CN103340626A - 一种基于生物阻抗评估人体四肢水肿的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于生物阻抗评估人体四肢水肿的装置及其使用方法，该装置包括安装在护具上的微处理器，以及分别与微处理器连接的刺激电流发生模块、电阻抗测量模块，以及显示与控制模块。本发明的装置借助置于被测部位表面的电极，通过微处理器控制，产生不同频率的刺激电流作用于被测部位，并根据测得的被测部位阻抗值，结合被测者身高h、体重w、被测部位周长l实时计算评估水肿的指标。通过综合同频率测量的生物阻抗，能够避免单一频率测量引起的误诊。

Description

一种基于生物阻抗评估人体四肢水肿的装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及评估人体四肢水肿的装置及其使用方法。

背景技术

水肿是指血管外的组织间隙中有过多的体液积聚，是一种常见的病理过程。水肿通常会预示着一些内部的疾病，如高血压、糖尿病、充血性心脏病等疾病，因此水肿的检测在临床中有着重要的意义。

目前临床上水肿的检测还是通过观察水肿区拉伸和光泽情况，以及压迫水肿区观察是否有凹陷。然而这样的临床检测方法不能尽早的检测出相关疾病，而是等水肿症状较为明显才有检测结果。而生物阻抗的方法进行水肿监控就是利用组织和器官的功能性病变往往先于器质性病变及临床症状的特点，进行及时的预防和监护。

生物组织在低频区域(低于1MHz)细胞外液、细胞内液的电学性质接近于电阻，而细胞膜则可以等效电容。目前应用最广泛的三组件等效电路模型则如图1所示，其中R_i、R_e、C_m分别为细胞内液等效电阻、细胞外液等效电阻与细胞膜等效电容。

生物阻抗三元件等效电路模型在复平面上的轨迹是第四象限的一个半圆，称为阻抗圆图，如图2所示，其电阻抗特征方程为

$Z=R_{\∞}+\frac{R_0-R_{\∞}}{1+j{\mathrm{\ω\τ}}^{\mathrm{\α}}}$

其中R₀、R_∞、τ分别代表频率为0的阻抗值、频率为无穷大处的阻抗值、时间常数。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提供一种基于生物阻抗评估人体四肢水肿的装置及其使用方法，解决传统临床水肿检测的主观性和滞后性。

技术方案：一种基于生物阻抗评估人体四肢水肿的装置，包括安装在护具上的微处理器，以及分别与微处理器连接的刺激电流发生模块、电阻抗测量模块、显示与控制模块；其中：

所述刺激电流发生模块包括：依次连接的DDS模块、VCCS模块、刺激电极；所述微处理器控制DDS模块产生正弦波电压信号，并传输到所述VCCS模块；所述VCCS模块将接收到的正弦波电压信号转换为电流信号，并传输到所述刺激电极；所述刺激电极包括第一刺激电极、第二刺激电极，用于注入刺激电流到被测部位；

所述电阻抗测量模块包括：依次连接的测量电极、信号调理模块、幅相检测模块，所述幅相检测模块与所述微处理器连接；所述测量电极包括第一测量电极、第二测量电极，用于采集被测部位上注入刺激电流两点之间电位差，并传输电位差信号到所述信号调理模块；所述信号调理模块将电位差信号放大滤波处理后发送到所述幅相检测模块；所述幅相检测模块用于提取接收信号的幅值和相位后，发送至所述微处理器；

所述显示与控制模块包括分别连接所述微处理器的LCD、键盘，以及蓝牙通讯模块；所述微处理器用来根据接收的幅值和相位信息进行水肿评价，并将评估信息发送至所述LCD，同时所述微处理器控制所述蓝牙通讯模块发送评估信息至计算机。

一种基于生物阻抗评估人体四肢水肿的装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1)：所述微处理器控制所述刺激电流发生模块产生频率为10-50KHz，大小为0.2-2mA的刺激电流，并通过所述第一刺激电极、第二刺激电极注入被测试部位；

步骤2)：通过所述电阻抗测量模块中的第一测量电极和第二测量电极测量被测部位位于两个刺激电极之间的电位差，并将不同频率下测得的电位差的幅值和相位值发送至所述微处理器；

步骤3)：根据不同频率的刺激电流值和对应测得的电位差的幅值和相位值，计算得到被测部位阻抗值，并根据所述阻抗值拟合绘制Cole阻抗图；结合所述Cole阻抗图，以及被测者身高h、体重w、被测部位周长l，根据指标E来评估水肿；其中，

R_e为被测部位细胞外液等效电阻值。

有益效果：本发明的装置借助置于被测部位表面的电极，通过微处理器控制，产生不同频率的刺激电流作用于被测部位，并根据测得的被测部位阻抗值，结合被测者身高h、体重w、被测部位周长l实时计算评估水肿的指标。通过综合同频率测量的生物阻抗，能够避免单一频率测量引起的误诊。同时，水肿的形成存在着时间积累性，本发明可以以将水肿评估装置和人体四肢护具等装备结合使用。从而可以对被测部位进行长期水肿的监测，并根据阻抗的变化，综合指标进行水肿判断，并将评估信息及时的显示在LCD以及通过蓝牙通信模块发送到上位计算机系统，以方便患者和医生及时得到病情的准确信息。本发明的水肿评估装置还具有无创、廉价、安全、无毒无害和信息丰富的特点。

附图说明

图1是生物阻抗等效电路模型图；

图2是传统生物阻抗圆图或Cole-Plot；

图3是护腿中的阻抗测量水肿评估装置；

图4是生物阻抗测量系统结构图；

图5是测量的生物阻抗值拟合Cole阻抗圆图；

图6是间隔性测量受试者不同刺激频率下的生物阻抗幅值和时间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图3、图4所示，一种基于生物阻抗评估人体四肢水肿的装置，包括套在小腿6上的护腿7，安装在护腿7上的微处理器11，以及分别与微处理器11连接的刺激电流发生模块、电阻抗测量模块、显示与控制模块。其中：

刺激电流发生模块包括：依次连接的DDS模块14、VCCS模块15、刺激电极4。所述微处理器11控制DDS模块14根据人体安全电流产生正弦波电压信号，并传输到所述VCCS模块15。VCCS模块15将接收到的正弦波电压信号转换为电流信号，并传输到刺激电极4，这里刺激电流频率为10-50KHz，电流大小为0.2-2mA。刺激电极4包括第一刺激电极4a、第二刺激电极4b，用于注入刺激电流到被测部位；两电极间隔5厘米左右。刺激电极可采用宽度为0.8厘米的带状电极或直径为3厘米的梧桐胶电极，或一次性心电图Ag/AgCI粘贴电极。

电阻抗测量模块包括：依次连接的测量电极5、信号调理模块9、幅相检测模块10，幅相检测模块10还与微处理器11连接。测量电极5包括第一测量电极5a、第二测量电极5b；两个测量电极介于两刺激电极之间，用于采集被测部位上注入刺激电流两点之间电位差，并传输电位差信号到所述信号调理模块9。信号调理模块9将电位差信号放大滤波处理后发送到幅相检测模块。幅相检测模块10用于提取接收信号的幅值和相位后，发送至微处理器11。电压电极可采用直径约为1厘米并涂有导电膏的梧桐胶电极。

显示与控制模块包括分别连接微处理器11的LCD13、键盘12，以及蓝牙通讯模块14。微处理器11用来根据接收的幅值和相位信息进行水肿评价，并将评估信息发送至LCD13，同时微处理器11控制蓝牙通讯模块14发送评估信息至计算机。

基于上述评估人体四肢水肿的装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1)：微处理器控制刺激电流发生模块产生频率为10-50KHz，大小为0.2-2mA的刺激电流，并通过第一刺激电极、第二刺激电极注入被测试部位；

步骤2)：通过电阻抗测量模块中的第一测量电极和第二测量电极测量被测部位位于两个刺激电极之间的电位差，并将不同频率下测得的电位差的幅值和相位值发送至微处理器；

步骤3)：根据不同频率的刺激电流值和对应测得的电位差的幅值和相位值，计算得到被测部位阻抗值，并根据阻抗值拟合绘制Cole阻抗图；结合Cole阻抗图，以及被测者身高h、体重w、被测部位周长l，根据指标E来评估水肿。

其中，步骤3)中计算得到的被测部位不同频率下阻抗值包括细胞外液等效电阻值R_e、细胞内液等效电阻指R_i、细胞膜并联电容值C_m；根据

随时间的变化来评估水肿。

通过观察不同频率下生物阻抗随时间的变化，可以发现随着水肿程度的增大，频率越低阻抗的对水肿的灵敏度越高。

水肿的形成存在着时间的积累性，绝对指标的判断并不能精确的判断水肿状态，因此将本系统和日常生活用具如护腿等装备结合以达到水肿长期监护的效果。根据指标值E随时间的变化性，对水肿状态进行评估。长期监护系统采用MSP430微处理器11和buetooth4.0设备14进行结果传输，突出低功耗性和移动性。当指标值E过高，系统能够通过buetooth4.0向PC发出警报信息。

具体实施时，在安置刺激电极和测量电极装置后，保持两测量电极距离在测量期间不变，并进行受试者长时间静坐的生物阻抗测量。如图6所示，该图为间隔性测量受试者不同刺激频率下的生物阻抗幅值和时间的关系图。

比较20KHz、30KHz、50KHz、200KHz刺激频率下局部生物阻抗幅值变化率ΔZ％的情况：其中，ΔZ％＝100*(Z₀-Z_i)/Z₀。

其中，Z₀为初始阻抗值，Z_i是i*10分钟时的阻抗，0≤i≤6。比较不同频率的生物阻抗变化率，从图中可以看出，刺激频率越低，其阻抗的变化率越大即水肿越易监测，那么最明显的阻抗变化发生在刺激信号的频率为0时，然而由于皮肤阻抗的存在注入直流电流时会造成较大的电位差，这样安全性难以保障。随着时间的推迟，受试者的局部生物阻抗在不断的减小，且基本保持线性减少。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于生物阻抗评估人体四肢水肿的装置，其特征在于：包括安装在护具上的微处理器（11），以及分别与微处理器（11）连接的刺激电流发生模块、电阻抗测量模块、显示与控制模块；其中：

所述刺激电流发生模块包括：依次连接的DDS模块（14）、VCCS模块（15）、刺激电极（4）；所述微处理器（11）控制DDS模块（14）产生正弦波电压信号，并传输到所述VCCS模块（15）；所述VCCS模块（15）将接收到的正弦波电压信号转换为电流信号，并传输到所述刺激电极（4）；所述刺激电极（4）包括第一刺激电极（4a）、第二刺激电极（4b），用于注入刺激电流到被测部位；

所述电阻抗测量模块包括：依次连接的测量电极（5）、信号调理模块（9）、幅相检测模块（10）,所述幅相检测模块（10）与所述微处理器（11）连接；所述测量电极（5）包括第一测量电极（5a）、第二测量电极（5b），用于采集被测部位上注入刺激电流两点之间电位差，并传输电位差信号到所述信号调理模块（9）；所述信号调理模块（9）将电位差信号放大滤波处理后发送到所述幅相检测模块（10）；所述幅相检测模块（10）用于提取接收信号的幅值和相位后，发送至所述微处理器（11）；

所述显示与控制模块包括分别连接所述微处理器（11）的LCD（13）、键盘（12），以及蓝牙通讯模块（14）；所述微处理器（11）用来根据接收的幅值和相位信息进行水肿评价，并将评估信息发送至所述LCD（13），同时所述微处理器（11）控制所述蓝牙通讯模块（14）发送评估信息至计算机。

2.如权利要求1所述装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1）：所述微处理器（11）控制所述刺激电流发生模块产生频率为10-50KHz，大小为0.2-2mA的刺激电流，并通过所述第一刺激电极（4a）、第二刺激电极（4b）注入被测试部位；

步骤2）：通过所述电阻抗测量模块中的第一测量电极（5a）和第二测量电极（5b）测量被测部位位于两个刺激电极之间的电位差，并将不同频率下测得的电位差的幅值和相位值发送至所述微处理器（11）；

步骤3）：根据不同频率的刺激电流值和对应测得的电位差的幅值和相位值，计算得到被测部位阻抗值，并根据所述阻抗值拟合绘制Cole阻抗图；结合所述Cole阻抗图，以及被测者身高h、体重w、被测部位周长l，根据指标E来评估水肿；其中，

R_e为被测部位细胞外液等效电阻值。

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