摘要：本文根据相位测量电路和阻抗测量电路设计一种人体容抗测量电路。该电路输入阻抗大于10 MΩ,输出直流信号,最小输入信号的电压电阻比是5 mV/Ω。容抗的测量范围是：1～50 Ω，精度是：0.1 Ω。该电路用于人体容抗的测量,精度和稳定度都达到0.1Ω。

中图分类号：Q27文献标识码：A文章编号：1005-202X（2000）02-0087-02

A new circuit of body capacitance impedance measurement

HUANG zhong-xi, DENG Qin-kai ,GUO Yun-bo

（Department of Biomedical Engineering , 1st Military medical university ,Guangzhou 510515, China）

Abstract: The article designed a circuit of body capacitance impedance measurement according to circuit of phase measurement and circuit of impedance measurement. The input impedance of the circuit was larger than 10 MΩ. The output was direct signal. The minimal ratio of voltage and impedance was 5 mV/Ω. The range of capacitance impedance measurement was 1～50 Ω and the precision was 0.1 Ω.The precision and the stability all were 0.1 Ω when the circuit was used to measure body.

Key words：body capacitance impedance; body composition; measurement; circuit

生物电阻抗法测量人体成分的研究一直很热门，并且不断取得进展。从容积导体理论到电阻系数理论；从测量全身阻抗到测量分段阻抗；从单纯计算阻抗或相位到同时计算阻抗和容抗。到1994年Leslie W . Organ提出一种新的六电极测量方法^［1］。该方法根据电阻系数理论只需把电极贴在人体的四肢上，就可以测出人体的分段阻抗，并用阻抗和容抗同时来计算人体的成分。为了测量人体容抗，本文根据已有的人体阻抗测量电路和通用的相位测量电路设计成功一种人体容抗测量电路，并取得满意的效果。

1人体容抗的意义

人体的肌肉、血液、体液主要由水分组成。这些水分中含有大量的电解质。电解质是良导体。因此可以把人体水看成良导体。而人体中的脂肪是绝缘体。这样，如果两个细胞膜之间可以看作形成一个电容，那么细胞膜之间的脂肪越多，即绝缘介质越多，就意味着这个电容的容值越大。对一定频率的电流来说，电容越大，容抗就越小，因此，人体的容抗在一定程度上与人体的脂肪含量成反比。LESLIE W·ORGAN在实验^［1］中发现人体分段的容抗与脂肪含量的相关系数很高，因此，在他统计出来的人体脂肪计算公式中，人体分段的容抗是重要因子。

2测量人体容抗的原理

人体的电抗总体表现为容抗。所以根据公式X_C=Zsinθ（其中X_C为容抗，Z为阻抗，θ为电压对电流的相位差）可以计算人体容抗。而要计算人体容抗，首先要测量人体阻抗和人体电压信号对电流的相位差。测量阻抗的电路已经很成熟。下面我们要来说明我们所设计的相位测量电路的原理。该电路的原理是把人体的电压信号和电流信号（如图1（A））转化为方波信号（如图1（B）），再让两个方波信号通过异或门，异或门输出的方波信号的宽度与相位差成正比（如图1（C）），再把输出的方波信号积分，所得的直流信号的电压值与相位差成正比（如图1（D））。这样，以测量电容与电阻的相位差（90°）所得的电压值为定标值，则测量人体与电阻相位差的电压值与定标值的比值乘上90°就得到人体电压信号与电流信号的相位差。

图1相位测量原理图

3测量人体容抗的电路

该电路如图2、3、4所示，分别是：恒流源电路、阻抗测量电路、相位测量电路。恒流源路产生一个65 kHz、500 μA的正弦波信号经过定标电阻STD、人体和定标电容CD₁。阻抗测量电路从前置放大电路输出一个信号A给相位测量电路。相位测量电路包括定标信号引入电路、测量信号引入电路和通用相位测量电路。定标信号引入电路包括继电器JD₃、耦合变压器TA₃和差动放大电路IC₁。JD₃选通定标电阻STD或定标电容CD₁的信号给TA₃。TA₃耦合给IC₁，经IC₁差动放大后，给通用相位测量电路的一个输入端CR₁。测量信号引入电路包括射随器DCI₂、放大电路DCI₁和选通电路（三态门LS₁∶A，三态门LS₁∶B，非门LS₃∶A）。射随器DCI₂的输入来自信号A。如果测量上肢或下肢的相位，控制电平P 1.2为低电平，三态门LS₁∶A打开，LS₁∶B关闭，信号从射随器输出直接经过LS₁∶A，给通用相位测量电路的另一个输入端CR₂，没有放大。如果测量躯干的相位，控制电平P 1.2为高电平，三态门LS₁∶A关闭，LS₁∶B打开，信号从射随器输出后，先经过DCI₁进行放大，再经过LS₁∶B，给通用相位测量电路的另一个输入端CR₂。因为躯干的信号很弱，只有大约200毫伏，躯干的阻抗大约20欧姆，电压阻抗比是10毫伏/欧姆，在转化为方波之前进行放大，可以保证转化不失真。该电路能够允许输入的最低弱信号的电压阻抗比是5毫伏/欧姆。通用相位测量电路包括方波转化电路（比较器PC₁、PC₂）、异或门PSC₁∶A、积分电路（CR₃、CC₁、CR₄、CC₂）和直流放大电路（放大器CI₁、CI₂）。

图2阻抗测量电路

图3恒流源回路

图4相位测量电路

相位测量电路最后从CI₂输出的直流信号V_CO与输入的两路信号的相位差成正比。假设代表定标电容与定标电阻相位差的输出信号为V_CO1，代表人体与定标电阻相位差的输出信号为V_CO2；则人体与定标电阻的相位差= V_CO2/ V_CO1×90°。

4人体容抗测量电路的验证

为了检验该电路，本文制作一个人体模型，如图5。该模型由三个可调电阻（串接电容）串联而成。先用该电路测量电阻箱，结果阻抗的测量精度达到0.1欧姆，稳定度达到0.1欧姆。接着测量人体模型，先不接电容，进行调零，测出零相位的输出相位θ₀；再接入电容，测出相位θ₁，则实际相位是θ₁－θ₀。根据X_c=Z×sin(θ₁－θ₀)所得的结果与X_c=1/（jωC）所得的结果对比，精度达到0.1欧姆，稳定度达到0.1欧姆。接着用该电路进行84例的人体测量容抗，所得容抗的稳定度都达到0.1欧姆，测量值与LESLIE 实验测量的范围相同。说明该电路可以用来测量人体容抗。

图5人体模型

5讨论

该相位测量电路的特点主要有：①输入阻抗很大。定标信号引入电路的输入阻抗取决于IC₁的输入阻抗。测量信号引入电路的输入阻抗取决于DCI₂的输入阻抗。它们都大于10 M欧姆。这样不会使恒流源回路的信号或放大通路的信号失真；②测量信号引入电路对弱信号进行放大。因为，躯干的信号从差动放大电路引出时只有几百毫伏，如果直接转化为方波，会引取失真；③输出直流电压与相位成正比，方便计算。但是，该电路也有一定的缺陷：没有调零电路。产生零相位非零输出的原因在于异或门（PSC1∶A）的低电平不为零。电路中采用相减的办法克服这个问题。今后，将着手设计调零电路，使计算更为简单。

作者简介：黄仲曦(1974年生)，男，第一军医大学生物医学工程系硕士研究生.

参考文献：

［1］ Organ. Leslie W.,Gilbert B. Bradham, Dwight T. Gore, and Susan L. Lozier. Segmental bioelectrical impedance analysis: theory and application of a new technique . J.Appl. physiol, 77(1):98-112,1994.

收稿日期：1999-9-05