Tóm lại, các điện cực sẽ được đặt lên phần da tay và chân của người sử dụng theo nguyên tắc chân – với – chân, tay – với – tay, chân – với – tay (hình 2.9). Dòng điện
30
xoay chiều được sử dụng để phân tích trở kháng điện sinh học vì nó xun qua cơ thể người ở mức điện áp và cường độ dòng điện thấp. Lưu lượng của dòng điện bị ảnh hưởng
bởi lượng nước trong cơ thể như đã đề cập trước đó. Các điện cực tiếp xúc da sẽ đo các tín hiệu trở kháng qua các loại mơ khác nhau trong cơ thể, vì các mơ chứa một lượng lớn chất lỏng và chất điện giải, chẳng hạn như máu có độ dẫn điện cao, còn chất béo và xương làm chậm tín hiệu. Vì kỹ thuật BIA xác định khả năng chống lại dịng điện khi nó đi qua cơ thể, nên nó cung cấp các ước tính về lượng nước trong cơ thể mà từ đó lượng mỡ trong cơ thể được tính bằng cách sử dụng các phương trình có sẵn (các phương trình tham khảo được trình bày trong phần phụ lục).
Hình 2.9. Vị trí tiêu chuẩn của các điện cực trên bàn tay và cổ tay và bàn chân và mắt cá chân đối đối với đo trở kháng bằng tần số.
31
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.1 Phân tích trở kháng điện sinh học và các vấn đề liên quan
Để có thể thực hiện việc thiết kế một mơ hình đo lường chất béo trong cơ thể người, nhóm đã đặt ra các câu hỏi cụ thể để có thể giải quyết các vấn đề thắc mắc, cũng như có một cái nhìn tổng qt hơn về kỹ thuật được áp dụng, làm nền tảng cho việc thiết kế và sắp xếp một mơ hình hồn chỉnh.
Tiến sĩ Van Hubbard, Chi nhánh Khoa học Dinh dưỡng, Viện Quốc gia về Bệnh tiểu đường và Tiêu hóa và Bệnh thận, và Tiến sĩ Elsa Bray, Văn phòng Nghiên cứu Ứng dụng Y tế, NIH, đã tiến hành một hội nghị đánh giá công nghệ trở kháng điện sinh học do Tiến sĩ John Rombeau chủ trì. . Hội nghị này bao gồm một hội đồng các nhà khoa học khách quan, những người đã lắng nghe một loạt các bài thuyết trình của các chuyên gia về lĩnh vực trở kháng điện sinh học. Sau đây là bản tóm tắt rút gọn các nhận xét của ban hội thẩm từ báo cáo cuối cùng (NIH, 1996). Hội nghị năm 1994 này đã đánh giá tình trạng hiện tại của kiến thức và sự phát triển công nghệ trong lĩnh vực trở kháng điện sinh học để một số điều sau đây là thừa với những gì đã được trình bày.[8]
Trở kháng điện sinh học đo lường gì về các thông số điện và sinh học?
Các phép đo trở kháng điện sinh học chính xác của điện và sinh học các thông số không xác định và thay đổi tùy theo từng người. Thông số thực tế được đo với trở kháng điện sinh học là điện áp được tạo ra giữa hai điện cực đo. Cường độ dịng điện nhỏ và đối tượng khơng nhận biết được, nhưng nó đủ lớn để dịng điện tạo ra điện áp cao hơn ''nhiễu"điện gây nhiễu của cơ thể. Tuy nhiên," nhiễu "điện có thể phát hiện khác có thể phát sinh từ các nguồn điện cơ, chẳng hạn như cơ bắp, hoặc có thể do nhiễu điện từ bên ngồi từ các nguồn như lị sưởi và truyền dẫn vô tuyến.
32
Phép đo điện áp hoặc trở kháng không cung cấp bất kỳ thông tin trực tiếp nào về lượng dịng điện truyền qua thể tích nội bào so với ngoại bào, trong máu so với cơ hoặc trong chất béo so với các mơ khơng có chất béo. Các đường dẫn hiện tại trong cơ thể được sử dụng bởi trở kháng nói chung sẽ khác nhau ở mỗi người do sự khác biệt về kích thước cơ thể, hình dạng, chất điện giải, sự phân bố chất lỏng hoặc các khía cạnh khác của thành phần cơ thể. Những đặc điểm này khác nhau trong mỗi cá nhân và hầu như bất kỳ thay đổi nào về kích thước, hình dạng hoặc thành phần cơ thể sẽ có ít nhất một ảnh hưởng nhỏ đến trở kháng. Mối quan hệ giữa trở kháng và các biến số khác như TBW, FFM, hoặc chất béo cơ thể đã được thiết lập như các hiệp hội thống kê với trở kháng cho một quần thể cụ thể hơn là trên cơ sở lý sinh. Các mối quan hệ này khơng phải là tuyệt đối bởi vì dịng điện khuếch tán khắp thể tích dẫn và sử dụng bất kỳ và tất cả các đường dẫn có sẵn tại thời điểm đo.
Các giả định về trở kháng điện sinh học cơ bản, những giả định về độ dẫn điện mặt cắt ngang và đồng nhất, không được đáp ứng ở người. Khơng có giá trị nào cho điện trở suất cụ thể được xác định hoặc sử dụng khi làm việc với các đối tượng là con người. Thay vào đó, một tham số thống kê tương tự (Ht2/R), trong đó chiều cao (Ht) thay thế chiều dài, được sử dụng như một biến độc lập trong quy trình hồi quy thống kê và mức độ kết hợp của nó với đầu ra quan tâm, chẳng hạn như TBW, được đánh giá. Như được sử dụng với con người, phép đo trở kháng điện sinh học không đo trực tiếp bất kỳ đại lượng sinh học nào được quan tâm, chẳng hạn như chất béo, trên cơ sở mơ hình vật lý hoặc lý sinh. Sức đề kháng được sử dụng như một yếu tố của đánh giá thống kê, trong đó nó có thể có hoặc khơng có ý nghĩa liên quan đến một biến đầu ra cụ thể trong một quần thể cụ thể.
Các phương trình trở kháng điện sinh học mơ tả các mối quan hệ thống kê được tìm thấy đối với một quần thể cụ thể và không bắt nguồn từ lý luận lý sinh và phép đo bị ảnh hưởng bởi nhiều biến số. Các quần thể như vậy được chọn để giống nhau về nhiều thuộc
33
tính để kết quả trở kháng điện sinh học sau đó có thể tương quan với các thuộc tính cịn lại được phép thay đổi. Do đó, mỗi phương trình chỉ hữu ích cho các đối tượng trùng khớp với dân số tham chiếu được sử dụng trong phương trình gốc của phương trình.
Mức độ an tồn?
Trở kháng điện sinh học được coi là an tồn vì: tần số hiện tại 50 kHz khơng có khả năng kích thích các mơ dễ bị kích thích điện, khơng có báo cáo về các sự kiện không mong muốn do trở kháng điện sinh học gây ra sau hàng nghìn thử nghiệm, cường độ dòng điện tương đối nhỏ dưới ngưỡng cảm nhận , và sử dụng pin hoặc nguồn điện có điện áp thấp. Tuy nhiên, khơng có tiêu chuẩn an tồn chính thức cho các thiết bị trở kháng điện sinh học. Trên thực tế, dịng điện đưa vào có cường độ lớn hơn dòng điện rò rỉ cho phép đối với một số thiết bị y tế, chẳng hạn như máy ghi điện tim. Cần đánh giá một cách có hệ thống tất cả các vấn đề liên quan đến an toàn.
Làm thế nào để thực hiện trở kháng điện sinh học, và làm thế nào để các phép đo trở kháng điện sinh học được chuẩn hóa?
Tiêu chuẩn hóa các thủ tục là điều cần thiết. Vị trí điện cực thích hợp là rất quan trọng để đo trở kháng điện sinh học chính xác và có thể tái tạo. Cần thêm thông tin để xác định xem liệu các vị trí đặt điện cực bổ sung có cải thiện được các kỹ thuật kiểm tra hiện tại hay không.
Các biến số khác ảnh hưởng đến hiệu lực, độ tái lập và độ chính xác của phép đo bao gồm vị trí cơ thể, tình trạng hydrat hóa, tiêu thụ thực phẩm hoặc đồ uống, khơng khí xung quanh và nhiệt độ da, hoạt động thể chất gần đây và độ dẫn của bàn kiểm tra. Ngồi ra, độ chính xác của việc xác định các biện pháp khác được sử dụng trong các phương trình để dự đốn TBW hoặc độ béo với trở kháng điện sinh học ảnh hưởng đến độ chính xác của ước tính.
34
Các phép đo được thực hiện khi đối tượng nằm nghiêng, nhưng bằng chứng chỉ ra rằng các giá trị trở kháng thay đổi mạnh trong vòng 10 phút đầu tiên sau khi đối tượng ở tư thế nằm ngửa và tiếp tục làm như vậy trong vài giờ. Tiêu chuẩn hóa các thủ tục nên bao gồm khoảng thời gian đối tượng nằm nghiêng trước khi thực hiện phép đo. Các phép đo thu được vài giờ sau ăn cũng có thể ảnh hưởng đến các giá trị trở kháng, tùy thuộc vào sự thay đổi âm lượng. Điều này có thể được kiểm soát bằng cách thu được các phép đo trở kháng điện sinh học sau thời gian nhanh ít nhất 4 giờ.
Các nhà sản xuất khác nhau của máy cản trở sinh học sử dụng các phương trình khác nhau để chuyển đổi dữ liệu thô của trở kháng thành các ước tính về thành phần cơ thể. Đã có khó khăn trong việc lấy các phương trình thực tế trong phần mềm của máy móc và dữ liệu mà các phương trình này được suy ra. Sự sẵn có của thơng tin này sẽ cho phép ứng dụng nhiều hơn của trở kháng điện sinh học trong các cơ sở nghiên cứu và lâm sàng. Tất cả các thiết bị phải báo cáo các giá trị điện trở và điện kháng được đo trực tiếp. Các thuật tốn tính tốn và các đặc điểm của quần thể xác nhận được sử dụng để chuyển đổi các thông số điện cơ bản thành các thông số sinh học được báo cáo bằng thiết bị phải được cung cấp cùng với thiết bị. Trong mọi trường hợp, các giá trị sinh học được báo cáo phải bao gồm đánh giá độ chính xác của ước tính cá thể (khơng phải quần thể) dựa trên sai số đo lường và công cụ được truyền bá cũng như giới hạn sai số thống kê của thuật tốn tính tốn.
Cơng nghệ trở kháng điện sinh học có giá trị như thế nào trong việc ước tính thành phần cơ thể?
Giả định phổ biến rằng dòng điện xuyên qua màng tế bào và tự do đi qua tất cả các chất lỏng được biết là sai. Dòng điện được mang theo bởi dịch ngoại bào cộng với một số thành phần của dịch nội bào. Cơ thể con người xấp xỉ một hình trụ kém hơn, và phép đo trở kháng điện sinh học có độ nhạy khơng cân đối với hàm lượng nước ở chi so với thân cây. Mối tương quan giữa các phép đo trở kháng điện trở sinh học và độ pha loãng
35
đồng vị TBW hơi khác nhau trong các điều kiện có sự xáo trộn trong phân phối nước ngoài tế bào so với trong tế bào hoặc phân phối nước chi với nước trong cơ thể.
Khả năng dự đoán độ béo từ trở kháng điện sinh học ở những đối tượng béo phì nặng (BMI> 32) nên được diễn giải một cách thận trọng. Những người béo phì có tỷ lệ khối lượng cơ thể và lượng nước trong cơ thể do thân mình chiếm ở các chi lớn hơn so với những người gầy hơn. Tuy nhiên, thân cây đóng góp một lượng tương đối nhỏ vào tổng trở kháng của cơ thể, dẫn đến việc đánh giá quá cao lượng mỡ cơ thể từ các phương trình tiêu chuẩn. Sự hydrat hóa của FFM cao hơn ở người béo phì, và tỷ lệ nước ngồi tế bào và nước trong tế bào tăng lên ở người béo phì, dẫn đến việc đánh giá thấp chất béo cơ thể từ các phương trình dự đốn tiêu chuẩn.
Nghiên cứu bổ sung liên kết các phép đo trở kháng điện sinh học với cấu trúc sinh lý và lý sinh cơ bản sẽ giúp đặt công nghệ trở kháng điện sinh học trên cơ sở khoa học mạnh mẽ hơn nhiều. Một nhu cầu chính trong nghiên cứu lâm sàng là thiết lập các tiêu chuẩn tham chiếu để cải thiện việc giải thích dữ liệu. Có rất ít thơng tin về việc béo phì thân ảnh ảnh hưởng đến các phép đo trở kháng như thế nào.
Các nghiên cứu bổ sung cũng cần thiết cho các phương trình cụ thể về dân số để dự đoán tỷ lệ mỡ ở người già, người rất gầy và béo phì cũng như để xác định các dự đoán về chủng tộc hoặc dân tộc. Các nghiên cứu này nên bao gồm các phép đo trở kháng đa tần số và các phương pháp tiêu chí đa thành phần tính đến TBW và tổng khống chất cơ thể cũng như mật độ cơ thể và nên bao gồm các phương pháp xác nhận chéo được chấp nhận về mặt thống kê. Các biến số lâm sàng khác có thể được sử dụng để cải thiện ước tính của TBW nếu các phương trình dự đốn hợp lệ được phát triển cho các phân nhóm nhân khẩu học cụ thể. Các nghiên cứu xác nhận bổ sung là cần thiết bằng cách sử dụng các mơ hình đa ngăn để kiểm tra mức độ ước tính dựa trên trở kháng điện sinh học của TBW dự đoán khối lượng cơ thể và độ mỡ.
36
Những điều kiện được tiêu chuẩn hoá liên quan đến vị trí cơ thể, luyện tập trước đó, chế độ ăn kiêng và nhiệt độ cơ thể cần được quan tâm. Sự tiêu dùng thức ăn và các loại nước uống có thể giảm trở kháng từ 4-15 Ohm trong giai đoạn 2-4 giờ sau bữa ăn, việc đại diện cho một lỗi nhỏ hơn 3%. Các phép đo vào hai ngày liên tiếp tại cùng một thời điểm ở trạng thái ni dưỡng có khả năng tái tạo cao (4+_20 ohm, không đáng kể) ở những bệnh nhân mắc bệnh phổi mãn tính ổn định. Những kết quả BIA hầu hết bị ảnh hưởng bởi những đối tượng đã ở trạng thái nhịn ăn hoặc được cho ăn. So sánh với đường cơ sở, tập thể dục đã được đưa ra để giảm R vào khoảng 3% và Xc vào khoảng 8% ngay lập tức sau khi tập thể dục, với sự đo lường trở lại với bình thường khi được lặp lại 1h sau đó. Một sự tăng R 3% (17 Ohm) đã được quan sát sau 60 phút nằm nghiêng. Những sai số khoảng 1.0 – 1.5 l của TBW được chỉ ra có thể xảy ra cho những cá nhân, những cá nhân mà bị hạn chế nghỉ ngơi trên giường trong vài giờ hoặc vài ngày khi những phương trình BIA được sử dụng, những phương trình đó đã được phát triển cho những đối tượng, những đối tượng đã được đo trong vòng 5 phút sau khi họ đã nằm xuống. Những sai số lớn hơn có thể được dự đốn cho ECW bởi vì các phần cơ thể thì phụ thuộc nhiều hơn vào sự thay đổi trọng lực. Điều này được phản ánh bởi sự thay đổi lớn hơn trong R tại tần số thấp của sự đo lường. Khơng có sự can thiệp nào với máy tạo nhịp tim hoặc máy khử rung tim được dự đốn. Mặc dù khơng có báo cáo sự cố nào được biết đến cho kết quả của sự đo lường BIA, nhưng khả năng có thể khơng được loại bỏ rằng trường cảm ứng của dịng điện trong lúc đo có thể thay đổi hoạt động của máy tạo nhịp tim và máy khử rung tim. Vì vậy, trong trường hợp này, bệnh nhân nên được theo dõi cho các hoạt động về tim.
3.2 Quá trình xây dựng đồ án
Sau khi xác định các kỹ thuật và tiến hành phân tích các vấn đề liên quan đến kỹ thuật, nhóm đã sẵn sàng sử dụng những hiểu biết của mình cho việc tạo ra một hệ thống đo lường chất béo cơ thể hoàn chỉnh. Trong khi lên ý tưởng, nhóm đã nhìn lại các kết
37
quả khác nhau chung của các thành viên và xem xét lại các kết luận khác từ những nghiên cứu đã có trước. Nhóm quyết định sử dụng các thông tin chi tiết sau đây làm hướng dẫn cho sự khám phá và sáng tạo của mình:
- Tạo xung vng có tần số 50kHz
- Thu nhận tín hiệu trở kháng điện sinh học từ người
- Giao tiếp giữa người dùng và hệ thống
3.2.1 Giai đoạn 1: Tạo xung vng có tần số 50kHz và thu nhận tín hiệu trở kháng điện sinh học.
Xung vuông thường được tạo ra bằng cách sử dụng một IC tạo xung chuyên dụng. IC 555 là một trong những ứng cử viên sáng giá để thiết kế ra một mạch tạo xung vuông.