维普资讯 http://www.cqvip.com ＴＨＥＳｌＳ＆ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＲＥＰｏＲＴ 人体脂肪测量系统的实现 邓晓刚 魏（第一军医大学 广州市萍 ５１０５１５） 摘要本仪器采用比较准确的平均电阻率模型以及六电极分段测量方法。测量时，人只需站在脚踏 板上，双手抓住手握架，就可以测出人体脂肪及其分布。因此更准确、方便、快捷、低费用，功能更强， 适合家庭使用。本仪器精度达到０．ｉＫｇ。 关键词人体脂肪；测量；仪器 中图分类号：ＴＭ９３４．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—８８６８（２００２）０４—００３１—０３ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｂｏｄｙ ｆａｔ ＤＥＮＧ Ｘｉａｏ－ｇａｎｇ，ＷＥＩ Ｐｉｎｇ （Ｔｈｅ Ｆｉｒｓｔ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１ ０５１ ５） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗａｓ ｍａｄｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｘ—ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｓｅｇｍｅｎｔａｌ ＢＩＡ．Ｔｈｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｏｎｌｙ ｎｅｅｄｅｄ ｔｈｅ ｓｕｂｊｅｃｔ ｔｏ ｓｔａｎｄ ｏｎ ａ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｂｏａｒｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｅｅｔ ｎａｋｅｄ ａｎｄ ｔｏ ｔａｃｋｌｅ ａ ｐａｉｒ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｔｉｃｋｓ． Ｉｔ ｗａｓ ａｃｃｕｒａｔｅ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ｑｕｉｃｋ，ｌｏｗ—ｃｏｓｔ，ｓｔｒｏｎｇｅｒ ｉｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ａｎｄ ｆａｍｉｌｙ．Ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｗａｓ ０．１ ｋｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｂｏｄｙ ｆａｔ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ａｐｐａｒａｔｕｓ 当今与人类社会生活密切相关的疾病呈上升趋 柱体。实际上，人体具有复杂的形状，含有多种组织 成分，电阻率不同而且各向异性。因此，１９９４年，美国 ｅｓｌＬｉｅ Ｗ．Ｏｒｇａｎ提出平均电阻率模型。 势，越来越引起人们的不安与关注。而对这些疾病的 预防中，人体脂肪成分的监测有十分重要的意义。目 前，人体脂肪成分的检测方法有：人体密度法（水下 称重法）、人体测量法、生物阻抗分析法、超声成像 法、Ｘ射线成像、ＣＴ成像、ＭＲＩ成像、中子活化分析 电阻率模型认为人体由不同的组织组成，而且 不同的组织有不同的电阻率；但是其平均电阻率ｐ＝ ＺＡ／Ｌ（Ｚ为人体阻抗，Ｌ是人体长度，Ａ是人体横截 面积）与人体成分含量成比例关系。 等。其中，生物阻抗分析法是近年来的研究热门。因 为，生物阻抗分析法具有无创、安全、快捷、低消耗等 优点。传统的生物阻抗分析法采用容积导体模型和 四电极整体测量方法。该模型和方法理论上存在较 大的缺陷。１９９４年，美国Ｌｅｓｌｉｅ Ｗ．Ｏｒｇａｎ提出平均 根据这个模型就无须再把人体看成导电各向同 性的均匀导体，并且把一部分人体（脂肪等）看成是 绝缘体。也无须把非脂肪组织中的总体水含量看成 有固定的比例。该模型与人体密度模型类似。人体密 度模型把人体看成是由有不同密度的不同组织组 成，但其平均密度与脂肪含量具有正比关系。根据人 体密度模型产生的人体密度法（水下称重法）是测量 人体脂肪的金标准方法。 ２六电极测量方法 电阻率模型以及六电极分段测量方法，对原有的模 型和方法做出较大的改进。根据Ｌｅｓｌｉｅ的模型和方 法，本文研制一种新型的人体脂肪测量仪。并统计出 适合中国人种的脂肪计算公式以及提出一种新的测 量电极。 １平均电阻率模型 传统的测量仪采用的四电极测量方法如图１。四 电极测量方法只测量人体的全身阻抗，从理论上来 讲不准确。因为躯干阻抗只有二十几欧姆，而上肢和 传统的人体生物电阻抗模型采用容积导体模 型。它的缺点是把人体看成单一的电阻率均匀的圆 ・３１・ ２００２年第４期医疗卫生装备 维普资讯 http://www.cqvip.com 亍函它§ｌｓ＆ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＲＥＰＯＲＴ 下肢阻抗都有二百多欧姆；但躯干却含有人体成分 的百分之四十几。这样，如果躯干阻抗发生了１０ｎ 的变化（即百分之五十的变化），则意味着人体成分 发生百分之二十几的变化；而这时用四电极法所测 的全身阻抗却只有百分之二的改变，无法体现出这 种变化。所以，从理论上讲，要精确、灵敏地测出人体 的成分变化，必须测出人体的分段阻抗。而六电极测 量方法正是基于此点提出的。 六电极测量的方法如图２，把２个发射电极贴 在右手背和右脚背上，２个测量电极贴在右手腕和 右脚踝上，另外２个测量电极贴在左手腕、左脚踝 上。这样右手和左手的测量电极可以测出上肢的阻 抗。因为电流从右手流到右脚，可以认为只经过右 肩、和右躯干，不经过左手和左肩，这样左手的电势 近似右肩的电势，所以右手和左手的电势差近似右 手和右宿的电势差，所得的阻抗可以代替真实的上 肢阻抗。Ｌｅｓｌｉｅ Ｗ．Ｏｒｇａｎ等人证实了这一点。同理， 左手和左脚的测量电极可以测出躯干的阻抗，左脚 和右脚的电极可以测出下肢的阻抗。 （右） （左） （右） （左） 图１四电极测量示意图 、 图２六电极测量示意图 ３仪器的研制 仪器具备以下功能：（１）产生一个５０ｋＨｚ、５００￣Ａ 的正弦波恒流信号；（２）能测量范围１Ｏｎ～６ＯＯｎ的阻 抗；（３）能测量范围０ｎ～５０ｎ的容抗；（４）将输入的参 数和测量的参数转化成脂肪含量；（５）能输入人体的 各种参数；（６）对数据及结果具有数据库管理功能。 本仪器的（４）、（５）、（６）三部分功能由计算机完 成。仪器设计成卡式，插在计算机的ＩＳＡ插槽上。仪 器外接一个手握架和一个脚踏板。 卡式仪器的方框图如图３所示。激励源产生一 个５０ｋＨｚ、５００￣Ａ正弦波信号注射到人体。从人体检 测到的信号给阻抗测量电路和相位测量电路。这２ 个电路输出直流信号给Ａ／Ｄ转换电路。Ａ／Ｄ转换的 结果通过接口电路输入给计算机进行处理。控制电 路控制仪器进行分段阻抗和相位测量。控制电路的 触发信号来自计算机。稳压源把计算机提供的＋Ｉ２Ｖ 直流电源稳压成＋５Ｖ的直流电源，给模拟电路供电， 保证仪器的供电稳定。 仪器的设计要求： 圆 圈 ｌ篓 皇堕ｌ一＿Ｊ堡里皇堕Ｉ 臣堕 图３卡式仪器方框图 （１）定标电阻：２２Ｏｎ，误差±５％。 （２）时间常数：≥２ｓ。 （３）噪声：当 数等于２２Ｏｎ时，△ｚ的噪声相 当于折合输入端的０．１ｎ。 （４）恒流源：频率为５０ｋＨｚ＿＋１０％；输出电流≤ ２ｍＡ；输出阻抗≥１ＯＭｎ。 （５）输入阻抗：≥４Ｏｋｎ。 （６）阻抗测量：范围１０ｎ～６ＯＯＱ，线性测量误 差≤５％。 （７）容抗测量： 范围１ｎ～５０ｎ，线性测量误 差≤５％。 （８）Ａ／Ｄ转换精度：ｌ２ ｂｉｔ。 前７项指标符合国家医药管理总局批准的直接 式阻抗血流图仪专业技术标准（ＺＢＣ３９００２—８６）。 测试软件的设计： 软件的流程图如图４所示。输入的人体参数包 括姓名、性别、年龄、身高、体重。 Ｉ开始ｌ Ｉ结束Ｉ 输人人体参数ｌ ｆ否 电阻定标 ——— 再测量一次？ 二二］ 测量分段阻抗Ｉ 二二］二二 输出结果 相位定标 ｌ 二二二 二二 测量分段相位ｌ 计算脂肪 计算分段容抗 含量及分布 图４程序流程图 电阻定标：测量定标电阻的电压 ，设其电阻为 Ｒ０。 测量分段阻抗：测量分段人体的电压Ⅵ，分段阻 抗Ｒ （ Ｖｏ）ｘＲ０。 相位定标：测量定标电容与定标电阻的的相位 差所对应的电压值 。 测量分段相位：测量分段人体与定标电阻的相 ２００２年第４期医疗卫生装备．３２． 维普资讯 http://www.cqvip.com ＴＨＥＳＩＳ．：＆ ＲＥ壅ＳＥＡ堕Ｒ ＣＨ ＲＥ Ｐ～ＯＲ—Ｔ二一一二一．～一 福 Ｉ 位差所对应的电压值Ｖｃｉ，分段相位 ＝（ ∥ ）× ９０： 标准平方差是１．８４ｋｇ；欧姆龙脂肪测量仪与水下称 重系统的相关系数是０．７０８，标准平方差是３．１２ｋｇ。 ５讨论 计算分段容抗：分段容抗Ｘｃ＝Ｒｉｘ￣ｉ。 计算脂肪含量及分布：根据不同性别的统计公 式，代入各参数，计算被测者的全身脂肪含量和分 布： 从对比分析的结果来看，新仪器与欧姆龙脂肪 测量仪都和定标系统有较高的相关系数和较低的标 准平方差，说明生物阻抗法可以用来测量人体脂肪 成分。另外，新仪器与定标系统的相关系数比欧姆龙 脂肪测量仪与定标系统的相关系数高，而标准平方 差前者比后者低，显示了新研制脂肪测量仪比欧姆 龙脂肪测量仪具有更高的精确性，说明分段电阻率 模型比整体容积导体模型更能反映人体的脂肪分 布；六电极分段测量方法比四电极整体测量方法更 能客观地检测人体的脂肪含量。 今后工作设想：（１）要把它移植到单片机上，脱离 输出结果：输出到测量窗体和数据库。 ４人体实验 为了确定新仪器的计算公式。我们对６０名志愿 者，分别记录他们的年龄、性别，测量他们的身高、体 重，用新仪器测量他们的分段阻抗和容抗，用定标系 统测量他们的全身脂肪。然后，用年龄、身高、体重、 分段阻抗、分段容抗对全身脂肪进行线性回归。得到 各个参数对全身脂肪的计算公式。 这６０名志愿者的数据分成２组，每组各３０名。 计算机，降低仪器的成本和体积；而且使用电池供 电，脱离工频干扰，使之成为家用便携式仪器。（２）今 后，将单一频率改成多频率，使之还可以测量人体细 胞内液、细胞外液，进一步提高检测功能。 参考文献 １ Ｌｕｋａｓｋｉ，Ｈｅｎｒｙ Ｃ．，Ｗｉｌｌｉａｍ Ｗ．Ｂｏｌｏｎｃｈｕｋ，Ｃｌｉｎｔ Ｂ．Ｈａｌｌ， 第一组用来回归公式，第二组用来检验回归效果。这 些变量中脂肪是变量，其他变量对其进行线性 回归。回归的结果如下： Ｆａｔ＝３．８５０ａ＋０．７１５ｈ＋０．１０７ｗ＋０．５７７ｒｌ－２．４６１ｑｌ＋ ５．３４８ｒ２—１５．３７２ｑ２—０．８４４ｒ３＋２．０７７ｑ３－２３７．５７１ 其中，ａ：年龄，ｈ：身高，Ｗ：体重，ｒ１：上肢电阻，ｑ１： 上肢容抗，ｒ２：躯干电阻，ｑ２：躯干容抗，ｒ３：下肢电阻， ｑ３：下肢容抗。 对三种方法（新研制脂肪测量仪、欧姆龙脂肪测 Ｗｉｌｌｉａｍ Ａ Ｓｉｄｅｒｓ Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｔｒａｐｏｌａｒ ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ａｓｓｅｓｓ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｊ．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓｉｏ１． １９８６，６Ｏ（４）：１３２７￣１３３２ ２ Ｏｒｇａｎ，Ｌｅｓｌｉｅ Ｗ．，Ｇｉｌｂｅｒｔ Ｂ．Ｂｒａｄｈａｍ，Ｄｗｉｇｈｔ Ｔ．Ｇｏｒｅ，ａｎｄ Ｓｕｓａｎ Ｌ．Ｌｏｚｉｅｒ．Ｓｅｇｍｅｎｔｌ ｂｉａｏｅｌｅｃｔｉｃａｆｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ：ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ 量仪、水下称重系统）所测得的第二组３０名男性志 愿者的全身脂肪含量两两进行相关分析得到：新研 制脂肪测量仪与水下称重系统的相关系数是０．９５０， ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｊ．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓｉｏ１．１９９４，７７（１）：９８－ ｌｌ２ （２００１—１１—０７收稿 ２００２—０５—１９修回） （．．１●上接第３０页．．１●） ３．４各平面上风速分布情况 由于过高的风口风速引起的风口噪声也对舒适性带 来一定程度的影响。这些问题主要是由于气流组织 考察图６空调冷射流核心平面上的风速分布可 以发现，风口处风速在二维平面方向上也具有近似 按对数规律衰减的特点，进风口风速较高，回风口也 和风口结构设计所引起的，进一步的研究工作需要 设计合理的气流组织，使其在满足空调效果的前提 下，尽可能地减小风口风速与整个舱室空间的微风 速。 参考文献 ｌ ＧＪＢ８９８－１９９０．工作舱（蜜）温度环境的通甩医学要求． ２ ＧＢ／＇ｒ１２５４６－１９９０。汽车隔热通风试验方法． 具有较大的回风速度，从而整个平面内大部分空间 不满足ｙ≤Ｏ．５ｍ／ｓ的技术要求 但从图１０及其余测 点来看，手术舱约１／２以上的空间满足Ｖ≤０．５ｍ／ｓ 的技术要求。 从图６、图１Ｏ可以很容易地看出，舱内风速分 布的均匀性较差。进风口存在较高的风速；使有限空 间内各工作区间不同程度地造成较大撇风感，影 响了舱内作业人员的舒适性效果和工作效率 此外， ・３薛定宇．科算语言￣ＴＬＡＢＳ．３程序设计与应用 ｊ￡京：清华 大学趣霰￣，２０００ （２００２－－０４－０５牧甍、 ３３。 ２００２年第４期医疗卫生装备
