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用生物电阻抗法测量人体成分

发布时间:2015-05-10作者:QIXIEKE

生物电阻抗.jpg

生物电阻抗法(Bioelectrlcal Impedance Analysls)是一种通过电学方法测定人体水份的技术。

    1、生物电阻抗法(BIA)基本原理

    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导入人体时,电流会在电阻小、传导性能较好的体液中传输。

    在电学中,在具有电阻、电感和电容的电路里,对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。因此阻抗包括导体的电阻、电容的容抗和电感的感抗,简称电阻、容抗、感抗;其中容抗、感抗与所加的交流电频率有关,同样的电容、电感,交流电频率越高,容抗越小,而感抗越大;阻抗由电阻R、感抗Xc和容抗XL三者组成,但不是三者简单相加,而是三者平方和的平方根。阻抗常用Z表示,单位是“欧姆”。

    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;而容抗在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,经常就用电阻R替代阻抗Z。

    构成身体的人体成份可分为水(Body water)、蛋白质(Proteln)、体脂(Body Fat)、无机物(Mineral )四种。这些成份在人体中虽然会因为性别与个人的不同存在着一些差异,但大致上为55:20:20:5的比例。因此,在这些人体成份中,如果知道了人体水分含量和人体脂肪含量,就可以分别求出这四种成份各自的量。

    人体的肌肉的主要成分是蛋白质和人体水份,它们之间存在着一定的比例关系,健康的肌肉是由约73%的水和27%的蛋白质组成。人体中的无机物主要是人体骨骼的重量,骨的重量又与肌肉量有着密切的关系,即可以由身体水分含量求出蛋白质和无机物的含量。因此,如果知道人体水分含量和脂肪含量,就可以分别确定人体四大成分并予以分类。   

    在电学中,导体的电阻与导体的长度成正比,与横截面成反比。当导体的长度已知时,导体的电阻大小反应了导体横截面的大小,即导体的粗细。每一种导体都有其固定的电阻属性——“电阻率”:某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的在常温下(20℃时)导线的电阻,叫做这种材料的电阻率;计算公式为ρ=RS/L,(其中ρ为电阻率、R为电阻、S为截面积、L为长度),常用单位是“欧姆·平方毫米/米”。特定材料的电阻率是一定并已知的,对已知长度的材料,只要测出其电阻,即可以反推出截面大小。

    应用于人体分析中,导体的体积则可看作人体水分。导体的长度用人体的身高代替,电阻率是人体水分的每单位体积电阻的值。而人体中每单位体积的人体水份溶解的电解质是定量的,所以人体的电阻率也是一个常数,只要用阻抗测定器测定人体的电阻值,从而求得体内水份含量:

人体水份=C×身高平方/人体电阻      其中C为人体常数

用阻抗法求出人体水份含量后,可以用人体水份含量求出蛋白质和无机物的量,即去脂肪质量(FFM:Fat Free Mass)。当然,能否准确地测定出人体水分含量是取决定于测定仪器精密度及计算核心。

    2、多频检测原理

    含有大量水份的肌肉成份是由细胞构成的,细胞的细胞膜是具有双层膜的脂质膜。在健康人体内,水份分布在细胞内(2/3)和细胞外(1/3),并相对恒定。但老年病人、缺乏营养者、心脏病病人等,在人体内的水分均衡受到了破坏。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。

    新技术多频BIA技术较好地解决这个问题,多频BIA技术是把人体水份区分为细胞内液和细胞外液分别测定。细胞具有双层膜,这样的双层膜构造,这两层膜的两边是导电的体液,两层膜之间是非导电介质,这种结构类似于电路中的电容器效应。利用电容器能通过高频电流,而阻挡低频电流的特点,在休体阻抗测试中采用多频率的测试信号,高频信号将透过细胞膜直线前进,而低频信号则不能透过细胞膜,必须是通过细胞外液迂回。则两路信号反应不同的电阻值:高频电子信号测定的人体阻抗反映细胞内液和细胞外液总值,低频电子信号仅反映细胞外液电阻值。如有的仪器就是采用5KHz的低频信号和500KHz的高频信号,在差别较大的频率中测定人体阻抗。利用多频技术分别测定细胞内液和细胞外液,可以正确地测定出人体水分含量,不仅能提高测定的精密度,还能了解细胞内液和细胞外液的比例,所以能提供浮肿等人体水分分布异常的重要诊断信息。
    3、人体部位分析测定原理
    在更精细的测定中,可以分别测定人体各部位的电阻值,从而反应身体各部位的情况。人体的上肢、躯干、下肢的大小各不相同其电阻值也是不同,如上肢的电阻能达到250左右,而在躯干只有25左右;健康人的上肢和下肢左右是平衡的,其电阻值也是左右相等,而一些肢体有残疾的人,左右肢的数据是不一样的,甚至于有很大的差距;

    生物阻抗在人体的每部位都不相同,所以,若不区别上肢、躯干、下肢,而只测定全身的阻抗的方法,还是不能反应人体的真实情况。例如,躯干与上肢,长度基本相同,但粗细差别很大。若躯干上比标准体重多1kg的肌肉时,只会出现很小的2~3的电阻值变化;但同样量的肌肉添加到上肢时,则会引起很大的20~30的电阻值变化;也就是说,即使是相同量的水分或肌肉,如果所在部位不同,则对阻抗的影响强度也大不相同。若是只计算上肢、躯干、下肢全身总阻抗,上例中躯干上比标准体重多1kg的肌肉时,总阻抗值约为503;如果同样量肌肉是增加在上肢,则总阻抗会变为530。所以总阻抗不能反应身体真实情况。对正常健康人来说,身体的上肢、躯干、下肢的大小维持着一定的比例关系,从总阻抗值能了解身体基本情况。随着年龄的增长,活动量的减少,上肢和下肢都会衰退,躯干会变得肥大,比例关系破坏;另外严重肥胖患者、弱者、儿童、残疾人等体型与平常成年男女不同的被测者身上,会出现很大的测定误差。

    人体部位分析测定原理是把人体假定为右臂、左臂、躯干、右下肢、左下肢五个导体,测试每个节段的阻抗,各节段阻抗依次表示为ZRA、ZLA、ZT、ZRL、ZLL。虽然各个部位也并不是完全的圆柱形,但也不象手臂和躯干那样,存在着那么大的差异,所以能大大提高它的准确性。也消除由于体型变化产生的部位个人差引起的误差。


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