基于AD5933的节段性生物电阻抗分析设备开发及其在膝关节骨折检测与愈合监测中的应用研究

《Scientific Reports》：Segmental body BIA device development for fracture detection

本研究针对传统骨折诊断技术（如X射线、CT）存在的辐射暴露、成本高及可及性差等问题，开发了一种基于AD5933阻抗转换芯片的低成本、便携式、无创节段性生物电阻抗分析（BIA）设备。研究人员采用四电极配置，集成ARM7 LPC2138微控制器，在50 kHz固定频率下测量膝关节阻抗和相位角。临床验证显示，该设备在125例骨折患者（其中20例膝骨折患者完成随访）中能清晰区分骨折期与愈合期的阻抗（220-340 Ω vs. 580-650 Ω）和相位角（3.8°-5.7° vs. 5.5°-6.7°）差异，误差低于7%。该设备为骨愈合监测提供了一种可靠的辐射免费替代方案，尤其适用于基层医疗和床旁诊断场景。

　　

在全球范围内，骨骨折是一个重大的健康问题，每年影响数百万人，其诱因包括事故、跌倒、年龄相关状况以及骨质疏松等骨骼疾病。及时准确的诊断对于有效治疗和优化康复至关重要。目前，骨折诊断主要依赖X射线、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等影像学技术。尽管这些技术有效，但它们存在明显的局限性：X射线和CT扫描会使患者暴露于电离辐射，重复使用可能有害；此外，这些成像设备通常体积庞大、价格昂贵，并且需要经过培训的专业放射科人员操作，这使得它们在农村地区、紧急现场或资源有限的医疗环境中可及性较差。

面对这些挑战，市场亟需一种安全、经济、便携、易于操作且不牺牲准确性的替代诊断方案。生物电阻抗分析（Bioelectrical Impedance Analysis, BIA）技术为此提供了一个充满前景的解决方案。BIA是一种无创、无辐射的方法，通过测量生物组织对交流电的阻抗来反映组织的成分、结构和生理状况。当骨骼发生骨折时，周围组织会经历肿胀、炎症或血肿形成等变化，这些会显著改变局部的阻抗特性。通过监测这些变化，BIA技术有潜力检测骨折的存在并追踪其愈合过程。

Analog Devices公司生产的AD5933阻抗转换器等集成电路的发展，使得开发高精度、紧凑型且价格合理的阻抗测量系统成为可能。AD5933集成了频率发生器、模数转换器（ADC）和数字信号处理单元，是便携式BIA设备的理想核心组件。本研究正是利用AD5933的强大功能，设计了一种新型的、用于骨骨折检测的BIA设备。该设备还集成了ARM7 LPC2138微控制器用于控制和数据处理、一次性带状电极用于信号采集，以及用户友好的界面用于实时数据可视化和分析。

为了验证该设备的准确性和临床可行性，研究团队进行了两阶段评估。首先，使用标准电阻和电容元件对系统进行测试，以确定其在100 Hz至1 MHz频率范围和1 Ω至1 kΩ阻抗值内的测量精度。结果显示测量误差低于5%，证实了系统的技术可靠性。其次，对20名确诊为膝关节骨折的印度患者进行了临床试验，以评估设备在实际场景中的诊断能力。结果发现，愈合前和愈合后的阻抗及相位角值存在显著差异，表明该系统能够检测到与骨折相关的结构变化。

这项研究证明了基于AD5933的BIA技术用于骨折检测的可行性和有效性。所提出的设备为传统成像技术提供了一种低成本、便携式、无创的替代方案，尤其有利于农村或床旁医疗环境。它的成功实施为未来便携式诊断工具的创新及其在更广泛生理监测中的应用奠定了基础。

本研究采用的关键技术方法主要包括：基于AD5933阻抗转换器评估板的硬件系统设计，集成ARM7 LPC2138微控制器进行控制与数据处理；采用四电极配置的节段性生物电阻抗分析（BIA）方法，在50 kHz固定频率下进行测量；设备性能通过已知标准电阻和电容进行验证；临床研究部分与Yatharth医院合作，纳入125例各类骨折患者（其中20例膝骨折患者完成从骨折到愈合的纵向随访），使用开发的BIA设备测量其膝关节的阻抗和相位角值。

硬件设计与验证

本节重点介绍了为膝关节骨折患者临床评估量身定制的低成本、便携式节段性BIA设备的开发与验证。硬件设计和测试过程分为两个关键部分。

3.1 单频率节段性身体BIA设备设计

图3(a)的框图展示了开发节段性BIA设备所使用的关键组件。它包括用于阻抗测量的AD5933评估板、用于控制和数据处理的微控制器（ARM7 LPC2138）、用于信号输入输出的电极以及电源。这些组件协同工作，实现准确、便携、实时的生物电阻抗监测。AD5933将测量数据发送给Arduino Uno，后者充当系统的大脑。Arduino接收数据，进行处理，然后将结果发送到20x4 LCD屏幕，以便人们轻松读取信息。

图3(b)显示了Arduino微控制器和AD5933阻抗转换器模块的硬件原理图。设备中使用的组件规格详见表2，其中AD5933作为核心阻抗转换器，工作在1 kHz至500 kHz频率范围（本研究固定为50 kHz），具有12位ADC、可编程增益放大器（PGA）和I²C通信接口。采用四电极配置以减少电极-皮肤接触阻抗的影响。系统由ARM7 LPC2138微控制器控制，配备信号调理电路、恒流源、电压拾取放大器以及保护电路，结果（阻抗、电抗、相位角）显示在20x4 LCD上。

3.2 已开发的身体节段性BIA设备验证

为了验证系统的准确性和可靠性，使用已知的标准电阻和电容（图4）进行了测量，并将结果与其实际值进行比较。表3列出了标准和测量的电阻、电容值以及相应的百分比误差。测量涵盖了从10 Ω到1000 Ω的电阻和从10 pF到470 pF的电容范围，这与人体组织和骨骼预期的生物阻抗范围一致。结果显示，大多数误差百分比保持在较小范围内（通常低于7%），表明设备性能具有良好的准确性和一致性。

图5展示了电阻和电容的验证结果。这次成功的验证证实了BIA系统能够进行可靠的阻抗测量，可进一步应用于监测和分析人体骨组织的阻抗特性，支持生物医学诊断和健康监测的应用。

方法与受试者

本研究遵循《赫尔辛基宣言》，并获得戈达姆佛陀大学机构审查委员会批准。所有受试者均知情同意。本研究与Yatharth医院合作，时间跨度为2024年8月至2025年3月。初步评估了125名患有各类骨折的个体，记录了基本人口统计学和临床信息。在主治医师直接监督下，使用开发的BIA设备测量节段身体阻抗和相位角值。最终，65名确诊膝骨折患者被选入持续监测，其中20名参与者同意进行纵向随访。图6展示了整体研究流程，包括初步评估、BIA测量和随访数据收集。对于随访组，在骨折愈合过程完成后使用相同的BIA设备收集了额外的节段阻抗和相位角数据（图7为数据收集示意图）。所有评估均在标准化条件下进行，以最大限度地减少变异并确保数据可靠性。

结果与讨论

本节展示了使用开发的BIA设备在骨折期间和愈合后对骨折患者进行实验所获得的结果。分析的主要目的是通过定期测量阻抗值来监测愈合过程中发生的生理变化。收集的数据提供了关于组织电特性如何随着骨折部位恢复而变化的信息。

表4展示了使用新型节段性身体BIA设备从20名膝骨折患者收集的生物电阻抗数据。数据显示，男性受试者通常表现出较低的阻抗值和较高的相位角，这与较高的肌肉质量和较好的细胞完整性一致；而女性患者通常表现出较高的阻抗和略低的相位角，可能是由于身体成分的差异。阻抗值范围在210 Ω至340 Ω之间，相位角在3.8°至5.7°之间变化，与受伤和恢复组织的预期生物范围吻合良好。这些在BIA设备使用标准电阻和电容值进行验证后收集的测量结果，证实了系统在真实临床条件下的准确性和可靠性。

阻抗与相位角分析

图8比较了20名患者在骨折阶段和愈合过程后的阻抗（Z）测量结果。蓝线代表骨折患者的阻抗值，相对较低，大约在220至340欧姆之间。相比之下，红线表示骨骼愈合后记录的阻抗值，显示出显著更高的读数，通常在580至650欧姆之间。阻抗水平的这种明显区别表明，愈合的骨组织比骨折骨表现出更大的电阻抗。所有患者的一致趋势意味着阻抗测量可以作为一种有用的、无创的指标来监测骨愈合的进展。

图9比较了20名患者在两个不同阶段测量的相位角（φ）值：骨折时和愈合过程后。蓝线代表骨折患者的相位角，而橙线显示骨骼愈合后的相位角。从数据中可以明显看出，骨折患者的相位角往往较低，主要在3.8°至5.7°之间，而愈合后的患者显示出较高的相位角，通常在5.5°至6.7°之间。所有患者的这种一致差异表明，随着骨骼的愈合，相位角会增加。因此，相位角可以作为一种潜在的无创生物标志物，用于监测骨愈合的进展，指示组织恢复和结构重建。

阻抗随时间变化分析

为了进行更深入的分析，记录了五名骨折患者在七周内的阻抗值，以观察个体及整体愈合模式。相应结果如图10所示，该图描绘了所有受试者阻抗的每周变化。从图中可以明显看出，所有受试者的阻抗值随时间逐步增加，表明与愈合过程相关的生理变化。在最初几周（1-2周），阻抗值保持相对较低，大约在200-350 Ω之间，表明由于骨折导致组织液含量高和炎症。随着愈合的进行（第3-5周），阻抗值呈现稳定增长，达到约400-500 Ω。到第6周和第7周，阻抗值达到最高水平，大多数受试者超过600 Ω，这反映了随着骨折愈合，水肿减少和组织正常成分的恢复。

比较分析

表5将各种生物电阻抗分析（BIA）系统的阻抗、相位角和频率范围进行了比较，突出了提出的BIA设备相对于成熟商业模型的性能。提出的设备在50 kHz工作频率下展示了400-1000 Ω的阻抗范围和3°-12°的相位角范围，与BIA 450和Tanita BC-418等广泛应用于研究和临床的设备非常吻合。值得注意的是，提出的系统支持节段性BIA，能够进行详细的身体成分分析，与临床级设备相媲美。范围和功能的这种兼容性证实了所开发设备的设计可靠性和适用于临床及研究目的的潜力，从而验证了其作为商业BIA分析仪的一种经济有效且准确的替代方案的潜力。

结论与意义

本研究成功设计、开发并验证了一种使用AD5933阻抗转换器的便携式、低成本节段性生物电阻抗分析（BIA）设备，用于无创监测骨骨折。开发的系统在实验室和临床环境中均经过严格测试，以确保其准确性和可靠性。使用标准电阻和电容进行的初步验证证实了系统的精度，测量误差低于7%。对65名确诊膝骨折患者进行的临床验证显示出一致且清晰的模式：骨折组织表现出较低的阻抗值，而愈合组织则显示出阻抗显著增加（从骨折期间的约220-340 Ω增加到愈合后的约580-650 Ω）。在相位角中也观察到类似的趋势，愈合后相位角增加，表明细胞完整性和组织组成的恢复。

这些发现验证了所开发的设备能够准确捕捉与骨折和恢复相关的生理变化，确立了其作为X射线或CT成像的可靠、无辐射、经济实惠的诊断替代方案的潜力。设备读数与临床观察之间的高度一致性证实了其适用于实时监测骨愈合进程。此外，在所有参与者中观察到的阻抗和相位角趋势凸显了使用生物电参数作为恢复定量指标的可行性。

该研究的成功为骨折管理，特别是在资源有限的环境和床旁护理中，引入了一种创新的工具。这种基于BIA的方法减少了对电离辐射的依赖，降低了成本，并提高了监测的可及性，为骨科诊断和患者随访护理的进步做出了贡献。未来的工作可以集中在扩大患者队列、探索其他骨骼部位的适用性以及将设备与远程医疗平台集成以实现远程监控上。