导电性远小于细胞内外液，近似为绝缘体。
当直流或低频电流施加于生物组织时，由于细胞膜的存在，电流将以任意一种可能的方式绕过细胞，主要流经细胞外液;当施加高频电流时，电流穿过细胞膜，流经细胞内液。
实验表明，当电流频率小于50kHz时，电流主要流过细胞外液体;当电
流频率在200kHz以上时，电流可穿过细胞膜。
电流流过生物组织时细胞膜等效于电容，而细胞内外液等效于电阻。
对。
基于InBody的护生人体成分测定与分析【摘要】本文主要介绍了基于InBody的护生人体成分测定与分析。
在引言中，我们阐述了该技术的重要性。
接着，通过解析InBody技术原理以及在人体成分测定中的应用，我们展示了其在护生领域的意义和在健康管理中的应用。
然后我们详细讨论了InBody数据分析方法，为读者提供了更深入的了解。
在我们探讨了InBody的未来发展前景，并进行了总结。
通过本文的阐述，读者可以更好地了解InBody技术在护生领域中的重要性，以及其在健康管理中的应用前景。
InBody技术的不断发展和完善将为人们的健康管理带来更多便利和效益。
【关键词】InBody、人体成分、测定、护生、技术原理、应用、健康管理、数据分析、未来发展、结语1. 引言1.1 绪论InBody技术采用生物阻抗法来测定人体的身体成分，具有快速、准确的特点。
通过使用InBody设备，可以非侵入性地测定体内的脂肪、肌肉、水分等成分的含量，为个体提供科学的健身建议。
本文将着重介绍InBody技术的原理和应用，探讨其在护生领域中的意义以及在健康管理中的应用。
我们还将深入研究InBody数据分析方法，为读者提供更多关于InBody技术的实用信息。
通过对InBody技术的深入研究，我们可以更好地了解自身身体成分的情况，以此为基础制定科学的健康管理计划。
也可以为未来InBody技术的发展提供更多的思考和建议。
愿本文能为读者带来有益的信息和启发。
2. 正文2.1 InBody技术原理InBody是一种通过生物电阻抗分析法（BIA）来测量人体组织成分的仪器。
其原理是利用人体组织对电流的阻抗来推断不同组织的含量，从而得出人体的脂肪、肌肉、骨骼等成分的具体数据。
在InBody中，电极对通过手脚等部位的电流信号，并根据电阻率的差异来识别不同组织。
通过测量电流通过身体的速度和电阻，可以计算出不同组织的百分比，从而达到准确测定人体成分的目的。
值得注意的是，InBody技术可以精确测量不同部位的组织成分，比如左右手臂的肌肉量差异，胸部和腹部的脂肪含量等。
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920335643.X(22)申请日 2019.03.16(73)专利权人 徐弘哲地址 中国台湾彰化县埔心乡平和路86号(72)发明人 徐弘哲 (74)专利代理机构 北京维正专利代理有限公司11508代理人 俞光明(51)Int.Cl.A61B 5/053(2006.01)(54)实用新型名称基于生物电阻抗可测量人体成分的穿戴式健康监测器(57)摘要本实用新型公开了一种基于生物电阻抗可测量人体成分的穿戴式健康监测器，涉及健康检测技术领域，旨在解决现有的健康检测系统不适宜家庭和个人使用的问题。
其技术方案要点是，包括控制单元、智能手环和可放置在鞋内的足部垫块，所述智能手环包括表带和表体；所述控制单元设置在表体内，所述表带的内侧设置有若干个生物电阻抗传感器一，所述足部垫块上设置有生物电阻抗传感器二；所述生物电阻抗传感器一与控制单元电连接，所述生物电阻抗传感器二与控制单元无线连接。
本实用新型方便携带且可穿戴，具有适宜家庭和个人使用的优点。
权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 210019332 U 2020.02.07C N 210019332U权 利 要 求 书1/1页CN 210019332 U1.一种基于生物电阻抗可测量人体成分的穿戴式健康监测器，包括控制单元(1)和智能手环(2)，所述智能手环(2)包括表带(21)和表体(22)，所述控制单元(1)设置在表体(22)内，其特征在于：还包括可放置在鞋内的足部垫块(3)，所述表带(21)的内侧设置有若干个生物电阻抗传感器一(4)，所述足部垫块(3)上设置有生物电阻抗传感器二(41)；所述生物电阻抗传感器一(4)与控制单元(1)电连接，所述生物电阻抗传感器二(41)与控制单元(1)无线连接。
2.根据权利要求1所述的基于生物电阻抗可测量人体成分的穿戴式健康监测器，其特征在于：所述生物电阻抗传感器一(4)呈球状或圆柱状。
生物电阻抗法颅内压无创检测仪的研制第31卷第5期2008年5月重庆大学JournalofChongqingUniversityV o1.31No.5May2008文章编号:1000—582X(2008)05—0520—04生物电阻抗法颅内压无创检测仪的研制季忠,丁志宇,王巧兰(1.重庆大学机械工程学院测试中心,重庆400030;2.仰恩大学计算机与信息学院,福建泉州362014)摘要:根据Cole—cole三元件模型,分析了病变时颅内压与脑阻抗的相应变化情况,开发了基于生物电阻抗法的颅内压无创检测仪.该检测仪主要包含两大部分——测量系统的硬件部分及数据处理,图形显示和数据管理的软件部分.在计算机的统一控制下通过对人脑阻抗进行连续监测,利用颅内压与脑阻抗的对应关系,实现了颅内压的无创检测.实验中运用最小二乘法对数据进行处理,并采用多次测量及抗干扰技术来提高系统的测量精度.关键词:生物电阻抗;颅内压;无创检测仪中图分类号:TH773文献标志码:A Designofanon—invasiveinstrumentformonitoringintracranial pressurebybioelectricalimpedancetomographydlZhong,DINGZhi-yu,WANGQiao.1an(1.TestCenter,CollegeofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030,P.R.China;2.CollgeofComputerandInformationTechnology,Y ang-EnUniversity,Quanzhou362014 ,P.R.China)Abstract:Afterstudyingintracranialpressureandimpedance,anintracranialpressurenon—invasivemonitorwasdesigned.ThedesignwasbasedontheCole—colethree—componentmodelandbioelectricalimpedancetechnology.Thesystemofthismonitorhastwoparts:hardwaretomeasureintracranialimped anceandsoftwaretoprocessexperimentaldata,displaydatacurves,andmanagedata. Thismonitorcouldmeasure intracranialimpedancecontinuallyunderthecontrolofacomputer.Themonitorsubsequentl ycouldobtain intracranialpressureaccordingtothelinearrelationshipofintracranialpressureandintracran ialimpedance.Inthisway,humanintracranialpressurecouldbemeasurednon—invasively.Inexperimentation,theleast squaresanalysismethodwasappliedtoprocessdatawhilereal—timedisplay,multi—measurements,andanti—interferencetechnologiessimultaneouslywereappliedtoenhancethemeasurementaccurac yofthesystem.Keywords:bioelectricalimpedance;intracranialpressure;mon—invasiveinstrument目前,颅内压(ICP)的检测基本上都是有创性的,即把传感器置于颅内直接检测.这种检测虽然精确度高,但由于需要把传感器植入颅内,感染的危险性很大,且无法实现长时间的连续监护.因此,颅内压无创检测技术的研究越来越受到重视,如基于闪光视觉诱发电位(FVEP)的ICP无创检测原理,已经研制成功并临床使用的MICP型颅内压无创检测分析仪,不仅使颅内压的临床监护变得方便,收稿日期:2007—12-08基金项目:国家863计划资助项目(2005AA420350).作者简介:季忠(1974一),男,重庆大学副教授,博士,主要从事生物医学信号处理和虚拟仪器技术的研究,(Te1)023—65106973;(E—mail)***************.第5期季忠,等:生物电阻抗法颅内压无创检测仪的研制安全,也大大减轻了广大颅脑病患者在有创性监测中经受的痛苦和危险.但是,不同的颅内压无创检测方法具有不同的优缺点,因而每一种无创检测方法都具有一定的受众面,因此,基于不同的颅内压无创监测方法研制无创的颅内压监护仪器并应用于临床,具有重要的理论意义和临床实用价值.1理论基础生物阻抗法其测定原理是Cole—cole提出的三元件模型[3和Schwan提出的频散理论].通过将低于兴奋域的微弱直流或交流施加于生物组织,测量其表面电位差来间接测量阻抗变化.建立这种阻抗变化与颅内压增高之间的关系,实现间接测量颅内压的变化,达到检测病情的目的.1.1Cole-cole理论生物组织由大量细胞组成,可视为许多细胞的集合,因此其电路模型可用如图1所示的电路等效,此时的R.,R,c分别代表整个生物组织的等效内,外液电阻和膜电容,这就是所谓的生物阻抗三元件模型.R图1生物组织等效电路模型由图1可导出生物组织的阻抗,用Cole—cole阻抗方程来描述,即)一R..+,(1)式中:R..一;R.一Re;V一(RI+cR为电流频率为零时的阻抗;R..为电流频率为无穷大时的阻抗;r为时间常数.由复变函数理论可知,z(厂)的轨迹是处于第4象限的一段圆弧,如图2所示.可理解为等效电路中R和C串联作用引起的结果,称之为结构松弛或频散.结构松弛的时间常数为r,相应的特征频IZ//\0R～～～一图2生物阻抗轨迹图率fo一.这也与膜电容c的作用使生物组织在一定的频率下成容性,与生物阻抗是第4象限的一段圆弧的结果相吻合.图中Re为实部,Im为虚部,a是细胞膜的相位角,假如细胞膜是理想的绝缘体,则a一90..该圆弧的半径为,圆心坐标为2sIn(号ar尺+RR.一R..]I2'2tgf詈1l.随着频率f的升高,点沿L\厶,J半圆逆时针方向移动.1.2阻抗测量技术对生物组织阻抗的测量,不同的频段有不同的测量方法.为避免注入和输出的干扰,系统采用四电极法,一对电极输入电流,另一对电极引出被测部位的电压.测出在4个不同频率下的生物组织阻抗,根据Cole—cole阻抗公式(1)解出其相应的电阻抗参数a,R..,R.和r等,也就知道了脑电阻抗值],这就是四点法测电阻.1.3阻抗法监护颅内压原理颅内压是力学参数,而生物阻抗是电学参数,它们之间没有直接关系.但颅内压的变化总是伴随着颅内部分区域介质的电导率的变化,从而引起颅内阻抗的变化,所以用检测脑阻抗的变化来代替有创颅内压值的检测,通过测量脑的阻抗变化来监视颅内压的变化,实现颅内压的无创监护是完全可行的.可以把脑阻抗Z分为2部分:基础阻抗Z.,交流阻抗AZ,如图3所示¨8].在颅内压增高初期,主要是颅内脑脊液起代偿作用来平衡颅内的压力平衡.由于脑脊液的电阻率在颅脑中最小,所以在颅内压增高初期脑阻抗随病情发展有大的变化,曲线斜率较大.即图3中的I部分.随着病变的扩展,当进入颅内压增高中期,这时脑血容量的代偿起主导作用,血液被不断排出脑外. 由于血液的电阻率高于脑脊液,因此随着血液被排出脑外,颅内压力增加,颅内部分区域的电阻抗也增加,但增加的趋势有所缓和,即图3中的II部分.在从第1部分变化到第1I部分时,由于代偿物质电阻率的不同,所以有个明显的变化点A,这是一重要的特征点.随着颅内压的逐步增高,脑阻抗也逐步增加,但522重庆大学第31卷增加的趋势有所缓和,直到脑血容的代偿功能消耗完毕,即图3中的B点,这也是病情变化的另一个重要特征点.这时,由于颅内压的增高,脑血流小的波动必然导致颅内压大的起伏,即颅内压一会儿骤升一会儿骤降.而颅内压的骤升必然使颈静脉回流受阻,颅内血容量暂时增加,从而阻抗减少;当颅内压骤降时,颈静脉回流畅通,颅内血容量又降低,阻抗增加.这样,阻抗的变化就反映了颅内压的变化情况.P图3颅内压与脑阻抗关系示意图根据图3可知颅内压与脑阻抗有一定的对应关系.当病变使颅内容物体积有微小增量△,这时颅内压P有下面的关系式P=:=Poe,(2)式中:为颅内压正常值;K为常数(成人约为0.092/mL).由于颅腔是刚性的,且在第m阶段颅内组织的刚性极大[9],可近似为刚性球体.根据公式(2)及球体的体积公式可以得出颅内压P与颅内电阻有以下近似关系POCAPeo,(3)式中:C为常数;A根据不同对象有所不同(通过实验数据分析可以得出).2测量系统的设计首先测量出人脑阻抗的变化曲线,然后从阻抗和颅内压力的对应关系上就可以分析出颅内压的变化,达到无创检测颅内压的目的.实际颅内压无创检测仪器的基本结构框图如图4所示,主要分为2部分——测量系统的硬件部分和数据处理与图形显示的软件部分.2.1硬件电路的设计硬件部分主要是:程控信号发生器产生频率不同但幅值恒定的正弦电压信号,此信号经恒流源电路转换成电流激励,通过输入电极作用于待测对象, 由被测对象出来的信号,先经放大器把微弱信号放大,然后通过鉴幅器和鉴相器得到信号的幅值和相位,数据采集卡对数据进行采集,最后送到计算机进行数据的分析处理和显示.程控信号发生器卜_—恒流源卜——-1被测对象计算机数lHH因恒匦1)程控信号发生器程控信号发生器选用AD7008构成可程控的正弦波信号发生器,为了使输出信号的频率更为稳定, 将输出信号通过由MAX262构成中心频率可调的带通滤波器.用89C51来控制输出频率为1Hz～140kHZ的正弦电压.2)横流源电路由2个低噪声,精密运算放大器构成横流源电路的作用是电压一电流转换电路,如图5.调节.R来改变输出电流的值,充分保证受试者的安全[5]. 图5横流源电路3)宽带电压放大器作为系统中的关键部分,对电压放大器有很高的要求.只有电路(如图6)具有高输入阻抗,低输入电流,高共模抑制比,低噪声,低漂移等良好特性,才可能保证结果的准确性.4)宽带电流放大器选择2个与电压放大器相同的运放,运放1实第5期季忠,等:生物电阻抗法颅内压无创检测仪的研制523 图6宽带电压放大器电路现电流一电压的转化,运放2作为放大极使输出的信号能满足后面所需的电压].按照图4的顺序把从宽带电流和宽带电压放大器出来的信号分别送人鉴幅器和鉴相器,再把从鉴幅和鉴相器输出的直流电压信号送到直流放大器,根据A/D转换所需要的电压来确定所需要合适的放大倍数.通过NI6221数据采集卡进行数据的采集,最后送人微机进行数据处理并实时显示检测结果.2.2软件的设计测量软件在基于32位的Windows平台,利用VisualC++作为开发环境,编写的代码具有良好的移植性和扩展性L1.软件部分的主要工作就是把从硬件测得的在不同频率下的幅值和相位信号进行处理和显示,这里选用C++编程来对数据进行处理和界面设计.仪器对数据主要进行阻抗图,实部随频率变化,虚部随频率变化的显示.通过这些图形的变化并结合颅内压随阻抗的变化曲线图就可以监测颅内压的变化,达到无创检测颅内压的目的.3实验模拟与结果分析总体测量系统可以分为电源激励,阻抗信息的检测与提取和特征参数计算3个部分.为全面检验测量系统的精度,在实验室建立了以图1所示的阻抗模型_gJ,在这里选用R一1.9921kQ,R.一1.9708kQ,C一9.89nF,测得的结果如表1所示.因为人脑的测量容易受到外部的干扰,所以对测量到的值首先进行有效值范围的过滤,把一些明显的噪声及干扰点滤除,然后再进行特征参数的计算.对以上数据进行数据处理和曲线拟合后得到R..一1.0121kQ,R.一2.0495kQ.相对误差分别为2.1和2.8,误差较小.表1模拟网络测量值测量点数_厂/kHzA/kfl~o/rad0.00000.0247O.O7320.1411O.217O0.2838O.3269O.34220.33480.31320.28530.2346O.155OO.1OO40.O6780.04820.03570.0293对同一网络进行了多次测量,每次的测量结果相差甚微,从结果的相差值来看,本系统具有较好的重复性;从相对误差来看,本系统具有较高的精度.为了得到更加精确的测量结果,对模型实行多次检测,且利用雅可比迭代法来快速求出各特征值.4结语颅内压无创检测的研究是一项比较新的领域,特别是考虑到将来要应用到临床的实验中,这些都对系统提出了很高的要求.本系统在实验室纯电阻,电容的环境下能较好地对颅内压实施监测,为临床使用及系统的下一步优化奠定了基础.由于其方法简便,且能长期监护,因而与有创的颅内压监护相比有不可比拟的优点,值得进一步进行检测系统及临床应用研究.(下转第527页)13126O4382229O61692O61O8895O89867421∞∞卯%加"∞∞∞∞∞11111111111111OOOOO262OO262OOOOOOOOOOOO2049¨∞∞∞000¨¨"第5期冯文江,等:功率分配对前向放大协作分集技术的影响527 TANGY卜BING,FANLEHA0,H0UXIA0一YUN. Diversityprotocolofcooperativediversitytechnologyl,J]. JournalofChongqingUniversityofPostsandTelecommunications:NaturalScience,2006(6):25—26. [5]IANEMANJN,TSEDNC.Cooperativediversityin wirelessnetworks:efficientprotocolsandoutage behaviorEJ].IEEETransactionsonInformation Theory,2004,50(12):3062—3080.r6]SEND0NARISA,ERKIPE,er cooperationindiversity-partI:systemdescription[J]. IEEETransCommun,2003,51:1927—1938.r7]SEND0NARISA,ERKIPE,er cooperationindiversity～partII:implementationaspects护护护护护(上接第523页)参考文献:[1]季忠,秦树人,彭承琳.基于单通道FVEP提取的虚拟式颅内压无创检测仪器的实现EJ].中国生物医学工程,2007,26(5):713-718.儿ZH0NG,QINSHU—REN,PENGCHENG—LIN. 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一种基于生物电阻抗原理的人体成分测试装置的研制作者：祁朋祥，马祖长，孙怡宁，刘世法作者单位：(1.安徽省仿生感知与先进机器人技术重点实验室，中国科学院合肥智能机械研究所，合肥230031;2.中国科学技术大学自动化系，合肥230027)【摘要】人体内各种成分之间的合理比例是维持人体健康的重要因素。
与同位素稀释法、总体钾法、双能X线吸收法(DXA)以及皮褶厚度法等方法相比，生物电阻抗法测量人体成分简单、快速和准确，是体成分测量的理想手段。
我们介绍了基于生物电阻抗测量技术的体成分测量原理，并以此为指导设计了一种体成分测试仪。
该仪器测试数据重复性高，与同类仪器的对比实验验证了其准确性。
【关键词】生物电阻抗法;人体成分;人体健康;生物电阻抗测量技术;体成分测量仪The Development of a Body Composition TestDevice based on Bioelectrical ImpedanceQI Pengxiang1,2,MA Zuchang1, SUN Yining1,LIU Shifa1,2(1.The Key Laboratory of Biomimetic Sensing and Advanced Robot Technology, Anhui Province,Institute of Intelligence Machines, Chinese Academy of Science, Hefei 230031，China;2.Dept of Auto，University of Science and Technology of China, Hefei 230027)Abstract：A reasonable ratio between various compositions of the human body is an important factor to make people keep health. Compared with the methods such as isotope dilution, total body potassium, Dual-energy X-ray absorption and skinfold thickness, bioelectrical impedance analyses is simple, fast and accurate. It is an ideal means to measure body composition. In this paper, based on bioelectrical impedance measurement technique, the principium of human body composition test was introduced. Guided by this, a type of human body composition tester was developed. The repeatability of the data measured by this equipment is very high. Comparisons with similar experimental devices have verified the accuracy of the equipment developed by this paper.Key words：Bioelectrical impedance; Body composition; Body health; Bioelectrical impedance measurement technique ; Body composition tester1 引言随着社会的进步和生活水平的提高，人们越来越注重自身的健康状况。
人体内各种成分维持合理的比例是保持身体健康的重要条件，例如，体内脂肪增加到一定量将导致肥胖症等疾病的发生，矿物质的大量流失将导致骨质疏松症，而肾脏功能性减弱将导致体内水分平衡失调，出现水肿等现象[1]。
体成分测量可定量评估人体内各种成分之间的比例关系，是人体健康检查的重要内容之一，引起了很多研究者的关注。
人体成分的分析方法有多种[2]，如体质指数(BMI)法、皮褶厚度法、水下称重法、总体钾法、生物电阻抗法、DXA法、空气置换体积描记法[3]等。
陆大江等人从精度、成本、难易度等方面对各种测量方法作了对比分析[4]，指出运用生物阻抗法分析人体成分简捷、快速、成本低廉、无创、安全，医生和测试对象易于接受，具有广阔的应用前景。
生物电阻抗分析法(BIA)是一种用以评估身体成分的间接方法，其基本思路是将微弱的交流电信号导入人体时，电流会沿着电阻小、传导性能好的体液流动。
水分的多少决定了电流通路的导电性，可用阻抗的测定值来表示。
大量实验数据表明，人体的电阻抗特性与体成分之间存在统计关系，这就是基于生物电阻抗技术的体成分测量原理[5]。
早期的BIA方法一般选取一个典型的样本人群，用单频信号测得样本的生物电阻抗，通过经验公式推算人体成分[6-8]，这种方法比较容易实现。
随着电子技术的发展，研究者进一步提出了基于生物电阻抗频谱法(BIS)的体成分测量法。
它是在一个频率范围内选取多个频点，根据人体阻抗的模拟电路模型(指人体的细胞外液电阻Re、细胞内液电阻Ri和细胞膜电容Ci三元件模型)，用测得的阻抗值推算人体的特征参数Re、Ri和Ci，进而推算人体内水分的体积。
Gudikawa 等[9]和Buchholz 等[10]认为当人体体液分布非正常时，多频分析能够比BIA方法更准确。
BIA法的简单性使之只能用在产生其样本或与该样本性质(年龄、体型、健康状况等)相同的其他人群[11];Ann等2007的实验表明[12]，BIS可以用在性质不同的样本(西班牙裔样本、黑人样本和白人样本)上，即多频的BIS法克服了BIA法的对样本的完全依赖性，但是由于它需要的信号频率多，因此硬件设计相对复杂，且成本高。
我们设计了一种基于生物电阻抗原理的体成分测试仪，与同类仪器的对比实验表明，其50 kHz单频测试(BIA法)取得了预期效果，证实了测量原理的正确性。
另外，该仪器可程控产生从5 kHz到1 MHz之间的一系列交流激励信号，为多频测量提供了基础条件。
因此，本仪器既可以单频测量人体的生物电阻抗，用BIA法分析人体的各种成分组成，又可以用多频BIS测量人体阻抗的模量和相角，推算人体各种成分组成。
2 基于生物电阻抗的人体成分测试仪的设计基于生物电阻抗技术的体成分测量方法是一种间接推算的过程，其准确性依赖于人体的成分模型。
目前，常见的人体成分模型有20多种，典型的有二元件模型、三元件模型和四元件模型等。
二元件模型将人体简化为脂肪物质和非脂肪物质(FFM);Anderson[13]提出三元件模型，将人体简化为瘦肉物质、脂肪物质和水;Keys[14]提出将非脂肪物质分为水分、蛋白质和无机盐，加上脂肪物质构成了四元件模型。
由于四元件模型能够更准确地描述人体的成分构成，得到了广泛应用。
因此，本研究应用四元件模型对人体成分进行分析。
由于非脂肪组织具有比脂肪组织更小的电阻抗，当交流电加于人体时，电流将主要通过非脂肪组织。
引起非脂肪组织导电的主要物质是电解质水，包括细胞内液和细胞外液。
由于细胞膜电容的存在，在低频情况下，细胞膜的容抗很大，电流基本上不能穿过细胞膜，只能通过细胞外液;随着电流频率的增加，细胞膜的容抗逐渐减小，通过细胞内路径的电流的比例将随之增大[15-16]，见图1。
根据欧姆定律，导体的电阻与导体的长度成正比，与横截面积成反比，如下式所示。
Z=ρLA=ρL2V，即V=ρL2Z(1)式中，L表示导体长度，V为导体的体积，ρ为导体电阻率。
上式表明L2/Z与导体体积成线性关系。
大量的统计分析表明，L2/Z同人体水分总体积(TBW)显著相关[17]，可以由L2/Z预测TBW。
由于水分体积跟肌肉含量密切相关，肌肉含量跟无机盐含量密切相关，因此，可以由水分体积推算肌肉和无机盐的含量。
根据四元件模型，体重与非脂肪物质(肌肉跟无机盐之和)含量之差可以得到脂肪物质的含量[18-19]，从而得到完整的人体成分组成。
人体是一个不规则的复杂系统，为深入分析其阻抗特性，首先需要建立基于人体几何特征的阻抗模型。
目前最典型的是将人体定义为五段圆柱体，包括上下肢和躯干，并将人体的各段简化为性质均匀的理想圆柱体，见图2。
图2 人体的五段模型[15]Fig 2 The body's five-paragraph model3 人体成分测试仪的设计我们所设计的体成分测量装置包括直接数字频率合成器(DDS)、带通滤波器、压控电流源(VCCS)、无感精密参考电阻Rref、信号调理电路A1、A2、相位检测芯片AD8302，单片机系统、存储器、键盘、LCD显示和通信接口(CAN总线)等部分，其结构原理见图3。
3 仪器结构示意图3.1 信号的产生频率可调的交流激励信号源是仪器的重要组成部分，本设计采用直接数字频率合成器(DDS)，通过程序控制直接产生所需要的各种不同频率信号。
参考时钟源fclk是一个晶体振荡器，用以同步DDS的各个组成部分。
DDS 合成器主要包括四个部分：相位累加器、相位幅度转换器、D/A 转换器和滤波器，见图4。
DDS的引入能够极大简化多频信号的产生，其合成原理见图4。
输出频率=1228×25MHz×配置字=1〖〗228×25×106×配置字图4 DDS合成原理Fig 4 Synthesis principium of DDSDDS本身产生的信号含有丰富的高频噪声，同时放大器的偏置电流和偏置电压会引起低频噪声，因此，需要在DDS合成器后加一个带通滤波器，以滤除高、低频噪声。
采用二阶巴特沃斯滤波器实现，并根据下式计算高、低截止频率：ω0=R1+R2R1R2R3C1C2(2)式中，Ri和Ci(i=1,2)为滤波器的参数。
根据需要选择Ri和Ci(i=1,2)，控制滤波器的截止频率，就能够滤除高、低频噪声，得到质量较高的激励信号源。
3.2 信号的施加DDS输出的信号经带通滤波器后，输入到压控电流源中。
压控电流源输出电流的大小受输入的电压信号的控制，信号经过压控电流源后，作为仪器的激励信号施加到人体的相应部位上。
为确保测试对象的人身安全，输出电流峰峰值控制在0.4 mA范围内。
我们所介绍的系统采用8电极法(4对)，每一对包括一个激励电极和一个检测电极。
