專利名稱：一種人體阻抗測量裝置及應(yīng)用該裝置的脂肪計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種測量人體阻抗的裝置以及應(yīng)用該裝置的脂肪計。
背景技術(shù)：
使用科學(xué)的方法測量脂肪含量一直是學(xué)術(shù)界研究的課題，目前世界上公認的人體脂肪測量方法主要有以下幾種a、根據(jù)人體不同部位對X射線吸收差異測量脂肪的雙能量X射線吸收法；b、利用光纖發(fā)射低能量的近紅外光照射二頭肌來測量脂肪的近紅外線測量法；c、用特制卡尺在人體不同部位測量皮下脂肪厚度，再代入公式計算脂肪的皮膚卡尺法；d、根據(jù)人體脂肪比重比水小的原理來測量脂肪的水下稱重法。遺憾的是由于上述方法都不同程度的存在技術(shù)要求高、操作困難、計算繁瑣等問題，因此只適用于醫(yī)療等專業(yè)機構(gòu)，難以進入平常百姓的家庭。
目前隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種使用低電壓及微量電流量通過人體，利用人體中不同組織對電流的阻抗不同，來測量脂肪含量的生物電阻抗測量法。其測量方法簡便，可以輕輕松松地檢測的脂肪和水分含量，隨時掌握個人體形指標。
現(xiàn)有的生物阻抗人體脂肪測量法，基本原理是這樣的首先由恒流源，產(chǎn)生恒定的交流正弦波電流，將該電流加到人體及標準電阻間，運用電壓檢測裝置，檢得電流在人體所產(chǎn)生的電壓降，并且與流過標準電阻所產(chǎn)生的電壓降進行比較，從而獲得人體電阻，再通過相應(yīng)的計算方法計算出人體脂肪。具體是這樣實現(xiàn)的恒流源的輸出端串聯(lián)著兩個標準電阻(其中，一個阻值約為300Ω，一個約為500Ω)以及被測的人體，標準電阻以及被測人體的兩端都設(shè)有觸點，有電壓檢測器的輸入端與模擬開關(guān)連接，模擬開關(guān)的另一觸點分別與標準電阻以及被測人體的觸點相連，分別獲得標準電阻和被測人體的電壓，參照圖2。根據(jù)歐姆定律，電壓與電阻之間為線性關(guān)系Rx＝(Ux-U0)/I0，參照


圖1，通過標準電阻阻值以及相應(yīng)的電壓值計算出電壓初始值U0以及恒流源的電流值I0，然后再根據(jù)被測人體的電壓Ux，計算獲得人體阻抗Rx。
現(xiàn)有根據(jù)上述方法所制造的產(chǎn)品存在以下缺點①每個產(chǎn)品上都裝有兩個以上校正電阻和較多的電子模擬開關(guān)，電路復(fù)雜，成本高，抗干擾性差；②每次使用都要測量多個校正電阻，測量時間較長；③由于校正電阻跟人體電阻串聯(lián)，整個回路電阻比較高，因此需要供電電壓較高，這樣不利于采用干電池供電，或者必須減少電流值，最終影響測量準確性，而且容易產(chǎn)生削波失真，影響測量結(jié)果。另外現(xiàn)有的人體脂肪測量法，測量時，沒對兩腳間的接觸情況作出判定，兩腳與測量電極接觸不良時，導(dǎo)致測量結(jié)果不準確。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種人體阻抗測量裝置，使用時省去了對測量標準電阻的比較，省去了電子模擬開關(guān)的多次切換，大大減少了測量時間，降低了產(chǎn)品的成本，使電路更簡單，同時增強了電路的抗干擾性，減少了電路的功耗。
本實用新型的另一個目的在于提供一種人體脂肪計，利用人體阻抗測量裝置進行阻抗測量后轉(zhuǎn)換為人體脂肪含量，快速準確。
本實用新型是這樣來實現(xiàn)上述目的的一種人體阻抗測量裝置，其特征在于包括一對輸入電極、一對輸出電極、恒流源、電壓測量單元以及運算處理單元；輸入電極分別與恒流源輸出端相連，輸入電極與輸出電極與人體接觸，輸出電極與電壓測量單元輸入端相連，電壓測量單元輸出端與運算處理單元相連。
作為人體阻抗測量裝置優(yōu)選的實施方式，所述的校正參數(shù)包括電壓和電流的溫度補償系數(shù)、恒流源的驅(qū)動能力補償系數(shù)，存儲于存儲器中。
一種應(yīng)用人體阻抗測量裝置的人體脂肪計，其特征在于包括一對輸入電極、一對輸出電極、恒流源、電壓測量單元、運算處理單元以及顯示單元；輸入電極分別與恒流源輸出端相連，輸入電極與輸出電極與人體接觸，輸出電極與電壓測量單元輸入端相連，電壓測量單元輸出端與運算處理單元相連；顯示單元與運算處理單元的輸出端相連。
本實用新型的有益效果是針對傳統(tǒng)方案使用標準電阻的校正方法存在的缺點，本實用新型采用預(yù)先儲存校正參數(shù)的校正方法，使用時只需檢測流過人體所產(chǎn)生的電壓，然后從存儲器里讀取校正參數(shù)，然后根據(jù)人體阻抗與電壓的線性關(guān)系計算出人體阻抗，使用時省去了對測量標準電阻的比較，省去了電子模擬開關(guān)的多次切換，大大減少了測量時間，降低了產(chǎn)品的成本，使電路更簡單，同時增強了電路的抗干擾性，減少了電路的功耗。本裝置還充分考慮了影響測量人體阻抗的各種影響因素，包括環(huán)境溫度的變化以及恒流源驅(qū)動能力不足等，利用相應(yīng)的影響參數(shù)對人體阻抗的計算進行了校正，使得結(jié)果更加準確。而人體脂肪計則利用上述人體阻抗測量裝置進行阻抗測量后轉(zhuǎn)換為人體脂肪含量，快速準確。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明
圖1是電壓與電阻的關(guān)系曲線圖；圖2是現(xiàn)有人體阻抗測量裝置結(jié)構(gòu)圖；圖3是本實用新型的人體阻抗測量裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖4是本實用新型的人體阻抗測量標定零點電壓的連接圖；圖5是本實用新型的人體阻抗測量標定恒流源輸出電流的連接圖；圖6是恒流源的輸出電流與負載電阻的關(guān)系曲線圖；圖7是本實用新型的人體阻抗測量標定恒流源的驅(qū)動能力補償系數(shù)的連接圖；圖8是溫度以及恒流源驅(qū)動能力校正的電壓與電阻的關(guān)系曲線圖；圖9是本實用新型的人體脂肪計結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
參照圖3，一種人體阻抗測量裝置，包括一對跟人體接觸并且向人體提供激勵電流的輸入電極1、1’；另外一對跟人體接觸的檢測由激勵電流在人體所產(chǎn)生的電壓降的輸出電極2、2’；通過輸入電極1、1’向人體提供恒定的激勵電流的恒流源3；測量由激勵電流在人體所產(chǎn)生的電壓降的電壓測量單元4；儲存有校正參數(shù)，且對校正參數(shù)和電壓測量單元4測量的電壓進行運算處理從而計算出人體阻抗Rx的運算處理單元5。輸入電極1、1’分別與恒流源3輸出端相連，輸入電極1、1’與輸出電極2、2’與人體接觸，輸出電極2、2’與電壓測量單元4輸入端相連，電壓測量單元4輸出端與運算處理單元5相連。人體阻抗Rx的標定計算是這樣進行的運算處理單元5通過電壓測量單元4測得由恒流源3流過人體所產(chǎn)生的電壓，并根據(jù)校正參數(shù)計算出人體阻抗Rx。
其中所述電壓測量單元4包括差動放大器41、整流器42和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器43，輸出電極2、2’分別與差動放大器41的同向及反向輸入端連接，差動放大器41的輸出端與整流器42相連，整流器42的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器43相連，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器43的輸出端與運算處理單元5相連。首先在差動放大器41的輸出端獲得一定電平的交變電壓信號，交變電壓信號輸入到整流器42以獲得相應(yīng)電平值的直流電壓信號，該直流電壓信號送模/數(shù)轉(zhuǎn)換器43，將相應(yīng)的電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后運算處理單元5根據(jù)校正參數(shù)運算獲得人體阻抗Rx。
其中上述運算處理單元5包括運算器51和存儲器52，運算器51與電壓測量單元4的輸出端相連以獲得電壓信號相應(yīng)的數(shù)字信號；存儲器52與運算器51相連，校正參數(shù)存儲于存儲器52內(nèi)，包括零點電壓U0、恒流源3的輸出電流值I0以及其他補償參數(shù)。
下面詳細的描述人體阻抗測量裝置的工作過程及原理。
A.參數(shù)測定。根據(jù)電壓與電阻間的線性關(guān)系Rx＝(Ux-U0)/I0，參照
圖1，需要對參數(shù)零點電壓U0及恒流源3的輸出電流值I0進行測定。首先，參照圖4，把輸入電極1、1’和輸出電極2、2’這4個電極進行短接，這時電壓測量單元4測得的電壓為零點電壓U0，運算器51把零點電壓U0存入存儲器52中的指定地址；然后，參照圖5，把輸入電極1、1’及輸出入電極2、2’分別進行短接，在輸出電極2與輸出電極2’之間接上阻值為1000Ω的標準精密電阻R0，這時電壓測量單元4測得的電壓為UR0，根據(jù)歐姆定律，I0＝(UR0-U0)/R0，計算得出恒流源3的電流I0。運算器51再把電流I0的存入存儲器52中的指定地址。
B.人體阻抗的測量。在測量時，人體兩腳與輸入電極1、1’，輸出電極2、2’接觸，所產(chǎn)生的恒流源信號從輸入電極1、1’輸入到人體，電流流過人體并產(chǎn)生電壓，由電壓測量單元4測得輸出電極2、2’的電壓Ux，并將該電壓送運算器51，同時運算器51從存儲器52里讀取校正參數(shù)I0及U0，然后通過公式Rx＝(Ux-U0)/I0計算出人體阻抗Rx。
校正參數(shù)是廠家在出廠時，將測定的校正參數(shù)寫入存儲器52中。但在實際使用中可能由于環(huán)境、負載阻抗等因數(shù)影響會導(dǎo)致人體阻抗Rx的計算產(chǎn)生偏差，因此需要將上述影響因數(shù)也添加到校正參數(shù)中，對人體阻抗Rx的計算進行相應(yīng)的修正。
(1)溫度系數(shù)校正，包括零點電壓溫度系數(shù)以及輸出電流溫度系數(shù)。當(dāng)用戶使用的溫度與出廠時寫入校正參數(shù)的溫度不同時，電壓測量單元4中的差動放大器41，整流器42，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器43等電氣參數(shù)會因溫度變化而產(chǎn)生漂移，從而使零點電壓U0以及恒流源3的電流I0發(fā)生相應(yīng)的變化，參照圖6。假定出廠時標定溫度為T0，使用溫度為T1，則使用時零點電壓參數(shù)U1，恒流源3的輸出電流I1，則有
U1＝U0[1+(T1-T0)K1]I1＝I0[1+(T1-T0)K2]其中K1，K2為零點電壓溫度系數(shù)以及輸出電流溫度系數(shù)。
(2)恒流源的驅(qū)動能力補償，在理想狀態(tài)下，對于不同的負載，也就是輸出的電壓不同時，恒流源3的驅(qū)動能力是一致的，產(chǎn)生在負載電阻上的電壓跟電阻值成線性關(guān)系。但在實際測量中，隨著負載電阻值的不同，恒流源3輸出電壓也不同，恒流源3的實際輸出電流會有所變化。一般情況下，恒流源3的輸出電流隨著輸出電壓的增大而減少，如圖6所示?？梢酝ㄟ^測定負載電阻和產(chǎn)生在該負載電阻上的電壓來計算出恒流源的實際輸出電流與輸出電壓的關(guān)系，從而對恒流源3的實際輸出電流進行補償。
在測量人體阻抗Rx時，人體與電極的接觸電阻Rc受多種因數(shù)影響而有所不同，例如皮膚的濕潤程度、接觸面積的大小、皮膚角質(zhì)層的厚度等。本實用新型所應(yīng)用的開爾文電橋可以減少這些接觸電阻Rc對測量的影響，但接觸電阻Rc的增大會使恒流源的輸出電流產(chǎn)生變化，從而也會一定程度上影響人體阻抗Rx的測量準確性。為使測量更準確，本實用新型運用了驅(qū)動能力修正技術(shù)，如圖7。測量時，電壓測量單元4與輸入電極1、1’相連，檢測恒流源3的電流流過接觸電阻Rc以及人體阻抗Rx所產(chǎn)生的總壓降Uc，假定恒流源3在一定的負載下輸出的實際電流為I2，同時考慮溫度影響因素后有I2＝I1[1+(Uc-U1)K3]K3為電流驅(qū)動能力系數(shù)。
最終人體阻抗Rx的計算公式為Rx＝(Ux-U1)/I2，將上述U1、Uc、I1以及I2等代入上述公式即可計算獲得人體阻抗Rx。電壓溫度系數(shù)K1、電流溫度系數(shù)K2以及電流驅(qū)動能力系數(shù)K3都存儲在存儲器52中，在使用時，運算器51在運算時會相應(yīng)的調(diào)用電壓溫度系數(shù)K1、電流溫度系數(shù)K2以及電流驅(qū)動能力系數(shù)K3對電壓信號與人體阻抗之間的線性關(guān)系進行溫度校正。
在測量人體阻抗Rx時，如果皮膚和電極接觸不良，例如穿襪子，的情況下，整個回路的電阻很高，恒流源3的理論輸出電壓大于實際電壓工作范圍，輸出電流也變成非恒定，這時會產(chǎn)生削波失真，嚴重影響測量結(jié)果。因此在輸出電極2、2’分別與差動放大器41之間還連接有模擬開關(guān)6，所述開關(guān)6一端分別與差動放大器41的同向及反向輸入端連接，另一端與輸入電極1、1’或輸出電極2、2’相連，該開關(guān)6的控制端與運算處理單元5相連。使用時，通過運算處理單元5控制模擬開關(guān)6與輸入電極1、1’連接，從而直接檢得恒流源的總輸出電壓Uc，當(dāng)檢得的電壓Uc大于設(shè)定的電壓Umax時，則說明接觸電阻Rc太大，也就是人體與電極接觸不良，這時運算處理單元作出相應(yīng)的提示。如果檢得的電壓Uc在正常的范圍內(nèi)，運算處理單元5控制模擬開關(guān)6與輸出電極2、2’連接，檢測輸出電極2、2’的電壓Ux，并進行人體阻抗Rx的計算。
由于利用人體阻抗測量裝置進行阻抗測量后可根據(jù)人體阻抗Rx與人體脂肪含量之間一定的對應(yīng)關(guān)系制作人體脂肪計，其包括一對輸入電極1、1’、一對輸出電極2、2’、恒流源3、電壓測量單元4、運算處理單元5以及顯示單元7；輸入電極1、1’分別與恒流源3輸出端相連，輸入電極1、1’與輸出電極2、2’與人體接觸，輸出電極2、2’與電壓測量單元4輸入端相連，電壓測量單元4輸出端與運算處理單元5相連；顯示單元7與運算處理單元5的輸出端相連。運算處理單元5通過電壓測量單元4測得由恒流源3流過人體所產(chǎn)生的電壓，并根據(jù)校正參數(shù)計算出人體阻抗Rx，然后再根據(jù)人體阻抗Rx、人體參數(shù)(包括身高、體重等)與脂肪含量的對應(yīng)關(guān)系運算獲得人體的脂肪含量，最終通過與運算處理單元5相連的顯示單元顯示7出來。當(dāng)然，在人體阻抗Rx與脂肪含量的轉(zhuǎn)換關(guān)系中涉及到人體的體重，因此人體脂肪計還設(shè)有重量測量單元8，其與運算處理單元5輸入端相連，這樣就可以直接獲得人體的體重參數(shù)，無需另外輸入。
針對傳統(tǒng)方案使用標準電阻的校正方法存在的缺點，本實用新型采用預(yù)先儲存校正參數(shù)的校正方法，使用時只需檢測流過人體所產(chǎn)生的電壓Ux，然后從存儲器里讀取校正參數(shù)，然后根據(jù)人體阻抗Rx與電壓Ux的線性關(guān)系計算出人體阻抗Rx，使用時省去了對測量標準電阻的比較，省去了電子模擬開關(guān)的多次切換，大大減少了測量時間，降低了產(chǎn)品的成本，使電路更簡單，同時增強了電路的抗干擾性，減少了電路的功耗。本裝置還充分考慮了影響測量人體阻抗Rx的各種影響因素，包括環(huán)境溫度的變化以及恒流源驅(qū)動能力不足等，利用相應(yīng)的影響參數(shù)對人體阻抗的計算進行了校正，使得結(jié)果更加準確。另外，本裝置還通過測量輸入電極的電壓來判斷是否接觸良好或者使用者是否穿著襪子。而人體脂肪計則利用上述人體阻抗測量裝置進行阻抗測量后轉(zhuǎn)換為人體脂肪含量，快速準確。
權(quán)利要求1.一種人體阻抗測量裝置，其特征在于包括一對輸入電極(1、1’)、一對輸出電極(2、2’)、恒流源(3)、電壓測量單元(4)以及運算處理單元(5)；輸入電極(1、1’)分別與恒流源(3)輸出端相連，輸入電極(1、1’)與輸出電極(2、2’)與人體接觸，輸出電極(2、2’)與電壓測量單元(4)輸入端相連，電壓測量單元(4)輸出端與運算處理單元(5)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種人體阻抗測量裝置，其特征在于所述電壓測量單元(4)包括差動放大器(41)、整流器(42)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(43)，輸出電極(2、2’)分別與差動放大器(41)的同向及反向輸入端連接，差動放大器(41)的輸出端與整流器(42)相連，整流器(42)的輸出端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(43)相連，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(43)的輸出端與運算處理單元(5)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種人體阻抗測量裝置，其特征在于所述運算處理單元(5)包括運算器(51)和存儲器(52)，運算器(51)與電壓測量單元(4)的輸出端相連；存儲器(52)與運算器(51)相連，其內(nèi)存儲有校正參數(shù)，包括零點電壓以及恒流源(3)的輸出電流值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種人體阻抗測量裝置，其特征在于存儲器(52)中還存儲有零點電壓溫度系數(shù)以及輸出電流溫度系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4述的一種人體阻抗測量裝置，其特征在于存儲器(52)中還存儲有電流驅(qū)動能力系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2述的一種人體阻抗測量裝置，其特征在于輸出電極(2、2’)分別與差動放大器(41)之間還連接有模擬開關(guān)(6)，所述開關(guān)(6)一端分別與差動放大器(41)的同向及反向輸入端連接，另一端與輸入電極(1、1’)或輸出電極(2、2’)相連；該開關(guān)(6)的控制端與運算處理單元(5)相連。
7.一種應(yīng)用根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體阻抗測量裝置的人體脂肪計，其特征在于包括一對輸入電極(1、1’)、一對輸出電極(2、2’)、恒流源(3)、電壓測量單元(4)、運算處理單元(5)以及顯示單元(7)；輸入電極(1、1’)分別與恒流源(3)輸出端相連，輸入電極(1、1’)與輸出電極(2、2’)與人體接觸，輸出電極(2、2’)與電壓測量單元(4)輸入端相連，電壓測量單元(4)輸出端與運算處理單元(5)相連；顯示單元(7)與運算處理單元(5)的輸出端相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7述的一種人體脂肪計，其特征在于還設(shè)有重量測量單元(8)，其與運算處理單元(5)輸入端相連。
專利摘要本實用新型公開了一種人體阻抗測量裝置，包括一對輸入電極及一對輸出電極、恒流源、電壓測量單元和運算處理單元；運算處理單元通過電壓測量單元測得由恒流源流過人體所產(chǎn)生的電壓，并根據(jù)校正參數(shù)計算出人體阻抗，使用時省去了對測量標準電阻的比較，省去了電子模擬開關(guān)的多次切換，大大減少了測量時間，降低了產(chǎn)品的成本，使電路更簡單，同時增強了電路的抗干擾性，減少了電路的功耗。本實用新型還公開了一種利用人體阻抗測量裝置制作的人體脂肪計，進行阻抗測量后轉(zhuǎn)換為人體脂肪含量，快速準確。
文檔編號A61B5/053GK2894611SQ200620063200
公開日2007年5月2日 申請日期2006年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月16日
發(fā)明者潘偉潮 申請人:中山市創(chuàng)源電子有限公司