CN103230272B - 一种用于肝病营养状态检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于肝病营养状态检测的方法及装置，通过对人体三维阻抗的测量，获取人体躯干部位在三个方向上阻抗的相角和模量，将三维阻抗信息叠加得到合成阻抗的模量和相角，并绘制生物阻抗矢量图，根据测得的阻抗矢量所在位置评价肝病营养状态。应用本发明检测方法的装置中，电流发生装置（11）通过多路开关（9）选择不同位置的电流注入电极将电流注入人体（19），通过多路开关（10）选择对应的电压测量电极，测量电极之间的电压经过电压放大器（12）、解调器（13）将信号送至工控机（17）。工控机根据电流注入电极和电压测量电极的位置信息确定人体冠状轴、矢状轴和垂直轴方向上的阻抗分量并生成合成阻抗，分析肝脏营养状态。

Description

一种用于肝病营养状态检测的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于肝病营养状态检测的方法及装置，特别涉及一种采用三维生物阻抗合成技术检测肝病营养状态的方法及其测量装置。

背景技术

肝是人体的“化工厂”，营养物质的产生源于肝，肝功能的改变影响了机体营养物质的合成和代谢，同时肝病病人可能伴有胃肠黏膜病变，胆囊排入小肠的胆盐减少，肠道自主神经调节功能下降和蠕动功能减退等症状，导致肠道消化和吸收功能明显削弱，营养素的吸收受到严重影响。故肝病病人临床营养不良的发生率较高。因此，准确判断肝病病人的营养状况，对于临床治疗和改善病人的预后都十分必要。

生物电阻抗技术利用不同频率下相同电极间的电阻抗值的变化间接测定细胞内、外液的量，从而得到人体成分组成，包括脂肪量、瘦体组织量、机体水分总量、基础代谢量、去脂肪体重、细胞内外液总量、肌肉形态、健康评估等指标，在肝病病人营养状况的评价中可起到重要作用。但是所得到的体成分是利用患者阻抗、身高、体重、年龄等信息通过经验公式获得的，这就造成了人体成分信息误差偏大，可能会影响评价结果。利用生物阻抗测量的结果直接评价肝病患者营养状态，减少评价方法对年龄、体重等指标的依赖，可以提高评价结果的准确性。目前可以利用的指标是生物阻抗的模量和相角。通过对大量健康人群生物阻抗的测量可以绘制生物阻抗矢量图，以及容受椭圆，根据患者的生物阻抗矢量在图中的位置即可判断肝病营养状态。

目前相关技术主要集中在生物阻抗的测量方法，如美国专利3971365，以及由生物阻抗测量技术发展而来的体成分分析技术和装置，如美国专利5335667，6643543B2，2011/0237926A1，6256532B1，5720296和中国专利201080056731.8，200610014163.0。以上文献中所描述的人体阻抗测量方法均采用从人体四肢注入电流的方法，同样从四肢测量电压，进而得到人体阻抗信息，这些文献对电流发生电路和阻抗测量电路进行了详细描述，包括电极形状、人体成分分析方法。但这些方法都是针对人体四肢和躯干的阻抗测量方法，所得到的体成分信息也是整个人体的信息。目前尚无针对某种疾病或某个器官的阻抗测量方法和疾病评价方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的仅测量人体垂直方向阻抗绘制生物阻抗矢量图的缺点，提出一种基于人体三维阻抗测量的新型肝病营养状态检测的方法及装置。

本发明检测方法考虑了人体阻抗的各向异性，在通过位于四肢的电极测量躯干阻抗的同时，测量患者肝脏所在平面沿矢状轴、冠状轴和垂直轴三维阻抗，获取人体躯干部位在三个方向上阻抗的模量和相角，将三维阻抗信息进行叠加得到合成阻抗的模量和相角，以三维阻抗信息绘制生物阻抗矢量图，即在复平面内绘制患者生物阻抗的模量和相角，并将其与正常人群生物阻抗统计特征对比，根据患者生物阻抗矢量所在位置评价肝病患者营养状态。

用于肝病营养状态检测的方法的步骤为：首先分别测量人体躯干部分沿垂直轴、冠状轴和矢状轴三个方向的阻抗，然后将三个方向的阻抗叠加为三维合成阻抗；根据测得阻抗的模量和相角在复平面上分别绘制三维合成阻抗、垂直轴方向阻抗、冠状轴方向阻抗和矢状轴方向阻抗的生物阻抗矢量图；所述的生物阻抗矢量图由正常人群阻抗信息和肝病患者阻抗信息组成，生物阻抗矢量图中的容受椭圆根据正常人群的阻抗信息绘制，生物阻抗矢量图中的阻抗矢量根据患者阻抗信息绘制，根据患者生物阻抗矢量的位置评价肝病营养状态。

应用本发明方法的装置：肝病营养状态检测系统包括8个电流注入电极、8个电压测量电极、两个多路开关、电流发生装置、电压放大器、解调器和工控机。所述的工控机中含有多路开关控制模块、合成阻抗分析模块和生物阻抗矢量绘图工具。所述的电流发生装置产生频率为1kHz～1MHz的正弦电流，通过一个多路开关选择不同位置的电流注入电极，将电流注入人体；通过另一个多路开关选择对应的电压测量电极，两个多路开关均由工控机中的多路开关控制模块控制，电压测量电极测得电压信号并经过电压放大器、解调器将电压信号送至工控机。工控机中的合成阻抗分析模块根据电流注入电极和电压测量电极的位置信息确定患者肝脏所在平面的冠状轴、矢状轴和垂直轴方向上的阻抗分量并生成合成阻抗，进而输入生物阻抗矢量绘图工具，绘制生物阻抗矢量图和容受椭圆，分析肝脏营养状态。

所述的8个电流注入电极中，有4个分别位于四肢，与一般的人体成分分析系统相同，即人体左右手背和左右足背或足底各一个；另外4个电流注入电极分布在人体肝脏所在平面上：在人体腹部和背部，以及左右两侧各放置一个电流注入电极。8个电压测量电极与电流注入电极的布置方式相同，即在每个电流注入电极的附近，5cm范围内，布置一个电压测量电极。通过四肢电极得到躯干垂直轴方向上阻抗的方法与一般阻抗测量设备相同，通过腹部和背部上的一对电流注入电极和一对电压测量电极可以获得矢状轴方向上的阻抗，通过腰两侧的一对电流注入电极和一对电压测量电极可以获得冠状轴方向上的阻抗。

所述的合成阻抗分析模块将放置在人体四肢、腹部和背部，以及腰左右两侧三个方向阻抗的实部和虚部分别叠加，即计算三个方向分量的均方根，然后计算合成阻抗的相角和模量。

所述的生物阻抗矢量绘图工具可在复平面上绘出测得的生物阻抗，同时该工具含有正常人体三维生物阻抗矢量数据库，根据数据库内数据可确定理想三维阻抗位置，并绘出50%、75%和95%容受椭圆，根据被测患者三维生物阻抗矢量所在位置，即可评价肝病营养状态。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：（1）人体的电学特性是各向异性的，特别是肝脏所在水平面还含有胃等器官，使得该位置阻抗与方向具有密切关系，本发明所测量的人体三维阻抗比普通的一维躯干阻抗含有更丰富的人体肝脏营养状态信息。（2）采用测量直接得到的三维合成阻抗的模量与相角对肝病营养状态进行评价，避免使用人体体重、年龄、性别等信息，也不采用任何经验公式，从而减少了误差。（3）用来评价肝病患者营养状态的数据库同时包含大量正常人群和肝病患者人群，所测得生物阻抗矢量易于与已知信息进行匹配。

附图说明

图1本发明用于肝病营养状态检测装置的原理图；

图2本发明用于肝病营养状态检测装置中电流注入电极和电压测量电极在肝脏所在平面的分布图；

图3本发明用于肝病营养状态评价的生物阻抗矢量图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示为本发明用于肝病营养状态检测装置的原理图。如图1所示，本发明肝病营养状态检测系统包括8个电流注入电极、8个电压测量电极、两个多路开关9、10、电流发生装置11、电压放大器12、解调器13和工控机17。所述的工控机17中含有多路开关控制模块14、合成阻抗分析模块15和生物阻抗矢量绘图工具16。所述的电流发生装置11产生频率为1kHz～1MHz的正弦电流。本发明通过第一多路开关9选择不同位置的电流注入电极，将电流注入人体，通过第二多路开关10选择与电流发生装置11连接的电流注入电极对应的电压测量电极，两个多路开关9、10的开断均由工控机17中的多路开关控制模块14控制。电压测量电极测得电压信号经过电压放大器12、解调器13将电压信号送至工控机17。工控机17中的合成阻抗分析模块15根据电流注入电极和电压测量电极的位置信息确定患者肝脏所在平面的冠状轴、矢状轴和垂直轴方向上的阻抗分量并生成合成阻抗，进而输入生物阻抗矢量绘图工具16，绘制生物阻抗矢量图和容受椭圆，分析肝脏营养状态。

以人体18肝脏所在水平横截面为XOY平面，以该横截面中心为原点建立坐标系。1a、2a、3a、4a为第一至第四电流注入电极，四个电流注入电极1a、2a、3a、4a分别位于人体的右足、左足、右手和左手，与之对应的四个电压测量电极分别为1b、2b、3b、4b，第一电压测量电极1b、第二电压测量电极2b、第三电压测量电极3b、第四电压测量电极4b分别和第一电流注入电极1a、第二电流注入电极2a、第三电流注入电极3a、第四电流注入电极4a对应布置于人体的右足、左足、右手和左手。

图2为本发明用于肝病营养状态检测装置中电流注入电极和电压测量电极在肝脏所在平面的分布图。5a、6a、7a、8a为肝脏所在平面19的电流注入电极，5b、6b、7b、8b为肝脏所在平面19的电压测量电极，第五电流注入电极5a和第六电流注入电极6a在X轴上，分别位于人体右侧和左侧，第五电压测量电极5b和第六电压测量电极6b对应第五电流注入电极5a和第六电流注入电极6a分别布置于人体右侧和左侧；第七电流注入电极7a和第八电流注入电极8a在Y轴上，分别位于人体腹侧和背侧，第七电压测量电极7b和第八电压测量电极8b对应第七电流注入电极7a和第八电流注入电极8a分别布置在人体腹侧和背侧。电流注入电极中5a、6a的连线及电压测量电极中5b、6b的连线沿冠状轴方向，位于肝脏所在水平面上；电流注入电极中7a、8a的连线及电压测量电极中7b、8b的连线沿矢状轴方向，亦位于肝脏所在水平面上。

8个电流注入电极1a-8a均与多路开关9相连，8个电压测量电极1b-8b均与多路开关10相连。工控机17中含有多路开关控制模块14、合成阻抗分析模块15和生物阻抗矢量图绘制工具16。多路开关控制模块14通过控制第一多路开关9中开关的断开与闭合使8个电流注入电极中的两个分六次与电流发生装置11相连接，第一次为电流注入电极5a和6a，第二次为电流注入电极7a和8a，第三次为电流注入电极1a和3a，第四次为电流注入电极2a和4a，第五次为电流注入电极1a和2a，第六次为电流注入电极3a和4a。通过第二控制多路开关10中开关的断开与闭合使两个电压测量电极与电压放大器12连接，两个电压测量电极序号与两个电流注入电极相对应，如电流注入电极1a对应电压测量电极1b，电流注入电极2a对应电压测量电极2b，以此类推。电压放大器12将两个电压测量电极之间的电压信号放大，然后将此放大的电压信号输入解调器13，解调器13将电压信号转化为与电压放大器连接的两个电压测量电极之间的阻抗的模量和相角。经解调器13处理后的阻抗模量和相角信息输出到合成阻抗分析模块15生成三维阻抗的模量与相角，再输入到生物阻抗矢量图绘制工具16形成最终的生物阻抗矢量图及容受椭圆。

下面以Y方向，即矢状轴方向阻抗测量为例说明本发明的工作原理。

首先通过工控机17中的多路开关控制模块14使第一多路开关9将第七电流注入电极7a、第八电流注入电极8a和电流发生装置11连通，同时使第二多路开关10将第七电压测量电极7b、第八电压测量电极8b与电压放大器12连通。电流发生装置11可产生频率为1Hz～1MHz的正弦波电流。用第七电压测量电极7b、第八电压测量电极8b测得的电压除以注入电流的值即可得到Y方向的阻抗R_y+jX_y，R_y为阻抗的实部，X_y为虚部。同理可得到X方向，即冠状轴方向上的阻抗R_x+jX_x。Z方向，即垂直状轴方向上的躯干部分的阻抗可通过第一至第四电流注入电极1a-4a，第一至第四电压测量电极1b-4b求得，如在电流注入电极1a和3a之间通入电流I，在电压测量电极1b和3b之间得到电压U₁，在电流注入电极2a和4a之间通入电流I，在电压测量电极2b和4b之间得到电压U₂，在电流注入电极1a和2a之间通入电流I，在电压测量电极1b和2b之间得到电压U₃，在电流注入电极3a和4a之间通入电流I，在电压测量电极3b和4b之间得到电压U₄，则躯干部分垂直方向阻抗为:

R_z+jX_z=(U₁+U₂-U₃-U₄)/(2I)。

工控机17中的合成阻抗分析模块15分别计算X、Y、Z三个方向上阻抗的模量和相角，X、Y、Z三个方向上的模量RX、RY、RZ和相角θ_x、θ_y、θ_z分别为：

$\mathrm{RX}=\sqrt{R_x^2+X_x^2},$ $\mathrm{RY}=\sqrt{R_y^2+X_y^2},$ $\mathrm{RZ}=\sqrt{R_z^2+X_z^2}$

${\mathrm{\θ}}_x=\arg \tan \frac{X_x}{R_x},$ ${\mathrm{\θ}}_y=\arg \tan \frac{X_y}{R_y},$ ${\mathrm{\θ}}_z=\arg \tan \frac{X_z}{R_z}$

也可以合成X、Y、Z三个方向上的阻抗，合成阻抗的模量R和相角θ的算法为：

$R=\sqrt{R_x^2+R_y^2+R_z^2+X_x^2+X_y^2+X_z^2}$

$\mathrm{\θ}=\arg \tan \sqrt{\frac{X_x^2+X_y^2+X_z^2}{R_x^2+R_y^2+R_z^2}}$

工控机17中的生物阻抗矢量图绘制工具16可将测量得到的三维生物阻抗和合成阻抗分别绘出。

图3所示为用于肝病营养状态评价的容受椭圆图，容受椭圆图绘制方法如下：

对于所测得的n个正常人群人体阻抗，容受椭圆的中心为阻抗实部和虚部的平均值所在点。令一个样本为合成阻抗实部R的集合x，另一个样本为虚部X_C的集合y，两个样本的标准差分别为s_x和s_y，相关系数为r。F_α为自由度为（n，n-2）的F分布的α分位点。对于置信水平1-α，容受椭圆的长、短半轴L₁、L₂分别为：

$L_1,L_2=\sqrt{K}\sqrt{(n-1)(s_x^2+s_y^2)\±\sqrt{{\left[(n-1)(s_x^2+s_y^2)\right]}^2-4{(n-1)}^2(1-r^2)s_x^2{s}_y^2}}$

其中：

K＝F_α(n+1)/n(n-2)

长、短半轴的斜率分别为：

$b_1,b_2=(s_x^2-s_y^2)/2{\mathrm{rs}}_x{s}_y\±\sqrt{1+{[(s_y^2-s_x^2)/2{\mathrm{rs}}_x{s}_y]}^2}$

图3中椭圆从内到外分别对应于α=50%、α=75%、α=95%时的容受椭圆。沿长轴正负方向分别代表脱水和水肿。椭圆长、短轴将平面分为四个区间，分别代表病态、瘦、健壮和肥胖，根据测试结果中的人体阻抗的相角和模量即可绘出其在容受椭圆图中的位置，从而确定患者的营养状况。图3仅绘出了合成阻抗的容受椭圆图，实际上人体X、Y、Z三个方向上的阻抗均可绘出容受椭圆图，特别是肝脏平面上X、Y两个方向上的阻抗含有更多的肝脏营养状态信息，其容受椭圆图更值得关注。

Claims (4)

1.一种用于肝病营养状态检测方法的检测装置，其特征是：所述的检测装置包括8个电流注入电极(1a～8a)、8个电压测量电极(1b～8b)、两个多路开关(9，10)、电流发生装置(11)、电压放大器(12)、解调器(13)和工控机(17)；电流注入电极的一端直接与人体(18)连接，第一多路开关(9)的两端分别与电流输入电极的另一端及电流发生装置(11)相连；电压测量电极的一端直接与人体(18)连接，第二多路开关(10)的两端分别与电压测量电极的另一端及电压放大器(12)的输入端相连；解调器(13)的输入端与电压放大器(12)的输出端相连，解调器(13)的输出端连接到工控机(17)；工控机(17)中含有多路开关控制模块(14)、合成阻抗分析模块(15)和生物阻抗矢量绘图工具(16)；电流发生装置(11)产生正弦电流，通过第一多路开关(9)选择不同位置的电流注入电极将电流注入人体(18)，通过第二多路开关(10)选择对应的电压测量电极；两个多路开关(9，10)均由工控机(17)中的多路开关控制模块(14)控制，测得电压信号并经过电压放大器(12)、解调器(13)将信号送至工控机(17)；工控机中的合成阻抗分析模块(15)根据电流注入电极和电压测量电极的位置信息确定人体冠状轴、矢状轴和垂直轴方向上的阻抗分量并生成合成阻抗，进而输入到生物阻抗矢量绘图工具(16)，绘制出合成阻抗，以及人体冠状轴、矢状轴和垂直轴三个方向上生物阻抗，同时生物阻抗矢量绘图工具(16)利用其自身的正常人体三维生物阻抗矢量数据库绘制合成阻抗及人体冠状轴、矢状轴和垂直轴三个方向上的容受椭圆图，根据被测患者三维生物阻抗矢量所在位置分析肝脏营养状态。

2.按照权利要求1所述的检测装置，其特征是四个所述的电流注入电极(1a、2a、3a、4a)分别位于人体的右足、左足、右手和左手，与四个所述的电流注入电极(1a、2a、3a、4a)对应的四个电压测量电极分别为第一电压测量电极(1b)、第二电压测量电极(2b)、第三电压测量电极(3b)、第四电压测量电极(4b)；第一电压测量电极(1b)、第二电压测量电极(2b)、第三电压测量电极(3b)、第四电压测量电极(4b)分别和第一电流注入电极(1a)、第二电流注入电极(2a)、第三电流注入电极(3a)、第四电流注入电极(4a)对应布置于人体的右足、左足、右手和左手；第五电流注入电极(5a)和第六电流注入电极(6a)在X轴上，分别位于人体右侧和左侧；第五电压测量电极(5b)布置于人体右侧，和第五电流注入电极(5a)相对应，第六电压测量电极(6b)布置于人体的左侧，和第六电流注入电极(6a)相对应；第七电流注入电极(7a)和第八电流注入电极(8a)在Y轴上，分别位于人体腹侧和背侧；第七电压测量电极(7b)布置在人体腹侧，和第七电流注入电极(7a)相对应，第八电压测量电极(8b)布置在人体的背侧，和第八电流注入电极(8a)相对应；8个电流注入电极(1a-8a)均与第一多路开关(9)相连，8个电压测量电极(1b-8b)均与第二多路开关(10)相连。

3.按照权利要求1所述的检测装置，其特征是：第五电流注入电极(5a)和第六电流注入电极(6a)的连线，以及第五电压测量电极(5b)和第六电压测量电极(6b)的连线沿冠状轴方向，位于肝脏所在水平面上；第七电流注入电极(7a)和第八电流注入电极(8a)的连线，以及第七电压测量电极(7b)和第八电压测量电极(8b)的连线沿矢状轴方向，亦位于肝脏所在水平面上。

4.按照权利要求1所述的检测装置，其特征是：所述的检测装置通过对人体三维阻抗的测量，获取人体躯干部位在三个方向上阻抗的相角和模量，将三维阻抗信息进行叠加得到合成阻抗的模量和相角，并绘制生物阻抗矢量图，所述检测装置的工作步骤为：首先分别测量人体躯干部分沿垂直轴、冠状轴和矢状轴三个方向的阻抗，然后将三个方向的阻抗叠加为三维合成阻抗；根据测得阻抗的模量和相角在复平面上分别绘制三维合成阻抗、垂直轴方向阻抗、冠状轴方向阻抗和矢状轴方向阻抗的生物阻抗矢量图；所述的生物阻抗矢量图由正常人群阻抗信息和肝病患者阻抗信息组成，生物阻抗矢量图中的容受椭圆根据正常人群的阻抗信息绘制，生物阻抗矢量图中的阻抗矢量根据患者阻抗信息绘制，根据肝病患者生物阻抗矢量的位置评价肝病营养状态。