CN101002676A - 一种频谱测量人体电阻的人体成份分析仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频谱测量人体电阻的人体成份分析仪及测量方法，要解决的技术问题是分析与测量体重、脂肪率、水分含量、肌肉含量及骨骼矿物质含量。本发明的分析仪包括：秤盘，与秤盘连接的称重传感器，液晶显示器及与之相连的印刷线路板，导电电极，键盘电路，内存电路，无线传输电路，USB电路。测量方法分为测量人体电阻信号、参考电阻，微控制器计算出人体脂肪率、水份率、肌肉率、骨骼矿物质含量，新陈代谢和需要摄入的热量值。本发明与现有技术相比，采用频谱测量分析，成本较低，操作使用简单，测量准确，方便用户及时了解自身的健康及营养状况，能够自动识别测试者，还可以把测试者的数据向外部设备传输，适用于家庭。

Description

一种频谱测量人体电阻的人体成份分析仪及测量方法

技术领域

本发明专利涉及一种频谱测量人体电阻的人体成份分析仪，特别是一种具有人体体重、人体体内脂肪率、人体体内水份含量、人体体内肌肉含量、人体骨骼矿物质含量和人体一天需要的热量的测定功能的人体综合测试仪器。

背景技术

人体的重量及体内脂肪率的大小对于评价人体肥胖程度、营养状态及健康情况具有重要的意义。同时，人体的水份含量、人体的肌肉含量、人体骨骼的矿物质含量对于人体的健康水平都有重要意义。迄今为止，对于人体重量、体内脂肪，水份等成份分析，测量的方法有很多，诸如：应用人体秤称量人体体重、脂肪计测定人体脂肪率、身高体重经验算法、超声波测量法、同位素测量法、水下称重法、皮皱法及红外线测量法等等。

测量人体水份含量也有相应的一些方法，例如常用的测量方法多为药物稀释法、容栅型电容传感器测量法等等。测量人体肌肉含量的方法也有相应的一些方法，例如磁铁谐振成像MRI、计算机X线断层摄影术CT、双能X光吸收测量法DEXA等等。上述这些很多已被广泛采用的方法存在各自的不足，它们或是简易不准确，或是技术复杂成本较高，操作比较麻烦，很多的测量必需到医院才能完成。

发明内容

本发明的目的是提供一种频谱测量人体电阻的人体成份分析仪及测量方法，要解决的技术问题是能够简便、科学、准确地完成人体体重、人体脂肪率、人体体内水分含量、人体体内肌肉含量及人体骨骼矿物质含量的分析与测量。

本发明采用以下技术方案：一种频谱测量人体电阻的人体成份分析仪，所述分析仪用于测量人体体重、人体脂肪率、水份率、肌肉率、人体骨骼矿物质含量、计算人体一天的新陈代谢和人体生物活动所需要的能量，识别用户，把所测的数据传给其它外部设备和内部设备，包括：

称量体重的秤盘，与秤盘连接的4只称重传感器；

用于显示人体重量及人体水份、脂肪、肌肉、骨骼矿物质成份的液晶显示器及与之相连的印刷线路板；

4片导电电极，用于人体生物电阻的测量；

键盘电路，用于使用者输入个人数据；

内存电路；

无线传输电路；

USB电路。

本发明的印刷线路板包括：

一个8位微控制器；

所述8位微控制器其中一输入/输出端与波形转换和恒流源电路的输入相连；

本发明所述波形转换和恒流源电路的输出端与1片导电电极片相连；

本发明所述的印刷线路板有2个跟随器电路，其输入端分别与电极片、选择开关的1端相连；

本发明所述跟随器电路的输出端分别与运算放大器的输入端相连；

本发明所述运算放大器的输出端与滤波器电路的输入端相连；

本发明所述滤波器电路的输出端与整流器电路的输入端相连；

本发明所述整流器电路的输出端与另一滤波器电路的输入端相连；

本发明所述另一滤波器电路的输出端与8位微控制器的一端相连，另一滤波器电路输出信号到8位微控制器内部的选择电路。

本发明8位微控制器的选择电路的输入端分别与称重传感器的输出端及另一滤波器电路的输出端相连；

本发明所述8位微控制器，其中一输入/输出端与波形转换和恒流源电路的输入相连，其输出多个频率的方波信号到波形转换和恒流源电路的输入端；

本发明所述的8位微控制器输出的多个频率的方波信号，是3组频率的方波，第一组是以17KHZ为中心频率的一组方波信号，第二组是以54KHZ为中心频率的一组方波信号，第三组是以100KHZ为中心频率的一组方波信号；

本发明所述的3组频率的方波，其占空比为1∶1。

本发明秤盘上设有的4片导电电极，分为左右两组，每组两片，分别与左右脚相接触，每组分为前电极片和后电极片，其分别与测试者的脚掌和脚跟相接触；

本发明所述与左脚掌相接触的电极片，分别与波形转换和恒流源电路的输出端、跟随器的输入端和另一选择开关的一端相连；

本发明所述与左脚跟相接触的电极片，分别与另一选择开关的一端和数字可调电位器的一端相连接；

本发明所述数字可调电位器的另一端与选择开关的一端相连；

本发明所述与右脚掌相接触的电极片和右脚跟相接触的电极片与选择开关的一端相连；

本发明所述电极片的电极材料是电镀的导电的镀膜材料。

本发明键盘电路的按键为3个键盘，分别为设置、向上、向下键；

本发明所述设置键用于设定用户的起始与结束及用户所选择的数据确认输入到微控制器和内存电路中，所述向上和向下键用于选择用户的个人数据；

本发明所述键盘用于选择使用者的用户编号，输入使用者的性别，年龄、身高和日常体力活动级别；

本发明所述使用者的日常体力活动级别，分为5个运动等级。

一种频谱测量人体脂肪率的方法，所述测量分为2个时段，第一个时段是对人体电阻信号进行测量，第二个时段是对参考电阻进行测量；第一个时段包括以下步骤：由8位微控制器的一个输入/输出端输出一组不少于3个频率的方波信号，方波信号是以54KHZ为中心频率的一组方波信号，方波信号经过波形转换和恒流源电路转变为一组相应频率的正弦交越信号，该正弦交越信号经过接触人体左脚掌和左脚跟的2个电极进入人体，再经过接触右脚掌和右脚跟的2个电极进入检测电路，经2级放大、2级滤波，经微控制器的模数转换器进行模数转换后的人体电阻的数字信号，输入至8位微控制器内核；第二个时段包括以下步骤：数字电位器输出的信号至检测电路，经2级放大、2级滤波，经微控制器的模数转换器进行模数转换后的该数字电位器的测量数字信号，输入至8位微控制器内核；8位微控制器根据人体电阻信号和电位器参考信号，计算出人体电阻，根据人体电阻及预先输入的测试者的个人生物体信息计算出人体脂肪率。

一种频谱测量人体水份率、人体肌肉率、人体骨骼矿物质含量的方法，其特征在于：所述测量分为2个时段，第一个时段是对人体电阻信号进行测量，第二个时段是对参考电阻进行测量；第一个时段包括以下步骤：由8位微控制器的一个输入/输出端输出二组分别不少小3个频率的方波信号，测量人体水份率的一组频率的方波信号，是以17KHZ为中心频率的方波信号，测量人体肌肉率和人体骨骼矿物质含量的一组频率的方波信号，是以100KHZ为中心频率的方波信号，方波信号经过波形转换和恒流源电路转变为一组相应频率的正弦交越信号，该正弦交越信号经过接触人体左脚掌和左脚跟的2个电极进入人体，再经过接触右脚掌和右脚跟的2个电极进入检测电路，经2级放大、2级滤波，经微控制器内的模数转换器进行模数转换后的人体电阻的数字信号，输入至8位微控制器内核；第二个时段包括以下步骤：数字电位器输出的信号至检测电路，经2级放大、2级滤波，经微控制器内的模数转换器进行模数转换后的电位器参考数字信号，输入至8位微控制器内核；8位微控制器根据人体电阻信号和数字电位器参考信号，计算出人体电阻，根据人体电阻及预先输入的测试者的个人生物体信息计算人体水份率、人体肌肉率、人体骨骼矿物质含量。

一种测量人体一天的新陈代谢和人体生物活动所需要摄入的热量值的方法，包括以下步骤：测试者通过键盘输入自己的体力活动强度类别、性别、身高和年龄数据，所述体力活动强度类别，分为5个运动等级，称重传感器将感应到的重量信号传递给8位微控制器，8位微控制器，计算出测试者的每天新陈代谢和人体生物活动所需要摄入的热量值。

本发明与现有技术相比，用频谱测量人体电阻，来测量人体体重、人体脂肪率、人体体内的水分含量、人体体内的肌肉含量、人体骨骼矿物质含量，该分析仪成本较低，操作使用简单，测量准确，方便用户及时了解自身的健康及营养状况，结合测试者的日常体力活动强度等级、体重及测量者预先输入的个人生物体的数据，计算出测试者每天需要摄入的热量值，当用户第2次测量时，该分析仪能够自动识别测试者，给出测试者的用户编号和个人数据，需要时还可以把测试者的数据向外部设备传输，以供分析与研究之用，适用于家庭的测量分析。

附图说明

图1是本发明实施例的电路原理图。

图2是人体组织的频率响应图。

图3是人体组织的三组件等效电路模型。

图4是本发明测试时的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。如图4所示，本发明的频谱测量人体电阻的人体成份分析仪包括称量体重的玻璃秤盘2，玻璃秤盘2上设有4片导电电极，其与人体左右脚赤足直接接触，该4片电极分为两组，每组两片，为前电极片和后电极片，分别与测试者的脚掌和脚跟相接触，电极的材料为镀膜在玻璃上的导电镀膜材料，分别为左脚的前电极片2A、后电极片2B，以及右脚的前电极片3A、后电极片3B，其分别与测试者的脚掌和脚跟相接触，其交流测试信号从左脚进入被测试人体中，该交流测试信号经过人体衰减后，经右脚从被测试人体输出，进入跟随器电路4的输入端。与玻璃秤盘2连接的还有四个重量传感器9。

如图1所示，本发明的频谱测量人体电阻的人体成份分析仪具有印刷线路板PCBA，PCBA上设置8位微控制器MCU，MCU内的选择电路10A的输入端分别与称重传感器9A的输出端及滤波电路8A的输出端相连。

MCU其中一输入/输出端与波型转换和恒流源电路1A的输入端相连，MCU输出的频率方波信号到波型转换和恒流源电路1A的输入端，方波信号是三组频率的方波，每组不少于三个频率的方波信号，第一组以17KHZ为中心频率的一组方波信号，第二组以54KHZ为中心频率的一组方波信号，第三组以100KHZ为中心频率的一组方波信号，三组频率的方波占空比为1∶1。

波型转换和恒流源电路1A的输出端与导电电极片2A相连，与左脚掌相接触的电极片2A，还分别与跟随器4A的输入端和另一选择开关1B的一端相连，与左脚跟相接触的电极片2B，分别与另一选择开关1B的一端和数字可调电位器1的一端相连接，数字可调电位器另一端与选择开关1C的一端相连；与右脚掌相接触的电极片3A与右脚跟相接触的电极片3C、选择开关1C的一端相连。波型转换和恒流源电路1A向被测试人体输出交流测试信号，2个跟随器电路4A、4B，其输入端分别与电极片2A、选择开关1C的1端相连，其输出端分别与运算放大器5A的输入端相连。运算放大器5A输出的信号经滤波器电路6A、整流器电路7A、滤波器电路8A至MCU的选择电路10A输入端，再经MCU的放大器11A进行信号放大，MCU内的16位模/数转换器ADC12A转换为数字，由该数字与MCU内核CORE内的参考值计算得出人体阻抗的值。

MCU的输出端还分别与液晶显示器LCD 16A、键盘14A、存储器15A、无线传输电路17A、USB接口18A连接。键盘为三个按键的键盘，分别为设置SET、向上UP、往下DOWN键，SET键用于设定用户的起始与结束，以及用户所选择的数据确认输入到MCU和存储器中，UP和DOWN键用于选择用户的个人数据，如性别：男、女、男运动员、女运动员，年龄，身高，日常体力活动级别，日常体力活动级别，分为五个运动等级供选择。

作为最佳实施例，本发明的数字可调电位器为CAT5113，MCU采用SP8P1909，选择电路采用CD4053，波型转换和恒流源电路采用联通控股有限公司HD-3模块，跟随器采用SGM324，运算放大器采用SGM324，两滤波电路采用RC滤波，整流电路采用1N60，重量传感器采用电阻式压力传感器，键盘采用弹片开关型按键，存储器采用AT24C02，显示器采用液晶显示器，无线发送电路的发送频率为433MHZ，位模/数转换器采用16位∑△模/数转换器，微控制器的内核采用SN8P1909，选择开关1C采用CD4053，另一选择开关1B采用CD4053。

本发明的频谱测量人体电阻的人体成份分析仪具有的功能：测量人体体重、测量人体脂肪率、人体水分率、人体肌肉率、人体骨骼矿物质含量，分析计算人体一天的新陈代谢和人体生物活动所需要的能量，同时还能自动识别用户，通过无线发送电路或USB接口把所测的数据传给其它外部设备和内部设备。

本发明的人体成份测试分析仪的工作过程为：测试者先通过键盘输入自己的性别、身高、年龄、体力活动强度等生物体特征信息，MCU的输出端输出三组频率的方波信号，其中测量人体脂肪率的一组方波信号，是不少于3个、以54KHZ为中心频率的方波信号，测量人体水分率的一组频率的方波信号，是不少于3个、以17KHZ为中心频率的方波信号，测量人体肌肉率和人体骨骼矿物质含量的一组频率的方波信号，是不少于3个、以100KHZ为中心频率的方波信号。方波信号经过波型转换和恒流源电路转变为相应频率的正弦交越信号，正弦交越信号经过接触被测试者左脚掌和左脚跟的二个电极进入人体，通过人体后经过接触右脚掌和右脚跟的二个电极被输入至检测电路，经2级放大、2级滤波后的信号，进行模数转换，最后输入至8位微控制器MCU内核，计算出人体电阻；数字电位器输出的信号至检测电路，经2级放大、2级滤波，进行模数转换后的电位器参考信号，输入至8位微控制器MCU内核；8位微控制器MCU根据人体电阻信号和数字电位器参考信号，计算出人体电阻，根据人体电阻及预先输入的测试者的个人生物体信息计算出人体脂肪率、人体水分率、人体肌肉率和人体骨骼矿物质含量。结合被测试者的性别、身高、年龄、体力活动强度、体重计算出被测试者每天新陈代谢和人体生物活动所需要摄入的热量值，通过显示器显示出来。

在人体脂肪率、人体水份率、人体肌肉率和人体骨胳矿物质含量的测试过程中，本发明使用3个频率段的测试信号，分别测量人体电阻，在每一种人体成份的测量过程中，又分为2个阶段，例如在人体脂肪率的测量中，第1阶段：如图1所示，微处理器电路20A的1个输入/输出端输出一组中心频率为54KHZ的多个频率的方波的测试信号，该方波信号占空比为1∶1，该方波信号输出到波形转换和恒流源电路1A的输入端，经过波形转换和恒流源电路1A后，该信号变为一恒电流的交越信号，开关1B闭合，电极片2A和2B接通，开关1C接通E端，该信号经左脚电极片2A和2B进入人体后，在人体右脚进入电极片3A和3B，因人体呈电容性的阻抗，所以该交流正弦波信号的幅值会有一定程度的衰减，同时电压的相位也产生一定程度的偏移。人体的测量信号经跟随器4A，4B后，依次经放大器5A放大，滤波器6A滤除杂波，波形整形器7A整形，滤波器8A再次滤除杂波，最后经微处理器20A的选择器10A及放大器11A后进入微处理器20A的16位A/D转换后，得到一个A/D1值。

A/D1＝K(R+2R1)             (1)

K为常量，可以根据电路的参数算出，R为人体电阻，R1为人体脚掌或脚跟与电极片的接触电阻。

第2阶段，开关1B开路，开关1C接通F端，这样，数字电位器1D的测量信号进入检测电路，最后在微处理器20A的16位A/D转换器，得到另一个A/D2值。调整数字电位器1D，这样可以算出人体电阻的值。

A/D2＝K(R0+2R1)            (2)

R0是已知的，假如R0＝200欧姆，用(1)减(2)式得：

R＝(A/D1-A/D2)/K+200       (3)

从而得到人体电阻的值，本发明的人体电阻的测量方法可以减少由于人体脚掌或脚跟与电极片的接触电阻带来的误差，提高测量精度。

本发明采用多个频率的频谱信号来测量人体电阻，这样能够消除偶然因素带来的测量误差。

MCU输出的方波测试信号，经波型转换和恒流源电路后，变为一恒电流的交越信号，该信号进入人体后，因人体呈电容性的阻抗，所以该交流正弦波信号的幅值会有一定程度的衰减，同时电压的相位也产生一定程度的偏移。经试验测得：人体的不同组织对相同频率的电信号，其阻滞的程度各有不同，人体低密度的组织，例如人体血液、人体分泌液等对电信号的阻滞的程度低，同时该电信号电压的相位偏移量小；人体高密度的组织，例如人体脂肪、人体肌肉、人体骨骼及人体骨骼中的矿物质等对电信号的阻滞的程度大，同时对该电信号电压的相位偏移量也大。同时人体的不同密度的组织对不同频率的电信号，其阻滞的程度各有不同。一般来说，高密度的人体组织，对高频交流信号阻滞的程度大，其电压的相位偏移量也大，低密度的人体组织，对低频交流信号阻滞的程度相对与高频交流信号阻滞的程度大，其电压的相位偏移量也大，所以人体各部份的组织对不同频率的电信号其阻尼各不相同。

人体组织的阻抗特性：人体最基本的功能单位是细胞。细胞被一层具有特殊结构和功能的半透性薄膜所包围，我们称之为细胞膜，它允许某些物质有选择性的通过，同时又严格地保持细胞内物质成份的稳定。细胞膜不但是细胞和周围环境之间的屏障，也是细胞接收外界信号的门户。细胞环境中的各种物理性刺激，人体内产生的激素等化学性刺激物，神经系统的人体生物信号或外界的电信号等，很多都是首先作用于细胞膜，然后再作用于细胞内的细胞质和细胞核。人体细胞浸浴于导电的细胞外液之中，而细胞内含有导电的细胞内液。细胞外液和细胞内液的电学性质接近于电阻，而细胞膜则可以等效于电容。因此，人体组织的等效电路应该是由若干电阻、电容构成的串并联网络。

如图3所示，在人体组织的三组件等效电路模型中，Re为细胞外液电阻，Ri为细胞内液电阻，Zc为细胞膜电容容抗。人体组织阻抗Z可由下列表达式：

Z＝Re(Zc+Ri)/(Re+Zc+Ri)    (4)

式中Zc＝1/WC，为细胞膜的容抗，W为测试信号的频率，C为细胞膜的电容。由(4)式可以看出，不同频率的测试电信号，所测得的人体组织阻抗Z也不相同，它随测试信号的频率的变化而不同。由于人体有各种组织，且各个组织的导电性是各不相同的。对于进入血管中的测量电信号，由于Re远小于(Zc+Ri)，所以进入血液中的电信号主要由细胞外液传导。例如，电阻率为P，长为L，横截面为A的血管，其电阻值为：

R＝p L/A                  (5)

由(5)式的右边的分子分母同乘以L可得：

R＝p L*L/(L*A)            (6)

L*A＝V，V为血管的血液的体积，可得：

V＝p L*L/R                (7)

由(7)式可以得到，人体的血液含量与电阻值有一定的数学关系，对于人体的其它组织，由于细胞膜电容的存在，所以建立数学模型较为困难，所以对于人体组织的含量的测量，本发明的人体成份测试分析仪的工作是建立在生物电阻抗分析BIA和统计学的双重基础之上进行，因此在测量时需要输入测试者的个人生物数据。

由(4)式可以看到，人体阻抗Z随测试信号的频率的变化而变化，当w增加，Zc＝1/wc减小，则Z＝Re(Zc+Ri)/(Re+Zc+Ri)减小，本发明专利使用一组不少于三个频率的频谱信号，测得一组人体阻抗，例如使用w1，w2，w3....的一组频率，其中w1＜w2＜w3＜......其测得的人体阻抗分别为Zw1，Zw2，Zw3....，应满足以下的关系：

Zw1＞Zw2＞Zw3＞...    (8)

由(8)式我们可以验证在某一频率下的人体电阻的正确性，提高测量精度。

人体组织的频率响应：人体的不同组织的细胞，其形状大小各不相同，细胞间的间距也不相同，其细胞内液、细胞外液的导电率也不相同，所以不同人体组织，对不同频率的电信号，其频率响应不相同。

如图2所示，为人体的某一组织的频率响应图，在图中引入一信号衰减的程度Q值作为考查参量，把一电流5MA以下的交流信号输出到该人体组织上，然后测量该交流信号输入前后的变化趋势。Q值由下式算出：

Q＝f*cos(Δθ)/(A1*A1/A2*A2)    (9)

f为交流电信号的频率，A1为进入人体前交流恒流源的电压幅值，A2为经过人体后的电压幅值，Δθ为交流恒流源与经过人体后的电压相位变化量。从图中可以看到：随作交流信号频率的增加，在到达特征频率的起始频率f1之前，其Q值是近于直线的，所以dQ/df近似于常量。当Q值在f1～f2时，f2为特征频率的结束频率，其表现为曲线，所以dQ/df不是常量，同时dQ/df变小。当f2以后，其Q值是近于直线的，所以dQ/df近似于常量。由图2中可以得出，人体组织对于不同频率的电信号，其阻尼作用不同，所以我们选择f1～f2作为测量该人体组织的特征频段，对于不同的人种，f1、f2稍微有一些不同。

经实验，本发明的人体成份测试分析仪工作选择在48KHZ～60KHZ之间，作为人体脂肪的测试频段，用一组中心频率为54KHZ的多个频率的频谱电信号，做为测量人体脂肪含量的测量信号。对于人体肌肉和人体骨骼组织，本发明的测试频段是92KHZ～108KHZ，本发明用一组中心频率为100KHZ的多个频率的频谱电信号，做为测量人体肌肉和人体骨骼组织含量的测量信号。人体水分的测试频段是12KHZ～22KHZ，本发明用一组中心频率为17KHZ的多个频率的频谱电信号，做为测量人体水分含量的测量信号。本发明采用多频率的频谱测试信号，以减小测量误差。

测量人体脂肪率，如前所述，使用1组中心频率为54KHZ的测量信号，测量得到的人体电阻。其包含很多类人体组织的人体生物阻抗，人体脂肪阻抗占整个人体阻抗的20％到25％。在人体脂肪测试过程中，仅仅知道人体脂肪阻抗还是不够的。不同身体密度的人体，其脂肪百分率的差别很大，例如人体脂肪阻抗及体重相同的两个人，但他们的身高不同，其人体脂肪百分率不相同，所以人体脂肪百分率与人体的身体密度有直接的函数关系。

人体的身体密度与人的身高、年龄呈一定的函数关系，同时男性与女性的身体密度有很大的不同，所以结合测试者的身高、年龄、性别得到以下的经验的数学公式：其中测试者的身高、年龄、性别是由预先经键盘输入的生物体特征信息。

BF(％)＝a1*Wt-b1*Ht+c1*Age+d1*R+e1(普通男性)，

BF(％)＝a2*Wt-b2*Ht+c2*Age+d2*R-e2(普通女性)，

BF(％)＝a3*Wt-b3*Ht-c3*Age-d3*R+e3(男运动员)，

BF(％)＝a4*Wt-b4*Ht+c4*Age+d4*R+e4(女运动员)，

其中，Wt为测试者的体重，单位为KG；R为人体阻抗，单位为欧姆；Ht为测试者的身高，单位为cm；Age为测试者的年龄。a，b，c，d，e为常数，其中：

a1＝0.482，b1＝0.322，c1＝0.197，d1＝0.0011，e1＝32.098，

a2＝0.618，b2＝0.075，c2＝0.284，d2＝0.0016，e2＝9.396，

a3＝0.514，b3＝0.503，c3＝0.026，d3＝0.0010，e3＝63.342，

a4＝0.45， b4＝0.487，c4＝0.072，d4＝0.0012，e4＝71.914，

本发明对人体的信号进行2级滤波，能更佳地滤除人体的心跳、呼吸等产生的干扰信号，提高测量的精确度。

测量人体肌肉及人体骨骼矿物质，用一组中心频率为100KHZ的交越信号，通过人体后，可以测量人体阻抗值。经过对人体电信号的测量计算得到的人体生物阻抗，其中包含很多类人体组织的生物阻抗，实际上人体肌肉阻抗占整个人体阻抗的35％到40％，人体骨骼的阻抗占整个人体阻抗的5％到8％。仅仅知道人体肌肉阻抗和人体骨骼阻抗还不够，不同身体密度的人，其肌肉含量和人体骨骼矿物质含量有很大的差别，例如人体肌肉阻抗和人体骨骼阻抗及体重相同的两个人，但他们的身高和年龄不同，其人体肌肉含量及人体骨骼矿物质含量也不完全相同，所以人体肌肉含量及人体骨骼矿物质含量与人体的身体密度有直接的关系。人体的身体密度与人的身高、年龄呈一定的函数关系，同时男性与女性的身体密度有很大的不同，所以结合测试者的身高、年龄、性别我们得到以下的经验的计算公式：

人体肌肉计算公式：

Muscle(KG)＝a1*Wt+b1*Ht-c1*Age-d1*R-e1(普通男性)，

Muscle(KG)＝a2*Wt+b2*Ht-c2*Age+d2*R+e2(普通女性)，

Muscle(KG)＝a3*Wt+b3*Ht-c3*Age-d3*R-e3(男运动员)，

Muscle(KG)＝a4*Wt+b4*Ht+c4*Age+d4*R-e4(女运动员)。

其中，Wt为测试者的体重，单位为KG；R为人体阻抗，单位为欧姆；Ht为测试者的身高，单位为cm；Age为测试者的年龄。a，b，c，d，e为常数，其中：

a1＝0.561，b1＝0.191，c1＝0.121，d1＝0.0025，e1＝12.751，

a2＝0.302，b2＝0.084，c2＝0.037，d2＝0.0013，e2＝11.747，

a3＝0.739，b3＝0.085，c3＝0.062，d3＝0.0020，e3＝4.379，

a4＝0.474，b4＝0.193，c4＝0.022，d4＝0.0015，e4＝16.041。

人体骨骼计算公式：

Bone(KG)＝e1*Wt+b1*Ht-c1*Age+d1*R-e1(普通男性)，

Bone(KG)＝e2*Wt+b2*Ht-c2*Age-d2*R+e2(普通女性)，

Bone(KG)＝e3*Wt+b3*Ht-c3*Age+d3*R+e3(男运动员)，

Bone(KG)＝e4*Wt+b4*Ht+c4*Age+d4*R-e4(女运动员)。

其中，Wt为测试者的体重，单位为KG；R为人体阻抗，单位为欧姆；Ht为测试者的身高，单位为cm；Age为测试者的年龄。a，b，c，d，e为常数，其中

a1＝0.026，b1＝0.011，c1＝0.006，d1＝0.0001，e1＝0.556，

a2＝0.016，b2＝0.005，c2＝0.001，d2＝0.0002，e2＝0.541，

a3＝0.035，b3＝0.004，c3＝0.003，d3＝0.0002，e3＝0.02，

a4＝0.024，b4＝0.01， c4＝0.001，d4＝0.0001，e4＝0.766。

测量人体水分含量，用一组中心频率为17KHZ的交越信号，通过人体后，可以测量人体阻抗的值。不同身体密度的人，其人体水分含量有很大差别，例如人体阻抗及体重相同的两个人，但他们的身高和年龄不同，其人体水分含量也不完全相同，人体的身体越高，身体的体腔容积越大，人体水分含量不同。另一方面，在人体成长发育过程中，人体的体腔是逐渐增大，所以人体水分含量也不相同，同时男性与女性也有不同，所以结合测试者的身高、年龄、性别我们得到以下的经验的计算公式：

TBW(％)＝a1*Ht-b1*Wt-c1*Age+d1*R+e1(普通男性)，

TBW(％)＝a2*Ht-b2*Wt-c2*Age+d2*R+e2(普通女性)，

TBW(％)＝a3*Ht-b3*Wt-c3*Age+d3*R+e3(男运动员)，

TBW(％)＝a4*Ht-b4*Wt-c4*Age+d4*R+e4(女运动员)。

其中，Wt为测试者的体重，单位为KG；R为人体阻抗，单位为欧姆；Ht为测试者的身高，单位为cm；Age为测试者的年龄。a，b，c，d，e为常数，其中

a1＝0.065，b1＝0.377，c1＝0.258，d1＝0.0023，e1＝82.617

a2＝0.054，b2＝0.381，c2＝0.253，d2＝0.0016，e2＝74.282

a3＝0.229，b3＝0.332，c3＝0.172，d3＝0.0025，e3＝49.828

a4＝0.203，b4＝0.302，c4＝0.133，d4＝0.0020，e4＝45.103

计算人体新陈代谢的热量(卡路里)，通过统计学的方法，我们把测试人群分为5大类，第一类：静坐不动的人群，是指那些没有或极少参加运动的人，包括极其不活跃和整日坐着的人群。第二类：轻微活动的人群，是指那些轻微活动的人，轻微活动包括：走路、扫地、弹钢琴和骑自行车(非竞技性)。第三类：中等活动的人群，指那些体力或流水线工人，包括快走、跳舞、打乒乓球、滑冰等。第四类：重体力活动人群，指那些比较活跃或从事重体力的人群，包括游泳、跑步、各种竞技比赛等。第五类：极重体力活动人群，指那些从事极重体力劳动的人群或者是精英运动员，包括拳击、划船、登山等。

男性的基本新陈代谢计算公式：

BMR＝a+b*Wt+c*Ht+d*Age，

其中，Wt为测试者的体重，单位为KG；Ht为测试者的身高，单位为cm；Age为测试者的年龄。a，b，c，d，e为系数：

a＝68

b＝15.9

c＝5.9

d＝-4.8

女性的基本新陈代谢计算公式：

BMR＝a+b*Wt+c*Ht+d*Age，

其中，Wt为测试者的体重，单位为KG；Ht为测试者的身高，单位为cm；Age为测试者的年龄。a，b，c，d，e为系数：

a＝678

b＝9.9

c＝1.8

d＝-4.8

然后乘于各个级别的系数，就可以得出日常需要的卡路里数值了：第一类：静坐不动的人群，系数为1.2；第二类：轻微活动的人群，系数为1.475；第三类：中等活动的人群，系数为1.55；第四类：重体力活动人群，系数为1.77；第五类：极重体力活动人群，系数为2.22。

自动识别测试者，本发明的人体成份测试分析仪采用三组多频率的信号作为测量信号，能够记忆使用者的多个频率下的生物电阻，当使用者使用后，使用者的生物体信息连同身体阻抗，都记忆到存储器中，当被测试者再次测量时，该人体成份测试分析仪能根据记忆的生物电阻，识别出该被测试者。

测量时，把分析仪的玻璃秤盘放在地上，首先用键盘输入被测试者的性别、年龄、身高及体力活动强度等级等个人生物体数据。随后可以开始人体体重、人体脂肪率、人体体内的水分含量、人体体内的肌肉含量及人体骨骼矿物质含量的分析舆测量，同时分析人体每天需要摄入的热量值，其测量结果在显示器上显示出来，也可以连接外部设备，其测量结果供分析，而且使用起来更直接、更方便。

Claims (8)

1.一种频谱测量人体电阻的人体成份分析仪，其特征在于：所述分析仪用于测量人体体重、人体脂肪率、水份率、肌肉率、人体骨骼矿物质含量、计算人体一天的新陈代谢和人体生物活动所需要的能量，识别用户，把所测的数据传给其它外部设备和内部设备，包括：

称量体重的秤盘，与秤盘连接的4只称重传感器；

用于显示人体重量及人体水份、脂肪、肌肉、骨骼矿物质成份的液晶显示器(LCD)及与之相连的印刷线路板(PCBA)；

4片导电电极，用于人体生物电阻的测量；

键盘电路，用于使用者输入个人数据；

内存电路；

无线传输电路；

USB电路。

2.根据权利要求1所述的一种频谱测量人体电阻的人体成份分析仪，其特征在于：所述印刷线路板(PCBA)包括：

一个8位微控制器(MCU)；

所述8位微控制器(MCU)其中一输入/输出端与波形转换和恒流源电路(1A)的输入相连；

所述波形转换和恒流源电路的输出端与1片导电电极片相连；

所述的印刷线路板(PCBA)有2个跟随器电路(4A、4B)，其输入端分别与电极片(2A)、选择开关(1C)的1端相连；

所述跟随器电路的输出端分别与运算放大器(5A)的输入端相连；

所述运算放大器的输出端与滤波器电路(6A)的输入端相连；

所述滤波器电路的输出端与整流器电路(7A)的输入端相连；

所述整流器电路的输出端与另一滤波器电路(8A)的输入端相连；

所述另一滤波器电路(8A)的输出端与8位微控制器的一端相连，另一滤波器电路(8A)输出信号到8位微控制器内部的选择电路(10A)。

3.根据权利要求1所述的一种频谱测量人体电阻的人体成份分析仪，其特征在于：所述8位微控制器的选择电路(10A)的输入端分别与称重传感器的输出端及另一滤波器电路(8A)的输出端相连；

所述8位微控制器，其中一输入/输出端与波形转换和恒流源电路(1A)的输入相连，其输出多个频率的方波信号到波形转换和恒流源电路的输入端；

所述的8位微控制器输出的多个频率的方波信号，是3组频率的方波，第一组是以17KHZ为中心频率的一组方波信号，第二组是以54KHZ为中心频率的一组方波信号，第三组是以100KHZ为中心频率的一组方波信号；

所述的3组频率的方波，其占空比为1∶1。

4.根据权利要求1所述的一种频谱测量人体电阻的人体成份分析仪，其特征在于：所述秤盘上设有的4片导电电极，分为左右两组，每组两片，分别与左右脚相接触，每组分为前电极片和后电极片，其分别与测试者的脚掌和脚跟相接触；

所述与左脚掌相接触的电极片(2A)，分别与波形转换和恒流源电路(1A)的输出端、跟随器(4A)的输入端和另一选择开关(1B)的一端相连；

所述与左脚跟相接触的电极片(2B)，分别与另一选择开关(1B)的一端和数字可调电位器(1D)的一端相连接；

所述数字可调电位器的另一端与选择开关(1C)的一端相连；

所述与右脚掌相接触的电极片(3A)和右脚跟相接触的电极片(3B)与选择开关(1C)的一端相连；

所述电极片的电极材料是电镀的导电的镀膜材料。

5.根据权利要求1所述的一种频谱测量人体电阻的人体成份分析仪，其特征在于：所述键盘电路的按键为3个键盘，分别为设置(SET)、向上(UP)、向下(DOWN)键；

所述设置(SET)键用于设定用户的起始与结束及用户所选择的数据确认输入到微控制器(MCU)和内存电路中，所述向上(UP)和向下(DOWN)键用于选择用户的个人数据；

所述键盘用于选择使用者的用户编号，输入使用者的性别，年龄、身高和日常体力活动级别；

所述使用者的日常体力活动级别，分为5个运动等级。

6.一种频谱测量人体脂肪率的方法，其特征在于：所述测量分为2个时段，第一个时段是对人体电阻信号进行测量，第二个时段是对参考电阻进行测量；第一个时段包括以下步骤：由8位微控制器(MCU)的一个输入/输出端输出一组不少于3个频率的方波信号，方波信号是以54KHZ为中心频率的一组方波信号，方波信号经过波形转换和恒流源电路转变为一组相应频率的正弦交越信号，该正弦交越信号经过接触人体左脚掌和左脚跟的2个电极进入人体，再经过接触右脚掌和右脚跟的2个电极进入检测电路，经2级放大、2级滤波，经微控制器(MCU)的模数转换器进行模数转换后的人体电阻的数字信号，输入至8位微控制器(MCU)内核；第二个时段包括以下步骤：数字电位器输出的信号至检测电路，经2级放大、2级滤波，经微控制器(MCU)的模数转换器进行模数转换后的该数字电位器的测量数字信号，输入至8位微控制器(MCU)内核；8位微控制器(MCU)根据人体电阻信号和电位器参考信号，计算出人体电阻，根据人体电阻及预先输入的测试者的个人生物体信息计算出人体脂肪率。

7.一种频谱测量人体水份率、人体肌肉率、人体骨骼矿物质含量的方法，其特征在于：所述测量分为2个时段，第一个时段是对人体电阻信号进行测量，第二个时段是对参考电阻进行测量；第一个时段包括以下步骤：由8位微控制器(MCU)的一个输入/输出端输出二组分别不少小3个频率的方波信号，测量人体水份率的一组频率的方波信号，是以17KHZ为中心频率的方波信号，测量人体肌肉率和人体骨骼矿物质含量的一组频率的方波信号，是以100KHZ为中心频率的方波信号，方波信号经过波形转换和恒流源电路转变为一组相应频率的正弦交越信号，该正弦交越信号经过接触人体左脚掌和左脚跟的2个电极进入人体，再经过接触右脚掌和右脚跟的2个电极进入检测电路，经2级放大、2级滤波，经微控制器(MCU)内的模数转换器进行模数转换后的人体电阻的数字信号，输入至8位微控制器(MCU)内核；第二个时段包括以下步骤：数字电位器输出的信号至检测电路，经2级放大、2级滤波，经微控制器(MCU)内的模数转换器进行模数转换后的电位器参考数字信号，输入至8位微控制器(MCU)内核；8位微控制器(MCU)根据人体电阻信号和数字电位器参考信号，计算出人体电阻，根据人体电阻及预先输入的测试者的个人生物体信息计算人体水份率、人体肌肉率、人体骨骼矿物质含量。

8.一种测量人体一天的新陈代谢和人体生物活动所需要摄入的热量值的方法，包括以下步骤：测试者通过键盘输入自己的体力活动强度类别、性别、身高和年龄数据，所述体力活动强度类别，分为5个运动等级，称重传感器将感应到的重量信号传递给8位微控制器(MCU)，8位微控制器(MCU)，计算出测试者的每天新陈代谢和人体生物活动所需要摄入的热量值。

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