專利名稱：由單片集成電路構(gòu)成的生物阻抗測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以生物阻抗方法為基礎(chǔ)的測(cè)量裝置，特別是涉及一種利用集成電路構(gòu)成裝置的改進(jìn)的電路結(jié)構(gòu)，以便能夠測(cè)量生物阻抗。
已有常規(guī)提出或提供的裝置，它能以生物阻抗方法為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)有關(guān)體質(zhì)的因數(shù)。例如，已經(jīng)使用的身體脂肪計(jì)，它是通過施加穿過測(cè)試對(duì)象身體末端部分的電流并測(cè)量施加電流部分間的電壓，來測(cè)量測(cè)試對(duì)象生命體的生物阻抗值，并由測(cè)量值以及要考慮的一套測(cè)試對(duì)象的包括高度、重量、性別的身體數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)身體脂肪率。該身體脂肪計(jì)的內(nèi)部電路由多個(gè)部件構(gòu)成，這些部件包括用作控制和處理單元(CPU)的微型計(jì)算機(jī)、運(yùn)算放大器等等。
上述身體脂肪計(jì)中采用的微型計(jì)算機(jī)具有的功能不外乎是普通微型計(jì)算機(jī)所具有的，例如控制和處理功能、輸入輸出端口等等，而將其它部件設(shè)置在微型計(jì)算機(jī)外部，并通過相應(yīng)的端口將其連接和控制。
在現(xiàn)有技術(shù)的身體脂肪計(jì)中，用于產(chǎn)生施加給生命體并由該生命體輸出的交變電流的交變電流發(fā)生器部件、用于放大由生命體輸出的模擬信號(hào)的差動(dòng)放大器、用于將由差動(dòng)放大器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器等整個(gè)構(gòu)成了設(shè)置在微型計(jì)算機(jī)外部的多個(gè)部件?；诖?，需花費(fèi)大量的工時(shí)將這些部件裝配到電路板上。進(jìn)一步說，不利的是身體脂肪計(jì)的底板必需增大尺寸，由此引起了阻礙身體脂肪計(jì)自身小型化的負(fù)面效應(yīng)。
再進(jìn)一步說，由于從生命體獲得的模擬信號(hào)由差動(dòng)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器輸入、輸出并處理，該差動(dòng)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器通過底板上的配線圖連接，因此信號(hào)可能受到進(jìn)入配線圖的噪聲的干擾，從而導(dǎo)致生物阻抗測(cè)量的誤差，否則該生物阻抗能得以更精確的測(cè)量。
更進(jìn)一步說，身體脂肪計(jì)常常在相對(duì)潮濕的環(huán)境中使用，例如浴室或洗手間，有時(shí)電路板吸收潮氣導(dǎo)致介電常數(shù)的變化，這也會(huì)引起生物阻抗測(cè)量中的誤差。因此，通過采用使用防潮性能較好的底板的防范措施解決潮氣問題，以保證生物阻抗測(cè)量的精度級(jí)別。
更為不利的是，尤其在這樣的身體脂肪計(jì)中，需要增加測(cè)量電極的數(shù)量來增加測(cè)量位點(diǎn)的數(shù)量，或需要改變施加給生命體的交變電流，以便能在多個(gè)頻率測(cè)量生物阻抗，所以電路結(jié)構(gòu)必需變得更為復(fù)雜，體積更大，這使脂肪計(jì)的小型化更加困難。
根據(jù)上述問題得到了本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供一種高精度、低成本的生物阻抗測(cè)量裝置和采用所述裝置的身體脂肪計(jì)，該生物阻抗測(cè)量裝置具有更少的電路部件，以便減少制造步驟的數(shù)量，并由此降低了成本。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，基于生物阻抗方法來測(cè)量測(cè)試對(duì)象生物阻抗的生物阻抗測(cè)量裝置包括輸入裝置、交變電流信號(hào)發(fā)生器、開關(guān)、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制和處理裝置、存儲(chǔ)單元、輸出裝置和振蕩器，其中所述輸入裝置輸入測(cè)試對(duì)象的個(gè)人身體數(shù)據(jù)；所述交變電流信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生施加給生命體的交變電流信號(hào)；所述開關(guān)彼此切換與測(cè)量生命體電壓的電極以及與參考阻抗的連接；所述放大器放大測(cè)得的交變電壓信號(hào)；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器將表示經(jīng)放大的交變電壓信號(hào)的模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；所述控制和處理裝置基于所輸入的個(gè)人身體數(shù)據(jù)和測(cè)得的生物阻抗值來評(píng)價(jià)有關(guān)測(cè)試對(duì)象體質(zhì)的因數(shù)，并控制每個(gè)裝置；所述存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)輸入的個(gè)人身體數(shù)據(jù)、有關(guān)測(cè)試對(duì)象體質(zhì)的評(píng)價(jià)因數(shù)等等；所述輸出裝置輸出一套表示有關(guān)體質(zhì)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的信號(hào)；以及所述振蕩器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制和處理裝置的時(shí)鐘信號(hào)；其中所述裝置具有一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，它包括集成到單片電路的所述交變電流信號(hào)發(fā)生器、所述開關(guān)、所述放大器、所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器、所述控制和處理裝置、所述存儲(chǔ)單元、所述輸出裝置和所述振蕩器。
按照本發(fā)明的生物阻抗測(cè)量裝置所采用的微型計(jì)算機(jī)進(jìn)一步包括一個(gè)分頻器和頻率開關(guān)裝置，其中所述分頻器產(chǎn)生多個(gè)頻率的交變電流信號(hào)；以及所述頻率開關(guān)裝置選擇性地輸出由所述分頻器產(chǎn)生的多個(gè)頻率的交變電流信號(hào)；其中上述兩個(gè)裝置也集成到所述單片電路中。
按照本發(fā)明的生物阻抗測(cè)量裝置所采用的微型計(jì)算機(jī)進(jìn)一步包括一個(gè)開關(guān)和另一個(gè)開關(guān)，其中所述開關(guān)與設(shè)置在微型計(jì)算機(jī)外部的用于測(cè)量生物阻抗的多個(gè)供電電極相連，并開關(guān)來自所述交流電源的交變電流信號(hào)，以便輸出來自該電源的信號(hào)；以及所述另一個(gè)開關(guān)與設(shè)置在所述微型計(jì)算機(jī)外部的多個(gè)電壓檢測(cè)電極相連，并開關(guān)所測(cè)量的交變電壓；其中所述兩個(gè)開關(guān)也集成到所述單片電路中。
按照本發(fā)明的生物阻抗測(cè)量裝置所采用的微型計(jì)算機(jī)進(jìn)一步包括恒定電壓發(fā)生器、低電壓檢測(cè)裝置、穩(wěn)壓電源裝置、傳感器輸入開關(guān)裝置、放大器和轉(zhuǎn)換器，其中所述恒定電壓發(fā)生器與設(shè)置在微型計(jì)算機(jī)外部的電源相連，并產(chǎn)生恒定電壓；所述低電壓檢測(cè)裝置確定設(shè)置在微型計(jì)算機(jī)外部的所述電源的電壓電平是否等于或高于特定電平；所述穩(wěn)壓電源裝置為設(shè)置在微型計(jì)算機(jī)外部的傳感器提供恒定電壓；所述傳感器輸入開關(guān)裝置開關(guān)來自設(shè)置在微型計(jì)算機(jī)外部的傳感器的信號(hào)；所述放大器放大來自所述傳感器輸入開關(guān)裝置的輸出信號(hào)；以及所述轉(zhuǎn)換裝置將表示所述經(jīng)放大的輸出信號(hào)的模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；其中所有所述裝置也集成到所述單片電路中。
進(jìn)一步說，所述交變電流信號(hào)發(fā)生器包括存儲(chǔ)單元、輸出裝置和轉(zhuǎn)換器，其中所述存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)正弦波電壓值；對(duì)應(yīng)于每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的輸入，所述輸出裝置基于所述存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的所述正弦波電壓值輸出電壓信號(hào)；以及所述轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。
進(jìn)一步說，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)計(jì)算器，該計(jì)算器對(duì)應(yīng)于一個(gè)取樣周期中的每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)計(jì)算數(shù)字值，并測(cè)量交變電壓波形以計(jì)算交變電壓的有效值。
再進(jìn)一步說，所述交變電流信號(hào)發(fā)生器包括一個(gè)低通濾波器和電壓電流轉(zhuǎn)換器，其中所述低通濾波器去除由所述分頻器輸出的交變方波電壓中的高頻成分，以便將其轉(zhuǎn)換成正弦波電壓；以及所述電壓電流轉(zhuǎn)換器將所述正弦波電壓轉(zhuǎn)換成施加給生命體的所述交變電流信號(hào)。
進(jìn)一步說，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括整流器、濾波器電路和計(jì)算器，其中所述整流器整流由所述放大器放大的交變電壓信號(hào)；所述濾波器電路使經(jīng)整流的交變電壓信號(hào)成為有效值；以及對(duì)應(yīng)于取樣周期中的每個(gè)時(shí)鐘，所述計(jì)算器由成為有效值的所述信號(hào)計(jì)算數(shù)字值。
將參照附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖1表示依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的身體脂肪率測(cè)量裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖。
圖2(a)和2(b)表示依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的交流電源結(jié)構(gòu)方框圖。
圖3(a)和3(b)表示依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)方框圖；圖4是表示依照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的身體脂肪率測(cè)量裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖。
圖5是表示依照本發(fā)明另一個(gè)替換實(shí)施例的身體脂肪率測(cè)量裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖。
依據(jù)本發(fā)明的生物阻抗測(cè)量裝置采用一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，該微型計(jì)算機(jī)具有幾乎所有的進(jìn)行生物阻抗測(cè)量所需的功能元件，這些功能元件都集成到單片電路中(此后稱之為單片微型計(jì)算機(jī))。
進(jìn)一步說，依據(jù)本發(fā)明的生物阻抗測(cè)量裝置采用了能提供幾乎所有為多個(gè)頻率測(cè)量或使用多電極測(cè)量所必需的功能的單片微型計(jì)算機(jī)。
進(jìn)一步說，依據(jù)本發(fā)明的生物阻抗測(cè)量裝置采用了能提供幾乎所有為其它參數(shù)測(cè)量所必需的功能的單片微型計(jì)算機(jī)，利用與其相連的外部傳感器，加入這些其它參數(shù)以測(cè)量生物阻抗。
參照附圖，對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施例進(jìn)行說明。
圖1表示依照本發(fā)明的第一實(shí)施例的脂肪率測(cè)量裝置內(nèi)部電路的電連接方框圖，該裝置能基于測(cè)試對(duì)象的生物阻抗測(cè)量身體脂肪率。單片微型計(jì)算機(jī)1內(nèi)的集成電路包括控制和處理單元2作為執(zhí)行相應(yīng)元件的控制和處理操作的控制裝置和處理裝置；振蕩器3作為振蕩裝置，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制和處理單元2的時(shí)鐘信號(hào)；分頻器4作為分頻裝置，為振蕩器3輸出的時(shí)鐘信號(hào)分頻；交流電源5作為交變電流信號(hào)發(fā)生器，它由分頻信號(hào)產(chǎn)生交變電流，并輸出施加到生命體上的交變電流；差動(dòng)放大器6作為放大裝置，它通過參考阻抗17產(chǎn)生的電壓信號(hào)或來自所述交流電源5的交變電流放大生命體阻抗產(chǎn)生的電壓信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換器7作為模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，將表示來自差動(dòng)放大器6信號(hào)的模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；開關(guān)裝置8用作開關(guān)裝置，它在控制和處理單元2的控制下切換電路，以便使由生物阻抗產(chǎn)生的信號(hào)或參考阻抗17產(chǎn)生的信號(hào)中的任一信號(hào)都可以輸入到差動(dòng)放大器6；輸出端9用作輸出裝置，它基于由控制和處理單元2計(jì)算的生物阻抗值，向外界輸出結(jié)果；輸入端10包括多個(gè)端口，用來連接設(shè)置在單片微型計(jì)算機(jī)1外部的開關(guān)組，所述開關(guān)組用作輸入裝置，用于設(shè)置測(cè)量開始或設(shè)置個(gè)人身體數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)單元11用作存儲(chǔ)裝置，用來存儲(chǔ)操作程序、輸入的個(gè)人身體數(shù)據(jù)和所計(jì)算的生物阻抗值；以及體重值輸入端12，它用于輸入測(cè)試對(duì)象的體重。
單片微型計(jì)算機(jī)1的外部設(shè)置了如下部件開關(guān)組，它包括按鍵開關(guān)13，它用于設(shè)定測(cè)試對(duì)象的人體數(shù)據(jù)例如身高、性別和年齡，還包括個(gè)體化按鍵開關(guān)14，在開始進(jìn)行生物阻抗測(cè)量時(shí)，它用于從存儲(chǔ)單元11調(diào)出設(shè)置的每個(gè)測(cè)試對(duì)象的個(gè)人身體數(shù)據(jù)；一對(duì)與交流電源5相連的供電電極15A和15B，將該電極帶到與測(cè)試對(duì)象的皮膚接觸，以便將電流施加到生命體中；一對(duì)與開關(guān)裝置8相連的電壓測(cè)量電極16A和16B，用于測(cè)量已施加電流的相應(yīng)位點(diǎn)之間的電壓；用于更精確地測(cè)量生物阻抗的參考阻抗17；顯示單元18，它基于輸出端9的信號(hào)，表示測(cè)量的結(jié)果或設(shè)定的內(nèi)容；與體重值輸入端12連接的體重輸入裝置19，用于輸入測(cè)試對(duì)象的體重值；以及與單片微型計(jì)算機(jī)1相連的電源20，用于為驅(qū)動(dòng)整個(gè)電路提供電流。
現(xiàn)依照該身體脂肪率測(cè)量裝置的測(cè)量過程，對(duì)其內(nèi)部電路的運(yùn)行進(jìn)行說明。
需要提前利用按鍵開關(guān)13設(shè)定測(cè)試對(duì)象的人的個(gè)人身體數(shù)據(jù)。開始測(cè)量時(shí)，通過個(gè)體化按鍵開關(guān)14，測(cè)試對(duì)象選擇指定給他(她)的個(gè)人數(shù)據(jù)的個(gè)人編號(hào)，并把他(她)自己放置好，這樣他(她)腳掌的腳趾分別與每個(gè)供電電極15A、15B接觸，而他(她)的腳后跟分別與每個(gè)電壓測(cè)量電極16A、16B接觸。
對(duì)應(yīng)于個(gè)體化按鍵開關(guān)14的一個(gè)輸入，控制和處理單元2利用來自振蕩器3的時(shí)鐘信號(hào)，命令分頻器4產(chǎn)生預(yù)定頻率的信號(hào)，并命令交流電源5產(chǎn)生施加給生命體的交變恒定電流。所產(chǎn)生的交變恒定電流通過供電電極15A和15B施加到測(cè)試對(duì)象的身體中。
控制和處理單元2具有事先測(cè)量的參考阻抗17，在此該控制和處理單元驅(qū)動(dòng)開關(guān)裝置8以使電壓測(cè)量電極16A和16B的電路完成測(cè)量生命體中的生物阻抗值。由于利用該參考阻抗的生物阻抗測(cè)量方法已在本申請(qǐng)人申請(qǐng)的日本專利特開平6-277191號(hào)中公開了，因此在此省略其詳細(xì)說明。通過差動(dòng)放大器6放大測(cè)得的生物阻抗信號(hào)。用A/D轉(zhuǎn)換器7將表示放大的生物阻抗信號(hào)的模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值輸入到控制和處理單元2中。
基于通過個(gè)體化按鍵開關(guān)14選擇的個(gè)人編號(hào)，控制和處理單元2讀出由存儲(chǔ)單元11存儲(chǔ)的個(gè)人身體數(shù)據(jù)，并從由A/D轉(zhuǎn)換器7輸出的生物阻抗數(shù)字信號(hào)、該身體數(shù)據(jù)以及通過與體重值輸入端12相連的體重值輸入裝置19輸入測(cè)試對(duì)象的體重值中計(jì)算測(cè)試對(duì)象的身體脂肪率，并向輸出端9發(fā)送表示結(jié)果的輸出信號(hào)。該體重值輸入裝置19是一個(gè)體重傳感器，它能真實(shí)地測(cè)量測(cè)試對(duì)象的體重，或它是一個(gè)結(jié)構(gòu)為通過鍵操作輸入數(shù)字值的裝置。輸出端9的輸出信號(hào)發(fā)送到表示結(jié)果的顯示單元18。
盡管現(xiàn)在將說明交流電源5的一些典型結(jié)構(gòu)，應(yīng)明確的是這些結(jié)構(gòu)已被普遍采用，因此僅簡(jiǎn)明扼要地進(jìn)行說明。
圖2(a)是交流電源5的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部設(shè)備的方框圖，并且需要說明的是在此產(chǎn)生50kHz的正弦波交變電流。
將一個(gè)晶體振蕩器用于振蕩器3，以輸出若干MHz的方波振蕩信號(hào)。在該實(shí)施例中，通過使用具有1/64分頻比的分頻器4將3.2MHz的時(shí)鐘方波振蕩信號(hào)變成50KHz的方波交變電壓。交流電源5的濾波器電路51是一個(gè)低通濾波器，它能除去高頻成分以將方波電壓轉(zhuǎn)換成正弦波電壓。由于該電路中最好使用大容量電容器，因此可以將電容器設(shè)置在單片微型計(jì)算機(jī)1的外部。
在V-I轉(zhuǎn)換器52中，將50kHz交變電流的正弦波電壓由交變電壓轉(zhuǎn)換成交變電流以產(chǎn)生恒定電流正弦波。
可替換的是，如圖2(b)所示，將交流電源5設(shè)計(jì)成沒有濾波器的電路。在該情況下，通過沿時(shí)間軸將一個(gè)50kHz交變正弦波的波形分成幾份，每個(gè)所分的部分的電壓值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器53中。基于正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的電壓數(shù)據(jù)，當(dāng)輸入來自分頻器4的時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器54每次輸出一個(gè)信號(hào)。因此，輸出波形是近似的正弦波，由此產(chǎn)生50kHz的正弦波交變電壓。
在V-I轉(zhuǎn)換器55中，將50kHz交變電流的正弦波電壓由交變電壓轉(zhuǎn)換成交變電流，以產(chǎn)生施加給生命體的交變電流。通過利用該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生恒定電流正弦波，就不再需要濾波器電路所需的大容量電容器，因此促進(jìn)了單片微型計(jì)算機(jī)的集成化。
盡管分頻器4是設(shè)置在振蕩器3和交流電源5之間，容易理解的是在這樣一種結(jié)構(gòu)中可以去掉分頻器4使正弦波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)大量電壓值數(shù)據(jù)，這樣來自振蕩器3的時(shí)鐘信號(hào)可直接用于處理。
然后將對(duì)一些A/D轉(zhuǎn)換器7的典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明，但由于這些結(jié)構(gòu)也已被普遍采用，因此在此只進(jìn)行簡(jiǎn)單說明。
圖3(a)是表示A/D轉(zhuǎn)換器7的內(nèi)部部件以及與其相連的外圍設(shè)備的方框圖。在整流器71內(nèi)，對(duì)來自差動(dòng)放大器7的交變電壓信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流。在濾波器電路72內(nèi)，整流后的交變電壓信號(hào)成為有效值；在由控制和處理單元2控制的A/D轉(zhuǎn)換部分73內(nèi)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)取樣周期的每個(gè)時(shí)鐘，該有效值依次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；測(cè)量值累積地存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元11內(nèi)的加法存儲(chǔ)器74內(nèi)；然后處理和控制單元2總計(jì)所存儲(chǔ)的值以確定這些值的平均值。
如圖3(b)所示，在A/D轉(zhuǎn)換器7內(nèi)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)取樣周期的每個(gè)時(shí)鐘，對(duì)來自差動(dòng)放大器6的交變電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以確定轉(zhuǎn)換值，該轉(zhuǎn)換值用于計(jì)算交變電流的有效值。也就是，對(duì)應(yīng)于每個(gè)時(shí)鐘，由控制和處理單元2控制的A/D轉(zhuǎn)換部分75處理輸入的交變電壓信號(hào)，以便確定在該時(shí)候的交變電壓值，該確定的交變電壓值累積地存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器76內(nèi)以計(jì)算交變電流的有效值?；谒鎯?chǔ)的電壓值，評(píng)價(jià)交變電壓的波形以確定最大電壓值和計(jì)算交變電壓的有效值。在此采用的A/D轉(zhuǎn)換部分75比圖3(a)采用的A/D轉(zhuǎn)換部分73的速度更快。
作為本發(fā)明的第二實(shí)施例，對(duì)如圖4所示的生物阻抗測(cè)量裝置進(jìn)行說明。該裝置在單片微型計(jì)算機(jī)21內(nèi)除包括第一實(shí)施例所示的多個(gè)方框外，進(jìn)一步包括為輸出多個(gè)基于多個(gè)分頻比的頻率，在單片微型計(jì)算機(jī)21內(nèi)將分頻器4改為分頻裝置，以便能適應(yīng)性地改變由交流電源5輸出的交變電流的頻率；作為開關(guān)裝置的開關(guān)裝置22，它設(shè)置在所示分頻器4和交流電源5之間；作為切換裝置的交流電源輸出切換裝置23，它切換輸出交變電流信號(hào)，并與多個(gè)供電電極--15A到15D連接；作為切換裝置的檢測(cè)電源開關(guān)裝置24，它相互切換交變電壓和參考阻抗，并與多個(gè)電壓檢測(cè)電極--16A到16D連接；由此可通過使用多個(gè)電極，在多個(gè)頻率和多個(gè)位點(diǎn)測(cè)量生物阻抗。
從振蕩器3輸出的脈沖信號(hào)發(fā)送到分頻器4以產(chǎn)生脈沖信號(hào)，該信號(hào)是多個(gè)頻率。產(chǎn)生的多個(gè)頻率的脈沖信號(hào)發(fā)送到由控制可處理單元2控制的開關(guān)裝置22，由此可以改變輸出信號(hào)的頻率。通過上面提到的圖2(a)或圖2(b)中的交流電源5將開關(guān)裝置22的輸出信號(hào)從交變方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成施加給生命體的恒定電流正弦波，并將該恒定電流正弦波輸入到交流電源輸出開關(guān)裝置23。
交流電源輸出開關(guān)裝置23連接4個(gè)供電電極--15A到15D。將這4個(gè)供電電極--15A到15D分別帶到與人體的四肢接觸，例如雙手和雙腳。類似地，檢測(cè)電壓電源開關(guān)24連接4個(gè)電壓檢測(cè)電極--16A到16D，將這4個(gè)檢測(cè)電極--16A到16D也分別帶到與雙手和雙腳接觸。因此，采用多個(gè)電極的結(jié)構(gòu)能測(cè)量生物阻抗，例如在雙手間、在雙腳間以及在單手和單腳間，由此容易地獲得相應(yīng)區(qū)域的身體脂肪率。
進(jìn)一步說，開關(guān)裝置22能改變輸出信號(hào)的頻率，以便能在多個(gè)頻率測(cè)量生物阻抗。因此，能夠評(píng)價(jià)有關(guān)體質(zhì)的更多因數(shù)，例如相應(yīng)區(qū)域的細(xì)胞內(nèi)水分(ICW)、細(xì)胞外水分(ECW)、細(xì)胞內(nèi)水分與細(xì)胞外水分的比值、全身水分(TBW)、身體脂肪量以及不含脂肪的量(FFM)。
作為本發(fā)明的第三實(shí)施例，現(xiàn)在將對(duì)圖5所示的生物阻抗測(cè)量裝置進(jìn)行說明。圖5是一個(gè)生物阻抗測(cè)量裝置的方框圖，在單片微型計(jì)算機(jī)31外部，它除包括第一實(shí)施例所述的多個(gè)方框外，還包括測(cè)量體重的傳感器39；測(cè)量脈搏的另一個(gè)傳感器40，這兩個(gè)傳感器都作為外部傳感器；因此體重和脈搏與生物阻抗能同時(shí)得以測(cè)量。
在該裝置的單片微型計(jì)算機(jī)31內(nèi)，除包括第一實(shí)施例所示的多個(gè)方框外，進(jìn)一步包括通過電阻41向外部傳感器提供模擬電壓的D/A轉(zhuǎn)換器32；由控制和處理單元2控制的傳感器輸入開關(guān)裝置33，用來開關(guān)來自外部傳感器的輸入；作為放大裝置的差動(dòng)放大器34，用來放大由外部傳感器輸出的信號(hào)；作為轉(zhuǎn)換裝置的A/D轉(zhuǎn)換器35，用于將表示由差動(dòng)放大器34輸出的傳感器輸出信號(hào)的模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；恒定電壓輸出裝置36與電源20相連，并作為輸出恒定電壓的恒定電壓發(fā)生器；傳感器電源電壓控制器37作為穩(wěn)壓輸送裝置，用于為每個(gè)傳感器提供來自恒定電壓輸出裝置36的輸出電壓；低壓檢測(cè)裝置38作為低電壓檢測(cè)裝置，用于確定來自恒定電壓輸出裝置36的輸出電壓是否低于預(yù)定電壓電平；其中所述裝置還進(jìn)一步包括測(cè)量體重的傳感器39和測(cè)量脈搏的另一個(gè)傳感器40，這兩個(gè)傳感器作為外部傳感器。
在該結(jié)構(gòu)的生物阻抗測(cè)量裝置中，當(dāng)測(cè)試對(duì)象測(cè)量生物阻抗時(shí)，同時(shí)為體重測(cè)量傳感器39提供恒定電壓，該恒定電壓由恒定電壓輸出裝置36產(chǎn)生，并來自于傳感器電源電壓控制端37。
體重測(cè)量傳感器39中的橋式電路輸出相應(yīng)于測(cè)試對(duì)象體重的電壓信號(hào)。該輸出電壓經(jīng)由傳感器輸入開關(guān)裝置33輸入到差動(dòng)放大器34去放大，通過A/D轉(zhuǎn)換器35將放大后的電壓信號(hào)由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以確定體重。與此同時(shí)，位于差動(dòng)放大器34內(nèi)的運(yùn)算放大器具有偏移電壓，因此，即使橋式電路的輸出為零，由于該偏移電壓差動(dòng)放大器34的輸出也不一定指示零。為應(yīng)付該問題，提供了D/A轉(zhuǎn)換器32，由此，用于自動(dòng)調(diào)節(jié)差動(dòng)放大器34中運(yùn)算放大器的偏移電壓的模擬信號(hào)經(jīng)由電阻器41輸出到體重測(cè)量傳感器的橋式電路中。
當(dāng)實(shí)施體重測(cè)量已經(jīng)完成時(shí)，脈搏測(cè)量傳感器40被依次啟動(dòng)，從而傳感器輸入開關(guān)裝置33也與脈搏測(cè)量傳感器40連接。在此，與體重測(cè)量類似，與生命體脈搏有關(guān)的輸出信號(hào)經(jīng)由差動(dòng)放大器34和A/D轉(zhuǎn)換器35，輸入到控制和處理單元2中，以計(jì)算測(cè)試對(duì)象的脈搏數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，上述結(jié)構(gòu)能夠在單片微型計(jì)算機(jī)上執(zhí)行生物阻抗的測(cè)量以及有關(guān)生命體其它因數(shù)的測(cè)量。
盡管在前面已經(jīng)參照根據(jù)測(cè)量的生物阻抗值大體上評(píng)價(jià)并表示身體脂肪率的裝置對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了說明，但應(yīng)當(dāng)明確的是，由于依據(jù)本發(fā)明的生物阻抗測(cè)量裝置采用了集成電路形式的單片微型計(jì)算機(jī)，該集成電路具有多個(gè)測(cè)量生物阻抗所必需的功能元件，因此該裝置的應(yīng)用并不限于這些實(shí)施例，而是基于所測(cè)量的生物阻抗值，該裝置還可用于評(píng)價(jià)體質(zhì)的其它因數(shù)，包括全身水分和肌肉量。
進(jìn)一步說，盡管已參照采用交流電源5的交變電流作為輸出信號(hào)的結(jié)構(gòu)對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行了說明，但交流電源5的結(jié)構(gòu)并不限于此，而是交變電壓也可以用于測(cè)量生物阻抗。需要指出的是，采用交變電流電壓進(jìn)行測(cè)量的結(jié)構(gòu)已在由本申請(qǐng)人申請(qǐng)的日本專利公開H11-113873中公開了。
由于本發(fā)明的生物阻抗測(cè)量裝置包括這樣一個(gè)單片微型計(jì)算機(jī)，該微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部具有多個(gè)集成在上面的為生物阻抗測(cè)量所需的功能元件，因此部件數(shù)量減少，因此減少了部件中故障的數(shù)量，并降低了管理成本，進(jìn)一步說，由于焊接到底板的引線的數(shù)量變得更少，由此減少了焊接中的故障以及將電路部件安裝到底板所需的時(shí)間。
此外，由于底板的面積減少，由于潮氣而可能吸收到底板中的水分將必然減少，再進(jìn)一步說，由于電路板上連接部件的布線圖的數(shù)量減少，即使可能有濕氣或噪音引起的小阻抗，也能精確地測(cè)量生物阻抗。
再進(jìn)一步說，由于生物阻抗測(cè)量裝置本身能小型化，該裝置變得適用于特殊位點(diǎn)的測(cè)量或用于其它目的，而對(duì)于這些位點(diǎn)或目的，應(yīng)用常規(guī)測(cè)量是困難的。
更進(jìn)一步說，甚至在為能增加測(cè)量點(diǎn)位的數(shù)量而需增加測(cè)量電極數(shù)量的情況下，或在為能在多個(gè)頻率測(cè)量生物阻抗而需要改變施加給身體的交變電流的情況下，或在為能與生物阻抗同時(shí)測(cè)量有關(guān)測(cè)試對(duì)象體質(zhì)的其它參數(shù)而需要連接一個(gè)外部傳感器的情況下，依據(jù)本發(fā)明的采用一個(gè)單片微型計(jì)算機(jī)(該微型計(jì)算機(jī)包括集成在上面的所有必需的電路部件)的生物阻抗測(cè)量裝置也能消除電路規(guī)模的增長(zhǎng)，否則可能使電路結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，體積更大。
再進(jìn)一步說，當(dāng)采用如下結(jié)構(gòu)時(shí)，能去掉需要大容量電容的濾波器電路以促進(jìn)單片微型計(jì)算機(jī)集成化的需要，這種結(jié)構(gòu)是用于產(chǎn)生施加給生命體交變電流的交流電源，它包括用于存儲(chǔ)正弦波電壓值的存儲(chǔ)裝置，以及基于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中的正弦波電壓值，對(duì)應(yīng)于每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的輸入，用于輸出電壓信號(hào)的輸出裝置，其中通過將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生交變電流。
更進(jìn)一步說，采用A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)的情況也促進(jìn)了單片微型計(jì)算機(jī)的集成化，其中，對(duì)應(yīng)于取樣周期中的每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)計(jì)算數(shù)字值以評(píng)價(jià)交變電壓的波形，并由此計(jì)算交變電壓的有效值，因此使用簡(jiǎn)化的電路結(jié)構(gòu)就能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
權(quán)利要求
1．一種基于生物電阻方法測(cè)量測(cè)試對(duì)象生物阻抗的生物阻抗測(cè)量裝置，包括輸入裝置、交變電流信號(hào)發(fā)生器、開關(guān)、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制和處理裝置、存儲(chǔ)單元、輸出裝置和振蕩器，其中所述輸入裝置輸入測(cè)試對(duì)象的個(gè)人身體數(shù)據(jù)；所述交變電流信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生施加給生命體的交變電流信號(hào)；所述開關(guān)相互切換與測(cè)量生命體電壓的電極和與參考阻抗的連接；所述放大器放大測(cè)得的交變電壓信號(hào)；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器將表示經(jīng)放大的交變電壓信號(hào)的模擬值轉(zhuǎn)換數(shù)字值；所述控制和處理裝置基于輸入的個(gè)人身體數(shù)據(jù)和測(cè)得的生物阻抗值，評(píng)價(jià)有關(guān)測(cè)試對(duì)象的體質(zhì)的因數(shù)，并控制每個(gè)裝置；所述存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)輸入的個(gè)人身體數(shù)據(jù)、有關(guān)測(cè)試對(duì)象體質(zhì)的評(píng)價(jià)因數(shù)等等；所述輸出裝置輸出表示一組有關(guān)體質(zhì)的評(píng)價(jià)因數(shù)的信號(hào)；以及振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)來啟動(dòng)控制或處理裝置；其中所述裝置具有一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，它包括所述交變電流信號(hào)發(fā)生器、所述開關(guān)、所述放大器、所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器、所述控制和處理裝置、所述存儲(chǔ)單元、所述輸出裝置以及所述振蕩器，這些部件都集成到單片電路中。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物阻抗測(cè)量裝置，其中所述微型計(jì)算機(jī)進(jìn)一步包括分頻器和頻率轉(zhuǎn)換裝置，其中所述分頻器產(chǎn)生多個(gè)頻率的交變電流信號(hào)；以及所述頻率轉(zhuǎn)換裝置選擇性地輸出由分頻器產(chǎn)生的多個(gè)頻率的交變電流信號(hào)；其中所述兩個(gè)裝置也集成到所述單片電路中。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物阻抗測(cè)量裝置，其中所述微型計(jì)算機(jī)進(jìn)一步包括一個(gè)開關(guān)和另一個(gè)開關(guān)，其中所述開關(guān)與多個(gè)設(shè)置在所述微型計(jì)算機(jī)外部的用于測(cè)量生物阻抗的供電電極相連，并用于切換來自所述交流電源的交變電流信號(hào)，以便由此輸出信號(hào)；以及所述另一個(gè)開關(guān)與多個(gè)設(shè)置在所述微型計(jì)算機(jī)外部的用于測(cè)量電壓的測(cè)量電極相連，并用于切換所測(cè)量的交變電壓；其中所述兩個(gè)開關(guān)也集成到所述單片電路中。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物阻抗測(cè)量裝置，其中所述微型計(jì)算機(jī)進(jìn)一步包括恒定電壓發(fā)生器、低壓檢測(cè)裝置、穩(wěn)壓電輸送裝置、傳感器輸入開關(guān)裝置、放大器、轉(zhuǎn)換器，其中所述恒定電壓發(fā)生器與設(shè)置在所述微型計(jì)算機(jī)外的電源相連，并產(chǎn)生恒定電壓；所述低壓檢測(cè)裝置確定設(shè)置在所述微型計(jì)算機(jī)外的所述電源的電壓電平是高于或等于特定電平；所述穩(wěn)壓電源裝置為設(shè)置在微型計(jì)算機(jī)外的傳感器提供恒定電壓；所述傳感器輸入開關(guān)裝置切換來自設(shè)置在微型計(jì)算機(jī)外部的傳感器的信號(hào)；所述放大器放大來自所述傳感器輸入開關(guān)裝置的輸出信號(hào)；以及所述轉(zhuǎn)換器將表示所述放大的輸出信號(hào)的模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；其中所述的所有裝置也集成到所述單片電路中。
5．根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一個(gè)所述的生物阻抗測(cè)量裝置，其中所述交變電流信號(hào)發(fā)生器包括存儲(chǔ)單元、輸出裝置和轉(zhuǎn)換器，其中所述存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)正弦波電壓值；所述輸出裝置基于所述存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的所述正弦波電壓值，對(duì)應(yīng)于每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的輸入，輸出電壓信號(hào)；以及所述轉(zhuǎn)換器將所述電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。
6．根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一個(gè)所述的生物阻抗測(cè)量裝置，其中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括計(jì)算器，它能對(duì)應(yīng)于一個(gè)取樣周期中的每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)計(jì)算數(shù)字值，并測(cè)量交變電壓波形以計(jì)算交變電壓有效值。
7．根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一個(gè)所述的生物阻抗測(cè)量裝置，其中所述交變電流信號(hào)發(fā)生器包括低通濾波器和電壓電流變換器，其中所述低通濾波器去除分頻器輸出的交變方波電壓中的高頻成分，以便將該交變方波電壓轉(zhuǎn)換成正弦波電壓；以及所述電壓電流變換器將所述正弦波電壓轉(zhuǎn)換成施加給生命體的所述交變電流信號(hào)。
8．根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一個(gè)所述的生物阻抗測(cè)量裝置，其中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括整流器、濾波器電路和計(jì)算器，其中所述整流器整流由所述放大器放大的交變電壓信號(hào)；所述濾波器電路使所述整流后的交變電壓信號(hào)成為有效值；以及對(duì)應(yīng)于取樣周期中的每個(gè)時(shí)鐘，所述計(jì)算器由成為有效值的所述信號(hào)計(jì)算數(shù)字值。
全文摘要
依據(jù)本發(fā)明的生物阻抗測(cè)量裝置采用了微型計(jì)算機(jī),該微型計(jì)算機(jī)具有所有為生物阻抗測(cè)量所需的功能元件,該所有功能部件都集成到單片的電路中。進(jìn)一步說,本發(fā)明的生物阻抗測(cè)量裝置也采用單片微型計(jì)算機(jī),以便為多個(gè)頻率測(cè)量或使用多個(gè)電極測(cè)量提供幾乎所有必要的功能部件。更進(jìn)一步說,本發(fā)明的生物阻抗測(cè)量裝置也采用了單片微型計(jì)算機(jī),以便為其它參數(shù)的測(cè)量提供幾乎所有必要的功能,利用與此連接的外部傳感器,加入這些參數(shù)以測(cè)量生物阻抗。
文檔編號(hào)A61B5/053GK1312052SQ01111339
公開日2001年9月12日 申請(qǐng)日期2001年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月31日
發(fā)明者小熊耕二, 三好努 申請(qǐng)人:株式會(huì)社百利達(dá)