CN104287694A

CN104287694A - 内脏脂肪测量装置及检测方法

Info

Publication number: CN104287694A
Application number: CN201410532520.7A
Authority: CN
Inventors: 郝冬梅; 金鎏; 张松; 杨益民; 杨琳
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2014-10-10
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2034-10-10
Also published as: CN104287694B

Abstract

内脏脂肪测量装置及检测方法，属于人体信息测量技术领域。包括输入单元、计算控制单元、输出单元、发光单元、检光单元、信号处理单元和显示单元；计算控制单元分别与输出单元、信号处理单元、输入单元和显示单元连接，输出单元与发光单元连接，信号处理单元连接，输入单元用于输入人体测量信息；计算控制单元输出控制信号，经输出单元驱动后控制发光单元发光，光入射人体待测部位，反射光被检光单元检测，通过信号处理单元进行放大滤波处理，在计算控制单元中根据设定的数学模型计算出身体脂肪量、全身皮下脂肪量和内脏脂肪量；计算方法内脏脂肪量＝体脂肪量-全身皮下脂肪量。本发明简单，测定精度，操作方便。

Description

内脏脂肪测量装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种根据近红外光和人体围度测量内脏脂肪的检测方法及装置，属于人体信息测量技术领域。

背景技术

肥胖可以诱发多种急慢性疾病，影响生活质量，缩短寿命。其中，内脏型脂肪肥胖的人罹患糖尿病、高血压、动脉硬化以及缺血性心脑血管疾病的可能性明显高于皮下脂肪型肥胖和体重正常者。因此，对内脏脂肪的检测具有重要意义。

计算机断层成像(computerized tomography,CT)、核磁共振成像(magnetic resonanceimaging,MRI)和超声仪器可以较准确地检测到内脏脂肪量，但是由于设备体积大、操作不便、价格昂贵不适合家庭中使用。

电阻抗法是常见的简单方便检测内脏脂肪的方法。专利CN 1607804A提供了一种内脏脂肪计算方法，使用以性别、腹部纵向和腹部横向的电阻抗比值为变量的计算公式计算出被测者的内脏脂肪面积。专利CN1380822A提出一种内脏脂肪测定仪，该仪器包括输入装置、处理单元和显示单元。输入检查对象的个人数据包括腹部围长，根据电阻抗法获得身体脂肪比率FAT，从而测定腹部内脏脂肪量。专利CN101641046A提供了一种内脏脂肪测量装置，将第一电极对和第二电极对分别放置于被测者腹部背面的体轴方向，在电流流过第一电极对的电极时测量第二电极对电极间的电位差，计算内脏脂肪。专利CN101IO694OA公开了一种体脂肪测定装置,将多个电极置于被检者的腰部，使用阻抗方法直接测定腰部脂肪总量。通过光学传感器直接测定腰部处待测定位置的皮下脂肪厚度，计算出皮下脂肪量。从腰部脂肪总量中减去皮下脂肪量，可以计算出内脏脂肪量。

目前公开的专利中均将内脏脂肪定义为分布在腹腔内的脂肪，但是在胸腔内也存在脂肪，目前的基于电阻抗的检测方法均没有考虑胸腔内的脂肪量。此外，利用电阻抗法检测内脏脂肪需要在体表放置多个电极，操作不便，检测结果受到体内水分的影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种内脏脂肪测定装置和检测方法，其能够提高内脏脂肪量的测定精度，操作方便，可以用于家庭中的健康监测。

为达到上述目的，本发明提供一种基于光学测量和身体围度测量相结合的计算内脏脂肪的方法和装置。

内脏脂肪测量装置，包括输入单元、计算控制单元、输出单元、发光单元、检光单元、信号处理单元和显示单元；其中，计算控制单元分别与输出单元、信号处理单元、输入单元和显示单元连接，输出单元与发光单元连接，信号处理单元与检光单元连接，输入单元用于输入人体信息：体重、四肢上下端的围长、躯干上下端的围长、四肢和躯干体轴方向的长度等人体的测量信息。

计算控制单元(2)输出控制信号，经输出单元(4)驱动后控制发光单元(5)发光，光入射人体待测部位，然后反射光被检光单元(6)检测，通过信号处理单元(7)进行放大滤波处理，在计算控制单元(3)中根据设定的数学模型计算出身体脂肪量、全身皮下脂肪量和内脏脂肪量，通过显示单元(8)显示内脏脂肪量；显示单元(8)还可以提示测量部位。

计算控制单元(3)中的数学模型包括如下：

体脂肪量BF＝体重(公斤)×体脂肪％ (1)

体脂肪％＝(a÷身体密度-b)×100％； (2)

式中a,b为常数。

身体密度＝c-d×s； (3)

式中c,d为常数，s＝肩胛角下皮下脂肪厚度(如mm)+上臂部皮下脂肪厚度(如mm)，上臂部是指肱三头肌肌腹部位。

在计算全身皮下脂肪量时将上肢、下肢和躯干部分别等效为圆台体和椭圆台体；

下肢近似为圆台体，计算下肢皮下脂肪体积V_L，如图4所示：

V_{L} = \frac{1}{3} π h_{1} (R_{1}^{2} + R_{2}^{2} + R_{1} R_{2}) - \frac{1}{3} π h_{1} [{(R_{1} - d_{1})}^{2} + {(R_{2} - d_{2})}^{2} + (R_{1} - d_{1}) (R_{2} - d_{2})] - - - (4)

其中，R₁＝C₁/2π,R₂＝C₂/2π,C₁,C₂分别为下肢上端和下端的围长(指的是周长)；h₁近似为下肢上端至下端的长度。d₁,d₂分别为下肢上端和下端的皮下脂肪厚度；

上肢近似为圆台体，计算上肢皮下脂肪体积V_U，如图5所示：

V_{u} = \frac{1}{3} π h_{2} (R_{3}^{2} + R_{4}^{2} + R_{3} R_{4}) - \frac{1}{3} π h_{2} [{(R_{3} - d_{3})}^{2} + {(R_{4} - d_{4})}^{2} + (R_{3} - d_{3}) (R_{4} - d_{4})] - - - (5)

其中，R₃＝C₃/2π,R₄＝C₄/2π,C₃,C₄分别为上肢上端和下端的围长。h₂近似为上肢上端至下端的长度。d₃,d₄分别为上肢上端和下端的皮下脂肪厚度。

躯干近似为椭圆台体，计算躯干皮下脂肪体积V_C，如图6所示：

V_{c} = \frac{1}{3} π h_{3} (\frac{a_{2}^{2} b_{2}}{a_{2} - a_{1}} - \frac{a_{1}^{2} b_{1}}{a_{2} - a_{1}}) - \frac{1}{3} π h_{3} [\frac{{(a_{2} - d_{6})}^{2} (b_{2} - d_{6})}{a_{2} - a_{1} + d_{5} - d_{6}} - \frac{{(a_{1} - d_{5})}^{2} (b_{1} - d_{5})}{a_{2} - a_{1} + d_{5} - d_{6}}] - - - (6)

其中，a₁，b₁分别为躯干上端横截面椭圆的长半轴长和短半轴长，a₂，b₂分别为躯干下端横截面椭圆的长半轴长和短半轴长；h₃近似为躯干上端至下端的长度。d₅,d₆分别为躯干上端和下端的皮下脂肪厚度。躯干上端和下端分别指肩胛骨所处水平位置和肚脐所处水平位置。

即可以计算出全身皮下脂肪体积V_SF和全身皮下脂肪量W_SF

V_SF＝2V_L+2V_U+V_C (7)

W_SF＝ρ×(2V_L+2V_U+V_C) (8)

ρ为脂肪密度。

在计算内脏脂肪量时，利用身体脂肪量减去全身皮下脂肪量得到内脏脂肪量：

内脏脂肪量＝体脂肪量-全身皮下脂肪量 (9)。

发光单元采用四组发光二极管，根据四组发光二极管发光入射到人体待测部位所检测到的反射光的强度，计算人体上述任意部位的皮下脂肪厚度；计算皮下脂肪厚度采用公式(10)：

LF＝k₀+k₁㏒x₁+k₂㏒x₄+k₃㏒x₁/㏒x₄+k₄x₁/x₂+k₅(x₁-x₃)+k₆(x₂-x₄) (10)

其中，LF是任意部位的皮下脂肪厚度，x₁～x₄是四组发光管发光时检测到的反射光对应的电压信号，k₀～k₆是回归系数。

本发明装置进行内脏脂肪量的检测工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在输入单元输入人体信息：体重、四肢上下端的围长、下肢上端至下端的长度、上肢上端和下端的围长、上肢上端至下端的长度、躯干上端横截面椭圆的长半轴长和短半轴长，躯干下端横截面椭圆的长半轴长和短半轴长、躯干上端至下端的长度；

(2)采用装置进行皮下脂肪厚度测量：下肢上端和下端的皮下脂肪厚度、上肢上端和下端的皮下脂肪厚度、躯干上端和下端的皮下脂肪厚度。

(3)利用测试的皮下脂肪厚度和输入的人体信息按照数学模型计算内脏脂肪量。

计算控制单元是根据常规的芯片进行的设计的，根据肩胛角下、四肢和躯干的皮下脂肪厚度、体重和人体围度计算出身体脂肪量、全身皮下脂肪量，利用身体脂肪量减去全身皮下脂肪量得到内脏脂肪量。

附图说明

图1是本发明一实施方式的光学式内脏脂肪测量装置的功能框图；

图2是发光单元示意图；

图3是本发明一实施方式的内脏脂肪计算方法的流程图；

图4是下肢简化为圆台的示意图；

图5是上肢简化为圆台的示意图；

图6是躯干简化为椭圆台的示意图；

内脏脂肪测量计算装置1、输入单元2、计算控制单元3、输出单元4、发光单元5、检光单元6、信号处理单元7、显示单元8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施说明本发明，但本发明并不限于以下实施例。

图1是本发明一实施方式的内脏脂肪测量计算装置的组成框图。

内脏脂肪测量装置示意图见图1，内脏脂肪测量计算装置1包括输入单元2，计算控制单元3，输出单元4，发光单元5，检光单元6，信号处理单元7和显示单元8。

计算控制单元2输出控制信号，经输出单元4驱动后控制发光单元5发光，入射人体待测部位，反射光被检光单元6检测，通过信号处理单元7进行放大滤波处理，在计算控制单元3根据设定的数学模型计算出身体脂肪量、全身皮下脂肪量和内脏脂肪量，通过显示单元8显示测量结果。显示单元8还可以提示测量部位。发光单元中发光二极管的中心波长为845nm，检光单元中光电二极管的中心波长为940nm，与光电二极管距离越远设置的发光二极管的数量越多。

输入单元2可以是键盘式、数值键式、触摸屏式、功能键等中的任何一个。作为被测者人体测量信息，输入单元可以根据显示单元的提示输入被测者的体重、四肢上下端的围长、四肢和躯干体轴方向的长度、躯干上端和下端的长半轴长和短半轴长。

图2是本发明内脏脂肪测量装置中发光单元的一种实施方式(见专利CN102 551729A)。根据距离光电二极管的距离设计了四组发光二极管，四组发光二极管在驱动信号作用下依次发光和闭光。

图3是本发明的执行过程。首先步骤S1在声音或者文字提示下输入被测者的体重和人体测量信息，用卷尺测量上肢、下肢和躯干上端和下端的围长，沿着身体体轴方向的上肢、下肢和躯干的长度。本发明的另一种实施方式是在输入人体测量信息时用卡尺或者超声测量上肢、下肢和躯干上端和下端的前后径和左右径，沿着身体体轴方向的上肢、下肢和躯干的长度。

在步骤S2中利用皮下脂肪测量装置测量肱三头肌肌腹部位、肩胛角下、大腿的正前方中部和正后方中部、小腿的正前方中部和正后方中部、肚脐左侧或者右侧、臀部皮下脂肪厚度。

在步骤S3中计算体脂肪量时，利用以下公式

体脂肪量BF＝体重(公斤)×体脂肪％ (1)

体脂肪％＝(a÷身体密度-b)×100％； (2)

式中a,b为常数，可采用Broxek改良公式，其中a＝4.57，b＝4.142。

身体密度＝c-d×s； (3)

式中c,d为常数，一般c为1.05-1.1，d为0.0010-0.0015；可因年龄和性别的不同选取不同的值，男子：15-18岁c＝1.0977，d＝0.00146，19岁以上c＝1.0913 d＝0.00116；女子15-18岁c＝1.0931，d＝0.00160，19岁以上c＝1.0897d＝0.00133；s＝肩胛角下+上臂部皮下脂肪厚度(mm)，上臂部是指肱三头肌肌腹部位。

在步骤S4中计算全身皮下脂肪量时将上肢、下肢和躯干部分别等效为圆台体和椭圆台体。

下肢近似为圆台计算下肢皮下脂肪体积V_L，如图4所示：

V_{L} = \frac{1}{3} π h_{1} (R_{1}^{2} + R_{2}^{2} + R_{1} R_{2}) - \frac{1}{3} π h_{1} [{(R_{1} - d_{1})}^{2} + {(R_{2} - d_{2})}^{2} + (R_{1} - d_{1}) (R_{2} - d_{2})] - - - (4)

其中，R₁＝C₁/2π,R₂＝C₂/2π,C₁,C₂分别为下肢上端和下端的围长。h₁近似为下肢上端至下端的长度。d₁,d₂分别为下肢上端和下端的皮下脂肪厚度。

上肢近似为圆台计算上肢皮下脂肪体积V_U，如图5所示：

V_{u} = \frac{1}{3} π h_{2} (R_{3}^{2} + R_{4}^{2} + R_{3} R_{4}) - \frac{1}{3} π h_{2} [{(R_{3} - d_{3})}^{2} + {(R_{4} - d_{4})}^{2} + (R_{3} - d_{3}) (R_{4} - d_{4})] - - - (5)

躯干近似为椭圆台计算躯干皮下脂肪体积V_C，如图6所示：

V_{c} = \frac{1}{3} π h_{3} (\frac{a_{2}^{2} b_{2}}{a_{2} - a_{1}} - \frac{a_{1}^{2} b_{1}}{a_{2} - a_{1}}) - \frac{1}{3} π h_{3} [\frac{{(a_{2} - d_{6})}^{2} (b_{2} - d_{6})}{a_{2} - a_{1} + d_{5} - d_{6}} - \frac{{(a_{1} - d_{5})}^{2} (b_{1} - d_{5})}{a_{2} - a_{1} + d_{5} - d_{6}}] - - - (6)

其中，a₁，b₁分别为躯干上端横截面椭圆的长半轴长和短半轴长，a₂，b₂分别为躯干下端横截面椭圆的长半轴长和短半轴长，。h₃近似为躯干上端至下端的长度。d₅,d₆分别为躯干上端和下端的皮下脂肪厚度。躯干上端和下端分别指肩胛骨和肚脐水平。

即可以计算出全身皮下脂肪体积V_SF和全身皮下脂肪体积量W_SF

V_SF＝2V_L+2V_U+V_C (7)

W_SF＝ρ×(2V_L+2V_U+V_C) (8)

ρ为脂肪密度。

根据四组发光二极管发光入射到人体待测部位所检测到的反射光的强度，计算人体任意部位的皮下脂肪厚度。计算皮下脂肪厚度采用公式(9)。

上述测量和计算过程的长度单位统一(如mm)，重量单位统一(如kg)。

在步骤S5中计算内脏脂肪量时，利用身体脂肪量减去全身皮下脂肪量得到内脏脂肪量。

Claims

1.内脏脂肪测量装置，其特征在于，包括输入单元、计算控制单元、输出单元、发光单元、检光单元、信号处理单元和显示单元；其中，计算控制单元分别与输出单元、信号处理单元、输入单元和显示单元连接，输出单元与发光单元连接，信号处理单元与检光单元连接，输入单元用于输入人体测量信息；

计算控制单元(2)输出控制信号，经输出单元(4)驱动后控制发光单元(5)发光，光入射人体待测部位，然后反射光被检光单元(6)检测，通过信号处理单元(7)进行放大滤波处理，在计算控制单元(3)中根据设定的数学模型计算出身体脂肪量、全身皮下脂肪量和内脏脂肪量，通过显示单元(8)显示内脏脂肪量；

计算控制单元(3)中的数学模型包括如下：

内脏脂肪量＝体脂肪量-全身皮下脂肪量 (9)。

2.权利要求1的内脏脂肪测量装置，其特征在于，控制单元(3)中的数学模型还包括如下：

体脂肪量BF＝体重(公斤)×体脂肪％ (1)

体脂肪％＝(a÷身体密度-b)×100％； (2)

式中a,b为常数；

身体密度＝c-d×s； (3)

式中c,d为常数，s＝肩胛角下皮下脂肪厚度+上臂部皮下脂肪厚度，上臂部是指肱三头肌肌腹部位。

3.权利要求1的内脏脂肪测量装置，其特征在于，控制单元(3)中的数学模型还包括如下：

计算下肢皮下脂肪体积V_L：

V_{L} = \frac{1}{3} {πh}_{1} (R_{1}^{2} + R_{2}^{2} + R_{1} R_{2}) - \frac{1}{3} {πh}_{1} [{(R_{1} - d_{1})}^{2} + {(R_{2} - d_{2})}^{2} + (R_{1} - d_{1}) (R_{2} - d_{2})] - - - (4)

上肢近似为圆台体，计算上肢皮下脂肪体积V_U：

V_{u} = \frac{1}{3} {πh}_{2} (R_{3}^{2} + R_{4}^{2} + R_{3} R_{4}) - \frac{1}{3} {πh}_{2} [{(R_{3} - d_{3})}^{2} + {(R_{4} - d_{4})}^{2} + (R_{3} - d_{3}) (R_{4} - d_{4})] - - - (5)

其中，R₃＝C₃/2π,R₄＝C₄/2π,C₃,C₄分别为上肢上端和下端的围长，h₂为上肢上端至下端的长度，d₃,d₄分别为上肢上端和下端的皮下脂肪厚度；

躯干近似为椭圆台体，计算躯干皮下脂肪体积V_C：

V_{c} = \frac{1}{3} {πh}_{3} (\frac{a_{2}^{2} b_{2}}{a_{2} - a_{1}} - \frac{a_{1}^{2} b_{1}}{a_{2} - a_{1}}) - \frac{1}{3} {πh}_{3} [\frac{{(a_{2} - d_{6})}^{2} (b_{2} - d_{6})}{a_{2} - a_{1} + d_{5} - d_{6}} - \frac{{(a_{1} - d_{5})}^{2} (b_{1} - d_{5})}{a_{2} - a_{1} + d_{5} - d_{6}}] - - - (6)

其中，a₁，b₁分别为躯干上端横截面椭圆的长半轴长和短半轴长，a₂，b₂分别为躯干下端横截面椭圆的长半轴长和短半轴长；h₃近似为躯干上端至下端的长度；d₅,d₆分别为躯干上端和下端的皮下脂肪厚度；；躯干上端和下端分别指肩胛骨所处水平位置和肚脐所处水平位置；

计算出全身皮下脂肪体积V_SF和全身皮下脂肪量W_SF：

V_SF＝2V_L+2V_U+V_C (7)

W_SF＝ρ×(2V_L+2V_U+V_C) (8)

ρ为脂肪密度。

4.按照权利要求1的内脏脂肪测量装置，其特征在于，显示单元(8)还提示测量部位。

5.按照权利要求1的内脏脂肪测量装置，其特征在于，发光单元采用四组发光二极管，根据四组发光二极管发光入射到人体待测部位所检测到的反射光的强度，计算人体上述任意部位的皮下脂肪厚度；计算皮下脂肪厚度采用公式(10)：

6.权利要求1-5的任一内脏脂肪测量装置进行内脏脂肪量的检测工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在输入单元输入人体测量信息：

(2)采用装置进行皮下脂肪厚度测量：下肢上端和下端的皮下脂肪厚度、上肢上端和下端的皮下脂肪厚度、躯干上端和下端的皮下脂肪厚度；

7.按照权利要求6的的检测工作方法，其特征在于，人体测量信息：体重、四肢上下端的围长、下肢上端至下端的长度、上肢上端和下端的围长、上肢上端至下端的长度、躯干上端横截面椭圆的长半轴长和短半轴长，躯干下端横截面椭圆的长半轴长和短半轴长、躯干上端至下端的长度。

8.一种内脏脂肪测量方法，其特征在于：

体脂肪量BF＝体重×体脂肪％ (1)

体脂肪％＝(a÷身体密度-b)×100％； (2)

式中a,b为常数；

身体密度＝c-d×s； (3)

式中c,d为常数，s＝肩胛角下皮下脂肪厚度+上臂部皮下脂肪厚度，上臂部是指肱三头肌肌腹部位；

下肢近似为圆台体，计算下肢皮下脂肪体积V_L：

V_{L} = \frac{1}{3} {πh}_{1} (R_{1}^{2} + R_{2}^{2} + R_{1} R_{2}) - \frac{1}{3} {πh}_{1} [{(R_{1} - d_{1})}^{2} + {(R_{2} - d_{2})}^{2} + (R_{1} - d_{1}) (R_{2} - d_{2})] - - - (4)

上肢近似为圆台体，计算上肢皮下脂肪体积V_U：

V_{u} = \frac{1}{3} {πh}_{2} (R_{3}^{2} + R_{4}^{2} + R_{3} R_{4}) - \frac{1}{3} {πh}_{2} [{(R_{3} - d_{3})}^{2} + {(R_{4} - d_{4})}^{2} + (R_{3} - d_{3}) (R_{4} - d_{4})] - - - (5)

其中，R₃＝C₃/2π,R₄＝C₄/2π,C₃,C₄分别为上肢上端和下端的围长。h₂近似为上肢上端至下端的长度。d₃,d₄分别为上肢上端和下端的皮下脂肪厚度；

躯干近似为椭圆台体，计算躯干皮下脂肪体积V_C：

V_{c} = \frac{1}{3} {πh}_{3} (\frac{a_{2}^{2} b_{2}}{a_{2} - a_{1}} - \frac{a_{1}^{2} b_{1}}{a_{2} - a_{1}}) - \frac{1}{3} {πh}_{3} [\frac{{(a_{2} - d_{6})}^{2} (b_{2} - d_{6})}{a_{2} - a_{1} + d_{5} - d_{6}} - \frac{{(a_{1} - d_{5})}^{2} (b_{1} - d_{5})}{a_{2} - a_{1} + d_{5} - d_{6}}] - - - (6)

其中，a₁，b₁分别为躯干上端横截面椭圆的长半轴长和短半轴长，a₂，b₂分别为躯干下端横截面椭圆的长半轴长和短半轴长；h₃近似为躯干上端至下端的长度；d₅,d₆分别为躯干上端和下端的皮下脂肪厚度。躯干上端和下端分别指肩胛骨所处水平位置和肚脐所处水平位置；

即可以计算出全身皮下脂肪体积V_SF和全身皮下脂肪量W_SF

V_SF＝2V_L+2V_U+V_C (7)

W_SF＝ρ×(2V_L+2V_U+V_C) (8)

ρ为脂肪密度；

内脏脂肪量＝体脂肪量-全身皮下脂肪量 (9)

上述的重量单位为Kg,长度单位为mm。