面向手机应用的皮肤水分与人体脂肪测量系统的研制

黄耐寒，陈 香，王从政，董中飞

中国科学技术大学电子科学与技术系，合肥市，230027

面向手机应用的皮肤水分与人体脂肪测量系统的研制

【作 者】黄耐寒，陈 香，王从政，董中飞

中国科学技术大学电子科学与技术系，合肥市，230027

将生理参数测量功能嵌入到手机等移动设备是移动健康的发展趋势。该文研究了皮肤水分和人体脂肪含量两种生理参数的测量方法，设计了可贴在手机表面的、方便嵌入手机的测量电极。数据处理方面，实验探索方便快速的测量方法，皮肤水份和全身体脂测量结果，与商用产品相比，均方误差小于4%，相关性高达0.9以上。此外，局部体脂测量表明，局部体脂含量与局部体阻抗间有接近线性的正相关关系。

移动健康；皮肤水分；全身体脂含量；局部脂肪含量

0 引言

随着智能手机的发展，把人体生理参数测量和健康监护功能嵌入到手机上逐渐成为可能。近年来国内外学者对此进行了广泛的研究，如基于手机的心电、心率、体温、血氧和血糖等生理参数测量[1-4]以及基于手机的移动健康监护[5-6]等。

随着生活水平的提高，人们对健康有了更高的要求，皮肤水分、人体脂肪含量成为人们日常生活中比较关心的生理参数。皮肤水分和人体脂肪含量的测量大都是基于生物电阻抗原理，目前市场上已经出现了一些具备类似功能的产品，缺点是便携性不够好，一些脂肪仪体积与常见的体重计相当。

本文以皮肤水分测量、全身体脂测量和局部体脂测量为研究对象，探索可将皮肤水分和体脂测量与手机功能扩展相结合的传感技术。具体方法为：从小型化可嵌入手机等手持移动设备的出发点设计测量电极和处理电路，采集大样本数据修正测量公式以达到与商用产品相当的精确度，并开展实验对系统的测量效果进行评估。

1 系统介绍

1.1 系统硬件结构

系统的硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构框图Fig.1 Structure of the hardware

系统采用AD5933作为生物电阻抗的核心测量器件。MCU用于测量流程控制、数据处理及与上位机通信，本系统MCU采用封装小、功能强的C8051F330。MCU通过SMBus接口（兼容I2C接口）与AD5933进行数据交换，通过UART接口与上位机通信。为进一步缩小整体体积，本系统添加辅助电路使得多种参数的测量共用同一套后端处理电路。最终系统电路板大小为45 mm×10 mm×4 mm，可嵌入手机等手持移动设备。

1.2 电极设计

1.2.1 皮肤水分测量电极

皮肤水分的测量主要针对浅表皮肤（主要为角质层）的水分含量。从生物电阻抗的角度来看，人体皮肤可等效为一个电阻电容网络，皮肤含水量变化时其阻性成分和容性成分也随之发生变化。文献[7-8]表明皮肤的容性成分与水分含量之间的相关性比阻性成分好，因此本系统采用基于电容原理的叉指形电极，见图2。叉指形电极为平面电极，可以方便地贴在手机等移动设备表面。皮肤与电极接触时，皮肤充当电极的电介质影响电极的电容值，根据电极阻抗可估计皮肤水分含量。

图2 皮肤水分测量电极平面图Fig.2 PCB of skin moisture-measuring electrode

1.2.2 全身体脂测量电极

全身体脂测量对人体脂肪含量情况作粗略的估计。人体成分的二元模型[9]将人体简化为非脂肪组织和脂肪组织，非脂肪组织主要包括水和肌肉组织，阻抗较小，脂肪组织阻抗较大。有研究[10]表明，阻抗指数Ht2/z（其中Ht为身高，z为人体阻抗）与人体脂肪含量（FFM）有显著相关性（可达0.8或更高），采用合适的电极测量人体阻抗可估计体脂含量。

商用体脂仪采用的电极（如双手握式，双脚踩式）大多便携性不好，很难集成到手机等移动设备。本文设计了图3所示电极，包括一对激励电极，一对测量电极，分别放在扁平盒子两侧，测量时双手拇指和食指紧贴对应电极即可。4个电极片可以贴在手机侧边，基本不占用手机体积。

与一些手握式产品（从手掌测量体阻抗）、脚踩式产品（从脚掌测量体阻抗）相比，直接从手指测量阻抗增大了信号通路长度，使得测量结果波动变大。针对此问题，本系统在硬件上采用恒流激励以减小皮肤接触阻抗影响[11]，在数据处理中采用平滑的方法提高测量结果稳定性。

图3 全身体脂测量电极实物图Fig.3 Photo of body fat-measuring electrode

1.2.3 局部体脂测量电极

局部体脂测量是对身体某一部位的脂肪含量进行估计，通过测量局部组织的阻抗实现，基本测量原理与全身体脂测量类似。但待测组织减小后，测量时噪声增大，并且对不同人或同一人的不同部位结果会有差别，很难找出一个统一的规律。目前基于生物电阻抗的局部体脂测量主要处于实验室研究阶段，还没有成熟产品出现。

本系统对局部组织的阻抗测量采用Wenner型电极[12-13]见图4，包含外侧两个激励电极和内侧两个测量电极。人体体表脂肪厚度不同时，电极电流通路上组织的阻抗不同，通过测量阻抗可估计局部体脂含量。局部体脂测量采用与全身体脂测量相同的激励信号(交流恒幅电流激励)。采集数据时为了保证电极与皮肤良好接触，提高信号质量，在电极上涂导电膏。

图4 局部体脂测量原理示意图Fig.4 Principle of local fat-measuring

1.3 软件实现

系统的软件包括两部分：MCU部分和上位机部分。

MCU部分流程如图5所示，具体包括测量流程控制、算法实现以及测量结果传输。MCU通过I2C接口操作AD5933，设置激励信号，读取阻抗结果。MCU每次读到阻抗数据立即进行算法处理并将处理结果通过UART接口发送给上位机。

图5 MCU软件流程图Fig.5 The software fl ow chart of MCU

上位机部分软件功能包括发送配置指令、接收与显示测量结果等。上位机暂用PC模拟，采用MFC实现软件。测量开始时上位机向MCU发送控制指令（包括选择测量类型、启动测量与结束测量等）和个人信息（身高、体重等），上位机收到测量结果后显示结果并停止本次测量。由于测量流程的主要逻辑在MCU实现，上位机软件逻辑简单，可以方便的在嵌入式系统上实现以用于手机等移动手持设备。

2 实验与数据处理

2.1 皮肤水分测量

测量方法 图6为受试者水分含量不同的五个部位皮肤与电极接触前后测得的电容值变化情况，电极与皮肤在10 s时开始接触，由图6可看出电极与皮肤接触后的几秒钟电容值迅速升高，不同水分含量的皮肤对应的电容值有明显差别。取接触时刻后变化较小的电容值用于皮肤水分含量的估计。

图6 含水量不同的多个部位电容值变化对比Fig.6 The change of capacitance on several points with different moisture content

激励信号 采用5 kHz交流恒压信号。

预测模型 受试者6人，每人取6个部位（手指、手心、手掌内侧、手腕、小臂、脸部），用商用水分笔测量皮肤水分含量，用本系统测量相同部位的电容值，重复3次（两次至少间隔2 h）。采用分段y=a2ln(a1x)函数进行曲线拟合，结果如式(1)所示。

其中y为水分含量值(%)，x为皮肤电容值(pF)，拟合的决定系数R2为0.95。

测试测量效果 受试者19人，每人取6个部位（手指、手心、手掌内侧、手腕、小臂、脸部），分别用本系统和菲斯凯尔SK-I水分笔测量各个部位水分含量，重复5次（两次至少间隔2 h）。图7为测试结果，每个点的横坐标为本系统测量结果，纵坐标为菲斯凯尔SK-I测量结果，可看出两系统测量结果非常接近，集中在y=x附近。经计算本系统测量结果和菲斯凯尔SK-I相比，均方误差3.8%，相关系数0.98。

图7 本系统与商用水分笔测量结果对比Fig.7 The comparison of skin moisture measurements between our system and a commercial product

测试结果表明本系统整体测量效果与商用产品相近，但从测试结果中也可以看到，在水分含量比较低时（30%左右）测量结果与商用产品还有差距。后续工作可从两方面进行改进，硬件方面调整阻抗测量电路的测量范围，数据处理方面改进原有预测模型或探索更好的预测模型。

2.2 全身体脂测量

确定测量点 全身体脂测量中阻抗测量结果基本动态稳定，直接取测量结果波动较小时的中值用于估计体脂含量。

激励信号 采用50 kHz交流电流恒幅信号。

预测模型 体脂测量的预测经验公式有多种[14]，大都考虑阻抗指数Ht2/Z，同时综合考虑身高(Ht)、体重(Wt)、性别等参数以提高预测效果，本文采用BF=a1Ht2/Z+a2Wt+a3，对男女单独拟合。对受试者28人（17男11女），同时用欧姆龙HBF-306体脂仪测量体脂，用本系统测量人体阻抗，采用多元线性拟合确定公式系数。结果为式(2)。

测试测量效果 受试者 23人（13男10女），分别用本系统和欧姆龙HBF-306体脂仪测量全身体脂含量，重复4次（两次至少间隔2 h）。图8为测试结果，可看出两系统测量结果非常接近，集中在y=x附近。经计算本系统测量结果和欧姆龙HBF-306相比，均方误差1.5%，相关系数0.97。

图8 本系统与商用体脂仪测量结果对比Fig.8 The comparison of body fat measurements between our system and a commercial product

测试结果表明本系统体脂测量效果与商用产品接近，达到了预期目标。但本系统体脂电极在提高便携性的同时使得测量对象主要为人体上半身（左右上肢和躯干的阻抗）的体脂含量，对腹部和腿部的体脂含量反映能力有限。后续研究可借鉴“分段测量”等研究成果进一步改进测量电极和测量方法，提高对整个人体体脂含量的反映能力。

2.3 局部体脂测量

在受试者大腿上均匀取15个点，采用商用皮脂钳测量皮脂厚度估计局部体脂，用本系统测量相同部位局部阻抗值。每天一次连续六天得到的阻抗测量结果和处理结果如图9所示，可看出，不同天的各部位阻抗值会有整体的上下浮动，但单次实验各个测量点的阻抗相对大小关系一致。我们推测这种上下浮动是由于测量条件（如导电膏每次涂抹情况、环境温度湿度影响）和人体生理状况等的影响，这种影响在一次实验过程中变化比较小，在不同次实验间有明显差别，设为e，并假设阻抗(y)与皮脂厚度(x)关系为 y = f (x)+e。对六次实验结果求均值可得到图9中“处理结果”。

图9 局部阻抗测量结果及处理结果Fig.9 Measurements and processing results of local impedance

图10为各部位皮脂厚度与阻抗处理结果的对应关系，可看出两者有明显线性关系，利用直线拟合计算出系数为0.76。

图10 大腿部位的皮脂厚度与局部阻抗对应关系Fig.10 The relation between sebum thickness and local impedance in thigh

然而，在受试者不同部位（包括前臂、上臂、小腿、大腿、腹部、腰部）各取一点，分别测量皮脂厚度和局部阻抗值，没有发现它们之间有明显的线性关系，总结原因可能为：(1)本实验中使用商用皮脂钳测量皮肤厚度可以粗略的估计局部体脂含量，但主观性强，重复性不够好。对此进一步研究可考虑采用MRI或超声等更客观精确的方法测量皮脂厚度；(2)导电膏涂抹情况或环境温度湿度等也会影响阻抗测量结果，对此需要探索更稳定的受环境影响小的阻抗测量方式；(3)不同部位和不同人的组织差异性可能影响阻抗与皮脂厚度之间的关系，对此需要进一步改进测量方法。

3 总结

本文设计并实现了一套面向手机应用的皮肤水分和体脂含量测量传感器。本设计一方面通过硬件小型化设计，使电极和处理电路可方便的嵌入手机；另一方面通过开展实验和数据分析，确定皮肤水分和全身体脂的测量方法和经验公式。与商用产品测量结果相比，本文研制的传感器对皮肤水分和全身体脂的测量效果可以满足要求。在局部体脂测量方面，本文对单个部位（大腿）的研究表明，局部体脂含量与局部阻抗有接近线性的正相关关系，适用于多部位的规律有待进一步的研究，后续研究建议考虑多种因素影响探索更复杂的数学模型，并提高实验条件。

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Development of Skin Moisture and Body Fat Measurement System for Mobile Application

【 Writers 】Huang Naihan, Chen Xiang, Wang Congzheng, Dong Zhongfei
Department of Electronic Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei, 230027

mobile health, skin moisture measurement, body fat measurement, local body fat measurement

TP216

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.02.001

1671-7104(2014)02-0079-05

2013-12-06

国家自然科学基金面上项目（61271138）

陈香，E-mail: xch@ustc.edu.cn

【 Abstract 】Integrating physiological parameters measurement into mobile devices is a development tendency of mobile healthcare. Measurement methods for skin moisture and body fat content are studied in this paper. Electrodes are designed for easy integration into mobile devices, and can be embedded in the cover of the mobile phone. Experiments were conducted to obtain a fast and easy measurement method. The results of evaluation show that the measurement system can achieve the same accuracy as commercial products (with correlation above 0.9 and root mean squared error below 4%) in skin moisture and body fat content measurement. Measurement of local-area body fat content showed a nearly linear positive correlation between local-area body fat content and local-area body impedance.