確定人體疲勞程度的儀器的製作方法
2023-05-28 11:36:36
專利名稱：確定人體疲勞程度的儀器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種確定人體疲勞程度的儀器。
通常在腿部經常出現腫脹，特別是在當人工作時由於長時間站立的情況下，人的小腿部會變得疲勞，從而在小腿部出現腫脹。這種腫脹是由於體內水份或淋巴液擁塞，在重力影響下不能正常流回到人的軀幹部分造成的。當人長時間坐著工作或人長時間腿部交叉坐著時，也會出現同樣的腫脹。在後面一種情況下，由於人長時間彎曲腿部從而減少了身體關節上的血液和淋巴液的流動，然後，體內水份或淋巴液無法正常流回到軀幹部分。在這種情況下當人長時間保持一種姿勢工作時會出現伴有疲勞的腫脹。總之，重力是使體內水份擁塞的基本原因。因此，我們通常說每個人起床後的一天當中會或多或少地出現腫脹，而且腫脹會逐漸積累。
儘管每個人都會出現腫脹，但通常第二天就會恢復。這是由於當人睡覺或躺在床上時體內水份會流遍人的全身。
這種腫脹在人早晨起床後就開始出現，逐漸積累直至在某時達到最嚴重的程度。然而，這種腫脹在人上床休息後開始恢復，並完全恢復到與前一天起床時基本相同的程度。腫脹的程度隨人在白天的活動而不斷變化，並不是始終如一的，而且每個人也是有差異的。另外，對腫脹的敏感度也是因人而異的。
因此，會出現儘管腫脹未恢復且疲勞累積到下一天，但人並沒有感到這種腫脹而繼續努力工作，結果健康受到損害。或者，存在這樣的情況人感到腿部腫脹，但他們樂觀地認為腫脹會在第二天恢復，結果忽略了嚴重疾病的症狀。
為避免這種可能性，最好有一種儀器客觀地確定人的疲勞程度。遺憾的是現有技術中還沒有這種儀器。
綜上，本發明的一個目是提供一種簡單確定人的疲勞程度的儀器。
為達到這個目的，本發明提供一種確定人體疲勞程度的儀器，包括兩對電極；電流源；電壓測量單元；運算單元；存儲單元；顯示單元，所述兩對電極構造成與測試下的人體相接觸；所述電流源通過所選的其中一對所述電極來提供測量電流；所述電壓測量單元測量另一對所選的所述電極之間的電壓；所述存儲單元存儲所述運算單元計算的生物電阻抗和參考值；所述運算單元根據來自所述電壓測量單元的測量值計算生物電阻抗，並通過將生物電阻抗的當前測量值與存儲在存儲單元中的生物電阻抗的參考值相比較來計算接受測試的人體疲勞程度；及所述顯示單元指示接受測試的人的疲勞程度。
根據本發明的一個實施例，所述顯示單元用圖表指示出疲勞程度變化的經過。
根據本發明的另一個實施例，顯示在所述顯示單元上的圖形以早晨測量的生物電阻抗為基礎來表示疲勞程度變化的經過。
根據本發明的另一個實施例，顯示在所述顯示單元上的圖形以傍晚或夜裡所測量的生物電阻抗為基礎來表示疲勞程度變化的經過。
根據本發明的另一個實施例，在測試下人執行某種動作前設定所述生物電阻抗的參考值，所述顯示單元通過將生物電阻抗的當前測量值與存儲在存儲單元中的生物電阻抗的參考值相比較來表示這種動作前後的疲勞程度。
根據本發明的另一個方面，提供一種根據人體腫脹確定疲勞程度的儀器，包括兩對電極；電流源；電壓測量單元；運算單元；存儲單元；顯示單元，所述兩對電極配置成與測試下的人體相接觸；所述電流源通過所選的其中一對所述電極來提供測量電流；所述電壓測量單元測量另一對所選的所述電極之間的電壓；所述存儲單元存儲所述運算單元計算的生物電阻抗和參考值；所述運算單元計算生物電阻抗，生物電阻抗基於來自於電壓測量裝備的測量值，並通過將生物電阻抗的當前測量值與存儲在存儲單元中的生物電阻抗的參考值相比較來計算測試下人體的腫脹程度；及所述顯示單元指示接受測試的人的腫脹程度。
根據本發明的一個實施例，所述顯示單元用圖表指示出腫脹程度變化的經過。
根據本發明的另一個實施例，顯示在所述顯示單元上的圖形以早晨測量的生物電阻抗為基礎來表示疲勞程度變化的經過。
根據本發明的另一個實施例，顯示在所述顯示單元上的圖形以傍晚或夜裡所測量的生物電阻抗為基礎來表示腫脹程度變化的經過。
根據本發明的另一個實施例，在測試下人執行某種動作前設定所述生物電阻抗的參考值，所述顯示單元通過將生物電阻抗的當前測量值與存儲在存儲單元中的生物電阻抗的參考值相比較來表示這種動作前後的腫脹程度。
根據本發明的另一個實施例，生物電阻抗的所述參考值表示組織液量上的平均變化，這些變化是在每天早晨和傍晚進行多次測量的平均值之差。
根據本發明的另一個實施例，所述組織液量上的平均變化在每次測量生物電阻抗時進行更新。
根據本發明的另一個實施例，所述電流源選擇性地提供具有多個頻率的測量電流。
根據本發明的另一個實施例，所述電流源提供具有單一頻率的測量電流。
根據本發明的另一個實施例，所述兩對電極配置成與測試下的人體的腳掌相連。
根據本發明的另一個實施例，所述兩對電極配置成與測試下的人體的小腿相連。
現在參考附圖對本發明進行更詳細的描述，其中
圖1是表示在人體組織中細胞的電子等效電路的圖形；圖2是表示人體的生物電向量阻抗軌跡的圖形，用於說明本發明中使用的生物電阻抗測量；圖3是表示特徵頻率點和零點以及無窮頻率點之間關係的圖形；圖4(a)和4(b)表示人體中腫脹變化的模型；圖5是根據本發明的一個實施例確定人體疲勞程度的儀器的外觀；圖6所示為用於確定圖5中疲勞程度的儀器的主要部件的框圖；圖7所示為用於確定圖5中疲勞程度的儀器的測量設備顯示單元的放大視圖；圖8所示為用於確定圖5中疲勞程度的儀器的控制盒的正視圖；圖9所示為用於確定圖5中疲勞程度的儀器的LCD顯示單元的主要部件的放大視圖；圖10所示為用於確定圖5中疲勞程度的儀器中的測量步驟的流程圖；圖11(a)，11(b)和11(c)所示為通過示例在其上顯示不同類型數據的LCD顯示單元；圖12所示為本發明的另一個實施例的概觀；及圖13所示為根據本發明的另一個實施例的測量步驟的流程圖。
首先描述本發明的原理。根據本發明，測量生物電阻抗來檢測腫脹程度，腫脹程度是由在每天內響應活動所引起的人體中體內水份分布的變化所產生的。然後再檢查當時的腫脹程度和長時間的腫脹趨勢，以便據此確定身體的疲勞程度。如前所述，因為每個人所固有的腫脹上的差異，所以不可能通過簡單地與固定參考值相比較來確定腫脹程度。因此最好事先測量並存儲人的腫脹的標準水平。然後，以該標準水平為基礎，再確定當時的腫脹程度和長時間的腫脹趨勢。
由於人起床後作為動態活動的鍛鍊和工作是腫脹的原因之一， 由動態活動產生的疲勞與腫脹程度相關。因此以前所派生的腫脹程度可用於確定疲勞程度，疲勞程度隨後顯示出來。
根據本發明，檢測在日常生活中周期性地出現在人身上的腫脹程度，並將其與人的參考值相比較。由於人目前所固有的腫脹程度的波動，因此參考值來自於某一時間間隔上的測量數據。然後再客觀地確定人的腫脹程度。
另外，以某一時間間隔上的測量為基礎，在一定程度上能客觀地估計特定時間間隔內身體狀況和疲勞的積累。現在，考慮一例情況在人早晨起床時和在上床時或在某時間間隔內的傍晚的某時進行腫脹測量。其後，檢查腫脹程度的變化。如前所述，腫脹通常在人第二天早晨起床時就恢復了。然而，也會發生腫脹沒有完全恢復的情況，而是每次在人起床、上床休息或在夜裡的某一時候進行測量時，其中的腫脹程度都逐漸積累。在這種情況下，可以認為腫脹在白天的活動周期內沒有恢復，而是逐漸積累。換言之，在白天的活動周期內沒有恢復的疲勞正在積累。
接著描述本發明中使用的生物電阻抗測量方法。首先，提及的是使用多個頻率的多個頻率生物電阻抗測量方法。根據這種測量方法，不僅是生物電阻抗，而且體內水份量、全身中的細胞內和細胞外水份量以及在所測量的身體一部分的水份量、細胞內和細胞外水份量一樣，都能在不同的活體參數、細胞內和細胞外水電阻以及細胞膜電容的基礎上導出。
如圖1所示，通常用集總常數等效電路表示活體的電阻抗，集總常數等效電路包括細胞外水份電阻Re，細胞內水份電阻Ri以及細胞膜電容Cm。事實上，由於形狀和特性不同，構成活體的多細胞分別用具有不同常數的獨立電路表示。因此，在作為這種細胞集合物的活體中，其向量阻抗軌跡不會顯示與測量集總常數等效電路的情況不同的半圓形，而會顯示以Cole-Cole模型給出的圓弧。
因此，通常用圖2所示的圓弧形軌跡表示活體的電阻抗。在圖2中，x-軸表示阻抗的電阻分量，y-軸表示阻抗的電抗分量。由於生物電阻抗的電抗分量因其電容特性顯示為負值，因此生物電阻抗的向量軌跡繪製在圖2中實軸的下側。
參考圖3,Ro,Rinf和Zc分別表示0頻率時的電阻，無窮頻率時的電阻和頻率Fc上的生物電阻抗值。至於Ro和Rinf，由於它們的電抗值為0，因此其僅有電阻分量。在頻率Fc上，電抗分量的絕對值達到最大，Zc為該頻率上的生物電阻抗值。如本文所使用的，在電抗分量的絕對值達到最大時的頻率稱為特性頻率。每個身體組成部分，例如體內水份、細胞內水份、細胞外水份、脫脂胞塊以及細胞內和細胞外水份的比，都可以從上述值或近似值得到。
腫脹被認為是過多的組織液(或血管外的細胞狀結構中的體內水份)聚集在在特定區域。或者鑑於組織液也是細胞外水份的一種成份這個事實，也可以說聚集了過多的細胞外水份。同時，鑑於細胞外水份是體內水份的一種成份這個事實，也可以說體內水份在增加。然而，如前所述，在日常生活中周期性出現的腫脹主要是受重力影響產生的，因此，腫脹主要出現在與遠離心臟的四肢端部相鄰的部位。因此，僅在腫脹出現的身體部位上才會產生組織液或細胞外水份或休內水份量的增加。
然後再參考使用具有單一頻率的AC測量電流的單一頻率生物電阻抗測量方法。根據這種單一頻率生物電阻抗測量方法，可以用上述相同的方法使用生物電阻抗的測量值來估計被測量的身體部位之間的體內水份量。體內水份量的變化主要取決於細胞外水份量的變化。因此捕捉體內水份量的變化等效於捕捉細胞外水份量的變化。如上所述，組織液量的變化表現為細胞外水份量的變化。那麼即使使用單一頻率生物電阻抗測量方法，也能夠跟蹤腫脹程度的變化。使用單一頻率的AC電流來估計體內水份量的方法在現有技術中是已知的，因此，本文對這種方法不再贅述。
現在，為便於說明，用「W1」表示腫脹出現前活體某個部位上組織液的量。如圖4(a)所示，用具有長度為「L」、橫截面為「S1」的圓柱來表示腫脹出現前組織液的量。而且組織液的電阻率用「p」表示。組織液兩端之間的電阻R1用下列公式表示R1=p·L/S1假設由於出現腫脹組織液的量變為「W2」。這時，組織液的圓柱外形變化，橫截面從「S1」變為「S2」，但長度「L」保持不變，如圖4(b)所示。組織液兩端之間的電阻R2用下列公式表示R2=p·L/S2因為組織液量的圓柱的恆定長度「L」與圓柱的橫截面成正比關係。因此在下列公式用「R1」和「R2」來表示「W1」和「W2」W1=k/R1(1)W2=k/R2(2)其中「k」為恆量。組織液量的變化ΔW用下列公式表示ΔW=W2-W1將公式(1)和(2)代入得到下列公式ΔW=k/R2-k/R1=k·(R1-R2)/(R2·R1)結果是組織液量的變化可通過測量組織液的電阻來得到。而且，因為組織液量的變化與所測量的身體部位的細胞外水份和身體水份的量的變化有關聯，因此，如上所述，組織液量的變化可通過測量組織液的電阻和生物電阻抗來得到。
用這種方法可得到組織液量的變化。然而，這僅僅表示組織液數據量上的變化，不能表示由此產生的腫脹程度的變化。組織液量和腫脹程度之間的關係因人而異，而且由於物理特性不同、體格不同、日常生活中的活動不同以及類似的原因，使得無法統一地確定這種關係。
因此，根據本發明，可以通過事先對每個人在正常生活環境中某一時間間隔內進行測量來得到每個人的個人數據，根據個人數據，再得到每個人的參考值。所測量的組織液量上的變化或據此得到的結果數據與每個人的參考值進行比較，來確定腫脹程度。在這種方法中，把每個人的平均數據作為參考值，來準確地確定每個人的腫脹程度、疲勞程度以及身體狀況。
圖5所示為根據本發明實施例用於確定人體疲勞程度的儀器的概觀。圖6是圖5中儀器內的主要部件的框圖。根據本實施例用於確定人體疲勞程度的儀器包括兩個主要部件控制箱1和測量儀器2，如圖5所示。下面參考圖6的框圖描述控制箱1和測量儀器2的基本功能。
控制箱1包括微控制器3，微控制器3包括CPU、ROM、RAM、計時器、I/O埠以及其它功能。控制箱1還包括用於顯示在測試中由人設定的個人參數、測量的結果數據和測量步驟進程的LCD顯示單元4，以及存儲測量控制參數和個人參數的非易失性存儲器5。控制箱1還包括用於輸入個人參數及選擇存儲在非易失性存儲器5中的個人參數的按鍵開關6，以及與外面部件相連的外部輸入/輸出接口7。而且微控制器3控制的蜂鳴電路8包括在控制箱1內。
測量儀器2包括微控制器10，微控制器10包括CPU、ROM、RAM、計時器、I/O埠和其它功能，以及用於指示測量步驟進程或與之類似的指示器裝置11。測量儀器2還包括在其中存儲測量儀器在測量中所使用的參數的非易失性存儲器12，以及將微控制器10中的輸出信號形成活體適用的信號的濾波電路13。測量儀器2也包括將濾波電路13的輸出信號提供給測試中人的AC電流輸出電路14。參考電阻器15與AC電流輸出電路14的一個輸出端相連，用於檢測進入測試中人體的電流。一個測量電流供給電極16通過參考電阻器15相連，另一個測量電流供給電極17與AC電流輸出電路14的另一個輸出端相連。還包括用於檢測參考電阻器15兩端的電壓差的差動放大器18。設有電壓測量電極19和20，用於檢測測試中人體上兩點之間的電勢。差動放大器21與電壓測量電極19和20相連，用於檢測其間的電勢。設有重量傳感器22用於檢測測試中人體的體重，重量傳感器22與放大器23相連用於放大其中的信號。切換裝置24在微控制器10的控制下操作，用於分別與差動放大器18,21和放大器23的一個輸出端相連。切換裝置24的輸出與A/D轉換器25相連，用於將切換裝置24的模擬信號轉換成數位訊號並提供給微控制器10。在測量裝置2中還包括電池26，並與電源電路27相連。電源電路27在控制箱1的微控制器3和測量裝置2的微控制10的控制下操作，用於為上述控制箱1和測量裝置2中的部件供電。
控制箱1和測量裝置2通過接線電纜28彼此相連。接線電纜28包括用於通信的多個信號線29和用於在控制箱1和測量裝置2間提供電力的多個電力線30。
信號線29用於將信號從微控制器3供給微控制10及電源電路27，以控制測量裝置2的操作和電力供應。另外，信號線29將測量裝置2中產生的測量結果傳送到微控制器3中。
現在詳細描述測量裝置2。圖7所示為圖5中測量裝置2的顯示單元的詳細視圖。如圖7所示，測量裝置2的顯示單元包括分別打開以指示測量過程進程的第一LED31，第二LED32和第三LED33。
第一LED31在完成測量裝置2的初始設定後被打開，以指示可以進行測量。開始測量後第一LED31關閉。測量一開始第二LED32就打開，並在測量結束以及進行測量結果的算術運算期間保持打開狀態。第二LED32在運算結果顯示在控制箱1前即被關閉。第二LED32被關閉後，第三LED33被打開，指示測量及算術運算完成。在固定時間段後第三LED33被打開。
下面詳細描述控制箱1。圖8和9所示為控制箱1的操作和顯示部分。如圖8所示，控制箱1包括用於顯示測量結果和以前測量數據的LCD顯示單元4，以及用於設定個人數據及恢復和更正數據的存儲鍵41,42,43和44。控制箱1還包括用於進行重量測量而不是腫脹程度測量的重量測量鍵45，及用於打開和關閉以前個人數據顯示的圖形顯示鍵46。而且控制箱1設有圖形選擇鍵47和數據選擇鍵48，圖形選擇鍵47用於在本儀器中產生的三種圖形之間進行切換，數據選擇鍵48用於在顯示說明的圖形中選擇數字數據。
現在，下文描述測量操作的過程、圖形功能的恢復、作為參考的個人數據的設定以及腫脹程度的計算。首先，參考圖10的流程圖描述正常測量過程中的測量操作過程。在這裡假定表示算術運算所需的個人參考的所有個人數據均已設定。儘管在後面才進行詳細描述，但在這裡我們完全可以說，個人數據被設定為在每天早晨某一時間間隔內所測量的生物電阻抗的平均值「Zam」，以及進行測量的測量時刻的平均時間「Tam」，在每天傍晚或夜裡相同間隔上所測量的生物電阻抗的平均值「Zpm」，進行測量的測量時刻的平均時間「Tpm」。
最初一旦按下存儲鍵41,42,43和44中的任一個和重量測量鍵45，則程序就從等待模式進入工作模式。首先檢查按下的鍵是否是重量測量鍵45(步驟S1)。如果是重量測量鍵45，則儀器作為體重計操作，完成內部最初設定後，測量裝置上的顯示單元11的第一LED31被打開，指示可以開始進行測量(步驟S2)。當測試中的人登上測量裝置2時，第一LED31被關閉，但是第二LED32被打開以指示正在執行測量。當重量傳感器22檢測體重時，信號送入放大器23並被放大，然後放大器的輸出信號提供給切換裝置24。然後信號被提供給A/D轉換器25，將其轉換成數位訊號，該數位訊號提供給微控制器10。接著微控制器10執行算術運行產生重量值(步驟S3)。完成測量後，第二LED32被關閉，但第三LED33被打開以指示測量已完成。同時測量結果顯示在LCD顯示單元4上(步驟S4)，等待固定時間周期後(步驟S5)，第三LED33被關閉。接著LCD顯示單元4上的測量數據被擦掉且過程進入等待模式(步驟S6)。
如果步驟S1上按下的鍵不是重量測量鍵45，則檢查按下的鍵是否是存儲鍵41,42,43和44中的任一個(步驟S7)。如果沒有存儲鍵被按下，則過程不進入工作模式，而是進入等待模式(步驟S8)。
如果存儲鍵41,42,43和44中的任一個被按下，則儀器隨後的操作取決於其被按下時的時刻。下文描述儀器的操作的兩種情況一種情況是鍵在早晨被按下，另一種情況是鍵在傍晚被按下。
1、在早晨的測量操作如果存儲鍵41,42,43和44中的任一個在步驟S7中被按下，則從非易失性存儲器5中讀取與所按下的存儲鍵的鍵號相對應的數據(步驟S9)。而且在鍵被按下時從微控制器3中的計時器中讀取時間數據(步驟S10)。將來自計時器的時間數據與測量時間參考相比較，用來確定測量是在早晨、傍晚還是夜裡進行。在步驟S11上，檢查測量是否在早晨進行。接著顯示上次早晨測量的重量值和存儲器鍵號，並圖形顯示存儲在非易失性存儲器5中的從以前的早晨數據中計算出的以前早晨腫脹程度的數據(步驟S12)。此後，初始化測量儀器(步驟S13)。完成初始化且測量操作準備好之後，打開第一LED31，指示可以開始測量。當測試下的人置於測量裝置2上時，第一LED31關閉，但打開第二LED32，指示正在進行測量。當重量傳感器22檢測人的體重時，信號送入放大器23並被放大，然後放大器的輸出信號提供給切換裝置24。然後將信號提供給A/D轉換器25，將其轉換成數位訊號，該數位訊號提供給微控制器10。接著微控制器10執行算術運算產生重量值(步驟S14)。然後該重量顯示在LCD顯示單元4(步驟S15)。接著執行生物電阻抗測量(步驟S16)。通過參考個人數據來完成算術運算。在後面描述生物電阻抗測量。一系列的測量步驟完成後，第二LED32關閉，但打開第三LED33，指示測量完成。在這裡再次檢查測量是否是在早晨(步驟S17)。如果是，則完成算術運算來計算早晨的腫脹程度(步驟S18)。因此所計算的早晨的腫脹程度同上次得到的早晨的腫脹程度一起顯示在LCD顯示單元4上的數字顯示區，並存儲在非易失性存儲器5中(步驟S19)。接著，使用那時數據更新的圖形顯示在LCD顯示單元4的圖形區域內(步驟S20)，那時的的測量結果和相應的測量時間存儲在非易失性存儲器5中(步驟S21)。如果將需要的測量結果經外部輸入/輸出接口7輸出(步驟S22)，在等待固定時間段之後，第三LED33關閉，擦除LCD顯示單元4上的數據(步驟S23)。然後，程序進入等待模式(步驟S24)。
2．傍晚或夜裡的測量操作如果存儲鍵41,42,43和44中的任一個在步驟S7中被按下，則從非易失性存儲器5中讀取與所按下的存儲鍵的鍵號相對應的數據(步驟S9)。而且在鍵被按下時從微控制器3中的計時器中讀取時間數據(步驟S10)。將來自計時器的時間數據與測量-時間-參考相比較，用來確定是否測量將在早晨、傍晚或是夜裡進行。在步驟S11中，進行檢查，確定測量將在傍晚或夜裡進行。接著顯示上次在傍晚或夜裡測量的重量值和相應的存儲器鍵號。此外，圖形顯示存儲在非易失性存儲器5中的從以前早晨、傍晚或夜裡數據中計算出的全天腫脹程度(步驟S25)。此後，初始化測量儀器(步驟S13)。完成初始化且測量操作準備好之後，打開第一LED31，指示可以開始測量。當測試下的人置於測量裝置2上時，第一LED31關閉，但打開第二LED32，指示正在進行測量。當重量傳感器22檢測人的體重時，信號送入放大器23並被放大，然後放大器的輸出信號提供給切換裝置24。然後將信號提供給A/D轉換器25，將其轉換成數位訊號，該數位訊號提供給微控制器10。接著微控制器10執行算術運算產生重量值(步驟S14)。然後該重量值顯示在LCD顯示單元4上(步驟S15)。接著執行生物電阻抗測量(步驟S16)。通過參考個人數據來完成算術運算。一系列的測量步驟完成後，第二LED32關閉，但打開第三LED33，指示測量完成。在這裡再次檢查測量是否是在早晨(步驟S17)。因為此時是在傍晚或因為測量，所以，執行算術運算來計算一天的腫脹程度(步驟S26)。由此計算出的一天腫脹程度和先前測量的早晨腫脹程度作為測量結果顯示在LCD顯示單元4的數字區域內(步驟S27)。此外，用當前數據更新的圖形顯示在LCD顯示單元4的圖形區域內(步驟S28)，當時獲得的測量結果和相應的測量時間存儲在非易失性存儲器5中(步驟S21)。如果將需要的測量結果經外部輸入/輸出接口7輸出(步驟S22)，在等待固定時間段之後，第三LED33關閉，擦除LCD顯示單元4上的數據(步驟S23)。然後，程序進入等待模式(步驟S24)。
現在，描述利用具有多個頻率的AC電流的多個頻率生物電阻抗測量方法。
多個頻率生物電阻抗測量的執行方式是這樣的以頻率Fi重複測量「n」次，其中「n」能任意設定，頻率Fi從「i」=1開始。對以第一頻率對測量進行初始設置時，將「i」的值設為1(步驟S31)。根據「i」的值，設置頻率Fi(步驟S32)。在初步存儲在微控制器3的ROM中的測量控制參數或那些經外部輸入/輸出接口7存儲在RAM中的參數的基礎上，微控制器10設置然後將送入電流輸出電路14中的輸出信號頻率。電流輸出電路14包括能設置電流值的恆流輸出電路。所以，根據測量控制參數設置輸出電流，然後將輸出電流經測量電流供給電極16和17加給測試下的人。
然後，通過參考電阻器15檢測加給人的電流，以模擬形式將檢測信號送入A/D轉換器25，A/D轉換器25將其轉換為數位訊號然後存儲在微控制器10的RAM中。同時，檢測縛在人身上的電勢測量電極19和20之間的電勢並將其送入差動放大器電路21。差動放大器電路21輸出電勢差信號，該電勢差信號是送入A/D轉換器25的電勢信號之間的差。A/D轉換器25將這種模擬形式的輸入信號轉換成數字形式的信號，這意味著已經測量了生物電阻抗(步驟S33)。然後，將測量結果存儲在RAM中(步驟S34)。
在以第一頻率完成阻抗測量之後，「i」的值設為「i+1」(步驟S35)，並檢查是否達到預定的測量次數(步驟S36)。如果「i」的值超過預定次數「n」，則阻抗測量結束，但如果沒有超過，則程序返回步驟S32，以便以下一頻率重複進行阻抗測量。
此後，根據測量的生物電阻抗值計算阻抗軌跡和相應的參數。從上述原因來看，活體的電阻抗是使其向量阻抗軌跡不顯示半個圓，而是顯示以Cole-Cole模型給出的圓弧。因此，活體的電阻抗通常由圖2所示的圓弧形軌跡表示。根據導出的向量阻抗軌跡是圓弧形的假設，分別以頻率「Fi」(i=1至n)測量的生物電阻抗值Z1、Z2……Zn是在圖3顯示的某個圓的圓弧上。這裡，向量阻抗平面的實軸(橫坐標軸)和虛軸(縱坐標軸)分別稱為X-軸和Y-軸。所以，從坐標上的點「Zi」(i=1至n)，導出以下的相關函數(X-a)2+(Y-b)2=r2其中「a」是圓心的X坐標，「b」是圓心的Y坐標，「r」是圓的半徑。換言之，該函數是「n」個點之間近似的相關函數。由此導出以下公式X=a(r2-b2)]]>其中，由於Ro＞Rinf,Ro=a+(r2-b2)]]>Rinf=a-(r2-b2)]]>因此，圖1中的等效電路的Re和Ri表達如下
Re=RoRi=Ro·Rinf/(Ro-Rinf)將特徵頻率Fc處的阻抗向量Zc確定為一個點，在該點，虛軸分量即Y-軸分量的絕對值達到最大值。所以，作為阻抗向量Zc實軸分量的X坐標和作為虛軸分量的Y坐標確定為X=a,Y=b-r由此，阻抗向量Zc表示為Zc=a+j(b-r)根據上述Cole-Cole模型，將頻率為ω的阻抗向量表示為Z(ω)=Rinf+(Ro-Rinf)/(1+(jωτ)β)其中Z(ω)是ω處的阻抗向量，τ和β是常數。
當τ=1/ωc時，Z(ω)=Rinf+(Ro-Rinf)/(1+(jω/ωc)β)其中ωc=2πFc。
Fc和β也可以根據這些關係和圓上的數據計算出來(步驟S37)。
接著，根據由此計算出的向量阻抗軌跡和相關的參數，例如Ro、Rinf、Re、Ri、Zc和Fc，計算細胞外水(ECW)量、細胞內水(ICW)量、細胞內細胞外水量的比以及總的體內水量(TBW)(步驟S38)。
現在參考圖8、11(a)、11(b)和11(c)描述圖形顯示功能。圖11(a)、11(b)和11(c)通過舉例顯示了在LCD顯示單元4上顯示什麼。通過按下圖形顯示鍵46開始圖形顯示功能。甚至在儀器處於等待模式時，按下圖形顯示鍵46使儀器進入工作模式，開始圖形顯示功能。但是，在儀器處於測量過程期間，不能起動圖形顯示功能。在圖形顯示功能起動後儀器的操作在下文中稱為操作的「圖形模式」。
在圖形模式下，當按下存儲器號碼鍵41,42,43和44中的任一個時，從非易失性存儲器5中讀取與按下的存儲器號碼鍵相對應的數據，並進行處理和顯示。表示腫脹程度的圖形顯示在LCD顯示單元4的下部，所選擇的數字數據顯示在LCD顯示的上部。
圖11(a)、11(b)和11(c)舉例示出了上面顯示有存儲在1號存儲器中的數據的LCD顯示單元4。特別地，參考圖11(a)，LCD顯示單元用圖形表示早晨的數據。在圖11(b)中，LCD顯示單元用圖形表示全天的數據。在圖11(c)中，LCD顯示單元用圖形表示兩個數據的和。
參考圖11(a)，表示了用個人數據作為參考計算出的早晨腫脹程度的變化。更具體地說，在昨天早晨腫脹程度相對於參考為0.2％已經在今天早晨變為0.0％。
參考圖11(b)，表示了從早到晚一天的腫脹程度的變化。特別地，早晨0.0％的腫脹程度在完成那天的活動後已變成+1.2％。
參考圖11(c)，表示了早晨腫脹程度和一天腫脹程度之和所產生腫脹程度總變化。特別地，前一天腫脹程度相對於參考為+1.2％，那天也是+1.2％。
連續按下圖形選擇鍵47依次切換數據顯示格式(a)、(b)和(c)，使得其中一個顯示在LCD顯示單元上。此外，按下數據選擇鍵48移動圖形下面提供的三角形標記的位置，同時與三角形標記對應的數字數據顯示在LCD顯示單元的上部。再次按下圖形顯示鍵46終止操作的圖形模式。
現在描述用作參考的個人數據。在本文公開的實施例中，存在兩種類型的設置模式用於設置作為參考的個人數據(下文成為「參考數據」)。其中之一為「固定設置模式」，其中一旦在一定時間間隔內的數據基礎上進行設置，則連續使用參考數據直至它將被重置的時刻。另一個是「自動設置模式」，其中根據特定時間間隔內的先前數據自動更新參考數據。
那些設置模式之間的切換通過將存儲鍵41,42,43和44其中之一按下特定時間以上來實現。然後，切換與按下的存儲鍵對應的設置模式，使得不僅在固定模式和自動模式之間進行切換，而且能擦除個人測量數據。在LCD顯示單元4的左上方顯示相關的三角形標記，指示當前設置模式為「固定」還是「自動」。同時，在LCD顯示單元4上顯示存儲器號碼和圖形。然後按下還充當固定/自動模式切換鍵功能的圖形顯示鍵46，在固定模式和自動模式之間切換。以類似的方式，按下還充當數據擦除鍵功能的數據選擇鍵48，擦除先前的測量數據。最後，再次按下存儲鍵41,42,43或44終止模式切換操作。
在本文公開的實施例中，設置參考數據的時間間隔預設為5天，下面詳細描述每種設置模式。
1．固定設置模式在該模式下，用5天時間間隔所獲得的測量數據計算參考數據，然後使參考數據保持固定直至它被重置的那一時刻。5天的時間間隔意味著非易失性存儲器5存儲5天的測量數據。特別在本發明的儀器第一次開始工作時，進入固定設置模式。由於非易失性存儲器5中不存有數據，因此獲得計算參考數據所需的測量數據的時間間隔相當於5天的預設時間間隔。所以，在第一天的測量操作中，因為沒有存儲的數據，所以不起動圖形顯示。但將每個時刻所得到的測量數據平均並存儲在非易失性存儲器5中作為參考數據。
如果用上述模式切換操作切換到固定設置模式，則儀器操作的改變取決於非易失性存儲器5存儲了多少測量數據。如果非易失性存儲器5存儲的測量數據超過5天，則根據5天的測量數據計算參考數據。但是，如果非易失性存儲器5僅存儲了較少的測量數據例如4天的數據，則用該測量數據生成臨時參考數據。在獲得5天的測量數據之後，根據這些測量數據計算參考數據。
2．自動設置模式在模式下，總是利用5天的最新測量數據自動計算和更新參考數據。如果僅有較少測量數據例如4天的數據，則生成臨時參考數據。在獲得5天的測量數據之後，根據這些測量數據計算參考數據。
現在詳細描述腫脹程度的計算。腫脹程度的計算是根據上述個人數據或參考數據完成的。根據每天早晨測量的生物電阻抗和測量時刻以及每天傍晚或夜裡測量的生物電阻抗和測量時刻設置用於計算腫脹程度的參考數據。
在該實施例中，將設置參考數據期間的時間間隔預設為5天，下面描述參考數據的設置。
首先，計算每天早晨測量的生物電阻抗數據的平均值「Zam」和進行阻抗測量的測量時刻的平均時間「Tam」。以類似的方式，計算每天傍晚或夜裡測量的生物電阻抗數據的平均值「Zpm」和進行阻抗測量的測量時刻的平均時間「Tpm」。
Zam=∑Zai/5(i=1,2,…5)Zpm=∑Zpi/5(i=1,2,…5)Tam=∑Tai/5(i=1,2,…5)Tpm=∑Tpf/5(i=1,2,…5)其中，「Zai」是第「i」天早晨測量的生物電阻抗值；「Tai」是進行阻抗測量的測量時刻。類似地，「Zpi」是第「i」天傍晚或夜裡測量的生物電阻抗值；「Tpi」是進行阻抗測量的測量時刻。
然後，計算早晨和傍晚或夜裡生物電阻抗平均值「Zam」和「Zpm」之間的差「Zap」。
Zap=Zam-Zpm差「Zap」表示被測試人一整天組織液量變化的平均值。所以，該值「Zap」與每天實際測量數據的比較能確定組織液量的變化是否大於或小於這個人的正常條件。換言之，能確定人的腫脹程度。
根據該實施例，通過早晨和傍晚或夜裡生物電阻抗平均值「Zam」和「Zpm」之間的差「Zap」設置參考數據；以及進行測量的測量時刻的平均時間「Tam」和「Tpm」。
根據該參考數據，通過早晨和傍晚或夜裡測量的生物電阻抗值就算腫脹程度的方式如下假設早晨測量的生物電阻抗值為「Z1」，則早晨的腫脹程度「M1」由以下公式表示M1=(Z1-Zam)／Zap這確定早晨測量的腫脹程度是否高於或低於參考值。如果「M1」為正值，則腫脹程度高於參考。但如果為負值，則腫脹程度低於參考。
假定傍晚或夜裡測量的生物電阻抗值為「Z2」，則計算它和早晨的阻抗值「Z1」之間的差ΔZ。
ΔZ=Z1-Z2該ΔZ表示早晨和傍晚或夜裡那些組織液量的變化，即一整天的腫脹。因此，一整天的腫脹程度「M2」由以下公式表示M2=(ΔZ-Zap)/Zap如果「M2」為正值，則腫脹程度高於參考。但如果為負值，則腫脹程度低於參考。
以這種方式，在用正常生活中腫脹平均值作為參考的基礎上完成腫脹程度的計算。
數據「Tam」和「Tpm」用於通過將該數據與人完成測量的時刻相比來確定測量是在早晨執行的還是在傍晚或夜裡執行的。
現在說明本發明的另一個實施例，該實施例中，測量人出現的暫時腫脹。這適用於這種情況當這個人感到疲勞時，他按摩自己的下肢或洗澡來消除疲勞。通過在按摩或洗澡前後執行測量，通過比較這種動作前後的腫脹程度能確定疲勞是否能得到消除。
現在參考圖13中的流程圖來描述第二實施例。第二實施例的外部概觀和內部組件分別與圖5和6中的相同。
在等待狀態之後，檢查存儲鍵41,42,43和44中的任何一個鍵是否被按下(步驟S51)。如果沒有，程序不進入工作模式，而是保持等待狀態(步驟S52)。
但如果在步驟S51中存儲鍵41,42,43和44中的任何一個鍵被按下，則執行生物電阻抗的測量(步驟S53)。然後檢查與按下的存儲鍵的鍵號相對應的數據是否存儲在非易失性存儲器5中(步驟S54)。如果該數據為存儲在存儲器5中，則取生物電阻抗的測量值作為參考(步驟S55)，程序進入等待模式(步驟S56)。通常，參考值在執行按摩或洗澡這樣的動作之前設置。測量生物電阻抗的子程序與圖10所示的相同。
如果在步驟S54中參考數據已經存儲在存儲器中，則將其與生物電阻抗的測量值相比較，確定動作前後腫脹程度的變化(步驟S57)。在確定過程中，假定動作之前阻抗的參考值是「Zp」，動作之後的阻抗是「Zn」，則此刻腫脹程度「Mn」由以下公式表達Mn=(Zn-Zp)/Zp這確定動作之後的腫脹程度是高於還是低於動作之前。如果「Mn」為正值，意味著動作之後的腫脹程度高於動作之前。但如果為負值，動作之後腫脹程度已經減輕。
然後顯示計算出的腫脹程度(步驟S58)，在確定過程中使用的動作之前設置的參考值被擦除(步驟S59)，程序進入等待模式(步驟S60)。
根據上述第二實施例，能捕獲按摩或洗澡這樣的動作前後腫脹程度的變化，使得人能看到按摩或洗澡的效果。
在上述第一實施例中，已經描述了用組織液的平均變化作為參考數據。但是還能有更簡單的情況，其中在正常生活的每個早晨和傍晚重複測量幾次測試中人的生物電阻抗，將其平均值存儲作為參考。然後，能簡單地通過將生物電阻抗的測量值與參考相比較來確定腫脹的出現。或者，通過僅在前一天中測量的生物電阻抗而不是幾天內測量的生物電阻抗來設置參考數據。在這種情況下，簡單地通過與前一天中的數據相比較可以確定腫脹程度。
以上已經在第一實施例中描述了通過測量生物電阻抗計算人的腫脹程度的方法。如上所述，提供了測試中人身體一部分的組織液量、細胞外水份和體內水份量的變化，生物電阻抗測量方法可以用單一頻率或多個頻率。此外，計算所使用的數字參數可以是生物電阻抗、細胞內/細胞外水份的比和由生物電阻抗導出的其他參數中的任何一個參數。
在上述第一實施例中描述的電極結構中，構造兩對儀器電極與測試下的人的兩個腳掌接觸。但本發明不限於這種電極結構，如果能測量下肢上的生物電阻抗，可以採用任何其他的電極結構。圖12示出了另一種電極結構，在這種結構中，兩對電極31、32和33、34與一條腿的小腿肚直接接觸。根據這種電極結構，能基本在最可能出現腫脹的小腿肚上測量生物電阻抗。這與其他結構相比能減小一些誤差因素，所以能更精確地確定腫脹。此外，如果包括一隻腳的阻抗是已知的，則能清楚腫脹程度。所以，本發明適用於測量臂或手和腿之間的生物電阻抗的情況。
通過以上的描述顯然，確定人體疲勞程度的儀器的操作是通過生物電阻抗測量方法來檢測和存儲作為人體疲勞量度的腫脹程度。然後，儀器在存儲的腫脹程度數據的基礎上，計算用於確定人的腫脹程度的參考數據，將腫脹程度的當前數據與該參考相比較，確定疲勞程度。所以，能根據接受測試的每個人的個人特點更精確、客觀地確定身體的疲勞程度。
此外，能根據以前的腫脹程度數據估計身體狀況的變化和人的疲勞累積。
當用多個頻率AC電流作為測量電流時，能根據細胞內/細胞外水份的比確定腫脹程度。因此，測量與身體溫度引起的生物電阻抗變化無關。
或者，當用單一頻率AC電流作為測量電流時，能以更簡單的結構實現儀器，縮短測量時間。
權利要求
1．一種確定人體疲勞程度的儀器，包括兩對電極；電流源；電壓測量單元；運算單元；存儲單元；顯示單元，所述兩對電極配置成與測試下的人體相接觸；所述電流源通過所選的其中一對所述電極來提供測量電流；所述電壓測量單元測量另一對所選的所述電極之間的電壓；所述存儲單元存儲所述運算單元計算的生物電阻抗和參考值；所述運算單元根據來自所述電壓測量單元的測量值計算生物電阻抗，並通過將生物電阻抗的當前測量值與存儲在存儲單元中的生物電阻抗的參考值相比較來計算接受測試的人體疲勞程度；及所述顯示單元指示接受測試的人的疲勞程度。
2．根據權利要求1所述的確定人體疲勞程度的儀器，其中所述顯示單元用圖表指示出疲勞程度變化的經過。
3．根據權利要求2所述的確定人體疲勞程度的儀器，其中顯示在所述顯示單元上的圖形以早晨測量的生物電阻抗為基礎來表示疲勞程度變化的經過。
4．根據權利要求2所述的確定人體疲勞程度的儀器，其中顯示在所述顯示單元上的圖形以傍晚或夜裡所測量的生物電阻抗為基礎來表示疲勞程度變化的經過。
5．根據權利要求1所述的確定人體疲勞程度的儀器，其中在測試下人執行某種動作前設定所述生物電阻抗的參考值，所述顯示單元通過將生物電阻抗的當前測量值與存儲在存儲單元中的生物電阻抗的參考值相比較來表示這種動作前後的疲勞程度。
6．一種根據人體腫脹確定疲勞程度的儀器，包括兩對電極；電流源；電壓測量單元；運算單元；存儲單元；顯示單元，所述兩對電極配置成與測試下的人體相接觸；所述電流源通過所選的其中一對所述電極來提供測量電流；所述電壓測量單元測量另一對所選的所述電極之間的電壓；所述存儲單元存儲所述運算單元計算的生物電阻抗和參考值；所述運算單元根據來自所述電壓測量單元的測量值計算生物電阻抗，並通過將生物電阻抗的當前測量值與存儲在存儲單元中的生物電阻抗的參考值相比較來計算測試下人體的腫脹程度；及所述顯示單元指示接受測試的人的腫脹程度。
7．根據權利要求6所述的確定疲勞程度的儀器，其中所述顯示單元用圖表指示出腫脹程度變化的經過。
8．根據權利要求7所述的確定疲勞程度的儀器，其中顯示在所述顯示單元上的圖形以早晨測量的生物電阻抗為基礎來表示疲勞程度變化的經過。
9．根據權利要求7所述的確定疲勞程度的儀器，其中顯示在所述顯示單元上的圖形以傍晚或夜裡所測量的生物電阻抗為基礎來表示腫脹程度變化的經過。
10．根據權利要求6所述的確定疲勞程度的儀器，其中在測試下人執行某種動作前設定所述生物電阻抗的參考值，所述顯示單元通過將生物電阻抗的當前測量值與存儲在存儲單元中的生物電阻抗的參考值相比較來表示這種動作前後的腫脹程度。
11．根據權利要求1或6所述的確定疲勞程度的儀器，其中生物電阻抗的所述參考值表示組織液量上的平均變化，這些變化是在每天早晨和傍晚進行多次測量的平均值之差。
12．根據權利要求11所述的確定疲勞程度的儀器，所述組織液量上的平均變化在每次測量生物電阻抗時進行更新。
13．根據權利要求1或6所述的確定疲勞程度的儀器，其中所述電流源選擇性地提供具有多個頻率的測量電流。
14．根據權利要求1或6所述的確定疲勞程度的儀器，其中所述電流源提供具有單一頻率的測量電流。
15．根據權利要求1或6所述的確定疲勞程度的儀器，其中所述兩對電極配置成與測試下的人體的兩個腳掌相接觸。
16．根據權利要求1或6所述的確定疲勞程度的儀器，其中所述兩對電極配置成與測試下的人體的小腿相接觸。
全文摘要
一種確定人體疲勞程度的儀器,包括:兩對電極;電流源;電壓測量單元;運算單元;存儲單元;顯示單元。兩對電極配置成與測試下的人體相接觸,電流源通過一對電極來提供測量電流。電壓測量單元測量另一對電極之間的電壓。存儲單元存儲運算單元計算的生物電阻抗和參考值。運算單元根據來自電壓測量單元的測量值計算生物電阻抗,並通過將其當前測量值與存儲在存儲單元中的生物電阻抗的參考值相比較來計算接受測試的人體疲勞程度。顯示單元指示接受測試的人的疲勞程度。
文檔編號A61B5/053GK1302587SQ0110125
公開日2001年7月11日 申請日期2001年1月5日 優先權日2000年1月5日
發明者福田好典 申請人:株式會社百利達