本實(shí)用新型涉及人體阻抗領(lǐng)域，具體涉及基于八段阻抗模型的人體電阻抗測試儀。

背景技術(shù)：

人體阻抗是反映人體組織或器官電學(xué)特性的物理量，通過人體阻抗的測量可以了解人體組織或器官的生理狀態(tài)，進(jìn)而了解人體成分及身體狀況的改變，對人體營養(yǎng)狀況及疾病預(yù)防有著重要意義。建立準(zhǔn)確的人體阻抗模型是人體阻抗測量的關(guān)鍵。目前使用最為普遍的是五段阻抗模型。該模型將人體分為四肢和軀干五個部分，將身體各部分阻抗差異考慮在內(nèi)，但無法準(zhǔn)確測量人體軀干部各部位的阻抗分布。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對五段人體阻抗模型難以反映人體軀干體成分變化的不足以及目前尚無詳細(xì)完善的八段人體阻抗測試儀，本實(shí)用新型提出了一種基于八段阻抗模型的人體電阻抗測試儀，為人體軀干細(xì)分的阻抗測量提供了解決方案。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：基于八段阻抗模型的人體電阻抗測試儀，該人體電阻抗測試儀包括ARM核心板、外圍測量電路、存儲模塊、LCD觸摸屏模塊、接口模塊；所述的外圍測量電路包括正弦信號產(chǎn)生電路、電壓控制電流源、電極選通系統(tǒng)、微弱信號提取電路、可控增益放大電路以及相位檢測電路；

所述的ARM核心板與存儲模塊、接口模塊、LCD觸摸屏模塊以及外圍測量電路連接，正弦信號產(chǎn)生電路與電壓控制電流源連接，電壓控制電流源與電極選通系統(tǒng)連接，電極選通系統(tǒng)與微弱信號提取電路連接，微弱信號提取電路與可控增益放大電路連接，可控增益放大電路與相位檢測電路連接。

進(jìn)一步的，所述的測試儀還包括電極回路，所述的電極回路在左手、右手、左腳、右腳各安置兩個電極，一個為電流電極，另一個為 電壓電極，通過在兩個電流電極添加電流激勵形成回路。

進(jìn)一步的，所述的ARM核心板采用S3C2440處理器。

進(jìn)一步的，所述的正弦信號產(chǎn)生電路為DDS數(shù)字化電路。

進(jìn)一步的，所述的電極選通系統(tǒng)采用兩片MAXIM公司的雙通道四選一模擬多路復(fù)用器MAX14778。

進(jìn)一步的，所述的微弱信號提取電路采用TL082CP芯片或CA3140芯片。

進(jìn)一步的，所述的可控增益放大電路采用數(shù)字電位器。

進(jìn)一步的，所述的相位檢測電路采用AD8302相位測量的單片集成電路。

進(jìn)一步的，所述的數(shù)字電位器采用Intersil公司生產(chǎn)的10位分辨率電阻抽頭數(shù)字電位器X9119。

進(jìn)一步的，所述的相位檢測電路，采用AD8302單片集成電路。

本實(shí)用新型的有益效果如下：

本實(shí)用新型提供的基于八段阻抗模型的人體電阻抗測試儀，利用多電極和多種頻率的交流電對人體四肢和軀干細(xì)分的電阻抗進(jìn)行測量，從而大大提高了測量的準(zhǔn)確性。通過測得的人體組織及器官的電特性進(jìn)一步測量人體脂肪含量、內(nèi)臟脂肪面積、細(xì)胞內(nèi)外水分、腰臀比等人體體成分，將其作為參考，指導(dǎo)人們形成科學(xué)的保健鍛煉習(xí)慣、合理的營養(yǎng)膳食習(xí)慣、及時有效的醫(yī)療檢查習(xí)慣，以減少疾病的發(fā)生率，尤其是在肥胖癥的防治、健美、兒童及青少年生長發(fā)育狀況的監(jiān)測以及運(yùn)動員的科學(xué)訓(xùn)練方面有著極大的幫助，對提高全國健康水平有著重要的研究意義。此外，本測試儀操作簡單、方便、快速、安全、無創(chuàng)，測量結(jié)果較為精確，其應(yīng)用前景十分廣闊。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型測試儀的示意圖；

圖2是實(shí)施例中系統(tǒng)軟件架構(gòu)示意圖；

圖3是八段人體阻抗模型示意圖；

圖4是電極分布圖及電流流經(jīng)人體示意圖；

圖5是電壓控制電流源電路；

圖6是電極選通系統(tǒng)示意圖；

圖7是微弱信號提取電路；

圖8是可控增益放大電路。

具體實(shí)施方式

如附圖1和附圖2所示，基于八段阻抗模型的人體電阻抗測試儀，包括ARM核心板、外圍測量電路、存儲模塊、LCD觸摸屏模塊、接口模塊。其中，外圍測量電路由正弦信號產(chǎn)生電路、電壓控制電流源、電極選通系統(tǒng)、微弱信號提取電路、可控增益放大電路以及相位檢測電路組成。軟件架構(gòu)主要包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序開發(fā)。其中，嵌入式Linux操作系統(tǒng)包括Linux內(nèi)核移植、引導(dǎo)加載程序、文件系統(tǒng)、驅(qū)動程序開發(fā)、進(jìn)程調(diào)用和通信及用戶圖形界面。應(yīng)用程序開發(fā)包括測量控制模塊、阻抗計算模塊、體成分計算模塊及數(shù)據(jù)存儲模塊。

軀干是人體的最大組成部分，然而，由于它是全身面積最大的部分，所以其阻抗值是最低的，約為幾十歐，而上肢和下肢的阻抗約為200Ω；但軀干卻含有人體成分的40％。因此，為了保證軀干部分電阻抗測量的準(zhǔn)確性，將軀干部分單獨(dú)劃分出來進(jìn)行細(xì)分是十分必要的。臨床上，軀干部脂肪分成皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪兩大類。人體軀干的上段為胸腔，其脂肪分布主要為皮下脂肪；軀干下段為腹部，其脂肪分布主要是下腹部的內(nèi)臟脂肪以及皮下脂肪。在人體成分測量中，區(qū)分軀干上部(胸部)和下部(腹部)的脂肪含量尤為重要。

八段人體阻抗模型示意圖如圖3所示。在五段人體阻抗模型的基礎(chǔ)上，八段人體阻抗模型將軀干部進(jìn)行細(xì)分，將人體分為右上肢R₁、左上肢R₃、右下肢R₇、左下肢R₈、軀體右部縱向R₄、軀體左部縱向R₅、軀體部上部R₂、軀體部下部R₆八個部分。

本實(shí)用新型的測量模型是一個四端口的阻抗網(wǎng)絡(luò)即A、B、C、D，如圖1所示。采用了八電極生物電阻抗測量方法，即左手、右手、左腳、右腳各安置兩個電極，一個為電流電極，另一個為電壓電極。通過在兩個電流電極添加電流激勵形成回路，通過不同的電壓電極進(jìn)行測量，得到該激勵-測量模式下的電壓值，計算相應(yīng)段的阻抗結(jié)果。 不同激勵-測量模式下，電流流經(jīng)人體的示意圖如圖4-a、4-b、4-c所示，圖4-a、4-b、4-c分別為電流接通右手與右腳、左手與左腳、左腳與右腳時，電流流經(jīng)人體的示意圖。如圖4-a所示，當(dāng)電流接通右手與右腳時，電流流經(jīng)右上肢、軀干及右下肢，若在右手與右腳間進(jìn)行電壓測量時，即可得到右上肢、軀干及右下肢的電壓值。這樣的組合總共有36對，如表1所示。

表1

由電路原理可知，對于一個確定的四端口網(wǎng)絡(luò)，有效的測量只有6組，如表2所示。對應(yīng)于這六組有效測量方式的阻抗求解方程分別為

$(R_1+\frac{R_2*R_4}{R_2+R_4+R_5+R_6})*I=V_{ac1}---\left(1\right)$

$(R_3+\frac{R_2*R_5}{R_2+R_4+R_5+R_6})*I=V_{bd1}---\left(2\right)$

$\frac{R_2*R_6}{R_2+R_4+R_5+R_6}*I=V_{cd1}---\left(3\right)$

$\frac{R_4*R_5}{R_2+R_4+R_5+R_6}*I=V_{ad2}---\left(4\right)$

$(R_7+\frac{R_4*R_6}{R_2+R_4+R_5+R_6})*I=V_{cd2}---\left(5\right)$

$(R_8+\frac{R_4*R_5}{R_2+R_4+R_5+R_6}+\frac{R_5*R_6}{R_2+R_4+R_5+R_6})*I=V_{bd3}---\left(6\right)$

其中，式(1)中，電流I加在左手與右手間，測量得到右手與右腳間的電壓為V_ac1；式(2)中，電流I加在左手與右手間，測量得到左手 與左腳間的電壓為V_bd1；式(3)中，電流I加在左手與右手間，測量得到左腳與右腳間的電壓為V_cd1；式(4)中，電流I加在右腳與右手間，測量得到右手與左手間的電壓為V_ad2；式(5)中，電流I加在右腳與右手間，測量得到左腳與右腳間的電壓為V_cd2；式(6)中，電流I加在右手與左腳間，測量得到左手與左腳間的電壓為V_bd3。

表2

由阻抗模型可知，待測阻抗值有八個。通過上面的六個方程還不能得到所有阻抗值，在方程的解中會含有兩個未知數(shù)，此方程組為一個不定方程組。要求解全部八段阻抗值，還需找出與上述方程組線性無關(guān)的兩個方程。臨床研究表明，人體左右兩側(cè)并不是絕對對稱的，但在人體的不同部位則表現(xiàn)出不同程度的對稱性。在人體軀干部，由于內(nèi)臟在體內(nèi)的分布不均，因而表現(xiàn)出較差的對稱性；但在人體的四肢部分，則表現(xiàn)出較高程度的對稱性。

作為人體成分測量的估計方法，在沒有確切的肢體疾患和可見的肢體不對稱情況下，可認(rèn)為人體的左右上肢和左右下肢基本對稱，即阻抗值相同。由于肢體發(fā)育、疾病等原因，左右肢體不對稱是可能的，對于明確的肢體左右不對稱可以通過其他方法修正。

由以上分析可知，不妨設(shè)：

R₁＝R₃ (7)

R₆＝R₈ (8)

由此得出八段阻抗模型的相應(yīng)方程，式(1)～(8)八個方程聯(lián)立即可求解人體分段阻抗值。

設(shè)相應(yīng)于式(1)～(6)各阻抗方程測量所得的阻抗值分別為：

X₁＝V_ac1/I，X₂＝V_bd1/I，X₃＝V_cd1/I

X₄＝V_ad2/I，X₅＝V_cd2/I，X₆＝V_bd3/I

聯(lián)立方程，解方程組可得，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

計算可得人體八段阻抗值分別為：

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)

本測試儀采用基于S3C2440處理器的ARM核心板，將其控制正弦信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生通入人體的微弱交流電，電流源產(chǎn)生恒定的電流。采用電流鏡方案實(shí)現(xiàn)電壓控制電流源，使用AD844加上雙反饋方法解決了電流鏡不對稱和溫度漂移的問題，其電路圖如圖5所示。

將電流源產(chǎn)生恒定的電流通過電極選通多路開關(guān)的電流電極注入人體，采用多路復(fù)用的測量方案。測量方案中有8個電極(4個電流電極、4個電壓電極)分別置于人體的右手、右腳、左手、左腳。測量中如何選通這些電極以形成不同的測量回路來達(dá)到測量八段人體阻抗值就變得尤為重要。本系統(tǒng)采用兩片MAXIM公司的雙通道四選一模擬多路復(fù)用器MAX14778來實(shí)現(xiàn)電極選通電路。MAX14778采用 3.0V至5.5V單電源供電時，可承受高達(dá)25V的模擬信號。每個多路復(fù)用器具有獨(dú)立的控制輸入，可單獨(dú)切換，理想用于使用相同連接器引腳復(fù)用不用信號的應(yīng)用。其測量連線圖如圖6所示。

電壓電極采集人體相應(yīng)部位之間的電壓信號，電壓信號通過微弱信號提取電路提取出來。由于人體阻抗信號比較微弱，為了對此信號進(jìn)行處理、測量，必須要將信號放大到所需強(qiáng)度，否則將被可能出現(xiàn)的干擾信號所掩蓋。阻抗測量放大電路需要滿足高輸入阻抗、高共模抑制比和低噪聲、低漂移等要求。測試儀采用同相關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的差動放大的微弱信號提取方案，其電路圖如圖7所示。

從微弱信號提取電路提取出來電壓信號經(jīng)過可控增益放大電路，將微弱的電壓信號進(jìn)行倍數(shù)放大。由于四肢和軀干部位的阻抗值相差較大，不是同一個數(shù)量級別，如果采用相同的放大級數(shù)，將會產(chǎn)生極大的誤差，對測量阻抗的精細(xì)系統(tǒng)是十分大的缺陷。因此，測試儀的軀干部分采用了可控增益放大電路，如圖8所示?？紤]系統(tǒng)復(fù)雜性、成本高低、使用靈活性等多種因素，可控增益放大電路采用數(shù)字電位器，通過改變控制電位器的命令字來改變電阻的大小，從而實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的改變。

經(jīng)過放大倍數(shù)的電壓信號再通過相位檢測電路之后，可得到與阻抗大小成正比的直流電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入ARM核心板處理，通過體成分預(yù)測算法模塊得到人體體成分?jǐn)?shù)據(jù)，并將人體體成分?jǐn)?shù)據(jù)顯示在用戶圖形界面上。用戶圖形界面包括四個子窗口，分別用于顯示：人體生理參數(shù)的統(tǒng)計與輸入、阻抗數(shù) 據(jù)的獲取與顯示、人體體成分的預(yù)測與顯示及人體體成分含量分布及對比。

應(yīng)用開發(fā)部分的測量模塊模塊采集人體電壓電極上得到的電壓信號，并將電壓信號傳送至阻抗計算模塊，對受測者的人體體成分進(jìn)行綜合分析并計算出人體阻抗值，再將數(shù)據(jù)結(jié)果傳送給體成分計算模塊，計算出人體各成分的比率，調(diào)用數(shù)據(jù)存儲模塊中的估計測量人體成分所使用的回歸方程，就能夠準(zhǔn)確地分析計算得到人體四肢及軀干上部、下部和縱向阻抗數(shù)據(jù)，從而可得到準(zhǔn)確的人體阻抗值，實(shí)現(xiàn)對人體軀干部體成分的快速準(zhǔn)確測量。本實(shí)用新型通過測得的人體組織及器官的電特性進(jìn)一步測量人體脂肪含量、內(nèi)臟脂肪面積、細(xì)胞內(nèi)外水分、腰臀比等人體體成分，將其作為參考，指導(dǎo)人們形成科學(xué)的保健鍛煉習(xí)慣、合理的營養(yǎng)膳食習(xí)慣、及時有效的醫(yī)療檢查習(xí)慣，以減少疾病的發(fā)生率，尤其是在肥胖癥的防治、健美、兒童及青少年生長發(fā)育狀況的監(jiān)測以及運(yùn)動員的科學(xué)訓(xùn)練方面有著極大的幫助，對提高全國健康水平有著重要的研究意義。此外，本測試儀操作簡單、方便、快速、安全、無創(chuàng)，測量結(jié)果較為精確，其應(yīng)用前景十分廣闊。