确定身体成分的方法和系统

摘要

公开了一种用于确定受试者的身体成分的方法和设备。确定水池中的受试者和水的物理特性。所述受试者的身体完全浸没在所述水池中，使得所述受试者的头部在所述水池中的所述水的表面的正下方。当所述受试者的身体浸没在所述水的所述表面正下方时，所述受试者将空气完全呼入空气测量装置中。接着，基于所确定的受试者特性、水特性和呼出到所述空气测量装置中的空气量来确定并显示所述身体成分。

说明书

本申请要求2018年7月3日提交的美国专利申请第16/027,246号的权益，所述申请的内容特此以引用的方式并入。

技术领域

这些要求保护的实施例涉及一种用于确定身体成分的方法和系统，并且更具体地，涉及基于在水中处于中性浮力状态的受试者的呼气量来确定身体成分。

背景技术

公开一种用于确定身体成分的方法和设备。

用于确定准确的身体成分的示例性过程需要具有灵敏的空气流量和压力测量设备的气密绝热室(如在Bod Pod测量装置中)，具有悬垂吊秤的已知温度的蒸馏水池以及要在测量水下重量时读取吊秤的人员(如同在传统的静流称量中)。还可能需要使用离子化辐射和敏感设备来测量和推断脂肪量的装置(如在DEXA扫描中)或敏感电子设备，以测量测试受试者对电流的阻抗(例如在身体阻抗测试中)。这些确定准确的身体成分的过程可能是昂贵，耗时的，并且需要复杂的专用设备。

发明内容

在一种实施方案中，公开了一种用于确定受试者的身体成分的方法。所述方法包括确定受试者的特性和水池的水特性，所述水池具有表面。所述受试者漂浮在水池中，且受试者呼出足够的空气，以使受试者的身体，包括受试者的头部，完全浸没在水池中所述表面正下方的悬浮位置中。当受试者的身体浸没在水面下方时，受试者将空气完全呼入空气测量装置中，并且基于所确定的受试者特性、水特性和呼出到空气测量装置中的空气量来确定受试者的身体成分。

在另一实施方案中，提供一种空气测量装置，其包括具有开放端部和封闭端部的透明容器，所述容器的长度延伸得比宽度长。所述容器具有从封闭端部延伸到开放端部的等距间隔开的径向标界。当延伸穿过容器的长度的轴线与受试者的面部竖直对准时，所述标界通过使用邻近受试者的鼻孔安置的第一标界和邻近受试者的头顶安置的第二标界来计算距离测量结果，从而提供距离测量结果。所述标界对应于浮力肺容量变量，其用于当在受试者呼出充分的空气以使受试者的身体完全浸没在水池中在表面正下方的中性浮力位置中之后受试者的整个身体浸没在水池的表面下方时受试者将空气呼出到容器中时确定受试者的浮力肺容量。

在其它的实施方案中，提供了一种用于确定受试者的身体成分的系统。所述系统包括具有开放端部和封闭端部的透明袋子，所述袋子的长度延伸得比宽度长，所述袋子包括压印在袋子上并围绕轴线从封闭端部延伸到开放端部的等距间隔开的径向标界、压印在袋子上的邻近延伸穿过袋子的长度的标界的数字。数字分别对应于袋子上每个标界与袋子的封闭端部的距离，并且用于当轴线与受试者的面部竖直对准时指示距离测量结果，所述距离测量结果是通过从与邻近受试者的头顶安置的第二标界相邻的第二数字减去与邻近受试者的鼻孔安置的第一标界相邻的第一数字来计算的。

至少一个数字定位于与用于确定受试者的浮力肺容量的浮力肺容量变量相对应的标界中的至少一个附近。在受试者呼出充分的空气以使受试者的身体完全浸没在水池中表面正下方的中性浮力位置中之后受试者的整个身体浸没在水池的表面下方时在受试者将空气呼出到袋子中后确定容量。

所述系统包括计算装置，所述计算装置包括用于接收水特性和受试者特性的电路系统。水特性包括水温、大气压和水池中水的密度。受试者特性包括从受试者鼻孔的底部到受试者头顶确定的距离、受试者的陆地重量、受试者的年龄、受试者的种族、受试者的性别、受试者的身高以及邻近对应于浮力肺容量变量的标界中的至少一个的至少一个数字。所述计算装置包括电路系统，其用于基于所接收的水和受试者特性来计算受试者的身体成分。

附图说明

参考附图描述详细描述。在图中，附图标记的最左边的数字标识附图标记首次出现的图。在不同图中使用相同的附图标记指示相似或相同的项目。

图1A到1B是根据本发明的受试者在水中并呼气到容器中的图；

图1C是说明标识图1B中的容器的容积的图；

图2是用于计算身体成分的系统的简化示意图；

图3是图2中所展示的计算装置的简化示意图；

图4是用图2中所展示的系统确定身体成分的过程的流程图；且

图5是图1b至1c中所展示且用于确定身体成分的示例性容器的等距图。

具体实施方式

参考图1A，展示受试者104漂浮在其中的水池102。受试者104正常呼吸并且将漂浮在受试者104的头部的一部分在水上方的正常位置。

参考图1B，受试者接着向水中呼出少量的呼吸，使得受试者的头顶恰好在水池102中的水的服务之下。在这一点上，受试者104将完全呼出到容器110的开放端部中，并使用受检者104的手手动密封容器110的底部/开放端部，使得容器保持呼出的空气和来自水池102的水。在一种实施方案中，容器110由柔性透明塑料构成，其一个端部开放，且另一端部密封。结合图5更详细地展示和描述了示例性容器。容器可具有从容器的开放端部到容器的封闭端部的呈规则的等距间隔的线标记和数字，使得可以确定容器的空气量。

参考图1C，接着将容器110部分地升高到水池102中的水的表面上方。接着可以挤压容器110的底部，使得仅少量的水将保留在容器中，并且由受试者呼出的空气将完全填充不包括水的容器部分并使其膨胀。接着，可以确定在容器的充气膨胀部分中、容器中的水表面正上方可见的标记数量。标记将与以下各者一起提供：受试者的其它特性，用于在蒸馏水或纯水中进行测量或通过液体比重计或类似设备进行的直接水密度测量的水温，以及针对孔口深度进行调整的容积，空气通过所述孔口呼出以到达中性浮力，以使得计算装置(参见图2)使用图4中所描述的方法计算受试者104的身体的成分。

参考图2，展示了用于计算身体成分的系统200。系统200包括均耦合至计算装置208的身体传感器202、水温传感器或水密度测量装置204、大气压力测量装置214(可用于测量环境气压)以及肺浮力量传感器或袋子/容器206。计算装置208还耦合至受试者输入装置210(例如键盘，语音检测器或其它输入装置)，并将身体成分的输出(连同任何其它所计算的测量结果)提供给显示装置212。

身体传感器202可以包括在空中和陆地上对受试者104进行称重的秤或其它装置。水温/水密度204传感器可以包括测量水温的温度计或测量水池102中水密度的液体比重计。传感器206可以是连接至检测空气量的传感器的调节器，并且可以包括测量水中总溶解固体的装置。这会影响受试者呼出的给定温度下的水密度。水密度也可以用液体比重计或类似装置直接测量。示例性传感器206可以包括容器110。

在一种实施方案中，传感器202、204和/或206经由电子网络，经由蓝牙传输器或经由电信线路将信号发送至计算装置208。在另一实施方案中，传感器202至206提供可由用户读取并经由键盘或输入/输出装置210手动输入的读数/显示器212。

输入装置210可以包括用于将数据手动输入到计算装置208中的键盘或其它输入输出装置。此类数据可以包括从受试者104获得的受试者的特性。这些受试者的特性包括体重、年龄、种族(种族可能会基于公开的标准数据影响无脂肪的身体密度)、性别、气压，从受试者鼻孔到受试者头顶的高度和距离。可以通过将容器110的一个端部(例如，容器的封闭端部)放置为与头顶对准，同时将容器110的另一端部放置在面部上方来确定此距离。容器110上的靠近鼻孔下方的点处的标记附近的数字可以指示从头顶到鼻孔下方的点的距离。接着可以使用装置210将此距离作为鼻孔下方到头顶距离输入到计算装置208中。

计算装置208可以将身体成分的指示(对输入或由计算装置208确定的任何其它测量/计算的请求)传输至显示/输出装置212。

参考图3，说明了计算装置300(图2的计算装置)中的选定模块。计算装置300包括处理装置304、存储器312和显示/输入装置322。处理装置304可以包括微处理器、微控制器或用于访问存储器312和显示/输入装置322的任何此类装置。处理装置304具有处理能力和适于存储和执行计算机可执行指令的存储器。在一个实例中，处理装置304包括一个或多个处理器。

处理装置304执行存储在存储器312中的指令，并且响应于此而处理来自显示/输入装置322的信号。装置322可以包括输入装置326、网络i/o装置328和用于与打印机通信的输出装置329，所述网络i/o装置包括用于与通信网络(图2)通信的通信电路系统。输入装置326(图2中的装置210)从个人计算装置的用户接收输入，并且可以包括键盘、鼠标、触控板、麦克风、音频输入装置、视频输入装置或触摸屏显示器。显示装置324(图2中的装置212)可以包括LED、LCD、CRT或任何类型的显示屏。

存储器312可以包括非暂时性易失性和非易失性存储器，其为以用于存储例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据之类的信息的任何方法或技术实施的可移动和不可移动媒体。此类存储器包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能磁盘(DVD)或其它光学存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或其它磁性存储装置、RAID存储系统或可用于存储所需信息并可由计算机系统访问的任何其它媒体(包括非暂时性计算机可读存储媒体)。

存储在计算装置208的存储器312中的模块可以包括操作系统314、I/O控制器312、库316、应用程序320和图形用户界面323。应用程序320可以使用操作系统314来操作显示器324。库316可以包括预配置的参数(或在初始操作之前或之后由用户设置)，例如计算装置操作参数和配置。应用程序320可以包括身体成分计算器330和其它代码，所述代码用于执行结合图1至2和图4展示或描述的过程。

在图4中说明，展示了用于确定身体成分的过程400。图4中的示例性过程被说明为逻辑流程图中的块的集合，其表示可以硬件、软件及其组合来实施的一系列操作。在软件的上下文中，块表示计算机可执行指令，当由一个或多个处理器执行时，所述计算机可执行指令执行所列举的操作。通常，计算机可执行指令包括执行特定功能或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。描述操作的次序不旨在被理解为限制，并且可以任何次序和/或并行地组合任意数量的所描述的块以实现所述过程。为了讨论的目的，参考图4描述了过程，但可以在其它系统架构中实施所述过程。

参考图4，展示了用于使用图3中所展示的处理器和模块来确定受试者的身体成分的过程400。

在所述过程中，在块402中，测量通过输入/输出装置210输入到计算装置208(图2)的受试者身体特性。受试者身体特性可以包括受试者：陆地重量、年龄、种族、性别、气压、从受试者鼻孔底部到受试者头顶的高度和距离。

在块404中，使用身体传感器202确定受试者陆地重量。在一种实施方案中，身体传感器202是秤。接着将身体重量传送至计算装置208(图2)。

在块406中，确定水的特性之一。在一种实施方案中，水池102中的水的温度由水温传感器204确定，并且确定水中溶解的固体的估计。接着将温度传送至计算装置208(图2)。水的密度可以直接测量，而不是根据EC计测量的溶解固体的温度和估计来计算。

在块408中，受试者进入水池102并呼出足够的呼吸，使得受试者的身体完全浸没并悬浮在水池中，而受试者的整个头部定位于水面正下方。在一种实施方案中，受试者的头顶在表面水下方0.1”至3”之间，并且受试者的身体仍处于中性浮力状态(不向上或向下移动)。当受试者的身体和头部正好浸没在水面以下且仍处于中性浮力状态时，受试者将受试者的其余呼吸呼入容器110中。受试者从中性浮力到最大呼气所呼出的空气量收集在容器中。

替代地，使用电子呼吸测量/记录装置传感器代替容器，所述容器将由受试者呼出的空气量传输至计算装置。电子测量装置的实例包括由马萨诸塞州安多弗市的nddMedical Technologies,Inc.公司制造的

如果在块410中，将容器110放置在直立位置，在其开放端部处封闭，并经挤压，以使空气充满容器。读取容器110上袋子中水面高度处的标记，并使用输入输出装置216将其输入至计算装置中。此测量结果用于针对测量压力和标记所处的所测量的容器特性、大气压和水下距离计算实际位移调整。

在块412中，容器上的标记接着通过计算装置208转换成受试者水位移SWD，所述标记随着使受试者从中性浮力到最大最大呼出所需的呼出的空气量而变。就本申请来说，受试者排水量、肺浮力量和受试者的排水量是同义词。图5中所展示的容器(其具有宽度W和长度L以及开放端部的直径D)的排水量(DWD)的公式如下：

DWD＝ax

在另一个实施方案中，容器可以是6“宽和12”高。在此类实施方案中，当来自受试者的呼气填充了袋子的1/3或更少时，可以使用多项式方程式来计算DWD，并且当来自受试者的呼气填充大于容器的1/3时，可以使用公式DWD＝Ax+B来计算DWD，其中A和B是通过相对应于容器上的数字标记绘制容器的体积来确定的(例如1cm＝20cc，2cm＝50cc，3cm＝90cc等)，且接着使用(作为变量x)A和B制作线性方程式以拟合线。

在块414中，使用以下公式，根据受试者排水量(DWD)和水密度(WD)来计算受试者的水下重量(UW)：

如果没有使用辅助装置/物体来增加重量以使受试者在水下保持中性浮力，则以Kg为单位的受试者水下质量为UW＝浮力肺容量(DWD)*水密度(WD)。在一种实施方案中，可以根据ITS研究使用例如WD＝(999.84847+0.06337563*T-0.008523829*T2+0.00006943248*T3-0.0000003821216*T4)/1000的公式来确定水的密度，其中T-T4是温度。(参见Jones和Harris于1992年5月在国家标准与技术研究院的研究杂志第97卷第3期上发表的ITS-90容积标准校准的水密度公式，其内容为特此以引用方式并入)。

水的密度WD＝以重量％为单位的给定盐浓度(C)的密度＝(750.2834+26.7822*C+-0.26389*C

如果使用辅助装置/物体使受试者保持中性浮力，则以Kg为单位的受试者的水下质量为UW＝(肺浮力容量DWD*水密度WD)-((物体在空气中的质量-(物体的体积*水密度WD))。肺浮力容量(DWD)是指使受试者从中性浮力到完全呼气所呼出的空气量。

在块416中，根据水下重量(UW)、陆地上的受试者的重量(SW)、所测量和/或估计的剩余肺容量(RLV)、池水温度(WTemp)下的池水密度(PWD)和所估计的胃肠道气体(Gl气体)来计算受试者的身体密度(BD)。计算机208使用以下公式来计算此类身体密度(BD)：

BD＝空气中的受试者的质量(SW)/((空气中的受试者的质量(SW)-浸没的受试者的质量(UW))/水密度(WD))-(以L为单位的剩余容积(RLV)+0.1L以计入Gl气体))。

在块418中，使用确定的身体密度(BD)以基于可用的标准数据计算身体成分(BC)。在一种实施方案中，使用以下公式计算身体成分：

BC＝(a/身体密度(BD))-b)*100，其中a和b是常量，所述常量由针对年龄和种族匹配的受试者发布的标准数据确定，或通过使用其它装置(例如DEXA扫描)进行测量而获得，所述装置的读数接着可以与使用此方法测量的身体密度相比较。接着，可以将所得的“无脂体重的密度”用于获得个性化的a和b常量，以用于将来的测量。参见Siri,W.E(1961)。身体成分由流体空间和密度决定。在J.Brozek&A.Hanschel(编辑)的《测量身体成分的技术》(第223-244页)中。华盛顿特区：美国国家科学院；及Brozek,J.，Grande,F.，Anderson，J.T.&Keys,A.(1963)。身体成分的密度分析：修订一些定量假设。纽约科学院学报，110，113-140，其内容特此以引用方式并入。

计算装置208可以接着将所确定的身体成分发送至指示器212以供显示。

参考图5，展示了示例性容器500(图1b至1c中的容器110)，其用于容纳受试者的呼出空气。容器500可以是由柔性透明塑料材料制成的袋子，优选地其长度大于其宽度。容器500可以在一个端部处被封闭/密封并且在另一个端部处开放(未密封)。轴线506可以沿着容器500的长度从封闭端部延伸穿过中心到开放端部。当容器500定向在竖直位置中时，可见的径向延伸的水平标记502A到502N(也称为标界)可以从密封端部到开放端部以相等的间隔围绕轴线506成行放置。可以在标记502A至502N中的每一个附近放置依序的数字，以指示容器500上从相邻标界到容器500的密封/封闭端部的距离。

如果将容器500的密封端部放置在受试者头顶的高度处，并且将容器500放置在受试者面部正面附近，则数字(502A至502N)中邻近受试者的鼻子/鼻孔正下方的标记的一个数字可被读取以确定从受试者的头顶至受试者的鼻子正下方的受试者身上的点的距离。另外，如果受试者在浸没水中的同时呼气入空容器500中(如先前所描述)，并且容器500随后在开放端部封闭(并被紧紧挤压以防止从开放端部泄漏)，则呼出的空气和容器500中的水将基本填充容器500。

可以如先前所描述，查看和使用数字(502A至502N)中邻近容器500中的水面正上方的位置处的标记的一个数字，以计算手受试者排水量(SWD)。在一种实施方案中，此数字将对应于从容器的封闭端部到容器500中的水面的以英寸和/或厘米为单位的距离。在另一实施方案中，可以使用压力传感器测量或估计容器500的内部充气压力。

虽然以上详细描述已展示、描述并标识应用于优选实施例的本发明的若干新颖特征，但应理解，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神的情况下对所描述的实施例的形式和细节进行各种省略、替换和改变。因此，本发明的范围不应限于前述讨论，而应由所附权利要求书限定。