CN2480844Y

CN2480844Y - 人体重量、体内脂肪含量和水份含量集成监测仪

Info

Publication number: CN2480844Y
Application number: CN 01235598
Authority: CN
Inventors: 刘岩; 敬刚; 金玉叶
Original assignee: Shenzhen Research Institute Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Research Institute Tsinghua University
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2002-03-06
Anticipated expiration: 2011-04-23

Abstract

一种带有人体重量、体内脂肪含量和水份含量测定功能的监测仪,主要由与称量体重的秤盘结合在一起的脚踏电极板和容栅型电容传感器、人体生物电阻抗及水份测量电路、称重传感器、称重信号处理电路、微处理器系统、显示器、键盘等组成。通过被测者赤足在秤盘上站立,脚掌与电极板以及容栅型电容传感器相接触,测量人体重量的同时,利用不同频率的交变脉冲电流同时测量人体生物电阻抗和局部皮下组织介电常数,并结合由键盘输入的人体身高、年龄、性别等参数,通过数学模型运算,由显示器输出测量的人体重量、人体脂肪含量和人体水份含量,应用于日常生活中被测者在测量重量的同时便捷地测量人体脂肪含量和人体水份含量。

Description

人体重量、体内脂肪含量和水份含量集成监测仪

本实用新型属于测试技术领域，更进一步涉及一种带有人体重量、体内脂肪含量和水份含量测定功能的监测仪。

人体重量、体内脂肪含量和水份含量的测量对于评价人体肥胖程度、营养状态及健康情况具有重要意义。迄今为止，对于人体重量、体内脂肪含量和水份含量等参数，均分别有单独的测试方法予以测定。应用体重秤称量人体体重已是广泛采取的方法。测量人体脂肪含量也有一些相应的方法和成果。如同位素标记法、水下称重法、身高体重经验算法、超声波测量法、红外线测量法及人体阻抗测量法等。测量人体水份含量有三个指标，即人体总水份(TBW)、细胞内水份(ICW)和细胞外水份(ECW)。而人体总水份(TBW)则等于ICW和ECW之和，他们对于评价人体健康状况和身体细胞内外体液平衡状况有重要意义。对于人体水份含量也有相应的方法。常用的测量方法多为药物稀释法。如口服一定剂量的安替比林或氧化氚(D₂O)，待这些物质均匀地扩散到全身体液后，进行血样和尿样的检验；也有多因素放射性同位素稀释法，可以从微观角度测试包括水份含量在内的多种人体成分。对人体水份含量也有估算的方法，比如西班牙专利(ES9300378)和美国专利(US006151523A)介绍的在人体躯干多处安置电极，通过测量人体生物电阻抗和相应的数学模型估算人体水份含量的方法。以上这些方法均是单一地测试人体脂肪含量或水份含量。也有将人体重量测量与体内脂肪含量集中在一个装置上完成的方法，如中国专利“带有人体脂肪含量测定功能的电子秤”(00239320.4)所介绍的通过测量得到的人体体重、人体阻抗与输入被测者的身高、年龄参数由智能芯片进行综合判断得到体内脂肪含量的方法，它同时可以得到人体体重和体内脂肪含量两个参数。以上这些方法均不能满足对人体重量、体内脂肪含量和水份含量快捷集中监测的需要。特别是某些药物稀释法测人体水份，只能在医院进行，周期长费用高，并且不能经常实施。而在人们日常起居条件下，通过简便易行的方法随时得到人体重量、体内脂肪含量和水份含量三个参数，对于人们控制肥胖、保持体形、防止某些疾病、强体健身等都是十分需要的。

本实用新型的目的在于提供一种将人体重量、体内脂肪含量和水份含量三个参数的测量集成在一个装置中完成的监测仪。

本实用新型包括与称量体重的秤盘结合在一起的脚踏电极板和容栅型电容传感器、人体生物电阻抗及水份测量电路、称重传感器、称重信号处理电路、微处理器系统、显示器、键盘等。其基本原理是：当人体赤脚站在监测仪的秤盘上时，被测者的双脚分别与秤盘之上的电极板和容栅型电容传感器相接触。监测仪两次以不同频率的微小交变信号由两只电极板通入人体，测得人体局部生物电阻抗和与人体局部水份有关的局部皮下组织介电常数，同时通过称重传感器和电路测得人体重量。将测量得到的人体重量、人体局部生物电阻抗和局部皮下组织介电常数等参数以及从键盘输入的被测者性别、身高、年龄等数据代入数学模型，由微处理器进行运算可分别得到并显示人体重量、人体脂肪含量、人体总水份(TBW)和细胞内水份与人体总水份之比(ICW/TBW)。

各参数的数学模型表达方式如下：

Fat (%) = \frac{Fat}{W}

Fat = \frac{a_{1} H + a_{2} W + a_{3} Rm + a_{4} Y + a_{0}}{{ce}^{- (b_{1} H + b_{2} W)}}

TBW = \frac{Fat + K_{1} ϵ_{r}}{K_{2} ϵ_{r}} + K_{3}

ICW / TBW = \frac{500 + ϵ_{r}^{2}}{K_{4}^{2} - ϵ_{r}^{2}}

以上各式中，W为人体重量(kg)，R_m为人体阻抗值(Ω)，ε_r为与人体局部水份有关的局部皮下组织介电常数，Fat为人体脂肪值(kg)，Fat(％)为人体脂肪含量，H为人体身高(cm)，Y为被测人年龄，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、b₁、b₂、c、K₁、K₂、K₃、K₄均为系数。在数学模型中，W、R_m、ε_r为测得参数，H、Y和性别为经键盘输入参数。

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

图1为本实用新型系统结构图。

图2为测量方式示意图。

图3为秤盘上表面电极板及容栅型电容传感器结构实施例1示意图。

图4为秤盘上表面电极板及容栅型电容传感器结构实施例2示意图。

图5为容栅型电容传感器结构实施例1示意图。

图6为容栅型电容传感器结构实施例2示意图。

图7为人体组织阻抗模拟示意图。

图8为人体生物电阻抗和局部皮下组织介电常数测试原理示意图。

参照图1，电极板1和2以及容栅型电容传感器3和4与人体生物电阻抗和局部皮下组织介电常数测试电路5的端口相连，人体生物电阻抗和局部皮下组织介电常数测试电路5与微处理器MCU系统6的两个端口相连。其中一个端口为微处理器MCU系统6的信号采集端口，另一个端口为微处理器MCU系统6对人体生物电阻抗和局部皮下组织介电常数测试电路5发出切换指令的控制端口，用以切换人体生物电阻抗和局部皮下组织介电常数测量信号。称重传感器10的信号线与称重信号处理电路9相连，处理后的信号由称重信号处理电路9的输出端进入微处理器MCU系统6的一个端口。显示器7与微处理器MCU系统6的输出端相连，用于输入参数和测量结果的显示。键盘8与微处理器MCU系统6的I/O端口相连，用于向微处理器MCU系统6输入参数。

参照图2，本实用新型的测量方式是被测者裸足立于监测仪秤盘11之上，双足的足底脚掌分别与置于秤盘11上表面的电极板1和2和容栅型电容传感器相接触。这样可使重量测量、人体阻抗测量和局部皮下组织介电常数同时进行。

本实用新型的秤盘上表面电极板及容栅型电容传感器结构有两种实施例。参照图3，秤盘上表面电极板及容栅型电容传感器结构实施例1表示了秤盘11上表面布置可与人体双脚掌相接触的具有一定表面积的2个以上电极板1和2，在可与人体双脚掌相接触处布置1只以上容栅型电容传感器3和4。参照图4，秤盘上表面电极板及容栅型电容传感器结构实施例2表示了称盘11上表面布置可与人体双脚掌相接触的并由导线相连接的若干电极片组成的电极组12、13，在可与人体双脚掌相接触处布置1只以上容栅型电容传感器3和4。

参照图5，容栅型电容传感器结构的一种实施例是在非金属材料基板14的一个平面布置两条金属线15，两条线等间距自中心起以园形或矩形向外环绕，两条线始终不相交。

参照图6，容栅型电容传感器结构的另一种实施例是在非金属材料基板14的一个平面布置两组金属线16，两组金属线互相平行，始终不相交。

图7是本实用新型为测量人体生物电阻抗和局部组织含水量所抽象的人体组织阻抗模拟示意图。其中R_c为细胞核外组织的电阻，R_i为细胞核内组织的电阻，C为细胞膜形成的电容。因此人体组织生物电阻抗特性既有电阻特性，也有电容特性，只有使用一定频率的交变电信号才能得到人体生物电阻抗等结果。

图8则是以图7为理论基础之一，测试人体生物电阻抗和局部皮下组织介电常数的原理示意图。固定电容C₁既与正反馈RC振荡电路18相联，也与切换电路17相联。与正反馈RC振荡电路18相联的R_m是通过两脚掌与电极板相接触而接入的人体阻抗。正反馈RC振荡电路18的输出端与微处理器MCU系统6的一个输入端相联。与切换电路17相联的C₂为与脚掌接触的容栅型电容传感器。切换电路17与微处理器MCU系统6的一个输出端相联，微处理器MCU系统6通过该连线控制切换电路17，造成C₂或与C₁并联，或与C₁隔离。图8对人体生物电阻抗R_m和局部皮下组织介电常数ε_r的测量原理如下：

当C₂与C₁隔离时，正反馈RC振荡电路18的输出端输出的振荡信号频率为：

f_{1} = \frac{K}{R_{m} C_{1}}

当C₂与C₁并联时，正反馈RC振荡电路18的输出端输出的振荡信号频率为：

f_{2} = \frac{K}{R_{m} (C_{1} + C_{2})}

可解得：

C_{2} = \frac{C_{1} (f_{1} - f_{2})}{f_{2}}

而局部皮下组织介电常数εr则由下式得到：

ϵ_{r} = \frac{C_{2} δ}{ϵ_{0} A}

其中，δ为容栅型电容传感器极间距离；ε₀为真空介电常数；A为形成容栅电容的极面积。

这样由微处理器MCU系统6控制，两次测得不同的信号频率f₁和f₂，即可得到R_m和ε_r。

本实用新型通过被测者赤足在秤盘上站立，脚掌与电极板以及容栅型电容传感器相接触，同时测量人体重量、人体生物电阻抗和局部皮下组织介电常数的方式进而通过数学模型运算，达到将人体重量、人体脂肪含量和人体水份含量测量集于一体的目的，应用于日常生活中被测者在测量重量的同时便捷地测量人体脂肪含量和人体水份含量。

Claims

1.一种带有人体重量、体内脂肪含量和水份含量测定功能的监测仪，它包括与称量体重的秤盘结合在一起的脚踏电极板和容栅型电容传感器、人体生物电阻抗及水份测量电路、称重传感器、称重信号处理电路、微处理器系统、显示器、键盘等，其特征在于：电极板1和2以及容栅型电容传感器3和4同时置于称盘11上表面，可与被测者脚掌相接触。

2.如权利要求1所述的一种带有人体重量、体内脂肪含量和水份含量测定功能的监测仪，其特征在于：置于秤盘11上表面的电极板1和2或由导线相连接的若干电极片组成的电极组12、13至少有两只以上金属片。

3.如权利要求1所述的一种带有人体重量、体内脂肪含量和水份含量测定功能的监测仪，其特征在于：置于秤盘11上表面的容栅型电容传感器至少有一只以上。

4.如权利要求1所述的一种带有人体重量、体内脂肪含量和水份含量测定功能的监测仪，其特征在于：固定电容C₁既与正反馈RC振荡电路18相联，也与切换电路17相联。与正反馈RC振荡电路18相联的R_m是通过两脚掌与电极板相接触而接入的人体阻抗。正反馈RC振荡电路18的输出端与微处理器MCU系统6的一个输入端相联。与切换电路17相联的C₂为与脚掌接触的容栅型电容传感器。切换电路17与微处理器MCU系统6的一个输出端相联，微处理器MCU系统6通过该连线控制切换电路17，造成C₂或与C₁并联，或与C₁隔离。当C₂与C₁隔离时，正反馈RC振荡电路18的输出端输出的振荡信号频率为：

f_{1} = \frac{K}{R_{m} C_{1}}

f_{2} = \frac{K}{R_{m} (C_{1} + C_{2})}

解得：

C_{2} = \frac{C_{1} (f_{1} - f_{2})}{f_{2}}

而局部皮下组织介电常数ε_r则为：

ϵ_{r} = \frac{C_{2} δ}{ϵ_{0} A}

其中，δ为容栅型电容传感器极间距离；ε₀为真空介电常数；A为形成容栅电容的极面积。这样由微处理器MCU系统6控制，两次测得不同的信号频率f₁和f₂，即可得到R_m和ε_r。