ITTO20010927A1 - Procedimento e dispositivo per la misurazione del grasso corporeo. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Procedimento e dispositivo per la misurazione del grasso corporeo"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un procedimento ed un dispositivo perfezionati per la misurazione del grasso corporeo di un essere vivente, e più in particolare di un soggetto umano.

La composizione corporea, ed in particolare la percentuale di grasso corporeo, è una indicazione riconosciuta dalla salute fisica. Sono attualmente impiegate diverse tecniche per determinare la percentuale di grasso corporeo, comprese le misurazioni con calibro, le misurazioni di spostamento in acqua e le misurazioni dell'impedenza bioelettrica.

Secondo l'ultima tecnica, come descritto nei brevetti statunitensi n. 5415 176 e 5611 351, entrambi il soggetto di cui si deve stimare il grasso corporeo si pone in piedi sopra un dispositivo a piatto di bilancia avente quattro elettrodi applicati sulla propria superficie superiore. Una corrente elettrica di 800 microampere a 50 kHz è generata da una sorgente di corrente costante. La corrente viene fatta fluire dapprima attraverso due elettrodi posti a contatto con le dita dei piedi del soggetto e quindi attraverso due resistori di riferimento disposti in serie con il corpo del soggetto e tra loro. La corrente elettrica circolante attraverso il soggetto provoca lo sviluppo di un potenziale di tensione tra i talloni del soggetto.

Impiegando una disposizione di interruttori controllati da un microprocessore ed un circuito di misurazione della tensione, viene misurata la tensione tra i talloni attraverso due altri elettrodi a contatto con i talloni del soggetto. Vengono inoltre misurate le tensioni ai capi dei resistori di riferimento durante l'applicazione della corrente elettrica alle punte dei piedi del soggetto. Un confronto tra le tensioni misurate ai capi dei resistori di riferimento e la tensione tra i talloni fornisce una misura assai accurata della impedenza tra i talloni. Dopo aver introdotto nel microprocessore alcuni parametri addizionali, quali l'età, il peso e l'altezza, questo calcola la densità corporea utilizzando un algoritmo che correla l'impedenza corporea ed i parametri addizionali alla densità corporea. Una volta ottenuta la densità corporea il microprocessore svolge un secondo calcolo per convertire la densità corporea in percentuale di grasso corporeo.

I summenzionati inventori hanno ravvisato diversi svantaggi del dispositivo mostrato da Sato et al. In primo luogo, la corrente ad 800 microampere produce un campo elettrico relativamente forte, centrato in corrispondenza degli elettrodi di alimentazione della corrente. Tale distribuzione di campo vincola la disposizione degli elettrodi di alimentazione della corrente rispetto agli elettrodi di rivelazione della tensione: è richiesto che i due insiemi di elettrodi siano distanziati di almeno 5 cm. Questa limitazione di distanza può presentare un problema nella stima del grasso corporeo di bambini piccoli.

In secondo luogo, gli elettrodi del dispositivo di Sato et al. sono piatti ed abbastanza larghi per adattarsi ad una varietà di dimensioni dei piedi di persone adulte. La pressione del peso del soggetto sui propri piedi a contatto con la superficie ampia e piatta degli elettrodi limita la circolazione del sangue nei tessuti in corrispondenza degli elettrodi. Si ritiene che questa costrizione faccia sì che l'impedenza corporea misurata risulti artificialmente aumentata, creando una sorgente di errore nella stima del grasso corporeo. Inoltre, i larghi elettrodi del dispositivo di Sato et al. fanno si che il dispositivo appaia particolarmente clinico e poco estetico, ed affatto di facile impiego.

In terzo luogo, i resistori di riferimento nel dispositivo di Sato et al. sono disposti in serie tra loro e con il corpo del soggetto. Questa configurazione limita la durevolezza e l'affidabilità del dispositivo, poiché se il collegamento tra ciascuno dei resistori o gli elettrodi di alimentazione della corrente viene accidentalmente interrotto, l'intero dispositivo non è più in grado di funzionare. Inoltre, il dispositivo è soltanto in grado di misurare combinazioni di resistori di riferimento adiacenti tra loro. Questa configurazione limita pertanto la risoluzione della misura.

Infine, gli elettrodi di alimentazione della corrente sono posti a contatto delle dita dei piedi del soggetto, mentre gli elettrodi di misurazione della tensione sono posti a contatto dei suoi talloni. Pertanto, la corrente circola dalle dita dei piedi attraverso i piedi verso i talloni e quindi verso l'alto attraverso le gambe. L'impedenza corporea misurata include pertanto l'impendenza ditatallone di ciascun piede. Tuttavia l'impedenza dita-tallone non è compresa come variabile indipendente in molte equazioni che correlano l'impedenza corporea e la percentuale di grasso corporeo, le variazioni nella dimensione e nell'impedenza dei piedi da soggetto a soggetto introducono un errore supplementare nel calcolo del grasso corporeo.

Di conseguenza, è scopo della presente invenzione superare questi ed altri problemi associati alla tecnica nota, e proporre un dispositivo per la misurazione del grasso corporeo ad alta risoluzione, robusto ed accurato, che possa essere utilizzato da una grande varietà di soggetti.

Secondo la presente invenzione, la composizione corporea di un soggetto viene misurata alimentando una corrente elettrica di 300 microampere a 50 kHz al corpo del soggetto, attraverso una matrice di elettrodi di alimentazione posti a contatto dei talloni del soggetto, misurando la tensione ai capi di una matrice di elettrodi di rivelazione della tensione posti a contatto delle eminenze (e/o delle dita) dei piedi del soggetto ed ai capi di una pluralità di resistori di riferimento interni, collegati in parallelo con il corpo del soggetto, e calcolando da queste misure la percentuale del grasso corporeo in funzione dell'impedenza corporea. Una forma di realizzazione preferita dell'invenzione comprende una sorgente di corrente collegata in parallelo a due o più resistori di riferimento ed al corpo del soggetto. I resistori ed il corpo del soggetto sono inseriti e disinseriti dal circuito e le diverse tensioni ai capi dei resistori e del corpo vengono rilevate da un amplificatore differenziale. L'uscita dell'amplificatore differenziale è trattata da un raddrizzatore e da un filtro passa-basso e fornita in ingresso ad un convertitore analogico-digitale (ADC). L'uscita dal convertitore analogico-digitale è fornita ad una unità di controllo a microprocessore, la quale calcola l'impedenza del corpo dell'individuo sulla base delle diverse misurazioni di tensione, e la percentuale di grasso corporeo in funzione di tale impedenza e di altre variabili quali l'altezza, il peso, l'età ed il sesso.

In aggiunta, le matrici di elettrodi della presente invenzione sono realizzate come piccoli pomi arrotondati leggermente in rilievo rispetto alla superficie su cui sono applicate. Gli elettrodi sono raggruppati in quattro matrici, due matrici di alimentazione della corrente che sono poste a contatto del tallone destro e sinistro, e due matrici di rivelazione della tensione che sono poste a contatto delle eminenze dei piedi. Poiché viene impiegata una corrente di soli 300 microampere, invece che 800 microampere, le matrici di elettrodi di alimentazione della corrente e di rivelazione della tensione possono essere abbastanza vicine tra loro. Secondo una forma di realizzazione preferita, gli elettrodi sono separati da una distanza di circa 1 cm.

Questa configurazione delle matrici di elettrodi presenta un numero di vantaggi rispetto alla tecnica nota. In primo luogo, gli elettrodi possono essere spaziati in modo sufficientemente ravvicinato così da permettere anche a bambini con un piede piccolo di usare il dispositivo. In secondo luogo, un soggetto ha una grande flessibilità per quanto riguarda la specifica disposizione dei propri piedi sul dispositivo. Infine, dal momento che il piede del soggetto entra in contatto con numerosi piccoli elettrodi distribuiti sulla superficie del piede, la circolazione sanguigna in ciascun piede è migliorata rispetto alla configurazione di elettrodi piatti menzionata richiamando la tecnica nota, e la misurazione è pertanto resa più riproducibile.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 è uno schema a blocchi che mostra un dispositivo per la misurazione del grasso corporeo secondo la presente invenzione;

la figura 2A è una vista dall'alto delle matrici di elettrodi applicate alla superficie superiore del dispositivo secondo la presente invenzione; e

la figura 2B è una vista in sezione secondo la linea IIB-IIB del dispositivo mostrato in figura 2a.

Un dispositivo secondo la presente invenzione, come mostrato nella forma di realizzazione preferita della figura 1, comprende una sorgente 10 di corrente costante di 300 microampere a 50 kHz collegata in parallelo ad una pluralità di resistori di riferimento Ri (RI, R2 ed R3 sono indicati ad esempio nella figura 1) e al corpo 60 del soggetto. I resistori Ri ed il corpo 60 del soggetto sono inseriti nel e disinseriti dal circuito per mezzo degli interruttori Sj (nella figura 1 sono mostrati gli interruttori S1-S8), i quali sono controllati dall'unità di controllo a microprocessore (MCU) 120. Nella forma di realizzazione mostrata nella figura 1 le diverse tensioni ai capi di resistori e del corpo sono collegate sequenzialmente ad un dispositivo 70 per la misura della caduta di tensione attraverso gli interruttori S9-S12, anch'essi controllati dalla MCU 120.

Ad esempio, per misurare la tensione sviluppata ai capi del corpo 60 vengono chiusi gli interruttori S7, S8, S11 ed S12 mentre vengono aperti gli interruttori da SI ad S6, S9 ed S10. Pertanto la corrente fluisce attraverso la matrice 20 di elettrodi di alimentazione della corrente, la quale è posta a contatto con uno dei talloni del soggetto, attraverso il corpo 60 ed attraverso la serie 30 degli elettrodi di alimentazione a contatto con l'altro tallone del soggetto. Simultaneamente, la tensione generata tra le eminenze dei piedi del soggetto è trasferita attraverso le matrici 40 e 50 degli elettrodi rivelatori di tensione, i quali sono a contatto con le eminenze dei piedi del soggetto, agli ingressi del dispositivo 70 per la misurazione della caduta di tensione. In modo simile, per misurare la tensione sviluppata ai capi del resistore RI vengono chiusi gli interruttori S1, S2, S9 ed S10, mentre gli interruttori da S3 a S8, S11 ed S12 sono mantenuti aperti. In questo modo può essere misurata la tensione ai capi di ciascuno dei resistori o del corpo del soggetto.

Inoltre, possono essere collegate combinazioni dei resistori di riferimento Ri (R1, R2 ed R3 nella figura 1) e del corpo 60, e può essere misurata la tensione ai capi della combinazione. Ad esempio, i resistori RI ed R2 possono essere collegati chiudendo gli interruttori S1, S2, S3, S4, S9 ed SIO ed aprendo gli altri interruttori. Pertanto si può ottenere una grande quantità di punti di rilevamento di resistenza/tensione con una risoluzione limitata dei valori di resistenza. Inoltre, il numero potenziale dei punti di rilevamento può essere facilmente aumentato aumentando il numero dei resistori Ri di riferimento in parallelo con il corpo 60. La risoluzione dei punti di rilevamento è determinata dai valori dei resistori di riferimento e dalle resistenze equivalenti di gruppi di resistori; i resistori di riferimento sono scelti in modo tale da abbracciare l'intera gamma dell'impedenza del corpo umano, che è tipicamente compresa tra 0 e 1000 Ohm.

Dal momento che le tensioni presentate al dispositivo 70 di misura della caduta di tensione sono piccole tensioni a corrente alternata, il dispositivo 70 comprende un amplificatore differenziale 80 per amplificare il segnale di tensione a corrente alternata, un circuito raddrizzatore 90 ed un filtro passa-basso (LPF) 100. Il dispositivo 70 per la misura della caduta di tensione presenta pertanto una tensione a corrente continua, corrispondente all'ampiezza del segnale di tensione a corrente alternata, al convertitore analogico-digitale (ADC) 110, il quale, a sua volta, trasferisce la misura di tensione digitalizzata alla MCU 120. La MCU 120 effettua quindi un'interpolazione dell'impedenza del corpo confrontando la tensione del corpo misurata con le resistenze di riferimento misurate. In questo modo vengono eliminati gli errori di misura della tensione provocati da resistenze di contatto o non linearità dell'amplificatore.

In seguito la MCU 120 utilizza formule note per calcolare la percentuale del grasso corporeo a partire dall'impedenza del corpo misurata. Nel brevetto statunitense n. 5415 176 Sato et al. rivelano una tale formula, un procedimento di calcolo in due passi secondo il quale viene prima calcolata la densità corporea in funzione dell'impedenza corporea, e quindi viene calcolata la percentuale di grasso corporeo in funzione della densità corporea. La formula svelata per il primo passo di calcolo è:

in cui BD è la densità corporea, W è il peso in chilogrammi, Z è l'impedenza corporea, e H è l'altezza in centimetri. La formula richiamata per il secondo passo è:

in cui %BF è la percentuale di grasso corporeo e BD è la densità corporea. Tuttavia, può essere utilizzata qualsiasi altra formula che correli l'impedenza corporea al grasso corporeo. Una volta che la MCU 120 ha calcolato il grasso corporeo del soggetto, essa mostra i risultati su uno schermo di visualizzazione 130.

Le figure 2A e 2B mostrano la configurazione a matrice degli elettrodi secondo una forma di attuazione preferita dell'invenzione. Quando il soggetto è in piedi sul dispositivo di misurazione del grasso corporeo, i piedi 270, 280 appoggiano sugli elettrodi descritti. Secondo la specifica forma di realizzazione illustrata, gli elettrodi sono divisi in quattro sezioni 230, 240, 250 e 260. Le matrici 230 e 240 sono matrici di elettrodi rivelatori di tensione, mentre le matrici 250 e 260 sono matrici di alimentazione della corrente. Rispetto agli elettrodi larghi e piatti, le matrici di elettrodi a geometria discreta stimolano i piedi del soggetto migliorando la circolazione sanguigna e rendendo la misura dell'impedenza corporea più riproducibile. Inoltre, il soggetto non è limitato nella disposizione dei propri piedi 270, 280 purché il tallone del piede, ad esempio del piede 280, sia a contatto con almeno uno degli elettrodi della matrice 260 di elettrodi di alimentazione della corrente, e l'eminenza del piede 280 sia a contatto con almeno uno degli elettrodi della matrice 230 di elettrodi rivelatori di tensione. Secondo una forma di realizzazione, gli elettrodi delle matrici 230, 240 di rivelazione della tensione e gli elettrodi delle matrici 250, 260 di alimentazione della corrente sono separati da una distanza di 1 cm, cosi che sia i ragazzi sia gli adulti possano usare il dispositivo. Nella figura 2A sono anche mostrati un pannello visualizzatore 220 ed una tastierina 210 per l'immissione nella MCU di parametri quali l'altezza, il peso e il sesso.

La figura 2B mostra una vista in sezione del dispositivo di misurazione del grasso corporeo mostrato nella figura 2A. Per un dato piede 280 gli elettrodi 300 di rivelazione della tensione sono posti a contatto dell'eminenza e del dito del piede, mentre gli elettrodi 310 di alimentazione della corrente sono posti a contatto del tallone. Come si nota dalla figura 2B, gli elettrodi 300 di rivelazione della tensione sono collegati tra loro elettricamente e così gli elettrodi 310 di alimentazione della corrente.

Di preferenza, la superficie non conduttrice 320 è sufficientemente rigida per sostenere il peso del soggetto senza deformarsi e può essere realizzata a partire da qualsiasi materiale non conduttore sostanzialmente rigido, ad esempio vetro. In alternativa possono essere anche utilizzati materiali conduttori, quali l'alluminio, purché sia prevista un'intercapedine od isolamento tra gli elettrodi e la superficie 320.

Anche se l'invenzione è stata descritta con riferimento a una specifica forma di attuazione, sarà chiaro ad un tecnico del ramo che modifiche possono essere apportate alla struttura e alla forma dell'invenzione senza allontanarsi dal suo spirito e dalla sua portata. Ad esempio, si comprenderà che le matrici di elettrodi possono essere facilmente applicate ai dispositivi di misura del grasso corporeo facendo uso di una tecnica di misura dell'impedenza a due punti piuttosto che della tecnica a quattro punti sopra descritta. Allo stesso modo, si comprenderà che la configurazione dei resistori di riferimento in parallelo può essere applicata anche ai sistemi di misura a due punti. Di conseguenza, la portata dell'invenzione non è limitata alle forme di attuazione sopra descritte ma è definita esclusivamente dalle seguenti rivendicazioni .

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per la misurazione della percentuale di grasso corporeo del corpo di un soggetto, comprendente : un involucro; una matrice di cinque o più elettrodi, montati su detto involucro e predisposti per entrare in contatto con il corpo del soggetto, in cui almeno due di detti elettrodi sono elettricamente collegati tra loro; una sorgente di corrente collegata a detta matrice, per cui può essere fornita corrente al corpo del soggetto attraverso almeno alcuni di detti elettrodi, determinando lo sviluppo di una tensione ai capi del corpo; un amplificatore di tensione collegato a detta matrice, per cui la tensione ai capi del corpo del soggetto può essere ricevuta ed amplificata; ed un microprocessore, collegato a detto amplificatore e configurato per calcolare la composizione corporea del soggetto sulla base della tensione amplificata .
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta matrice di elettrodi include: una prima matrice di elettrodi di alimentazione della corrente collegati a detta sorgente di corrente; e una seconda matrice di elettrodi rivelatori di tensione collegati a detto amplificatore di tensione .
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui ciascuno degli elettrodi di detta prima matrice è montato almeno a circa 1 cm di distanza da ciascuno degli elettrodi di detta seconda matrice.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui : gli elettrodi di detta prima matrice sono raggruppati per formare un primo ed un secondo gruppo, e tutti gli elettrodi di ciascun gruppo sono elettricamente collegati tra loro, ciascun gruppo essendo collegato a detta sorgente di corrente; e gli elettrodi di detta seconda matrice sono raggruppati in un terzo ed un quarto gruppo, e tutti gli elettrodi di ciascun gruppo sono elettricamente collegati tra loro, ciascun gruppo essendo collegato a detto amplificatore di tensione.
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detta base presenta quattro quadranti e ciascun gruppo di elettrodi è montato in uno di detti quadranti.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui detti gruppi sono disposti su detta base in modo tale che quando un soggetto è in piedi su detta base detti primo e secondo gruppo sono a contatto dei talloni dei suoi piedi, e detti terzo e quarto gruppo sono a contatto delle eminenze dei suoi piedi, per cui vengono evitati errori di misura provocati dalle variazioni nell'impedenza tallone-dita .
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui, quando detto soggetto è a contatto con detti elettrodi, una corrente elettrica di intensità non superiore a circa 300 microampere fluisce attraverso il corpo del soggetto.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui detta corrente è di circa 300 microampere.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui la superficie di detta base è strutturalmente rigida.
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, in cui la superficie di detta base è vetro.
11. 11. Dispositivo per la misurazione della percentuale del grasso corporeo del corpo di un soggetto, comprendente: due o più elettrodi rivelatori di tensione suscettibili di entrare in contatto con una estremità di detto corpo; due o più elettrodi di alimentazione della corrente suscettibili di entrare in contatto con tale estremità in una posizione più vicina in senso prossimale a detto corpo di quella dei due o più elettrodi rivelatori di tensione; una sorgente di corrente collegata a detti elettrodi di alimentazione della corrente, per cui una corrente può essere fornita al corpo; un amplificatore di tensione collegato a detti elettrodi rivelatori di tensione, per cui una tensione ai capi dal corpo può essere ricevuta ed amplificata; ed un microprocessore configurato per calcolare la percentuale di grasso corporeo sulla base della tensione rilevata da detti elettrodi rivelatori di tensione, in cui sono ridotti gli errori di misurazione provocati dalle variazioni dell'impedenza dell'estremità.
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, in cui: detti elettrodi di alimentazione della corrente sono posti a contatto dei talloni dei piedi del soggetto; e detti elettrodi rivelatori di tensione sono posti a contatto delle eminenze dei piedi del soggetto .
13. 13. Dispositivo per la misurazione della percentuale del grasso corporeo del corpo di un soggetto, comprendente : due o più elettrodi suscettibili di entrare in contatto con detto corpo; due o più resistori di riferimento predisposti in parallelo con detto corpo; una sorgente di corrente; un amplificatore di tensione; un dispositivo di commutazione controllabile suscettibile di collegare detta sorgente di corrente e detto amplificatore di tensione a detti elettrodi e a detti resistori di riferimento, in modo tale che possa essere alimentata una corrente a detto corpo e detti resistori e che possa essere ricevuta ed amplificata la tensione ai loro capi; e un microprocessore, collegato a detto amplificatore e configurato in modo tale da calcolare la percentuale del grasso corporeo del soggetto sulla base delle tensioni amplificate, in cui il dispositivo rimane in funzione anche se si guasta il collegamento ad uno di detti resistori di riferimento.
14. 14. Procedimento per la misurazione della percentuale di grasso corporeo del corpo di un soggetto, comprendente i passi di: alimentare una corrente ad una matrice di cinque o più elettrodi a contatto con detto corpo, in cui almeno due di detti elettrodi sono elettricamente collegati tra loro; ricevere ed amplificare una tensione della matrice di elettrodi; e calcolare la percentuale del grasso corporeo del soggetto sulla base della tensione amplificata.
15. 15. Procedimento per la misurazione della percentuale di grasso corporeo del corpo di un soggetto, comprendente i passi di: alimentare una corrente attraverso due o più elettrodi di alimentazione di corrente a contatto con un'estremità di detto corpo; ricevere ed amplificare una tensione a due o più elettrodi a contatto con tale estremità, ad una posizione più distante, in senso prossimale, dal centro del corpo di quella dei due o più elettrodi di alimentazione della corrente; e calcolare la percentuale del grasso corporeo del soggetto sulla base della tensione amplificata.
16. 16. Procedimento per la misurazione della percentuale di grasso corporeo del corpo di un soggetto, comprendente i passi di: alimentare una corrente attraverso due o più resistori di riferimento disposti in parallelo al corpo; ricevere ed amplificare una tensione sviluppata ai capi di uno o più resistori di riferimento; alimentare una corrente attraverso due o più elettrodi a contatto del corpo; ricevere ed amplificare una tensione in corrispondenza di due o più elettrodi a contatto del corpo; e calcolare la percentuale del grasso corporeo del soggetto sulla base della tensione ricevuta ed amplificata .