一种基于双频生物电阻抗测量的人体成分分析仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于双频生物电阻抗测量的人体成分分析仪，包括人体载置装置，还包括主电路板、测量系统和打印机；主电路板包括主控单片机系统、双频交流恒流发生系统、激励信号选通、测量信号选通、AD转换器、数据输入、数据显示和语音播报；双频交流恒流发生系统与激励信号选通相连；测量系统的一端与测量信号选通相连，另一端与AD转换器相连；双频交流恒流发生系统、激励信号选通、测量信号选通、AD转换器、数据输入、数据显示和语音播报及打印机均与主控单片机系统相连，主电路板和打印机安装在人体载置装置内部。解决了由于价格昂贵、操作不便、影响身体健康等缺点，普通家庭无法普及的问题。该分析仪成本低，方便、安全、无创伤。
【专利说明】
一种基于双频生物电阻抗测量的人体成分分析仪
技术领域
[0001]本实用新型涉及人体健康监测领域，特别涉及一种基于双频生物电阻抗测量的人体成分分析仪。【背景技术】
[0002]在医疗应用中，人体成分测定往往关注人体水分含量的测量，以便为血液透析、水肿治疗等提供操作指导。在人体锻炼与保健中，我们往往关注身体肌肉与脂肪含量的比例以保持身体健康与匀称。
[0003]目前主要的人体成分测定方法有同位素稀释法、水下称重法、双能X射线法、计算机断层扫描、磁共振成像、中子活化分析等方法，但是由于具有价格昂贵、操作不便、影响身体健康等缺点，无法普及普通家庭使用。【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种采用定时单片机，双频率和人体五节段阻抗模型， 采用生物电阻抗法测量人体成分的分析仪，既降低了成本，提高了测量精度，又方便、安全、 无创伤。
[0005]为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是:一种基于双频生物电阻抗测量的人体成分分析仪，包括人体载置装置，还包括主电路板、测量系统和打印机;所述主电路板包括主控单片机系统、双频交流恒流发生系统、激励信号选通、测量信号选通、AD转换器、 数据输入、数据显示和语音播报;所述双频交流恒流发生系统与激励信号选通相连;所述测量系统的一端与所述测量信号选通相连，另一端与所述AD转换器相连;所述双频交流恒流发生系统、激励信号选通、测量信号选通、AD转换器、数据输入、数据显示语音播报和打印机均与所述主控单片机系统相连;所述主电路板和打印机均安装在所述人体载置装置内部。
[0006]进一步地，所述的测量系统包括第一激励电极、第二激励电极、第三激励电极、第四激励电极，第一测量电极、第二测量电极、第三测量电极、第四测量电极，身高传感器和体重传感器;所述每一个激励电极与一个测量电极组成一组电极，分别连接人体的左手、右手、左脚、右脚处;所述激励电极与所述激励信号选通相连;所述的测量电极与所述测量信号选通相连。
[0007]进一步地，所述人体载置装置包括底板，所述底板上方连接有支撑杆，所述支撑杆为长方体，所述支撑杆距所述底板上方lm处固定有显示屏装置，两侧分别连接有第一手柄、 第二手柄，所述支撑杆一侧开有打印纸张出口，所述支撑杆上方连接有伸缩杆，所述伸缩杆顶端到所述底板的最大距离为2.2m，所述伸缩杆顶部衔接一个与所述底板平行的支撑横杆。
[0008]进一步地，所述第一激励电极和第一测量电极安装在所述第一手柄的顶端，所述第二激励电极和第二测量电极安装在所述第二手柄的顶端;所述第三激励电极和第三测量电极，所述第四激励电极和第四测量电极安装在所述底板上;所述体重传感器安装于所述底板内；所述身高传感器安装在所述支撑横杆的末端且与所述底板平行;所述主电路板和打印机均安装在所述支撑杆内部。
[0009]进一步地，所述显示屏装置包括一个三棱柱和显示屏，所述三棱柱固定于所述支撑杆上，所述显示屏安装于所述三棱柱上面。
[0010]更进一步地，所述双频交流恒流发生系统包括串联连接的定时单片机、低通滤波器和恒流运放;所述定时单片机与所述主控单片机系统连接，所述恒流运放与所述激励信号选通连接;所述双频交流恒流发生系统分别产生频率为20KHZ和100KHZ的信号。
[0011]上述人体成分分析仪中，所述的数据输入，用于将被测人的ID信息，以及年龄、性别等手动输入到主控单片机中。双频交流恒流发生系统包括定时单片机、低通滤波器、恒流运放，定时单片机、低通滤波器、恒流运放串联连接;定时单片机与主控单片机系统连接，恒流运放与激励信号选通连接，定时单片机产生由主控单片机设置频率的方波信号，双频交流恒流发生系统，产生2个频率分别为20KHz和lOOKHz的交流恒流小信号。
[0012]上述人体成分分析仪中，测量系统包括第一激励电极、第二激励电极、第三激励电极、第四激励电极、第一测量电极、第二测量电极、第三测量电极、第四测量电极，身高传感器和体重传感器;每个激励电极与另一个测量电极作为一组电极，分别连接于人体的左手、 右手、左脚掌、右脚掌处;激励电极与激励信号选通相连;测量电极与测量信号选通相连。测量系统通过测量电极间的电压差与激励电极间的电流值之比计算电阻抗值，通过身高传感器、体重传感器测量人体的身高、体重。激励信号选通由主控单片机控制，依次选通2个激励电极，通过这两个电极将电流传输到被测人体;测量信号选通由主控单片机控制，依次选通 2个激励电极、身高传感器、体重传感器，将测量结果传输到AD转换器;主控单片机将输入的数据和测得的人体电阻抗进行计算得身体质量指数BM1、人体水总量TBW、腰臀比WHR、脂肪质量FM以及非脂肪量FFM等主要人体成分含量，通过输出显示和打印将结果反应给用户。 [〇〇13]本实用新型的有益效果:
[0014]本实用新型通过时分方法，基于五节段人体电阻抗模型，测量20KHz、100KHz情况下各节段的阻抗值，相比于使用单频测量大大提高了预算结果的准确性；用单片机定时产生一定频率的信号，相比使用晶振和分频精度高，比使用直接数字式频率合成器(DDS)成本更低；可以灵活设置信号的频率，省去晶振、分频等模块，结构简单；系统合理地采取了滤波、去耦、恒流等技术，提高所测阻抗的准确性，使预测人体成分更稳定可靠。【附图说明】
[0015]图1:本实用新型的一种实施方式系统结构示意图；
[0016]图2:本实用新型的一种实施方式人体成分分析仪结构图；
[0017]图3:本实用新型的一种实施方式双频交流恒流发生系统电路图；
[0018]图4:本实用新型的一种实施方式人体阻抗模型原理图；
[0019]图5:本实用新型的一种实施方式人体阻抗测量原理图；
[0020]图中，卜第一激励电极、2-第一测量电极、3-第二激励电极、4-第二测量电极、5-第三激励电极、6-第三测量电极、7-第四激励电极、8-第四测量电极、9-底板、10-主电路板、 11-支撑杆、12-伸缩杆、13-体重传感器、14-身高传感器、15-打印纸张出口、16-显示屏、17-第一手柄、18-第二手柄、19-支撑横杆、20-主控单片机系统、21-数据输入、22-激励信号选通、23-测量信号选通、24-AD转换器、u3-定时单片机、u5-低通滤波器、u4-恒流运放、Zra-右手腕到右肩间的阻抗、Zla-左手腕到左肩间的阻抗、Zrl-右脚踝到右髋关节间的阻抗、 Z11-左脚踝到左髋关节间的阻抗、Zt-躯干的阻抗。【具体实施方式】
[0021]下面将结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述，如图1所示，本实施方式采用如下技术方案:一种基于双频生物电阻抗测量的人体成分分析仪，包括人体载置装置， 还包括主电路板10、测量系统和打印机;所述主电路板10包括主控单片机系统20、双频交流恒流发生系统、激励信号选通22、测量信号选通23、AD转换器24、数据输入21、数据显示和语音播报;所述双频交流恒流发生系统与激励信号选通22相连;所述测量系统的一端与所述测量信号选通23相连，另一端与所述AD转换器24相连;所述双频交流恒流发生系统、激励信号选通22、测量信号选通23、AD转换器24、数据输入21、数据显示语音播报和打印机均与所述主控单片机系统20相连;所述主电路板10和打印机均安装在所述人体载置装置内部。 [〇〇22]所述的测量系统包括第一激励电极1、第二激励电极3、第三激励电极5、第四激励电极7,第一测量电极2、第二测量电极4、第三测量电极6、第四测量电极8,身高传感器14和体重传感器13;所述每一个激励电极与一个测量电极组成一组电极，分别连接人体的左手、 右手、左脚、右脚处;所述激励电极与所述激励信号选通22相连;所述的测量电极与所述测量信号选通23相连。
[0023]所述人体载置装置包括底板9,所述底板上方连接有支撑杆11，所述支撑杆11为长方体，所述支撑杆11距所述底板9上方lm处固定有显示屏装置，两侧分别连接有第一手柄 17、第二手柄18,所述支撑杆11 一侧开有打印纸张出口 15,所述支撑杆11上方连接有伸缩杆 12,所述伸缩杆11顶端到所述底板9的最大距离为2.2m，所述伸缩杆11顶部衔接一个与所述底板平行的支撑横杆19。
[0024]所述第一激励电极1和第一测量电极2安装在所述第一手柄17的顶端，所述第二激励电极3和第二测量电极4安装在所述第二手柄18的顶端;所述第三激励电极5和第三测量电极6,所述第四激励电极7和第四测量电极8安装在所述底板9上;所述体重传感器13安装于所述底板9内；所述身高传感器14安装在所述支撑横杆19的末端且与所述底板9平行;所述主电路板10和打印机均安装在所述支撑杆11内部。[〇〇25]所述显示屏装置包括一个三棱柱和显示屏16,所述三棱柱固定于所述支撑杆11 上，所述显示屏16安装于所述三棱柱上面。
[0026]所述双频交流恒流发生系统包括串联连接的定时单片机u3、低通滤波器u5和恒流运放u4;所述定时单片机u3与所述主控单片机系统20连接，所述恒流运放u4与所述激励信号选通22连接;所述双频交流恒流发生系统分别产生频率为20KHz和lOOKHz的信号。
[0027]本实施方式的人体成分分析仪中做好了电源隔离、控制信号隔离、数据隔离，保证仪器使用安全。
[0028]如图2所示，本实施方式的人体载置装置包括底板9,连接脚跟、脚掌的第三激励电极5、第三测量电极6、第四激励电极7、第四测量电极8安装在底板9上，底板9内部安有体重传感器13;底板上方连接形状为长方体的支撑杆11，支撑杆11内部安装主电路板10、打印机，主电路板10内部集成主控单片机及AD转换器24等模块;支撑杆11上端，距底板上方lm处，固定一个三棱柱型的装置，其向上的那个面为人机交互显示屏16,可以用来输入数据和显示结果。在人机交互显示屏16附近，支撑杆11的2个侧面连接着第一手柄17、第二手柄18， 手柄的顶端为连接拇指、手掌的电极，测量时握住手柄，伸出大拇指;在支撑杆11的一侧开有打印纸张出口 15，在支撑杆11上方连接有伸缩杆12，为保证适用于绝大多数人，伸缩杆12 顶端到底板9的最大距离为2.2米。伸缩杆12顶部衔接一个与底板9平行的支撑横杆19,在支撑横杆19另一端固定与底板9平行的身高传感器14,身高传感器14用来测量人体身高，到测量身高时，身高传感器14先测量其与底板9上方间的距离，再测量其到人头顶距离，相减即被测人的身高。[〇〇29]如图3所示，双频交流恒流发生系统包括定时单片机u3、低通滤波器u5、恒流运放 u4〇
[0030]定时单片机u3产生单频信号的同时输出2个控制信号，控制1个多路选择开关，通过这个多路选择开关，将定时单片机u3的输出波形与两个独立的低通滤波器选择连通，再将两个低通滤波器u5的输出与恒流源选择连通作为输入，恒流源输出的就是设定频率的恒流交流小信号。
[0031]如图4所示，将人体阻抗看成5个节段的阻抗，右手腕到右肩间的阻抗用器Zra表示，左手腕到左肩间的阻抗用Zla表示，右脚踝到右髋关节间的阻抗用Zrl表示，左脚踝到左髋关节间的阻抗用Z11表示，躯干的阻抗用Zt表示。第一激励电极1、第二激励电极3、第三激励电极5、第四激励电极7连接在手掌、脚掌处，第一测量电极2、第二测量电极4、第三测量电极6、第四测量电极8连接在拇指、脚趾处。在第一激励电极1、第三激励电极5间通入激励电流，第一测量电极2、第二测量电极4间的电压，电压电流之比即为阻抗，同理可测得各个阻抗的值。
[0032]如图5所示，激励选通信号控制在选通分为第一激励电极1、第四激励电极7,第二激励电极3、第三激励电极5的二组激励电极中各选一个配对选通，发送微弱的交流信号，和人体不同节段电阻形成通路;测量选通信号可以控制在4个测量电极中任意选择2个测量电极配对选通，2个测量电极间的交流信号经整流、滤波后可测得电压值，与电流之比就是阻抗。当测量选通信号选通身高或体重传感器时，直接将所测值经AD转换器24后发送给主控单片机系统20;当测量选通信号选通测量电极时，激励、测量电极的不同组合可以测得人体不同节段或者它们之间组合的阻抗值。激励选通信号、测量选通信号受主控单片机的控制， 通过时分复用的方式测量并发送结果给主控单片机。
[0033]虽然以上结合附图描述了本实用新型的【具体实施方式】，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。
【主权项】
1.一种基于双频生物电阻抗测量的人体成分分析仪，包括人体载置装置，其特征在于: 还包括主电路板、测量系统和打印机;所述主电路板包括主控单片机系统、双频交流恒流发 生系统、激励信号选通、测量信号选通、AD转换器、数据输入、数据显示和语音播报;所述双 频交流恒流发生系统与激励信号选通相连;所述测量系统的一端与所述测量信号选通相 连，另一端与所述AD转换器相连;所述双频交流恒流发生系统、激励信号选通、测量信号选 通、AD转换器、数据输入、数据显示语音播报和打印机均与所述主控单片机系统相连;所述 主电路板和打印机均安装在所述人体载置装置内部。2.如权利要求1所述的基于双频生物电阻抗测量的人体成分分析仪，其特征在于:所述 的测量系统包括第一激励电极、第二激励电极、第三激励电极、第四激励电极，第一测量电 极、第二测量电极、第三测量电极、第四测量电极，身高传感器和体重传感器;所述每一个激 励电极与一个测量电极组成一组电极，分别连接人体的左手、右手、左脚、右脚处;所述激励 电极与所述激励信号选通相连;所述的测量电极与所述测量信号选通相连。3.如权利要求2所述的基于双频生物电阻抗测量的人体成分分析仪，其特征在于:所述 人体载置装置包括底板，所述底板上方连接有支撑杆，所述支撑杆为长方体，所述支撑杆距 所述底板上方lm处固定有显示屏装置，两侧分别连接有第一手柄、第二手柄，所述支撑杆一 侧开有打印纸张出口，所述支撑杆上方连接有伸缩杆，所述伸缩杆顶端到所述底板的最大 距离为2.2m，所述伸缩杆顶部衔接一个与所述底板平行的支撑横杆。4.如权利要求3所述的基于双频生物电阻抗测量的人体成分分析仪，其特征在于:所述 第一激励电极和第一测量电极安装在所述第一手柄的顶端，所述第二激励电极和第二测 量电极安装在所述第二手柄的顶端;所述第三激励电极和第三测量电极，所述第四激励电 极和第四测量电极安装在所述底板上;所述体重传感器安装于所述底板内；所述身高传感 器安装在所述支撑横杆的末端且与所述底板平行;所述主电路板和打印机均安装在所述支 撑杆内部。5.如权利要求3所述的基于双频生物电阻抗测量的人体成分分析仪，其特征在于:所述 显示屏装置包括一个三棱柱和显示屏，所述三棱柱固定于所述支撑杆上，所述显示屏安装 于所述三棱柱上面。6.如权利要求1所述的基于双频生物电阻抗测量的人体成分分析仪，其特征在于:所述 双频交流恒流发生系统包括串联连接的定时单片机、低通滤波器和恒流运放;所述定时单 片机与所述主控单片机系统连接，所述恒流运放与所述激励信号选通连接;所述双频交流 恒流发生系统分别产生频率为20KHz和1 OOKHz的信号。
【文档编号】A61B5/053GK205597918SQ201620205549
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】周立青, 吕雪晴, 张令, 李俊, 陈隆, 孙沛琪, 李易, 陈小桥
【申请人】武汉大学