CN1307939C - 身体组分测量设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一生物身体组分测量设备，所述设备包括测量生物电阻抗的第一电子模块(6)、用于生成一可变电信号(11)的电能源(10)—当生物身体连接到测量设备(2)时，所述可变电子信号可流过身体或身体一部分。根据本发明，所述能量源为用于提供一矩形电压信号(11)的电压发生器(10)。

Description

身体组分测量设备
技术领域
本发明涉及一身体组分测量设备，所述设备包括一测量电路，所述测量电路与一人体生物电阻抗计算单元相关联。
背景技术
测量身体组分，可检查人的身体健康状况。尤其地，随时了解人体内脂肪数量及其变化，对饮食相当有帮助。在测量脂肪量的方法中，可测量和人体内水分量相关的人体阻抗：人体由肌肉、骨骼、器官、组织及脂肪组成。水约占肌肉类组织的70％，而脂肪中几乎没有水。因此，通过测量人体的电阻抗及其总体重，可根据几个调整参数，计算出人体的脂肪及肌肉量。
生物电阻抗的测量，基于当高频率、低强度交流电短暂流过人体时，身体组织的传导性。法国巴黎五大的Boulier博士最早提出这个理念：只测量相当高频率(大于100千赫兹)的电子信号通过的身体部分(躯干或下肢)，来确定身体总构成，这样，体重秤可用作基本测量仪器。他于1994年首先证明了这一理念具有科学可靠性(1994年巴黎RenéDescartes大学：人类生物学博士论文，85-86页)。
文件FR-A-2698779中曾描述过这类设备：把体重秤的秤台与装有四个电极的板结合在一起，可获得身体电阻抗的数值，所述四电极中的两个电极连接着包括一电流发生器的电路，另两电极与一测量设备相连。因此，知道施加的恒电流，可根据测得电压，计算出被测量身体部分的电阻抗值，再根据如身材、年龄等调节系数，结合人的体重，就可计算出肌肉或脂肪量。所述设备虽然使用简单，但测量结果并不很可靠，例如，若人患水肿或有水分潴留问题时，测得结果可能是错的。
从研究人体的电状态中可看出，它可被看作同质导电电解质液中的悬浮细胞。细胞内及细胞外导电介质被构成细胞膜的脂蛋白膜分隔开。Fricke模式把人体电流状态看作一电路中，所述电路由表示细胞膜的电容C构成，所述电容C与表示细胞内介质电阻的细胞内电阻Ri串联，两者又与细胞外电阻Re并联。为可靠地把目前实施的电阻抗测量与水分在人体内、尤其在细胞内和细胞外介质中的定位联系起来，因而必须了解它们各自的电阻Ri和Re。
申请人在文件FR-A-2775581中提出了一种溶液。所述文件描述了一种使用电流源的身体组分测量设备，所述电流源在测量设备的激励电极之间施加了一方波、可调节周期的电流信号。再在测量电极之间测量电压，以确定被测身体部分的总阻抗及细胞外电阻，再根据此导出细胞内电阻。所述设备虽然运行良好，但实施却相当复杂，成本也很高。因此，所用计算方法要求必须在准确时间实施测量，同时，施加的电流信号也要非常精确，其循环比要完全平衡。但使用这类电流发生器必须采用晶体管，而所述晶体管对仪器的运行条件例如温度变化相当敏感，这反应在信号上即为一受环境温度影响的生成电流值。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述缺陷，并提出一种可准确测量身体组分的设备，所述设备运行时不会受到环境条件的影响。
本发明的另一目的在于提出一易于实施且运行可靠的一测量身体组分的设备。
本发明的另一附带目的在于提出一身体组分测量设备，所述设备结构简单，可以最低成本大规模生产。
借助生物身体组分测量设备，所述目的均能实现：所述测量设备包括可测量生物电阻抗的第一电子模块、可生成一可变电子信号的电能源——当生物身体连接到测量设备时，所述可变电子信号可流过身体或身体一部分，因为所述电能源为可提供一矩形电压信号的电压发生器。
因此，把电压发生器当作能量源的优势在于：可持久提供一恒定信号，所述信号的值等于或小于馈电电压值。例如，测量设备可使用一微处理器，所述微处理器可通过一电子电压调节器直接生成等于其馈电电压的电压，无论测量设备电池电平如何，所述电压调节器均可保持整个电子装置馈电电压恒定。为此，微处理器只需通过其内部结构，可生成一矩形电压信号，所述信号的电压阀值的值与电压调节器的精度同样准确。有利地是，所述微处理器可与实施计算以确定机体细胞内或外电阻的微处理器一样，如后所述。
与文件FR-A-2775581中所述电流发生器不同，根据现有技术状况，所用各部件对环境参数很敏感，测量设备要求必须在电子装置中增加一温度补偿系统，但所述系统造价高，且很难准确实施。
但在根据本发明的测量设备中，流过人体的电子信号由一电压发生器产生，所述发生器因此可以最低成本简单实施，提供一稳定、高质量信号。
另外，一方面使用一矩形信号、另一方面利用一电压可避免复杂的测量及相移的不准确，如在现有技术状态下的生物电阻抗测量设备中那样，所述设备使用了一正弦信号及一多频率处理，同时可摆脱机体组织的电容效应，可更简单地测量细胞内外电阻的值，而无需像上述专利中申请人那样，在相当精确的时刻进行测量，也无需使用具有完全平衡的占空比的信号。因此，利用一电压信号，只需根据同一次测量中唯一且稳定的信号，就可简单地测量出细胞内电阻和细胞外电阻。
有利地是，本发明的测量设备包括多个装置，所述装置可在所述信号周期的至少两预定时刻测量其电压，以便直接确定在所述两时刻身体或被测量身体部分的等效电阻Req，并据此推导出其细胞外电阻Re及细胞内电阻Ri。
因此，只需测量两次，就可推导出所述两时刻的等效电阻Req，通过必要计算得出细胞内及细胞外电阻的值，所述值在计算生物身体组分时，尤其在确定组织内水分分配中，是必不可少的。
最好，本发明的设备包括多个装置，所述装置可在所述矩形信号的平直部分末实施第一电压测量，以确定和细胞外电阻Re相等的等效电阻Req，并在所述信号的上升沿末实施第二电压测量，以确定和Re与Ri并联相等的等效电阻Req，最后根据第一测量，确定生物身体或被测身体部分的细胞内电阻Ri。
所述信号的一个平直部分理论上可被视作一持续的、而实际频率相当低(小于10千赫兹)的信号，而所述信号的上升或下降跃迁沿理论上可被视为一无限频率、而事实上大于100千赫兹的信号。因此，通过在所述信号平直部分末实施一测量，被测身体部分的膜电容C可视为一开路，而在上升沿末膜电容C可视为一短路，这样就可确定所述电阻值，而无需考虑膜电容C的值。
最好，所述电压发生器可提供一电压信号，所述电压信号的波形的周期、幅值及占空比都可调整。
调整所述信号的周期及占空比，可更准确地测量身体或被测身体部分的细胞外电阻，通过将信号的平直部分的持续时间调节到测量结束时，可测量细胞膜电容C的全部载荷，以便可将之视为一开路。
有利地是，所述电压发生器可提供一电压信号，所述信号为一幅值在3至6伏之间的低电压信号。发送的电流不大于800微安。
使用所述设备时，所述电压可保护身体，同时确保一可实施准确测量的足够大信号。
最好，本发明的设备包括可测量体重的第二电子模块。
因此，第二模块可测量体重，所述体重直接提供给测量设备，这样计算其身体组分时可避免手动输入体重数据。
有利地是，第一、二电子模块均与一计算单元相连，所述计算单元可确定身体组分。有利地是，所述计算单元可为一微处理器。
利用测量设备的两电子模块实施测量时所得数据可传送给一计算单元，所述计算单元尤其为一微处理器，所述微处理器存储器内存储有计算公式，可产生有关身体组分的信息。
有利地是，本发明包括一显示所测值和所计算值的显示装置。
因此，测量设备的使用者可随时实时知晓设备测得及/或计算出的值。
最好，本发明的设备包括至少两激励电极——所述两电极可在身体第一点与第二点之间施加所述电信号，及至少两测量电极，在测量电极的端子上测量电压。
原则上，只需使用施加在身体上、且与测量电路相连的两电极，就可测出生物电阻抗。但使用四个电极——其中两个为信号施加电极，另两个为测量电极，可穿越过电极与身体的接触点处的皮肤阻隔层，因而可在代表被测身体部分的电路端子处直接实施测量。
有利地是，体重秤也具有本发明的特征，所述体重秤包括测量生物电阻抗的第一电子模块及至少一电能源，所述电能源可发送一可变电信号，当身体连接到测量设备时，所述电信号流过身体或被测身体部分，因为所述电能源为一可提供矩形电压信号的电压发生器。
本发明还涉及测量身体或身体一部分的生物电阻抗的方法，其中，可在与身体相连的两激励电极之间施加一矩形电压信号，在所述矩形信号的至少两预定时刻测量同样与身体相连的两测量电极之间的电压，以直接确定所述两时刻电信号流过的身体或被测身体部分的等效电阻Req，再据此算出其细胞外电阻Re及细胞内电阻Ri，最后利用测得值及一计算单元，计算出身体组分。
最好，根据本发明的方法，可在一所述矩形信号的平直部分末实施第一电压测量，以确定和细胞外电阻Re相等的等效电阻Req，并在所述信号的上升沿末实施第二电压测量，以确定和Re与Ri并联相等的等效电阻Req，最后根据第一测量，确定身体或被测身体部分的细胞内电阻Ri。
附图说明
本发明的其它特征与优点将在后文参照附图，以非限制性方式对实施本发明的实施例所作描述中更清楚地体现出来。
因此，如图1至6所示，其中：
——图1为根据现有技术的生物电阻抗测量原理简图，所述测量使用了四个电极；
——图2所示方块图示出了根据本发明的测量身体组分设备；
——图3为本发明的设备的俯视图；
——图4示出了使用本发明设备的身体组分参数的测量电路图；
——图5示出了根据本发明第一实施方式的生成电子信号的波形；
——图6示出了根据本发明第二实施方式的生成电子信号的波形。
具体实施方式
如图3所示，根据本发明，生物的身体组分测量设备2为装配有四个电极的一托盘12，所述四电极中两个为在生物体两点之间施加或激励信号的电极20、22，另两电极为测量电极24、26。当生物站在水平托盘12上称重时，所装配的电极可接触到生物的脚。电极20、22、24、26可用不锈钢或其它任何导电材料实施，而托盘12则用一绝缘材料如一塑料材料实施。托盘12上还可安装一显示测量设备12测量及/或计算出的数值的显示装置15。
有利地是，托盘12与体重秤的秤台相连，此时，所述体重秤读取到的信息可直接传输给测量设备的电路。
如图2所示，本发明的设备2的电路包括测量人和动物生物电阻抗的第一电子模块6。所述模块由一电能源、一测量单元30及一信号处理单元9构成，所述电能源尤其是一电压发生器10，所述电压发生器可发送一电子信号11，当生物身体连接到测量设备的电极上时，所述电子信号流过生物的身体或身体一部分。电子信号11流过两测量电极24和26之间的身体后，又传送回所述测量单元30中。
本发明的设备包括用于测量生物体重的第二电子模块7。第一电子模块6及第二电子模块7与计算单元14相连，尤其是能进行处理的一微处理器或一控制器。计算单元14与用于显示由设备2测量及/和计算出的数值的显示装置15相连。
图4示出了根据本发明的测量设备2的第一电子模块6的信号处理单元9的电路图。从图中可看到施加于激励电极20的电子信号11。标号4表示生物尤其是人的身体或被测量身体部分的电子模式，根据Fricke模式，其中，Ri与Re分别表示细胞内电阻与细胞外电阻，C表示人体或人体被测量部分的膜电容。标号24、26指测量电极，R2与C2表示与电极相连的身体部分尤其是脚部的皮肤接触的阻抗及电容。R0表示连结电阻。
如图4所示，可准确测量设备各测量电极24、26处的电压Vb与Vc及有一良好精确度的校准的参考电阻Rr的端部电压Vd与Vr。
因此，通过测量电压Vd与Vr，可获得电势差：
Vd-Vr＝Rr·i
从中可推导出所示电路的电流强度：
i＝(Vd-Vr)/Rr
同理，通过测量电压Vb与Vc，可得到电势差：
Vb-Vc＝Req·i
将前面计算的i代入此式，可得到
Req＝(Vb-Vc)/i＝Rr·(Vb-Vc)/(Vd-Vr)     (1)
其中，在所述关系式中，Req表示测量电压Vb、Vc、Vd、Vr时，生物身体下肢的等效电阻。
所用信号的电压的波形为矩形或方形，其周期、幅值及占空比都可调整。图5所示电子信号11应用在根据本发明第一实施方式测量身体的构成中。
生成的电子信号11的特殊之处在于：它在点31脉冲前沿，为一无限频率信号，而在点32脉冲平直部分末为一极低频率信号。另外可看出，所示电路的膜电容在高频率时被看作短路，而在低频率时被看作开路。
因此，可测量时刻31、32处的电压Vb、Vc、Vd、Vr，从中可导出：
——点31处：1/Req＝1/Re+1/Ri，其中，C为短路，Re和Ri并联，
其中：Req＝(Re·Ri)/(Re+Ri)     (2)
——点32处，Req＝Re，其中C为开路。
因此，测量点32处的电压Vb、Vc、Vd、Vr，可利用关系式(1)导出Re的值：
Re＝Req＝Rr·(Vb-Vc)/(Vd-Vr)    (3)
再次测量点31处的电压Vb、Vc、Vd、Vr，可利用关系式(2)导出Ri的值：
Ri＝Re·Req/(Re-Req)
其中，利用关系式(1)，再结合点31处测得的电压值，可计算出Req，可利用关系式(3)，可确定点32处Re的值。
总之，利用同一信号，即可确定Req及细胞内电阻Ri和细胞外电阻Re。Ri和Re的值是计算肌肉量和脂肪量所必需的。所述计算由计算单元14根据其存储器中所存储的数学公式计算得出的。所述公式还包括其它参数如体重、身高、年龄等。因此，准确测量由Ri与Re并联所代表的总电阻，可确定肌肉与脂肪组织的数量，准确测量Ri和Re还可观察到水份的分配，例如检查是否存在水肿或其它水分潴滞问题存在，又或所述测量可确定小孩体内的脂肪与肌肉量，因为孩子身体肌肉组织内所含水分量会突然发生改变。
图6示出了本发明的第二实施方式，所述实施例有一电子电压信号11，所述信号的波形为矩形或方形，其中，每次变化时信号11都会被抑制。因此，如前所述，通过测量点31、32处的电压，可计算出电阻Ri和Re。所述实施方式可避免代表细胞膜壁的电容的逐渐加载。
第一电子模块6、信号处理单元、测量单元30、计算单元14与显示装置15可构成独立的身体组分测量设备，或将其装配在其它设备如体重秤、或按摩器、健身器等中。
本发明可实施其它变型及实施方式，这并未超出本发明的权利要求范围。

Claims (14)

1、一种生物身体组分测量设备，包括用于测量生物电阻抗的第一电子模块(6)、至少一个用于生成一可变电信号的电能源，当生物身体连接到测量设备(2)时，所述可变电信号流过身体或身体一部分，其特征在于，所述电能源是用于提供一矩形电压信号(11)的电压发生器(10)。
2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述矩形电压信号(11)被施加到激励电极的端部，所述设备包括用于使在测量电极的端部实现电压测量Vb和Vc以及使在校准的参考电阻Rr的端部实现电压测量Vr和Vd的装置，和用于利用公式Req＝Rr*(Vb-Vc)/(Vd-Vr)计算身体或身体被测量部分的等效电阻的装置。
3、根据权利要求2所述的设备，其特征在于，它包括多个装置，所述装置可在所述矩形电压信号(11)周期的至少两预定时刻测量其电压以直接确定在所述两时刻身体或身体被测量部分的等效电阻Req，并据此推导出其细胞外电阻Re及细胞内电阻Ri。
4、根据权利要求3所述的设备，其特征在于，它包括多个装置，所述装置可在所述矩形电压信号(11)平直部分末(32)实施第一电压测量，以确定和细胞外电阻Re相等的等效电阻Req的第一值；并在所述矩形电压信号(11)的上升沿(31)末实施第二电压测量，以确定和Re与Ri并联相等的等效电阻Req的第二值，并根据第一和第二测量结果，确定生物身体或身体被测部分的细胞内电阻Ri。
5、根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述电压发生器(10)用于提供一矩形电压信号(11)，所述电压信号的波形的周期、幅值及占空比都可调节。
6、根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述电压发生器(10)用于提供一矩形电压信号(11)，所述信号为一幅值在3至6伏之间的低电压信号。
7、根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，它包括用于测量体重的第二电子模块(7)。
8、根据权利要求6所述的设备，其特征在于，第一电子模块(6)和第二电子模块(7)均与计算单元(14)相连，所述计算单元可用于确定身体组分。
9、根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述计算单元(14)为一微处理器。
10、根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，它包括一显示所测值和所计算值的显示装置(15)。
11、根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，它包括至少两激励电极(20，22)——所述两电极用于在身体第一点与第二点之间施加所述矩形电压信号(11)，及至少两测量电极(24，26)，在测量电极的端子上测量电压。
12、一种体重秤，包括用于测量生物电阻抗的第一电子模块(6)及至少一电能源，所述电能源用于发送一可变电信号，当身体连接到测量设备(2)时，所述电子信号流过身体或身体被测部分，其特征在于，所述电能源为一用于提供矩形电压信号(11)的电压发生器(10)。
13、一种测量生物身体或身体一部分的生物电阻抗的方法，其特征在于，在与身体相连的两激励电极(20，22)之间施加一矩形电压信号(11)，在同样与身体相连的两测量电极(24，26)之间实现电压测量Vb和Vc以及在校准的参考电阻Rr的端部实现电压测量Vr和Vd，然后利用公式Req＝Rr*(Vb-Vc)/(Vd-Vr)计算身体或身体被测量部分的等效电阻Req；在所述矩形信号的周期的至少两预定时刻测量电压，以直接确定在所述两时刻矩形电压信号(11)流过的身体或身体被测部分的等效电阻Req，再据此推导出其细胞外电阻Re及细胞内电阻Ri，并利用测得值及一计算单元(14)，确定身体组分。
14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述矩形电压信号(11)的平直部分末(32)实施第一电压测量，以确定和细胞外电阻Re相等的等效电阻Req的第一值，并在所述矩形电压信号(11)的上升沿(31)末实施第二电压测量，以确定和Re与Ri并联相等的等效电阻Req的第二值，并根据所述第一和第二测量结果确定电信号穿过的身体或身体被测部分的细胞内电阻Ri。
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