CN107753019A - 生物电阻抗测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种生物电阻抗测量装置及测量方法，装置包括依次连接的测量电极、压力传感器、测量回路控制电路、信号调节及处理电路和无线通信芯片；无线通信芯片集成A/D采样电路、无线通信接口电路和微控制器；测量回路控制电路包括多路开关和电流源；测量电极与电流源连接，电流源与多路开关连接；多路开关和信号调节及处理电路连接，信号调节及处理电路与A/D采样电路连接；装置通过无线通信芯片与外部智能终端连接。本发明提装置体积小，功耗低，操作简便；测量电路测量范围大，精度高；测量检测人体直流阻抗，重复测量一致性高；直流测量电流为直流，电流小，对人体的影响小，测量时间短，对人体无不适作用，可进行长期检测和观察。

Description

生物电阻抗测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及生物电阻抗检测仪领域，尤其涉及生物电阻抗测量装置及测量方法。

背景技术

目前国内外市场上也出现了许多电子生物电阻抗测量设备，但大量现有设备使用的电子电路体积庞大，功耗高，误差范围过大，精度低，且价格昂贵，不利于家庭或个人使用；有的现有设备的测量电路检测的是人体高频阻抗，重复检测的结果一致性差，测量范围小，且因频率响应问题，只在某段频率范围内进行检测，采集到的数据不具有代表性；现有设备进行检测时测量电路电流均在毫安级别，干扰人体内部的电磁场，测量结果不稳定，精度低。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种生物电阻抗测量装置及测量方法，装置体积小，功耗低，操作简便；测量电路测量范围大，精度高，利于使用；测量检测人体直流阻抗，重复测量的一致性高；测量电流为直流，电流小，对人体的影响小，同时测量时间短，对人体无任何不适作用，可进行长期检测和观察。

为了解决上述问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种生物电阻抗测量装置，包括：依次连接的测量电极、压力传感器、测量回路控制电路、信号调节及处理电路和无线通信芯片；还包括电源电路，所述电源电路为整个装置供电；

所述无线通信芯片集成A/D采样电路、无线通信接口电路和微控制器；所述测量回路控制电路包括多路开关和电流源；

所述测量电极与所述电流源连接，所述电流源与所述多路开关连接，所述电流源用于提供直流测量电流；所述多路开关和所述信号调节及处理电路连接，所述信号调节及处理电路与所述A/D采样电路连接；

所述装置通过所述无线通信芯片与外部智能终端连接。

本发明提供的生物电阻抗测量装置，其技术方案为：包括依次连接的测量电极、压力传感器、测量回路控制电路、信号调节及处理电路和无线通信芯片；还包括电源电路，所述电源电路为整个装置供电；所述无线通信芯片集成A/D采样电路、无线通信接口电路和微控制器；所述测量回路控制电路包括多路开关和电流源；所述测量电极与所述电流源连接，所述电流源与所述多路开关连接，所述电流源用于提供直流测量电流；所述多路开关和所述信号调节及处理电路连接，所述信号调节及处理电路与所述A/D采样电路连接；所述装置通过所述无线通信芯片与外部智能终端连接。

本发明提供的生物电阻抗测量装置，装置体积小，功耗低，操作简便；测量电路测量范围大，精度高，利于使用；测量检测人体直流阻抗，重复测量的一致性高；测量电流为直流，电流小，对人体的影响小，同时测量时间短，对人体无任何不适作用，可进行长期检测和观察。

进一步地，所述测量回路控制电路还包括校准电阻，所述校准电阻与所述多路开关连接。

进一步地，所述校准电阻包括第一校准电阻和第二校准电阻，所述第一校准电阻的阻值为100K，所述第二校准电阻的阻值为10M。

进一步地，所述信号调节及处理电路包括高阻抗输入电路、差分放大电路和信号调节电路，所述高阻抗输入电路、差分放大电路和信号调节电路依次连接，所述高阻抗输入电路与所述多路开关连接，所述信号调节电路与所述A/D采样电路连接。

进一步地，所述电源电路包括开关电路、数字电源电路和模拟电源电路，所述数字电源电路为所述无线通信芯片供电，所述模拟电源电路为所述测量电极、测量回路控制电路和信号调节及处理电路供电。

进一步地，所述测量电极包括固定电极和可伸缩测量电极，所述固定电极和所述可伸缩电极分别与所述压力传感器连接，所述固定电极固定于人体手腕部，所述可伸缩测量电极用于测量人所述人体的检测点。

进一步地，所述无线通信芯片为蓝牙芯片，所述蓝牙芯片采用蓝牙4.0BLE无线通信协议。

进一步地，所述电路板还包括电池充电控制及保护电路，所述电池充电控制及保护电路与所述电源电路连接。

第二方面，本发明提供一种生物电阻抗测量方法，包括：

步骤S1，通过可伸缩测量电极接触人体的检测点，通过压力传感器，得到检测压力值；

步骤S2，将所述检测压力值转换成数字信号，并判断所述数字信号是否符合预设压力值，若符合进入步骤S3，若不符合返回步骤S1；

步骤S3，进行人体生物电阻抗的采集，获得采样点值；

步骤S4，将所述采样点值通过微控制器中的校准因子进行换算，得到真实的人体阻抗数据，并通过无线通信芯片传送给外部智能终端，所述校准因子通过校准电阻测量得到。

本发明提供的生物电阻抗测量方法，其技术方案为：步骤S1，通过可伸缩测量电极接触人体的检测点，通过压力传感器，得到检测压力值；步骤S2，将所述检测压力值转换成数字信号，并判断所述数字信号是否符合预设压力值，若符合进入步骤S3，若不符合返回步骤S1；步骤S3，进行人体生物电阻抗的采集，获得采样点值；步骤S4，将所述采样点值通过微控制器中的校准因子进行换算，得到真实的人体阻抗数据，并通过无线通信芯片传送给外部智能终端，所述校准因子通过校准电阻测量得到。

进一步地，还包括：

重复所述步骤S1至所述步骤S3，对同一检测点进行预设时间的持续测量，得到多个采样点值；

将所述多个采样点值求平均值，并对所述平均值通过校准因子进行换算，得到待输出人体阻抗数据，通过无线通信芯片传送给外部智能终端。

基于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种体较小，功耗低，精度高的生物电阻抗测量电路设计。本发明电路采用检测直流阻抗的方法，避免了高频交流阻抗重复检测一致性差的缺点，检测数据具有代表性，阻抗测量范围大，同时由于检测电流数值特别小(微安级)对被检目标没有干扰，进一步提升了测量精度，利于长期对人体健康状况进行监测。本发明电路通过蓝牙通讯接口与手机或其他移动设备端的上位机程序联合进行工作，充分利用当今社会移动设备的高性能便利条件，减小了检测电路的复杂性，可提供一种测量精确、操作简便、便携性高的生物电阻抗测量装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1示出了本发明实施例所提供的一种生物电阻抗测量装置的整体电路结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种生物电阻抗测量装置中测量回路控制电路的电路图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种生物电阻抗测量装置中信号高阻抗输入及差分放大电路的电路图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种生物电阻抗测量装置中信号调节电路的电路图；

图5示出了本发明实施例所提供的一种生物电阻抗测量装置中数字电源电路的电路图；

图6示出了本发明实施例所提供的一种生物电阻抗测量装置中模拟电源电路的电路图；

图7示出了本发明实施例所提供的一种生物电阻抗测量装置中微控制器及蓝牙4.0接口电路的电路图；

图8示出了本发明实施例所提供的一种生物电阻抗测量装置的电路测量流程图；

图9示出了本发明实施例所提供的一种生物电阻抗测量装置中的电池供电及保护电路；

图10示出了本发明实施例所提供的一种生物电阻抗测量方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一

参见图1，第一方面，本发明提供一种生物电阻抗测量装置，包括：依次连接的测量电极、压力传感器、测量回路控制电路、信号调节及处理电路和无线通信芯片；还包括电源电路，电源电路为整个装置供电；

其中，信号调节及处理电路，提供信号的高阻抗输入级、差分放大及调节信号幅值使之匹配A/D模数转换器的输入要求；

无线通信芯片集成A/D采样电路、无线通信接口电路和微控制器；测量回路控制电路包括多路开关和电流源；

其中，微控制器为增强型51单片机，并内置有蓝牙4.0BLE通信接口协议、A/D采样器。微控制器内部编程存有阻抗标定因子，测量时通过标定因子计算得到待测阻抗，即通过测得的压力值通过电路转换成电信号，根据电信号结合阻抗标定因子，计算得到待测阻抗值。

测量电极与电流源连接，电流源与多路开关连接，电流源用于提供直流测量电流；多路开关和信号调节及处理电路连接，信号调节及处理电路与A/D采样电路连接；

装置通过无线通信芯片与外部智能终端连接。

本发明提供的生物电阻抗测量装置，其技术方案为：包括依次连接的测量电极、压力传感器、测量回路控制电路、信号调节及处理电路和无线通信芯片；还包括电源电路，电源电路为整个装置供电；无线通信芯片集成A/D采样电路、无线通信接口电路和微控制器；测量回路控制电路包括多路开关和电流源；测量电极与电流源连接，电流源与多路开关连接，电流源用于提供直流测量电流；多路开关和信号调节及处理电路连接，信号调节及处理电路与A/D采样电路连接；装置通过无线通信芯片与外部智能终端连接。

本发明提供的生物电阻抗测量装置，装置体积小，功耗低，操作简便；测量电路测量范围大，精度高，利于使用；测量检测人体直流阻抗，重复测量的一致性高；测量电流为直流，电流小，对人体的影响小，同时测量时间短，对人体无任何不适作用，可进行长期检测和观察。

优选地，压力传感器为霍尔传感器。

本发明的装置采用检测直流阻抗的方法，避免了高频交流阻抗重复检测一致性差的缺点，检测数据具有代表性，阻抗测量范围大，其中直流阻抗的测量由电流源，霍尔传感器，测量回路控制电路，信号调节及放大电路，A/D采样电路构成。

霍尔传感器属于磁性传感器，对测量压力进行检测。固定电极和可伸缩测量电极通过测量回路控制电路连接在信号调节及放大电路上，微控制器MCU发送命令控制测量回路控制电路。电流源提供微安级别的测量电流。信号调节及放大电路与A/D采样电路连接，MCU经由A/D采样电路将测量信号由模拟信号变为数字信号。

作为本发明的优选实施例，测量回路控制电路还包括校准电阻，校准电阻与多路开关连接。

测量回路控制电路还连接有高精度电阻，可在校准时作为负载标定整个测量电路，由微控制器进行控制。校准电阻用于测量时测量回路的通断和校准时高精度校准电阻的接入控制，电流源在测量及校准时提供微安级别的微小电流。

作为本发明的优选实施例，校准电阻包括第一校准电阻和第二校准电阻，第一校准电阻的阻值为100K，第二校准电阻的阻值为10M。

参见图2，测量回路在测量时在MCU的控制下将人体负载、电流源、测量电极连成一个回路，便于调节及放大电路对信号的采集。在校准时，测量回路控制在MCU的控制下分别将100K、10M电阻代替人体负载接入回路，通过高精度的电阻对模拟电路部分进行校准，得到校准因子。

作为本发明的优选实施例，信号调节及处理电路包括高阻抗输入电路、差分放大电路和信号调节电路，高阻抗输入电路、差分放大电路和信号调节电路依次连接，高阻抗输入电路与多路开关连接，信号调节电路与A/D采样电路连接。

参见图3，本发明电路的高阻抗输入级和差分放大电路，精密运算放大器集成4个运算放大器，性能十分优异。图4是本发明的信号调节电路，通过信号调节电路的处理，信号的电压幅值满足了A/D数模转化器的输入要求。

作为本发明的优选实施例，电源电路包括开关电路、数字电源电路和模拟电源电路，数字电源电路为无线通信芯片供电，模拟电源电路为测量电极、测量回路控制电路和信号调节及处理电路供电。

开关电路对按钮动作进行处理，数字电源电路提供3.0V的数字电源，模拟电源电路提供测量电路的供电。电池供电及充电电路则提供锂电池的供电和充电功能。在MCU的控制下模拟电源只在测量时启动以节省功耗。

参见图5、图6分别是本发明电路中的数字电源和模拟电源。数字电源主要供给MCU使用。模拟电源使用双路DC-DC芯片产生模拟电路使用的±10V电源，模拟电源在MCU控制下只在进行检测时启动。

作为本发明的优选实施例，测量电极包括固定电极和可伸缩测量电极，固定电极和可伸缩电极分别与压力传感器连接，固定电极固定于人体手腕部，可伸缩测量电极用于测量人体的检测点。

可伸缩测量电极用于测量手指及脚趾24个检测点，可伸缩测量电极的一端通过磁性连接接口与电极连接线的一端连接，然后电极连接线的另一端与固定电极连接；可伸缩测量电极的另一端与测量回路控制电路连接。

作为本发明的优选实施例，无线通信芯片为蓝牙芯片，蓝牙芯片采用蓝牙4.0BLE无线通信协议。

蓝牙芯片的功耗低，本发明电路与上位机(外部智能终端)的数据收发使用了标准蓝牙4.0BLE无线通信协议，蓝牙发送的数据包含八进制、十六进制数据以及ASCII码字符。蓝牙的广播信息包括只读属性的设备的可连接性、设备名称、主服务的特性值UUID；设备信息显示设备的本号、设备串号、制造者名称，这些特性值为只读属性；主服务UUID包含三个特性值：只读和通知属性的设备的电池电量信息，只读和通知属性的测量所得阻抗数据，读、写和通知属性的命令数据。

优选地，参见图7，蓝牙芯片内部集成MCU核心控制器(微控制器)，是一个增强型51单片机，内部集成12bit的A/D模数转换器，用于控制整个电路的状态和功能，并通过蓝牙接口与上位机进行通信。

作为本发明的优选实施例，电路板还包括电池充电控制及保护电路，电池充电控制及保护电路与电源电路连接。

用于对电源电路中的供电电源锂电池的充电和保护。

参见图8，本发明电路测量的基本过程是，开机后MCU不断监测压力传感器检测的力的大小，当检测到活动测量电极有符合要求的压力出现时，在MCU控制下模拟电源启动，给模拟电路上电，同时MCU发送命令到测量回路控制电路，使人体负载、微电流源、测量电极接入同一个回路，信号调节及放大模块通过高阻抗输入级检测这一回路上的电信号，并通过图1中差分放大电路，对两个电极上的电信号进行差分放大，放大后的信号经过信号调节电路对幅值进行调整后送入A/D模数转换器中进行采样，得到的数据再通过之前校准得到的校准因子进行换算，最后得到真实的人体阻抗数据。经过64次测量后取得平均值，MCU再将得到的平均值数据通过蓝牙4.0BLE接口发送给上位机。在每次测量时，MCU一直通过压力传感器检测力的大小，在测量过程中一旦发现压力不符合要求，MCU立即中断本次检测进入检测完成状态，并向上位机发送错误代码。整个检测过程持续时间约为0.2s～0.3s，检测完成后，MCU断开人体负载、电流源和测量电极，并关闭模拟电源，MCU再次对力传感器感应的压力进行监测。

本检测仪采用自带的150mAh锂电池进行供电，锂电池充电使用MicroUSB插口进行供电，充电管理使用充电芯片进行管理，并使用电池保护芯片对电池进行保护，防止电池过冲以及过放，具体电路参见图9。

本发明生物电阻抗测量电路，测量装置在150mAh的锂电池供电情况下，可进行超过10小时的测量操作，功耗低，体积小；通过校准，测量电路的测量范围为100K～18M欧姆，精度为±1％，范围大，精度高；测量电流为直流，重复测量的一致性高，电流范围在1～10uA，对人体的影响小；测量电路测量时间短，每个检测点测量时间约为0.3s，全部24个检测点的测量时间约为7s，对人体无任何不适作用，适合长期检测和观察。

参见图10，第二方面，本发明提供一种生物电阻抗测量方法，包括：

步骤S1，通过可伸缩测量电极接触人体的检测点，通过压力传感器得到检测压力值；

步骤S2，将检测压力值转换成数字信号，并判断数字信号是否符合预设压力值，若符合进入步骤S3，若不符合返回步骤S1；

步骤S3，进行生物电阻抗的采集，获得采样点值；

步骤S4，将采样点值通过微控制器中的校准因子进行换算，得到真实的人体阻抗数据，并通过无线通信芯片传送给外部智能终端，校准因子通过校准电阻测量得到。

本发明提供的生物电阻抗测量方法，其技术方案为：步骤S1，通过可伸缩测量电极接触人体的检测点，通过压力传感器得到检测压力值；步骤S2，将检测压力值转换成数字信号，并判断数字信号是否符合预设压力值，若符合进入步骤S3，若不符合返回步骤S1；步骤S3，进行生物电阻抗的采集，获得采样点值；步骤S4，将采样点值通过微控制器中的校准因子进行换算，得到真实的人体阻抗数据，并通过无线通信芯片传送给外部智能终端，校准因子通过校准电阻测量得到。

作为本发明的优选实施例，还包括：

重复步骤S1至步骤S3，对同一检测点进行预设时间的持续测量，得到多个采样点值；

将多个采样点值求平均值，并对平均值通过校准因子进行换算，得到待输出人体阻抗数据，通过无线通信芯片传送给外部智能终端。

本实施例中进行重复64次的测量，一次采集64个采样点，这个采样点不是人体上的检测点，是电路上为了减少采样值的波动，对同一检测点持续测量200ms，在这段测量时间(预设时间)内多次采样后求平均值，然后对这个平均值通过校准因子换成阻抗值，校准因子预先存储在微控制器中，使得测得的人体阻抗值更精确。

其中，通过校准因子进行换算，具体为：

公式Y＝kx+b，其中，Y是经AD转换得到的数字值(数字信号)，x是电阻值，接入100K时得到一个Y，接入10M时得到另一个Y值，解二元一次方程组，得到k值和b值为标定因子，在测量人体检测点是，相当于知道了Y值，有了标定因子可以反求出x值，得到阻抗值，即待输出人体阻抗数据。

基于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种体较小，功耗低，精度高的生物电阻抗测量电路设计。本发明电路采用检测直流阻抗的方法，避免了高频交流阻抗重复检测一致性差的缺点，检测数据具有代表性，阻抗测量范围大，同时由于检测电流数值特别小(微安级)对被检目标没有干扰，进一步提升了测量精度，利于长期对人体健康状况进行监测。本发明电路通过蓝牙通讯接口与手机或其他移动设备端的上位机程序联合进行工作，充分利用当今社会移动设备的高性能便利条件，减小了检测电路的复杂性，可提供一种测量精确、操作简便、便携性高的生物电阻抗测量装置。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种生物电阻抗测量装置，其特征在于，包括：依次连接的测量电极、压力传感器、测量回路控制电路、信号调节及处理电路和无线通信芯片；还包括电源电路，所述电源电路为整个装置供电；

所述无线通信芯片集成A/D采样电路、无线通信接口电路和微控制器；所述测量回路控制电路包括多路开关和电流源；

所述测量电极与所述电流源连接，所述电流源与所述多路开关连接，所述电流源用于提供直流测量电流；所述多路开关和所述信号调节及处理电路连接，所述信号调节及处理电路与所述A/D采样电路连接；

所述装置通过所述无线通信芯片与外部智能终端连接。

2.根据权利要求1所述的生物电阻抗测量装置，其特征在于，

所述测量回路控制电路还包括校准电阻，所述校准电阻与所述多路开关连接。

3.根据权利要求2所述的生物电阻抗测量装置，其特征在于，

所述校准电阻包括第一校准电阻和第二校准电阻，所述第一校准电阻的阻值为100K，所述第二校准电阻的阻值为10M。

4.根据权利要求1所述的生物电阻抗测量装置，其特征在于，

所述信号调节及处理电路包括高阻抗输入电路、差分放大电路和信号调节电路，所述高阻抗输入电路、差分放大电路和信号调节电路依次连接，所述高阻抗输入电路与所述多路开关连接，所述信号调节电路与所述A/D采样电路连接。

5.根据权利要求1所述的生物电阻抗测量装置，其特征在于，

所述电源电路包括开关电路、数字电源电路和模拟电源电路，所述数字电源电路为所述无线通信芯片供电，所述模拟电源电路为所述测量电极、测量回路控制电路和信号调节及处理电路供电。

6.根据权利要求1所述的生物电阻抗测量装置，其特征在于，

所述测量电极包括固定电极和可伸缩测量电极，所述固定电极和所述可伸缩电极分别与所述压力传感器连接，所述固定电极固定于人体手腕部，所述可伸缩测量电极用于测量所述人体的检测点。

7.根据权利要求1所述的生物电阻抗测量装置，其特征在于，

所述无线通信芯片为蓝牙芯片，所述蓝牙芯片采用蓝牙4.0BLE无线通信协议。

8.根据权利要求1所述的生物电阻抗测量装置，其特征在于，

所述电路板还包括电池充电控制及保护电路，所述电池充电控制及保护电路与所述电源电路连接。

9.一种生物电阻抗测量方法，其特征在于，包括：

步骤S1，通过可伸缩测量电极接触人体的检测点，通过压力传感器，得到检测压力值；

步骤S2，将所述检测压力值转换成数字信号，并判断所述数字信号是否符合预设压力值，若符合进入步骤S3，若不符合返回步骤S1；

步骤S3，进行生物电阻抗的采集，获得采样点值；

步骤S4，将所述采样点值通过微控制器中的校准因子进行换算，得到真实的人体阻抗数据，并通过无线通信芯片传送给外部智能终端，所述校准因子通过校准电阻测量得到。

10.根据权利要求9所述的生物电阻抗测量方法，其特征在于，

还包括：

重复所述步骤S1至所述步骤S3，对同一检测点进行预设时间的持续测量，得到多个采样点值；

将所述多个采样点值求平均值，并对所述平均值通过校准因子进行换算，得到待输出人体阻抗数据，通过无线通信芯片传送给外部智能终端。