CN205795695U

CN205795695U - 基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪

Info

Publication number: CN205795695U
Application number: CN201620597578.4U
Authority: CN
Inventors: 陈波; 张云贺; 高秀娥; 张爱强; 吴金峰
Original assignee: Dalian University
Current assignee: Dalian University
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2026-06-17

Abstract

本实用新型涉及人体阻抗领域，具体为基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪。该人体电阻抗测试仪主要包括ARM核心板、外围测量电路、存储模块、LCD触摸屏模块、接口模块，所述的外扩阻抗测量电路包括正弦信号产生电路、电压控制电流源、电极选通系统、微弱信号提取电路、可控增益放大电路以及相位检测电路。本实用新型设计的基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪操作简单、方便、快速、安全、无创，测量结果较为精确，其应用前景十分广阔。

Description

基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪

技术领域

本实用新型涉及人体阻抗领域，具体涉及基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪。

背景技术

人体阻抗是反映人体组织或器官电学特性的物理量，通过人体阻抗的测量可以了解人体组织或器官的生理状态，进而了解人体成分及身体状况的改变，对人体营养状况及疾病预防有着重要意义。建立准确的人体阻抗模型是人体阻抗测量的关键。目前使用最为普遍的是五段阻抗模型。该模型将人体分为四肢和躯干五个部分，将身体各部分阻抗差异考虑在内，但无法准确测量人体躯干部各部位的阻抗分布。

实用新型内容

针对五段人体阻抗模型难以反映人体躯干体成分变化的不足以及目前尚无详细完善的八段人体阻抗测试仪，本实用新型提出了一种基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，为人体躯干细分的阻抗测量提供了解决方案。

本实用新型的技术方案如下：基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，该人体电阻抗测试仪包括ARM核心板、外围测量电路、存储模块、LCD触摸屏模块、接口模块；所述的外围测量电路包括正弦信号产生电路、电压控制电流源、电极选通系统、微弱信号提取电路、可控增益放大电路以及相位检测电路；

所述的ARM核心板与存储模块、接口模块、LCD触摸屏模块以及外围测量电路连接，正弦信号产生电路与电压控制电流源连接，电压控制电流源与电极选通系统连接，电极选通系统与微弱信号提取电路连接，微弱信号提取电路与可控增益放大电路连接，可控增益放大电路与相位检测电路连接。

进一步的，所述的测试仪还包括电极回路，所述的电极回路在左手、右手、左脚、右脚各安置两个电极，一个为电流电极，另一个为电压电极，通过在两个电流电极添加电流激励形成回路。

进一步的，所述的ARM核心板采用S3C2440处理器。

进一步的，所述的正弦信号产生电路为DDS数字化电路。

进一步的，所述的电极选通系统采用两片MAXIM公司的双通道四选一模拟多路复用器MAX14778。

进一步的，所述的微弱信号提取电路采用TL082CP芯片或CA3140芯片。

进一步的，所述的可控增益放大电路采用数字电位器。

进一步的，所述的相位检测电路采用AD8302相位测量的单片集成电路。

进一步的，所述的数字电位器采用Intersil公司生产的10位分辨率电阻抽头数字电位器X9119。

进一步的，所述的相位检测电路，采用AD8302单片集成电路。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提供的基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，利用多电极和多种频率的交流电对人体四肢和躯干细分的电阻抗进行测量，从而大大提高了测量的准确性。通过测得的人体组织及器官的电特性进一步测量人体脂肪含量、内脏脂肪面积、细胞内外水分、腰臀比等人体体成分，将其作为参考，指导人们形成科学的保健锻炼习惯、合理的营养膳食习惯、及时有效的医疗检查习惯，以减少疾病的发生率，尤其是在肥胖症的防治、健美、儿童及青少年生长发育状况的监测以及运动员的科学训练方面有着极大的帮助，对提高全国健康水平有着重要的研究意义。此外，本测试仪操作简单、方便、快速、安全、无创，测量结果较为精确，其应用前景十分广阔。

附图说明

图1是本实用新型测试仪的示意图；

图2是实施例中系统软件架构示意图；

图3是八段人体阻抗模型示意图；

图4是电极分布图及电流流经人体示意图；

图5是电压控制电流源电路；

图6是电极选通系统示意图；

图7是微弱信号提取电路；

图8是可控增益放大电路。

具体实施方式

如附图1和附图2所示，基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，包括ARM核心板、外围测量电路、存储模块、LCD触摸屏模块、接口模块。其中，外围测量电路由正弦信号产生电路、电压控制电流源、电极选通系统、微弱信号提取电路、可控增益放大电路以及相位检测电路组成。软件架构主要包括嵌入式Linux操作系统和应用程序开发。其中，嵌入式Linux操作系统包括Linux内核移植、引导加载程序、文件系统、驱动程序开发、进程调用和通信及用户图形界面。应用程序开发包括测量控制模块、阻抗计算模块、体成分计算模块及数据存储模块。

躯干是人体的最大组成部分，然而，由于它是全身面积最大的部分，所以其阻抗值是最低的，约为几十欧，而上肢和下肢的阻抗约为200Ω；但躯干却含有人体成分的40％。因此，为了保证躯干部分电阻抗测量的准确性，将躯干部分单独划分出来进行细分是十分必要的。临床上，躯干部脂肪分成皮下脂肪和内脏脂肪两大类。人体躯干的上段为胸腔，其脂肪分布主要为皮下脂肪；躯干下段为腹部，其脂肪分布主要是下腹部的内脏脂肪以及皮下脂肪。在人体成分测量中，区分躯干上部(胸部)和下部(腹部)的脂肪含量尤为重要。

八段人体阻抗模型示意图如图3所示。在五段人体阻抗模型的基础上，八段人体阻抗模型将躯干部进行细分，将人体分为右上肢R₁、左上肢R₃、右下肢R₇、左下肢R₈、躯体右部纵向R₄、躯体左部纵向R₅、躯体部上部R₂、躯体部下部R₆八个部分。

本实用新型的测量模型是一个四端口的阻抗网络即A、B、C、D，如图1所示。采用了八电极生物电阻抗测量方法，即左手、右手、左脚、右脚各安置两个电极，一个为电流电极，另一个为电压电极。通过在两个电流电极添加电流激励形成回路，通过不同的电压电极进行测量，得到该激励-测量模式下的电压值，计算相应段的阻抗结果。不同激励-测量模式下，电流流经人体的示意图如图4-a、4-b、4-c所示，图4-a、4-b、4-c分别为电流接通右手与右脚、左手与左脚、左脚与右脚时，电流流经人体的示意图。如图4-a所示，当电流接通右手与右脚时，电流流经右上肢、躯干及右下肢，若在右手与右脚间进行电压测量时，即可得到右上肢、躯干及右下肢的电压值。这样的组合总共有36对，如表1所示。

表1

由电路原理可知，对于一个确定的四端口网络，有效的测量只有6组，如表2所示。对应于这六组有效测量方式的阻抗求解方程分别为

(R_{1} + \frac{R_{2} * R_{4}}{R_{2} + R_{4} + R_{5} + R_{6}}) * I = V_{a c 1} - - - (1)

(R_{3} + \frac{R_{2} * R_{5}}{R_{2} + R_{4} + R_{5} + R_{6}}) * I = V_{b d 1} - - - (2)

\frac{R_{2} * R_{6}}{R_{2} + R_{4} + R_{5} + R_{6}} * I = V_{c d 1} - - - (3)

\frac{R_{4} * R_{5}}{R_{2} + R_{4} + R_{5} + R_{6}} * I = V_{a d 2} - - - (4)

(R_{7} + \frac{R_{4} * R_{6}}{R_{2} + R_{4} + R_{5} + R_{6}}) * I = V_{c d 2} - - - (5)

(R_{8} + \frac{R_{4} * R_{5}}{R_{2} + R_{4} + R_{5} + R_{6}} + \frac{R_{5} * R_{6}}{R_{2} + R_{4} + R_{5} + R_{6}}) * I = V_{b d 3} - - - (6)

其中，式(1)中，电流I加在左手与右手间，测量得到右手与右脚间的电压为V_ac1；式(2)中，电流I加在左手与右手间，测量得到左手与左脚间的电压为V_bd1；式(3)中，电流I加在左手与右手间，测量得到左脚与右脚间的电压为V_cd1；式(4)中，电流I加在右脚与右手间，测量得到右手与左手间的电压为V_ad2；式(5)中，电流I加在右脚与右手间，测量得到左脚与右脚间的电压为V_cd2；式(6)中，电流I加在右手与左脚间，测量得到左手与左脚间的电压为V_bd3。

表2

由阻抗模型可知，待测阻抗值有八个。通过上面的六个方程还不能得到所有阻抗值，在方程的解中会含有两个未知数，此方程组为一个不定方程组。要求解全部八段阻抗值，还需找出与上述方程组线性无关的两个方程。临床研究表明，人体左右两侧并不是绝对对称的，但在人体的不同部位则表现出不同程度的对称性。在人体躯干部，由于内脏在体内的分布不均，因而表现出较差的对称性；但在人体的四肢部分，则表现出较高程度的对称性。

作为人体成分测量的估计方法，在没有确切的肢体疾患和可见的肢体不对称情况下，可认为人体的左右上肢和左右下肢基本对称，即阻抗值相同。由于肢体发育、疾病等原因，左右肢体不对称是可能的，对于明确的肢体左右不对称可以通过其他方法修正。

由以上分析可知，不妨设：

R₁＝R₃ (7)

R₆＝R₈ (8)

由此得出八段阻抗模型的相应方程，式(1)～(8)八个方程联立即可求解人体分段阻抗值。

设相应于式(1)～(6)各阻抗方程测量所得的阻抗值分别为：

X₁＝V_ac1/I，X₂＝V_bd1/I，X₃＝V_cd1/I

X₄＝V_ad2/I，X₅＝V_cd2/I，X₆＝V_bd3/I

联立方程，解方程组可得，若令：

m = \frac{X_{1} - X_{2}}{X_{4} + X_{5} - X_{6}}, n = \frac{X_{1} - X_{2}}{X_{3}}

p＝mX₄-nX₃，q＝mX₃-nX₃+2mX₄+X₃

计算可得人体八段阻抗值分别为：

R₁＝R₃＝X₂-mX₃ (9)

R₂＝qX₃/p (10)

R₄＝mqX₄/p (11)

R₅＝q (12)

R₆＝qX₃/mp (13)

R₇＝R₈＝X₅-mX₄X₃/p (14)

本测试仪采用基于S3C2440处理器的ARM核心板，将其控制正弦信号产生电路产生通入人体的微弱交流电，电流源产生恒定的电流。采用电流镜方案实现电压控制电流源，使用AD844加上双反馈方法解决了电流镜不对称和温度漂移的问题，其电路图如图5所示。

将电流源产生恒定的电流通过电极选通多路开关的电流电极注入人体，采用多路复用的测量方案。测量方案中有8个电极(4个电流电极、4个电压电极)分别置于人体的右手、右脚、左手、左脚。测量中如何选通这些电极以形成不同的测量回路来达到测量八段人体阻抗值就变得尤为重要。本系统采用两片MAXIM公司的双通道四选一模拟多路复用器MAX14778来实现电极选通电路。MAX14778采用 3.0V至5.5V单电源供电时，可承受高达25V的模拟信号。每个多路复用器具有独立的控制输入，可单独切换，理想用于使用相同连接器引脚复用不用信号的应用。其测量连线图如图6所示。

电压电极采集人体相应部位之间的电压信号，电压信号通过微弱信号提取电路提取出来。由于人体阻抗信号比较微弱，为了对此信号进行处理、测量，必须要将信号放大到所需强度，否则将被可能出现的干扰信号所掩盖。阻抗测量放大电路需要满足高输入阻抗、高共模抑制比和低噪声、低漂移等要求。测试仪采用同相关联结构的差动放大的微弱信号提取方案，其电路图如图7所示。

从微弱信号提取电路提取出来电压信号经过可控增益放大电路，将微弱的电压信号进行倍数放大。由于四肢和躯干部位的阻抗值相差较大，不是同一个数量级别，如果采用相同的放大级数，将会产生极大的误差，对测量阻抗的精细系统是十分大的缺陷。因此，测试仪的躯干部分采用了可控增益放大电路，如图8所示。考虑系统复杂性、成本高低、使用灵活性等多种因素，可控增益放大电路采用数字电位器，通过改变控制电位器的命令字来改变电阻的大小，从而实现放大倍数的改变。

经过放大倍数的电压信号再通过相位检测电路之后，可得到与阻抗大小成正比的直流电压，经A/D转换电路，将模拟量转换为数字量，送入ARM核心板处理，通过体成分预测算法模块得到人体体成分数据，并将人体体成分数据显示在用户图形界面上。用户图形界面包括四个子窗口，分别用于显示：人体生理参数的统计与输入、阻抗数据的获取与显示、人体体成分的预测与显示及人体体成分含量分布及对比。

应用开发部分的测量模块模块采集人体电压电极上得到的电压信号，并将电压信号传送至阻抗计算模块，对受测者的人体体成分进行综合分析并计算出人体阻抗值，再将数据结果传送给体成分计算模块，计算出人体各成分的比率，调用数据存储模块中的估计测量人体成分所使用的回归方程，就能够准确地分析计算得到人体四肢及躯干上部、下部和纵向阻抗数据，从而可得到准确的人体阻抗值，实现对人体躯干部体成分的快速准确测量。本实用新型通过测得的人体组织及器官的电特性进一步测量人体脂肪含量、内脏脂肪面积、细胞内外水分、腰臀比等人体体成分，将其作为参考，指导人们形成科学的保健锻炼习惯、合理的营养膳食习惯、及时有效的医疗检查习惯，以减少疾病的发生率，尤其是在肥胖症的防治、健美、儿童及青少年生长发育状况的监测以及运动员的科学训练方面有着极大的帮助，对提高全国健康水平有着重要的研究意义。此外，本测试仪操作简单、方便、快速、安全、无创，测量结果较为精确，其应用前景十分广阔。

Claims

1.基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，其特征在于，包括ARM核心板、外围测量电路、存储模块、LCD触摸屏模块、接口模块；所述的外围测量电路包括正弦信号产生电路、电压控制电流源、电极选通系统、微弱信号提取电路、可控增益放大电路以及相位检测电路；

2.如权利要求1所述的基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，其特征在于，还包括电极回路，所述的电极回路在左手、右手、左脚、右脚各安置两个电极，一个为电流电极，另一个为电压电极，通过在两个电流电极添加电流激励形成回路。

3.如权利要求1所述的基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，其特征在于，所述的ARM核心板采用S3C2440处理器。

4.如权利要求1所述的基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，其特征在于，所述的正弦信号产生电路为DDS数字化电路。

5.如权利要求1所述的基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，其特征在于，所述的电极选通系统采用两片MAXIM公司的双通道四选一模拟多路复用器MAX14778。

6.如权利要求1所述的基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，其特征在于，所述的微弱信号提取电路采用TL082CP芯片或CA3140芯片。

7.如权利要求1所述的基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，其特征在于，所述的可控增益放大电路采用数字电位器。

8.如权利要求7所述的基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，其特征在于，所述的数字电位器采用Intersil公司生产的10位分辨率电阻抽头数字电位器X9119。

9.如权利要求1所述的基于八段阻抗模型的人体电阻抗测试仪，其特征在于，所述的相位检测电路采用AD8302相位测量的单片集成电路。