测量活体的生物电阻抗的设备

摘要

公开了一种改进的生物电阻抗测量计,其设计为可以在任一所选择点附近检测流过活体中的两个所选择点之间的高频电流,以及可将流过高频电流的电流通路中所选择的两点之间出现的电压提供到距离电流通路中所选择的两点最近的高阻抗缓冲电路上。

说明书

本发明涉及测量活体的生物电阻抗的设备，其中通过使高频微电流从活体中所选择的一点流到另一点，以及通过测定流过相对所选择的点之间的电流通路的高频微电流和流过微电流的电流通路中另外两个所选择的点之间出现的电压，能测定生物电阻抗。

从杂志“The American Journal of Clinical Nutrtion”41(4)810-8171985，“Assessment of fat-free mass using bioelectrical impedancemeasurement of the human body”中已知根据生物电阻抗进行活体的所选择部分的成分鉴定。同时，在杂志“Journal of Applied PhysiologyVOL77 NO.1，Segmental bioelectrical analysis：theory and applicationof a mew technique”中已描述了根据出现在所选择部分上的生物电阻抗来分析活体的所选择部分中成分的设备。特别地，通过高频电流流过两只手和两只脚的相对端点之间，以及通过测量流过微电流的电流通路中的另外两个所选择点之间出现的电压，能测定生物电阻抗。在日本专利申请公开No.10-510455中公开了类似设备。

在这样的常规生物电阻抗测量计中，使得高频微电流过活体；并测定在流过微电流的电流路径的给定长度上出现的电压，如图5所示。

参考图5，将负载Z的一个端部(其代表活体中所选择的部分)连接到供有高频电流的电缆C1的近端Ta1和电压测量电缆C4的近端Ta4上，而将负载Z的另一个端部连接到另一条供有高频电流的电缆C2的近端Ta2和另一条电压测量电缆C3的近端Ta3上。每条电缆C1、C2、C3或C4具有出现在电缆和地之间的各自的寄生电容Cs₁、Cs₂、Cs₃或Cs₄。这些寄生电容将对测量产生不利影响。

在图5的阻抗测量计的供电侧出现的不同电流为如下：

I1=I2+Is₁其中I1表示从阻抗测量计流到供有高频电流的电缆C1的电流(由电流检测器测量电流)；I2表示通过供有高频电流的电缆C1的近端Ta1的电流；Is₁表示流过供有高频电流的电缆C1的寄生电容Cs₁的电流。

电流Is₄流过寄生电容，Cs₄出现在电压测量电缆C4和地之间。电流I3流入负载。假定从阻抗测量计的电压测量端子N3和N4向内看的输入阻抗无限大，以及每条电缆的阻抗为零，那么电流I2可表示为：

I2=I3+Is4

因此，负载中电流I3可表示为：

I3=I1-Is1-Is4

从阻抗测量计流到供有高频电流的电缆C1中的电流I1(由电流检测器测量)不等于通过阻抗Z的电流I3，从而导致测量误差。事实上，由阻抗测量计测量的阻抗小于负载Z的阻抗。

在某种程度上，能校正这样的误差，但没有令人满意的校正措施；由于电缆位置改变，其寄生电容也变化。从而对测量产生不利影响，这种不利影响易于随电流频率和电缆长度的增加而增强。

通过流出供有高频电流的电缆C1、负载Z和流入供有高频电流的电缆C2电流信号从一端N1流到另一端N2所需要的时间很长，允许这种延迟时间以出现相位滞后，其与负载Z中的电流频率成正比，从而有助于测量误差的产生。

鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供用于测量活体的生物电阻抗的改进的设备，所述设备能克服由寄生电容和相关电缆的长度所致的不利影响，从而能在低频到高频的很宽范围内准确测量生物电阻抗。

为了实现这个目的，根据本发明，在测量活体的生物电阻抗的设备中，通过使得高频微电流流过活体的两个所选择点之间，以及通过测定所述两个所选择点或流过微电流的电流通路中的另外两个所选择点之间的电压，能测定生物电阻抗，所述设备的改进在于包括：测量设备，其包括高频电流源、高频电流测定部分和电压测定部分；至少一个供有高频电流的探针，其通过屏蔽导体电缆连接到所述高频电流源上；一对供有高频电流的电极，其被提供到所述两个所选择点上；两个电压测量探针，其通过屏蔽导体电缆连接到所述电压测定部分上；以及一对电压测量电极，其被提供到所述两个所选择点或所述另外两个点上，所述供有高频电流的探针具有连接到并定位在所述一对供有高频电流的电极之一附近的高频电流检测器。

根据本发明，在测量活体的生物电阻抗的设备中，通过使得高频微电流流过活体的两个所选择点之间，以及通过测定所述两个所选择点之间或流过微电流的电流通路中的另外两个所选择点之间的电压，能测定活体的阻抗，所述设备的改进在于包括：测量设备，其包括高频电流源、高频电流测定部分和电压测定部分；至少一个供有高频电流的探针，其通过屏蔽导体电缆连接到所述高频电流源上；一对供有高频电流的电极，其被提供到所述两个所选择点上；两个电压测量探针，其通过屏蔽导体电缆连接到所述电压测定部分上；以及一对电压测量电极，其被提供到所述两个所选择点或所述另外两个点上，每个所述电压测量探针具有连接到并定位在一个或另一个电压测量电极附近的高输入阻抗放大器。

可通过屏蔽导体电缆将两个供有高频电流的探针连接到所述高频电流源上。

可通过一条屏蔽电缆、将一个供有高频电流的探针连接到所述高频电流源上，所述供有高频电流的探针，具有连接到并定位在供有高频电流的电极之一附近的高频电流检测器，另一个供有高频电流的电极直接连接到所述高频电流源上。

所述高频电流检测器包括连接到一个或另一个供有高频电流的电极上的保护电路上，用于检测高频电流的参考电阻器，将所述参考电阻器的一端连接的到所述保护电路，而通过屏蔽导体电缆将其另一端连接到高频电流源上，以及一个差分放大器，其输入端跨接所述参考电阻器，而其输出端通过屏蔽导体电缆和相关的阻抗匹配电阻器连接到所述高频电流测定部分上。

所述高输入阻抗放大器包括连接到一个或另一个电压测量电极上的保护电路，高输入阻抗缓冲电路，其输入端连接到所述保护电路上，而其输出端通过屏蔽导体电缆和相关的阻抗匹配电阻器连接到所述电压测定部分上。

所有屏蔽电缆的长度相同。

由于上述结构，能测量恰好在活体的一个或另一个所选择点前面的电流，从而消除了任何误差，另外，所述误差是由电缆的寄生电容引起的。将高输入阻抗缓冲电路定位在电压测定电极附近并在那里进行电连接，能有效地使到电压代表信号传输的无限高阻抗输入的通路最小，相应地降低了由周围的干扰或噪声信号所致的不利影响。阻抗代表电流通过匹配阻抗、屏蔽导体电缆流入阻抗测量计可有效地使周围干扰或噪声信号所致的不利影响最小。最后，其中流动阻抗代表电流的等长电缆的使用使得其传输时间相等，从而消除了信号延迟以消除这样的在使用不同长度的电缆时引起的相位滞后。

根据本发明的优选实施例通过对生物电阻抗测量计的如下描述来理解本发明的其它目的和优点，所述实施例在附图中示出：

图1是表示第一实施例的生物电阻抗测量计结构的方框图；

图2表示供有高频电流的探针的电流检测器一些细节；

图3表示电压测量探针的高输入阻抗放大器的一些细节；

图4是表示第二实施例的生物电阻抗测量计结构的方框图；以及

图5是表示现有技术中常规生物电阻抗测量计的结构的方框图。

参考图1，根据本发明第一实施例的生物电阻抗测量计(如此测量的生物电阻抗用于分析和评价活体的一些成分)主要包括测量计中部1、一对供有高频电流的探针21、22，用于将高频电流提供到活体中所选择的两点上，以及一对电压测量探针23、24，用于测量流过高频电流的电流通路中所选择的另外两点之间出现的电压。

测量计中部1包括控制和算术操作处理单元8，用于控制生物电阻抗测量计的整个操作并用于处理所测量数据的算术操作，连接到控制和处理器8上的ROM2，用于存储控制和处理软件程序，RAM3，用于存储由测量和算术操作的软件程序提供的数据，辅助存储器4，用于存储由测量提供的数据的记录，输入用于控制生物电阻抗测量计所需的控制信号以及输出由测量提供的数据的输入/输出接口5，用于输入测量初始指令、不同参数和类似物的键盘6，用于显示生物电阻抗的测量计瞬时操作和测量结果的显示装置7，用于将电能提供到生物电阻抗测量计的不同部分上的电源9，用于在控制和处理器8的控制下产生高频信号的高频信号发生器11，响应来自高频信号发生器11的高频信号的高频电流源10用于提供给定固定的有效值的高频电流，用于放大活体中流动的高频电流的差分放大器电路13，用于放大活体中两个所选择点之间电位差的另一个差分放大器15，模拟数字转换器12和14，用于将代表由测量提供的电流和电位差的模拟信号转换成相应的数字数据，以及阻抗匹配电阻器16、17、18和19。如图1中所示，将供有高频电流的探针21、22连接到高频电流源10和差分放大器13，以及电源9上，而将电压测量探针23、24连接到差分放大器15和电源9上。

每个供有高频电流的探针21或22包括电极41或42，其被连接到活体中所选择的一点或另一点上以将高频电流提供到所述点上，供有高频电流的电缆81或82，用于检测活体中流动的高频电流的电流检测器51或52，用于将电能提供到探针上的电力电缆71或72，以及将检测器51或52连接到测量计中部1中的差分放大器13的屏蔽导体电缆31或32。电流检测器51或52通过电缆可能的最短长度连接到电极41或42上，以保证要检测的电流能免于任何外在的不利影响，从而允许电流检测器准确测量从活体中的一点流到另一所选择点的电流。

每个电压测量探针23或24包括电极43或44，其被提供到流过高频电流的电流通路中所选择的一点或另一点上以检测电流通路中两个所选择点之间的电压，高输入阻抗放大器63或64，用于将电能提供到探针上的电力电缆73或74，以及用于将放大器63或64连接到测量计中部1中的差分放大器15上的屏蔽导体电缆33或34。放大器63或64通过电缆可能的最短长度连接到电极43或44上，以保证要放大的电流能免于任何外在的不利影响，从而允许放大器获得活体中的一两个所选择点之间出现的准确电压。

所有屏蔽导体电缆31、32、33和34的长度相同。

参考图2，每个供有高频电流的探针21或22的高频电流检测器51或52包括连接到一个或另一个供有高频电流的电极41或42上的保护电路153，用于检测高频电流的参考电阻器151，差分放大器152，阻抗匹配电阻器155，以及用于将电能提供到不同部分上的电源电路154。保护电路153包括例如二极管电路以防止将对活体产生电击的增加的电流流过。电阻器155实现差分放大器和屏蔽导体电缆31之间的阻抗匹配。参考电阻器151的一端连接到保护电路153上，而另一端通过屏蔽导体电缆31或32连接到高频电流源10上。差分放大器152的输入侧跨接到参考电阻器151上，而其输出侧通过阻抗匹配电阻器155和屏蔽导体电缆31或32连接到差分放大器13上。

参考图3，每个电压测量探针23或24的高阻抗放大器63或64包括连接到一个或另一个电压测量电极43或44上的保护电路163，高阻抗缓冲电路162，阻抗匹配电阻器165，以及用于连接到测量计中部1的电源9上以将电能提供到不同部分的电源电路164。保护电路163包括例如二极管，以有效地防止破坏性的静电电位作用于高阻抗缓冲电路162。通过高阻抗缓冲电路162、电缆阻抗匹配电阻器165和屏蔽导体电缆33，允许来自电压测量测量电极43的电压代表信号从保护电路163通到测量计中部1的差分放大器15上。

在操作中，将供有高频电流的探针21和22的供有高频电流电极41和42提供到活体中所选择的两点上以在控制和处理器8的控制下使得固定的高频电流在相对的电极41和42之间流动。

根据通过参考电阻器151电压，恰好在通入活体前的一个或另一个电极41或42前面检测高频电流，接着，允许电流代表信号通过屏蔽导体电缆31或32通到测量计中部1中的差分放大器13上。由此出现在差分放大器13的输出端上的电流代表信号被转换成将存储在测量计中部1的RAM3中的数字形式。由于保证所检测的高频电流能免于由电缆对地的寄生电容和由任何周围的干扰或伪信号所致的任何不利影响，所以如此存储的信息代表流过活体中两个所选择点之间的电流通路中的高频电流的准确值。

同样，电压测量探针23和24的电压测量电极43和44被提供到流过微电流的电流通路中所选择的另外两点上以检测相对的电极43和44之间出现的电压。

由高阻抗放大器63或64来检测电压，所述放大器连接到并位于临近活体中任一个所选择点附近的一个或另一个电极43或44上，然后，允许电压代表信号通过屏蔽导体电缆33或34通到测量计中部1中的差分放大器15上。由此出现在差分放大器15输出端上的电压代表信号被转换成将存储在测量计中部1的RAM3中的数字形式。由于保证所检测的电压能免于由任何周围干扰或伪信号所致的任何不利影响，所以如此存储的信息代表活体中电流通路的给定长度上出现的电压的准确值；高输入阻抗缓冲电路162具有可能的最短通路以允许电压代表信号沿其输入侧传输，并允许电压代表信号在屏蔽导体电缆上传输，所述电缆的阻抗与缓冲电路162的输出侧来看的阻抗正好匹配。

根据ROM2中存储的软件程序，对存储在RAM3中的电流代表和电压代表数据进行算术操作以提供活体中两个所选择点之间出现的生物电阻抗。

图1表示使用两个供有高频电流探针时的生物电阻抗测量计。如图4中所示，生物电阻抗测量计可以用一个供有高频电流探针，剩余的电极通过相关的供有高频电流的电缆直接连接到测量计的高频电流测量部分上。

图1和4表示根据本发明生物电阻抗测量计的基本结构。生物电阻抗测量计结构可以改型为：将四个供有高频电流的探针和四个电压测量电极施加到两只手和两只脚上，以及可使用电极开关装置来允许电极可按需要有选择地组合。

正如从上述理解的，在一点或另一所选择点的前面测定高频电流，在所述点上使得电流流过活体中，从而允许测定流过活体的高频电流的准确值，并定位在距离一点或另一所选择点最近的高阻抗缓冲电路允许极大地缩短电压代表信号的通路，从而使得由周围干扰所致的不利影响最小。等长电缆的使用允许消除信号传输中的延迟，从而有助于使得误差最小(如果存在任何误差的话)。