CN101141914A - 用于确定人体阻抗的双线振荡器系统 - Google Patents

Abstract

一种用于确定人体阻抗的设备包括：第一和第二电极，适合于电耦合到人体；以及可变频率张弛振荡器，耦合到电极；其中，振荡周期表示人体阻抗。

Description

用于确定人体阻抗的双线振荡器系统

技术领域

[0001]本发明涉及人体阻抗测量装置及技术。

背景技术

[0002]人的健康的一个有用指标是体脂肪的百分比。一种用于测量人的百分比体脂肪的技术是所谓的“生物电阻抗”技术。根据这种技术，响应电信号通过确定人的身体阻抗来测量人的体脂肪。百分比体脂肪按照给定公式根据所测量阻抗以及诸如身高、体重、年龄和性别之类的其它变量来计算。通常通过经由接触人体的至少两个电极提供恒定电流、由此使电压在人体上产生，来确定人体阻抗。这个电压通过以下方式来测量：(1)经由通过其中提供电流的相同电极，或者(2)经由一对或多对电压测量电极。然后，从电流和测量电压中计算人体阻抗，以及百分比体脂肪又可从人体阻抗中计算。

[0003]双线系统具有用于激励以及感测的一对电极。四线系统具有分离的电极对，用于激励和感测，主要把激励与响应分离。在四线系统的情况中，电流通过一对激励电极被驱动到体内，并单独通过第二对独立电极来感测。四线系统通常采用没有平均值或直流偏置的正弦驱动波形，并且以正弦稳态进行操作，使得测量的所得电势为正弦曲线，如相对于激励的振幅和相位角。

[0004]通过另一个非限制性实例，在50千赫(50Khz)的频率上，人体阻抗接近实数，因为相位角接近零度，而且无功分量极小，基本上是可忽略的。四线系统的使用还消除身体(如皮肤)/电极接触面上的接触电势变化的影响。电极实际上可作为传感器操作，因为它把线路中的电子电流转换为人体内的离子电流。在接触面上，产生标准电池电势，与电化电池、如蓄电池中看到的相似。50KHz、小于1毫安(1mA)电流上的人体阻抗通常小于1000欧姆(Ω)，其中具有小无功项。这些条件下的阻抗基本上是具有可忽略的无功项的实数，因而具有小相位角(反正切IM/RE，其中，IM是虚部，以及RE是信号分量值的实部)。

[0005]相反，传统的双线系统作为具有脉冲恢复响应的瞬时系统进行操作。在这样一种配置中，电容器通过人体充电。电流电平很低，因为在这些条件下，人体表示较高阻抗。在某些情况中，人体不完全是电阻性的，而是可能被表示为串联电阻器/电容器网络。在这些电平上以及在脉冲瞬变条件下的人体的电阻分量通常大约为数十万欧姆(数十万Ω)，并且模型不完全是电阻性的。存在充电和放电恢复瞬变现象以及关联的系统时间常数。电路方面看来的净效应是具有大约高于相应四线系统两个数量级的阻抗的时间常数。

[0006]双线系统中的测量的可重复性可能证明是有问题的。例如，在人体/电极接触面上具有粗皮肤的人(例如有老茧的脚)可能使其阻抗测量偏离，因为在四线测量系统中，电极-皮肤接触面及关联的接触电势没有抵消。电极的电阻变化在四线开尔文电桥测量系统中是不相干的。但是，在双线测量系统中，这类变化在电容和电阻两个方面都具有切实影响。

[0007]对于阻抗项，四线系统的体脂肪方程(BFE)具有与双线系统不同的加权系数，因为阻抗测量具有远比双线情况中更低的值。四线方法的阻抗测量的灵敏度和范围也远远小于双线系统。

[0008]因此，利用双线系统来测量人体阻抗的备选双线方法和电路被认为是预期的。

发明内容

[0009]一种用于确定人体阻抗的设备包括：第一和第二电极，适于电耦合到人体；以及可变频率张弛振荡器，耦合到电极；其中，振荡周期表示人体阻抗。

附图说明

[0010]通过结合附图考虑本发明的优选实施例的以下详细说明，将帮助理解本发明，附图中，相似的标号表示相似部分，以及：

[0011]图1和图2分别说明根据本发明的一个实施例、用于确定人体阻抗的双线或双电极振荡器电路以及采用振荡器电路的系统的示意图；

[0012]图3-5对于本发明的振荡器电路和系统来说明分别与左电极、右电极和电极间关联的示范波形；

[0013]图6是过程图，说明根据本发明的电路和系统的体脂肪的确定；以及

[0014]图7是过程图，说明与根据本发明的一个实施例的电路和系统关联的阻抗测量。

具体实施方式

[0015]大家要理解，为了清楚地了解本发明，本发明的附图和描述已经简化为说明相干元件，为了简洁起见，排除了典型的人体阻抗测量系统以及制造和使用它们的方法中出现的其它许多元件。本领域的技术人员会知道，其它元件和/或步骤在实现本发明时可能是所需要的。但是，由于这类元件和步骤在本领域是众所周知的，并且由于它们不会帮助更好地理解本发明，因此本文中不提供对这类元件和步骤的论述。

[0016]根据本发明的一个方面，双线或双电极系统采用可变频率张弛振荡器来估算对象身体的阻抗。在这样一种配置中，振荡周期可认为是与生物阻抗成正比，它可能可选地用来计算体脂肪相关的参数。振荡器基于具有正和负两种反馈网络部分的运算放大器(OpAmp)。对象的身体(有时仅称作人体)电耦合在OpAmp输出与反向输入之间，由此提供负反馈。振荡器具有连接在公共点(例如接地)与同样连接到可变(人体)电阻器的OpAmp反向输入端子之间的固定电容器。这个电容器通过人体相对于OpAmp非反向输入端子上的参考电压以指数形式充电和放电。

[0017]现在参照图1，图中表示根据本发明的一个方面的振荡器电路100。电路100极适合与图2的电路200结合使用，例如根据本发明的一个方面、用于测量人体电阻或阻抗。电路100根据其频率可用来估算人体阻抗的可变频率张弛振荡器来提供两个电极或双线系统。电路200可用于把电路100结合到人体范围。

[0018]仍然参照图1，电路100一般包括运算放大器(op-amp)U4-A、U4-B。在所述情况中，均以可向National SemiconductorCorporation购买的双比较器集成电路(IC)型号LM393M的形式来提供op-amp U4-A、U4-B各。5.1kΩ电阻器R55连接在op-amp U4-A的输出与op-amp U4-B的反向输入之间。

[0019]Op-amp U4-A配备了正和负两种反馈。人体位于op-ampU4-A的输出和反向输入端子之间，由此提供负反馈。更具体来说，在所述情况中，人体经由端子TP5耦合到op-amp U4-A的输出。人体还通过0.047μF固定电容器C20耦合到公共点，并且经由端子TP4直接(例如短接)耦合到op-amp U4-A的反向端子。因此，电容器C20通过人体相对于OpAmp U4-A非反向输入端子上的参考电压以指数形式充电和放电。

[0020]正反馈由耦合在op-amp U4-A的输出与非反向输入端子之间的固定100kΩ反馈电阻器R54来提供。非反向输入还通过参考100kΩ电阻器R53耦合到公共点。正反馈电阻器R54与电阻器R53的比率设置电容器C20的参考电压。

[0021]更具体来说，op-amp U4-A的输出在+/-V饱和之间切换。电阻器R54/R53的比率把非反向端子上的电压设置为+/-V饱和/(N+1)。因此，这个参数控制电容器C20充电的门限，因为振荡周期与电容器电压等于门限电压的时间成正比。

[0022]电路100还包括电压调节器U5。调节器U5用来调节由电路100的操作、如电容器C20充电/放电所引起的电池衰落。调节器U5可采用例如可向Torex Semiconductor购买的型号#XC61C的形式。调节器U5的输出端子通过100kΩ电阻器R52耦合到op-amp U4的非反向输入端子、通过3kΩ电阻器R58耦合到op-amp U4的输出端子以及通过1μF电容器C10接地。调节器U5的接地端子耦合到地。调节器U5的输入端子通过1μF电容器C9耦合到地。

[0023]调节器U5的输入端子还耦合到晶体管Q5的集电极端子。晶体管Q5可采用通用小信号PNP晶体管的形式，例如可向National Semiconductor购买的型号2N3906。晶体管U5的发射极端子耦合到可能大约为3V直流的电压源Vcc。例如，电压源Vcc可采用一个或多个锂离子电池的形式。晶体管Q5的基极端子通过5.1kΩ电阻器R2耦合到晶体管Q4的集电极端子。晶体管Q4可采用通用小信号PNP晶体管的形式，例如可向Motoraola购买的型号2N3904。晶体管Q4的发射极端子耦合到地，而晶体管Q4的基极端子则通过10kΩ电阻器R51耦合到输出端子PT2.2。

[0024]调节器U5的输出端子还通过100kΩ电阻器R46耦合到op-amp U4-B的非反向输入端子。op-amp U4-B的非反向输入端子还通过49.9kΩ电阻器R56耦合到地。op-amp U4-B的输出通过49.9kΩ电阻器R57耦合到电源电压Vcc，并通过5.1kΩ电阻器R45耦合到输出端子PT1.2。

[0025]需要的是，振荡器电路100即使在对于人体电阻上(例如在端子TP4、TP5上)开路或短路的条件下也起作用。根据本发明的一个方面，电路100经过配置，使得即使在人体上设置短路，或者人体与电连接绝缘、由此建立端子TP4、TP5上的等效开路，振荡器电路也将进行振荡。这通过在负反馈环路、例如在端子TP5、TP4上设置固定电阻器Rbody、并且设置与人体串联的固定电阻器R59来实现。在所述情况中，电阻器R59为3kΩ电阻器。Rbody提供较大的电阻，例如大约数百kΩ或更大的电阻。应当理解，让系统检测开路或短路条件以便防止可选体脂肪计算中的错误可能是重要的。这种方法还通过测量短路和开路条件下的振荡周期并把数据写入存储器、如EEPROM，来提供制造时用于系统校准的有效部件。

[0026]图3说明与工作中的本发明的第一(左)电极(如TP4)关联的示范波形，而图4则说明工作中的第二(右)电极(例如TP5)的波形。图5表示工作中的电极(例如TP4和TP5)之间的波形。

[0027]现在参照图2，电路200适于与电路100联接(经由PT1.2和PT2.2)，并把电路100结合到电子秤设备中。电路200一般包括微处理器U1。本文所使用的“微处理器”一般表示包括中央处理器(CPU)的计算装置。CPU一般包括：算术逻辑单元(ALU)，执行算术和逻辑运算；以及控制单元，从存储器中提取指令(例如代码)，并对它们解码和运行，必要时在ALU上调用。本文所使用的“存储器”表示能够存储数据的一个或多个装置，例如采用芯片、磁带或磁盘的形式。仅作为另一个非限制性实例，存储器可采用一个或多个随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)或者电可擦可编程只读存储器(EEPROM)的形式。处理器所利用的存储器可能在包括处理器在内的集成单元的内部或外部。例如，在微处理器的情况中，存储器可能在微处理器本身的内部或外部。电路200包括存储器U2。在所述情况中，微处理器U1采用可向Fortune Semiconductor(Taiwan)购买的通用微处理器型号#FS9912的形式。以及存储器U2采用可向Microchip Corporation购买的串行EEPROM存储器型号24C01的形式。微处理器U1可采用存储器U2来执行过程700。

[0028]电路200还包括：显示器，在所描述情况中为多段液晶显示器(LCD)(例如LCD-1-LCD-12)；用户接口按钮/开关(DOWN、UP、USER、FOOT SW)；以及见于传统电子秤设备中的其它元件，例如美国专利No.6292690中所述的，通过引用将其公开结合到本文中。

[0029]作为另一个非限制性说明，振荡器电路100和电路200可设置在电子体重秤的外壳中。电子体重秤通常还包括用于接收要测量的重量的平台，设置在平台下的支座以及显示部件。各支座可包含随着施加到平台上的重量而改变电参数(例如电阻)的压阻传感器元件或测压元件(未示出)。导体用于把各传感器耦合到显示部件(例如LCD)。显示部件附加到平台，从而提供用户输入和显示的便捷接口。

[0030]显示部件可设置在秤平台的顶前部，并且包括例如用于查看测量结果的显示部分、如LCD显示器。该部件还包括用于输入用户输入数据的接口部分。在一种配置中，接口部分包括按钮(例如UP/DOWN、SET、USER)，其大小足以实现经由用户四肢(例如手或脚)的输入。平台可由绝缘材料组成，并且包括用于感测和模拟的对象的脚跟或其它身体部位的电极对(例如TP4、TP5)。这样一种测量设备可包括人体阻抗/体脂肪激活开关(UP/DOWN)和设置在秤平台的一部分上、用于激活人体阻抗和体脂肪确定过程(例如使微处理器U1计算体脂肪相关参数)的用户选择开关(例如USER)。把UP/DOWN开关按下到第一位置(1)或第二位置(2)的操作激活人体阻抗电路，并使微处理器U1检索诸如与所选USER开关位置关联的特定用户的特性之类的数据。

[0031]现在参照图7，图中表示用于采用图1和图2的电路来测量电阻的过程流程700。过程流程700也可用于使用电极TP4、TP5之间的开路和短路条件来确定校准信息。过程700适合于由微处理器U1和存储器U2进行的操作。

[0032]过程流程700以从存储器、例如与微处理器U1关联的存储器U2中读取电阻斜率(例如跨度校准值或系数)和零值或系数(过程710)来开始。本领域的技术人员通过那些处理会理解，这些值对应于传统的跨度和零校准值。输出端子(或端口)PT1.2则指定为接收输入或测试频率(过程720)。然后开始传统频率测量功能来处理在端口PT1.2上所接收的信号(过程730)。传统频率测量功能的结果则被读取或确定(过程740)。然后采用关系式res＝(freq_zero-freq_test)*slope来确定人体阻抗(例如电阻)值(过程750)，其中，res是电阻值，freq_zero是在开路条件下确定的频率，freq_test是在测试条件下确定的频率，以及slope(斜率)是跨度系数。最后，可存储已测量电阻值(过程760)供将来使用。跨度系数可采用传统测试方法来确定，例如通过应用已知电阻来调整与测量频率对应的输出。

[0033]根据本发明的一个方面，体脂肪质量的指数、脂肪质量指数、瘦肉质量指数(LMI)和/或身体质量指数(BMI)可能可选地采用输入的人体数据和测量的生物电阻抗来计算。结果和/或BMI与FMI之间和/或BMI与LMI之间的关系例如可通过曲线和/或图解来显示。

[0034]众所周知，人体阻抗分析(BIA)可用于根据体积导体理论-它提出导体的体积可通过它对电流的阻抗来确定-来估算人体成分。导体的阻抗与其长度成正比，而与它的横截面面积成反比。因此，导体的阻抗Z可由等式 $Z=w\left(\frac{L}{A}\right)$ 来表征，其中，w是比阻抗，L是导体长度，以及A是导体的横截面面积。类似地，导体的体积V可通过测量导体的长度和比阻抗来计算 $(V=w\left(\frac{L^2}{Z}\right))$ 。定义为总身体质量减去脂肪身体质量的瘦肉身体质量(LBM)可被估算，因为LBM是总体重的函数是已知的。一旦LBM为已知，则体脂肪的百分比(％BF或BF％)可按照等式 $\%\mathrm{BF}=100\frac{(\mathrm{Wt}-\mathrm{LBM})}{\mathrm{Wt}}$ 来确定，其中，％BF是百分比体脂肪，LBM是瘦肉身体质量，以及Wt是总体重。

[0035]现在参照图6，图中表示根据本发明的一个方面、确定体脂肪的过程流程600。过程流程600可由微处理器U1使用存储器U2来执行。过程流程600以计算体脂肪的调用开始(过程605)。此后，为用户确定健康(fitness)模式(过程610)。在所述实施例中，有三种健康模式(612、614、616)。当然也可支持其它数量的健康模式。健康模式一般可按照锻炼频率、强度、类型来描述。可选择的健康模式可用来精确估算人口的不同分片的身体成分和％体脂肪。此外，根据本发明的一个方面，各种健康模式通过长期有计划节食/锻炼程序的过程来提供概貌定义的可选择且自适应方式。实际上，多种健康模式允许BF％计量动态范围被转换，以便更好地表征用户。

[0036]在一个示范实施例中，第一健康模式612涉及完全通过具有较低活动等级的人所表征的用户活动等级、健康、节食和整体个人情况。这种人可能通常将体育活动限制为每周少于2次，其中的低有氧等级的每次活动少于20分钟。第二健康模式614涉及完全通过具有适度的日常锻炼的人所表征的用户活动等级、健康、节食和整体个人情况。这种锻炼一般可能采取20分钟训练、每周5次的形式。这些类型的锻炼包括骑自行车、慢跑、健走、耙平树叶、网球和有氧锻炼。与由健康模式3所表征的人相比，表征为健康模式2的人一般具有低等级的锻炼密度和强度。第三健康模式616涉及完全通过每周至少锻炼五次的人所表征的用户活动等级、健康、节食和整体个人情况。这样的人有规律参与的是热身活动，它包括诸如行走、慢跑、抬膝、旋臂或转体之类的5-10分钟锻炼。模仿活动中采用的运动的低密度运动也可包含在热身运动中。这样的人可能通常参加包括主要肌肉群的锻炼、如举重在内的最少每周两次20分钟锻炼时间。这样的人可能通常参加包括例如柔软体操、俯卧撑、仰卧起坐和引体向上之类的锻炼在内的至少每周三次30分钟锻炼时间。这样的人可能通常参加至少每周三次20分钟连续有氧(需要氧气的活动)韵律操。流行有氧调节活动包括健走、慢跑、游泳、骑自行车、跳绳、划船、越野滑雪以及一些连续动作游戏、如短网拍墙球和手球。这样的人可能通常参加10-12分钟慢速进行的日常牵伸运动而没有跳跃运动。可在热身运动之后或者在整理运动中包括这种活动。并且这样的人可能通常参加最少5-10分钟与伸展结合的慢跑、低等级锻炼。

一般来说，典型的人可表征为健康模式1(正常)。当参加节食/锻炼体制时，用户可能被指示选择健康模式2。最后，在6个月的受控节食/锻炼体制之后，用户可表征为健康模式3。根据本发明的一个方面，用户可根据他/她的活动概貌来选择所使用的健康模式。或者，可采用表示上述考虑事项的问题对用户提问，并且答案用来确定适当的健康模式。或者，健康模式可采用测量值和用户输入值来确定(例如身高、性别、年龄、锻炼频率/类型/密度、体重和电阻)。

仍然参照图6，过程600以对应于所确定的所选健康模式(过程610)的系数继续进行(过程622、624、626)。例如，系数可能从微处理器内部或外部的存储器所存储的查找表中恢复。表1概括可恢复的非限制性的示范系数值(622、624和6226)。

表1

系数	健康模式1	健康模式2	健康模式3
				常数	4.032	6.039	10.05
性别	6.311	8.5	12.89
				年龄	0.0442	0.019	0.01
身高	0.000906	0.000912	0.000925
				体重	0.39	0.39	0.39
电阻	0.0009	0.00083	0.00069

[0039]仍然参照图6，然后可采用瘦肉身体质量(LBM)的迭代计算(过程630-655)。更具体来说，可通过首先对用户输入的身高求平方、然后再把结果乘以所确定健康等级的身高系数来近似计算LBM(过程630)。所得值则可加到测量体重与所确定健康等级的体重系数相乘的值(过程635)。然后，所得结果可与所确定健康等级的常数相加(过程640)。所得值(在图7的过程760中存储)则可加到测量电阻与所确定健康等级的电阻系数相乘的值(过程645)。然后，所得值可加到用户输入的性别(0表示女性，以及1表示男性)与所确定健康等级的性别系数相乘的值(过程650)。最后，所得值则可加到用户输入的年龄与所确定健康等级的年龄系数相乘的值(过程655)，从而产生LBM的近似值。

[0040]仍然参照图6，LBM则可用于采用下式来近似计算用户的百分比体脂肪(BF％)：(过程660)。最后，人体水分(BW)的百分比可采用下式近似计算：(1-BF％)×73％(过程665)。

[0041]或者，可采用单独基于年龄、体重、性别和电阻的处理，与美国专利No.6292690所公开的相似，通过引用将它的完整公开结合到本文中。

[0042]本领域的技术人员会知道，可实现本发明的许多修改和变更，而没有背离本发明的精神或范围。因此，本发明意在涵盖落入所附权利要求书及其等效物的范围之内的各种修改和变更。

Claims (18)

1.一种用于确定人体阻抗的设备，包括：

第一和第二电极，适于电耦合到人体；以及

可变频率张弛振荡器，耦合到所述电极；

其中，振荡周期表示人体阻抗。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述振荡器包括至少一个放大器。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述电极至少部分定义所述放大器的负反馈网络。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述电极的第一电极以电阻方式耦合到所述放大器的输出端子。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述电极的第二电极通过至少一个电容器耦合到公共点，并且与所述放大器的反向输入端子短接。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，还包括正反馈网络，所述正反馈网络包括电耦合在所述放大器输出端子与所述放大器的非反向输入端子之间的电阻器。

7.如权利要求4所述的设备，其特征在于，在被偏置并耦合到人体时，所述至少一个电容器通过所述电极相对于所述放大器非反向输入端子以指数方式充电和放电。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括耦合在所述电极之上的至少一个电阻器。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述至少一个电阻器大约至少为两百千欧姆。

10.一种校准用于确定人体阻抗、具有适于电耦合到人体的第一和第二电极的设备的方法，包括：

确定与所述电极之间的开路条件关联的所述设备的第一振荡周期；以及

确定与所述电极之间的短路条件关联的所述设备的第二振荡周期；

其中，所述第一振荡周期表示第一校准值，以及所述第二振荡周期与斜率系数结合表示第二校准值。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述斜率系数表示校准。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括存储表示所述第一振荡周期的数据。

13.一种用于测量人体阻抗的方法，包括：

将第一和第二电极电耦合到人体；

将具有包括所述电极的负反馈网络和正电阻反馈网络的可变频率张弛振荡器进行电偏置；以及

测量所述可变频率振荡器的振荡周期，其中，所测量的振荡周期表示人体阻抗。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所测量的振荡周期与人体阻抗成正比。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述振荡器包括至少一个运算放大器。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述电极的第一电极以电阻方式耦合到所述运算放大器的输出端子。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述电极的第二电极通过至少一个电容器耦合到公共点，并且与所述运算放大器的反向输入端子短接。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述至少一个电容器通过所述电极相对于所述运算放大器非反向输入端子以指数方式充电和放电。

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