CN109480839A - 一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法及分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法，包括以下步骤：采集样本；利用所述样体训练支持向量机；将孕妇人体成分作为输入，对孕妇身体健康状态进行检测。本发明解决了现有人体成分分析仪在面向孕妇检测时准确低、分析不可靠的缺陷，这样大大的增加了仪器的实用性。本发明在分析过程中加入了年龄、腰围、臀围、身高、体重参数，准确的分析出孕妇人体成分，避免了孕妇检测自身成分时需要使用不同设备的可能。

Description

一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法及分析仪

技术领域

本发明涉及生物医学领域，具体涉及一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法及分析仪。

背景技术

长久以来，孕妇的健康问题一直都是人们非常重视的问题。一个胎儿是否能健康的诞生、孕妇产后是否安全与孕妇身体健康情况有很大的关系。所以孕妇在孕育孩子的这个特殊时期里，能对自我身体的怀孕状况和健康状态的管理和监护的有着越来越强烈的愿望。随着科技的进步和医学事业的发展，为孕妇健康监测和管理提供了技术推动力，一批针对孕妇身体的检测设备被开发出来。这些设备对孕妇身体状况的检测有着很大的帮助，但是这些设备大多数都是有着不小的辐射，对孕妇及其腹中的胎儿的健康有着很大的影响。而且造价昂贵、设备笨重、操作复杂，不适合家庭或个人使用。

生物电阻抗技术是研究人体成分的一种简捷方便、无入侵、成本低廉的检测方法，生物电阻抗分析法(bioelectrical Impedance Analysis，BIA)通过电学方法测定人体成分。其中生物电阻抗也就是人体阻抗，它反映人体组织或器官电学特性的物理量，通过测量人体阻抗可以了解人体组织或器官的健康状态，进而了解人体成分及身体状况的改变，对人体营养状况监测及疾病预防有着重要意义。其基本原理是人体的体液里有许多离子，因此人体的体液具有导电性。将微弱的交流电流信号施加给人体时，电流会在电阻小、传导性能较好的体液中传输。体液是导电介质，因此人体相当于导体，具有电阻；细胞壁相当于电容，因为细胞内部和外部都是可以导电的体液，但被细胞壁隔开，因此具有电容效应；人体里面几乎不存在感抗。如果将人体比作导体的话，那么人体中水分的多少，即反应人体电阻的大小；而容抗的大小则能反应细胞内外水分的比例。人体总阻抗的大小是两者的平方和的平方根，但在固定频率测试中，人体的阻抗与电阻的相差不多，所以通常在生物电阻抗分析中融入了多频检测，通过不同频率监测出来的数据进行算法拟合，从而使检测结果愈加的准确。

人体成分分析仪是基于生物电阻抗技术发明的一种可以测量人体成分的仪器。因其无创、无辐射、设备比较简单、成本低廉、可以连续使用、不要求特殊的使用环境等鲜明的特点而备受当今医学工程学界的关注，在医疗设备领域也随之得到了广泛的应用，它可以对人体的组成成分进行定量分析，为评估人体健康状况提供了参考。

但是，现有的人体成分分析仪大多数都只有一个正常人检测模式，其内部算法也只有面向正常人的这一种。正常人和孕妇的人体成分是存在很大的差异的。比如：在健康人体内，水分分布在细胞内(2/3)和细胞外(1/3)，并相对恒定，但孕妇人体内的水分均衡因为孕育胎儿已经受到了破坏。在阻抗法测试中，细胞内液和细胞外液的电子感应度不相同，细胞外液的电子感应度比细胞内液要大得多。这就会对人体阻抗带来很大的影响，从而严重影响测试数据的精密度。这样对孕妇和胎儿的健康状况的分析不仅没有实际性的帮助，反而不精确的测量有可能导致错误的判断从而产生严重的后果。而且每个人的怀孕情况都不一样，每个婴儿也有着自己的成长时间线。仅凭正常人的人体成分检测方式用来检测孕妇是不能满足需求的。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法及分析仪，以解决现有技术中面向孕妇人体成分检测时存在的准确度低、分析不可靠的缺陷。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法，该分析方法包括：

采集样本；

利用所述样体训练支持向量机；

将孕妇人体成分作为输入，对孕妇身体健康状态进行检测。

可选地，所述孕妇人体成分包括：

孕妇人体总水重TBW、细胞外液ECW、瘦体重FFM、脂肪重BFM、蛋白质Protein和骨骼肌SMM。

可选地，所述孕妇人体总水重TBW为：TBW＝a₁H+a₂age+a₃W+(a₄+a₅waist/hip)H²/Impedance，

其中，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为拟合参数，H为身高，age为年龄，W为体重，waist为腰围，hip为臀围，Impedance为人体总阻抗值；

所述细胞外液ECW为：ECW＝k₁H+k₂age+k₃W+(k₄+k₅waist/hip)H²/Im pedance；

所述蛋白质Protein为：Protein＝(b₁+b₂waist/hip)TBW+b₃；

所述瘦体重FFM为：FFM＝(c₁+c₂waist/hip)TBW+c₃；

所述骨骼肌重SMM为：SMM＝(d₁+d₂waist/hip)TBW+d₃；

其中，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅，b₁、b₂、b₃，c₁、c₂、c₃，d₁、d₂、d₃为拟合参数；

脂肪重BFM为：BFM＝W-FFM；

脂肪百分比BFM％为：BFM％＝BFM/W×100％；

体质指数BMI为：BMI＝W/H²×100％。

可选地，所述人体总阻抗值Impedance为：

Im pedance＝Im p1+Im p2+Im p3+Im p4+Im p5

其中，Imp1为左手阻抗、Imp2为右手阻抗、Imp3为左脚阻抗、Imp4为右脚阻抗、Imp5为躯干阻抗。

可选地，所述拟合参数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅，b₁、b₂、b₃，c₁、c₂、c₃，d₁、d₂、d₃通过最小二乘法拟合得到。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析仪，该分析仪包括：

数据采集单元，用于采集样本；

训练单元，用于利用所述样体训练支持向量机；

检测单元，用于将孕妇人体成分作为输入以对孕妇身体健康状态进行检测。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析仪，该分析仪包括分析仪本体和与运行在分析仪本体上的软件系统，所述软件系统运行时执行所述的分析方法。

如上所述，本发明的一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法及分析仪，具有以下

有益效果：

本发明解决了现有人体成分分析仪在面向孕妇检测时准确低、分析不可靠的缺陷，这样大大的增加了仪器的实用性。

附图说明

为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。

图1为本发明所述的一种基于生物阻抗的孕妇人体成分分析方法的流程图；

图2为本发明所述的一种基于生物阻抗的孕妇人体成分分析仪的原理框图；

图3为本发明所述的一种基于生物阻抗的孕妇人体成分分析仪的结构简图；

图4为本发明所述的一种基于生物阻抗的孕妇人体成分分析仪具体实现步骤。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法，而根据孕产妇医学的理论，怀孕会对孕妇体内水平衡造成很大的影响。在对孕妇的人体成分分析时，需要结合孕妇的腰臀比来进行分析。该分析方法包括：

S1采集样本；

S2利用所述样体训练支持向量机；

S3将孕妇人体成分作为输入，对孕妇身体健康状态进行检测。

根据阻抗检测单元所测得的孕妇生物电阻抗，确定孕妇人体成分分析单元在进行孕妇人体成分分析时所需要的总阻抗值。

所述人体总阻抗值Impedance为：

Im pedance＝Im p1+Im p2+Im p3+Im p4+Im p5 (1)

其中，Imp1为左手阻抗、Imp2为右手阻抗、Imp3为左脚阻抗、Imp4为右脚阻抗、Imp5为躯干阻抗。

针对孕妇的特点，分析其成分不但与阻抗Impedance、年龄age、身高H、体重W参数有关,还与腰围waist、臀围hip有关，据此设定孕妇人体成分计算公式。由公式分析分别得到孕妇人体总水重TBW、细胞外液ECW、瘦体重FFM、脂肪重BFM、蛋白质Protein、骨骼肌SMM。以下分别给出各成分分析公式。

所述孕妇人体总水重TBW为：

TBW＝a₁H+a₂age+a₃W+(a₄+a₅waist/hip)H²/Im pedance (2)

a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为拟合参数，通过最小二乘法拟合得到。

所述细胞外液ECW为：

ECW＝k₁H+k₂age+k₃W+(k₄+k₅waist/hip)H²/Im pedance (3)

所述蛋白质Protein为：

Pr otein＝(b₁+b₂waist/hip)TBW+b₃ (4)

所述瘦体重FFM为：

FFM＝(c₁+c₂waist/hip)TBW+c₃ (5)

所述骨骼肌重SMM为：

SMM＝(d₁+d₂waist/hip)TBW+d₃ (6)

其中，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅，b₁、b₂、b₃，c₁、c₂、c₃，d₁、d₂、d₃为拟合参数，通过最小二乘法拟合得到。

脂肪重BFM为：

BFM＝W-FFM (7)

脂肪百分比BFM％为：

BFM％＝BFM/W×100％ (8)

体质指数BMI为：

BMI＝W/H²×100％ (9)

根据上述孕妇人体成分分析所得的数据，对孕妇进行基本健康分析。孕妇基本健康分析运用支撑向量机对孕妇人体成分进行健康分类，并采用国际标准BMI孕期管理曲线进行健康分析。

基本健康分析方案如下：

分类采用支撑向量机，依据孕产妇医学、营养学标准，将孕妇在怀孕期间各阶段身体健康条件下的身体成分比例以及各种不健康情况下的身体成分比例进行最优化分类。类别分成健康的孕妇人体成分比例、亚健康的孕妇人体成分比例、不健康的孕妇人体成分比例。分类方法如下：

有一组人体成分数据样本，分为健康成分health与不健康成分sickness，标记为(x_i,y_i),i＝1,...,l,y_i∈(-1,1),x_i∈R^d，其中health＝1，sickness＝-1。定义一个超平面(w,b)为：

H：w×x+b＝0

可以把这些样本正确无误地分割开来，同时存在两个平行于H的超平面H1和H2：

w×x+b＝health

w×x+b＝sickness

使离H最近的样本刚好落在两个超平面H1和H2上，则其他所有的训练样本都将位于H1和H2之外。据此寻找一个超平面H将成分样本数据准确无误的分割成两份，并且使H1和H2的距离最大。用同样的方法对健康与亚健康、亚健康与不健康进行分类。

根据上述的分类方法，将孕妇人体成分作为输入，判断出孕妇身体健康状况属于哪一种健康分类。具体可以主要基于体脂百分比BFM％、体质指数BMI作为输入。

分类完毕后，绘制孕妇国际标准BMI孕期管理曲线分析出孕妇的基本健康状况，并根据成分比例和腰臀比推测胎儿的成长时间线。

具体地，成分比例就是每个成分占总体的比例，每个成分的计算都需要腰臀比作为参数(在公式(2)到(9)中所计算的成分都需要用到腰臀比作为参数。有了计算出来的成分才能算出成分占身体的比例，得出身体比例和现有的腰臀比，根据孕妇医学可以推出胎儿成长的成长时间线。

根据上述对孕妇的人体成分检测结果以及健康分析报告得出该孕妇身体正处于怎样的健康状况。并结合孕妇健康学、胎儿健康学对孕妇与胎儿的健康给出有助的指导。

以上内容的阐述仅仅为本发明专利进行一个解释，并不作为本发明专利保护范围的一个限制。

如图2所示，本发明还提供一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析仪，该分析仪包括：

数据采集单元，用于采集样本；

训练单元，用于利用所述样体训练支持向量机；

检测单元，用于将孕妇人体成分作为输入以对孕妇身体健康状态进行检测。

上述单元的实现可以通过前述的分析方法实现，此处不再赘述。

如图3所示，一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析仪，包括孕妇人体成分分析仪本体1、与运行在孕妇人体成分分析仪上的软件系统3。其中孕妇人体成分分析仪本体包括显示屏2、激励装置4、检测装置5、手部电极6、脚部电极7与身份识别器8。

显示屏2给用户提供了一个良好的人机交互界面，便于用户对本孕妇人体成分分析仪进行操作、检测、显示结果以及打印结果。

激励装置4内含激励源，激励源产生施加给人体的微弱交流电流信号，通过激励电极输入人体。检测装置5用于检测人体内的生物电阻抗并将检测到的生物电阻抗通过串口传递给软件系统3，具体的检测方法通过人体手部、脚部与电极相连接，构成手部电极6和脚部电极7。

身份证识别器8，用于用户在检测时输入ID；与所述孕妇人体成分分析仪相连接的电极，用于激励与检测。

软件系统3基于嵌入式开发，它的作用是控制整个人体分析仪使其有序的、可靠的运行。所有的关于孕妇检测算法、功能与系统控制都是在软件系统3里实现的。

如图4所示，该孕妇人体成分分析仪的具体实现步骤如下：

第一步，输入孕妇孕期信息。

第二步，自动检测孕妇体重和阻抗。

第三步，自动进行孕妇人体成分和基本身体情况分析。

第四步，存储、显示和打印结果。

本发明还提供一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析仪，该分析仪包括分析仪本体和与运行在分析仪本体上的软件系统，所述软件系统运行时执行所述的分析方法。

本发明的有益效果为：

(1)解决了现有人体成分分析仪在面向孕妇检测时准确低、分析不可靠的缺陷，这样大大的增加了仪器的实用性。(2)针对孕妇的特点，在孕妇成分分析公式中加入了年龄、腰围、臀围、身高、体重参数，准确的分析出孕妇人体成分，避免了孕妇检测自身成分时需要使用不同设备的可能。(3)孕妇基本健康状况分析采用了支撑向量机进行健康分类，通过绘制国际标准BMI孕期管理曲线分析孕妇基本健康，提高分析结果的可靠性，且性价比高。(4)检测ID可使用身份证识别器输入，每个用户都有唯一的ID，方便用户以及医院对检测结果的查询、删除以及打印。(5)分析系统基于嵌入式开发，实时性得到了保证。显示屏提供了良好的人机界面，方便用户的操作。(6)本发明专利操作简单、界面便捷、仪器性价比高、检测准确度高、无辐射，便于普通用户在家里自行使用，无需去医院便能很全面的了解自己的身体健康状况。医院使用更是能省去许多检测步骤，方便诊断孕妇身体情况。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法，其特征在于，该分析方法包括：

采集样本；

利用所述样体训练支持向量机；

将孕妇人体成分作为输入，对孕妇身体健康状态进行检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法，其特征在于，所述孕妇人体成分包括：

孕妇人体总水重TBW、细胞外液ECW、瘦体重FFM、脂肪重BFM、蛋白质Protein和骨骼肌SMM。

3.根据权利要求2所述的一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法，其特征在于，所述孕妇人体总水重TBW为：TBW＝a₁H+a₂age+a₃W+(a₄+a₅waist/hip)H²/Impedance，

其中，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为拟合参数，H为身高，age为年龄，W为体重，waist为腰围，hip为臀围，Impedance为人体总阻抗值；

所述细胞外液ECW为：ECW＝k₁H+k₂age+k₃W+(k₄+k₅waist/hip)H²/Impedance；

所述蛋白质Protein为：Protein＝(b₁+b₂waist/hip)TBW+b₃；

所述瘦体重FFM为：FFM＝(c₁+c₂waist/hip)TBW+c₃；

所述骨骼肌重SMM为：SMM＝(d₁+d₂waist/hip)TBW+d₃；

其中，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅，b₁、b₂、b₃，c₁、c₂、c₃，d₁、d₂、d₃为拟合参数；

所述脂肪重BFM为：BFM＝W-FFM；

脂肪百分比BFM％为：BFM％＝BFM/W×100％；

体质指数BMI为：BMI＝W/H²×100％。

4.根据权利要求3所述的一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法，其特征在于，所述人体总阻抗值Impedance为：

Impedance＝Imp1+Imp2+Imp3+Imp4+Imp5

其中，Imp1为左手阻抗、Imp2为右手阻抗、Imp3为左脚阻抗、Imp4为右脚阻抗、Imp5为躯干阻抗。

5.根据权利要求3所述的一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析方法，其特征在于，所述拟合参数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅，b₁、b₂、b₃，c₁、c₂、c₃，d₁、d₂、d₃通过最小二乘法拟合得到。

6.一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析仪，其特征在于，该分析仪包括：

数据采集单元，用于采集样本；

训练单元，用于利用所述样体训练支持向量机；

检测单元，用于将孕妇人体成分作为输入以对孕妇身体健康状态进行检测。

7.一种基于生物电阻抗的孕妇人体成分分析仪，其特征在于，该分析仪包括分析仪本体和与运行在分析仪本体上的软件系统，所述软件系统运行时执行如权利要求1～5任意一项所述的分析方法。