红外法便携式脂肪测量仪关键技术研究

刘 理 云

(娄底职业技术学院， 湖南 娄底 417000)

红外法便携式脂肪测量仪关键技术研究

刘 理 云

(娄底职业技术学院， 湖南 娄底 417000)

肥胖已成为全球范围的一种疾病，研究一种便携式的人体脂肪含量测量仪供家庭使用很有必要。设计了一种红外法便携式脂肪测量仪，介绍了红外法检测探头、控制信号的处理、检测信号的预处理等关键技术。与CT扫描结果相比，该仪器对脂肪厚度小于7 mm的测量误差在0.3 mm以下，测量精度高，可作为有效预测人体脂肪成分变化趋势的依据。

脂肪厚度测量； 红外法； 关键技术

随着人们生活水平的提高，肥胖者越来越多。肥胖不但影响健康甚至会导致肥胖者死亡，肥胖已成为全球范围的一种疾病。现有的人体脂肪含量测量仪测试费用高，测量条件苛刻，且携带不方便。有必要研究一种简单便携式的人体脂肪含量测量仪供家庭使用。研究指出，人体的脂肪大约有2/3贮存在皮下组织，根据其厚度可预测人体脂肪百分含量。红外光对皮肤有良好的穿透特性，肌肉组织对红外光具有较强的吸收能力和前向散射能力,而脂肪对红外光的吸收系数小，并且具有很强的背向散射，背向散射与脂肪厚度是线性关系，通过检测背向散射光来测定人体脂肪厚度，以此估测人体脂肪含量[1-2]。基于这一原理，研制一种红外法便携式脂肪厚度测量仪，并对其关键技术进行分析。

1 测量系统结构设计

利用红外光对皮肤有良好的穿透特性以及其背向散射光强与脂肪厚度是线性关系的原理，研究设计的一种红外法便携式脂肪测量仪系统结构如图1所示[1-7]。

系统通电后，单片机开始运行程序；按下测量键，声音提示仪器开始工作，由单片机发出控制信号，控制信号通过处理后，去控制红外发光模块向人体发射近红外光信号；由红外光电转换模块检测从人体皮肤表面反射的携带皮下脂肪厚度信息的光信号，将此光信号转化为电信号并对其进行放大、相敏检波等预处理；将处理后的信号送入单片机进行 A/D转换，再由单片机完成各通道的测量；利用逐次逼近算法，对所测信号进行一系列运算处理后计算出皮下脂肪厚度值。声音提示数据处理结束后在液晶屏上显示测量结果，也可通过通讯模块将测量结果传送至PC机。

图1 测量系统原理结构图

2 系统关键技术解决方案

2.1检测探头设计

检测探头中有红外发光模块与红外光电检测模块。为了提高测量准确度，红外发光模块设置有与检测光电二极管不同距离的多组发光二极管。为了减少外界光的干扰，检测探头用ABS塑料密封，只留出透光孔，让发光二极管的光尽量形成光束[3-4]。

红外发光二极管要经过严格筛选。首先用人体标本和光谱仪实验测量不同厚度脂肪的后向散射光强，寻找出对脂肪量敏感的红外光波段和光强，然后根据实验数据选择所发红外光波长符合要求的红外发光二极管。红外发光二极管发光的强弱可通过其驱动电路和放大电路进行调节补偿。批量生产的光电检测二极管灵敏度有差异，要设计合适的补偿放大电路。

2.2控制信号处理

为了能消除周围环境光对测量的干扰，在脂肪测量过程中选用一定频率的方波作为光源的驱动信号，利用接收到的信号的高低电平，也就是利用发光与闭光时的差异来消除环境光的干扰。改进发光二极管的驱动电路和放大电路，调节光源强度，以提高检测灵敏度，减少测量误差。

2.3检测信号预处理

经光电二极管检测转换得到的电信号通常比较微弱，也很容易受噪声的干扰。基于相敏检波原理，用PGA870构成可编程增益放大电路，用于减小噪声，提高系统的信噪比。所设计的检测信号预处理电路如图2所示[8-9]。

图2 检测信号预处理模块电路图

射随电路不会改变信号的幅频特性，用于增强电路的驱动能力，以免因驱动能力弱而使信号被衰减。射随电路采用差分输入形式，以提高共模抑制比。

以PGA870为核心设计了可编程增益放大器。该放大器可防止信号出现饱和失真或超出数据采集的量程范围，同时避免因小信号放大不足而产生较大的量化误差。该放大器输出的信号中，既有被检测信号，也有噪声信号，可通过相敏检波电路检调出有用的信号。

2.4程序流程图及数据处理

系统主程序流程图如图3所示[11-12]。系统初始化后延时1 s，系统稳定后将进入待机状态。按下测量键后，系统进入工作状态，单片机按顺序启动各个位置的发光二极管进行发光，同时，单片机控制片内的12位ADC开始工作，采集光电二极管探测到返回的近红外光信号。各通道检测完后，将各通道测量电压信号的平均值与模值电压信号比较，采用逐次逼近算法求出脂肪厚度测量结果，并通过液晶显示屏显示所测脂肪厚度。

图3 系统主程序流程图

对同一块人体标本，首先用CT测量其脂肪厚度值，然后用实验装置测量其脂肪厚度，此时实验装置所得电压信号就是模值电压信号。由于实验装置测量脂肪厚度时，所得电压信号与脂肪厚度变化不是线性关系，所以必须取厚度不同的多块人体标本反复测量，分段标定电压信号的模值。

各通道的测量流程如图4所示。逐次逼近算法流程如图5所示[10]。

图4 各通道测量流程

图5 逐次逼近算法流程

为了消除环境光对信号的干扰，设计中选取电压方波信号作为发光二极管的控制信号，通过控制发光二极管的一开一关，即可检测控制信号驱动红外发光二极管所产生的光信号和环境中的光干扰信号，将控制信号驱动红外发光二极管所产生的光信号减去环境中的光干扰信号即可消除环境光的影响。为了达到这个目的，单片机程序检测发光二极管在打开与关闭2种状态下的信号。对每一通道信号进行实际值采样，测量时对每一通道采集20个周期的信号，去除前5个周期和后5个周期，提取中间10个周期的信号求其平均值，然后将每一通道所测电信号平均值与环境光电信号的差存储起来。各通道测量完毕后，得到所测电信号平均值与环境光电信号的差，把这差值与模值信号进行逐次逼近比较，得到脂肪厚度的测量结果。模值序号1为最小模值，模值序号10为最大模值，如果模值范围不够，还可增加模值个数。

3 实验结论

自制仪器各红外发光管与接收管的距离分别为2、4、6 cm。将人体标本削切为6 cm×7 cm×8 cm的试验样本，去皮进行切割，每次切去2 mm后进行测量，测量时先开机预热2 min，然后将检测探头发光位置轻压在被测处，尽量保持平衡，用自制仪器与CT检测得到的一组实验数据如表1所示，可见对于厚度在7 mm以内的脂肪,测量误差能控制在0.3 mm以下,对于较厚脂肪的测量，其测量精度还不够高，加上测量中影响因素较多，测量精度还需进一步提高，但根据自制仪器的测量结果足以预测人体脂肪厚度的变化趋势。

表1 实验测量脂肪厚度数据

4 结 语

现有的人体脂肪含量测量仪测试费用高，测量条件苛刻，且携带不方便。研究了一种简单便携的人体脂肪含量测量仪供家庭使用。为了提高测量准确度，红外发光模块设置有与检测光电二极管不同距离的多组发光二极管；为了减少外界光的干扰，检测探头用ABS塑料密封，利用接收到的信号的高低电平，也就是利用发光与闭光时的差异来消除环境光的干扰。

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Abstract:Obesity has become a worldwide disease, so it is necessary to design a simple and effective human body fat content measurement instrument for family use. This paper introduces a design method of infrared portable fat measuring instrument, and gives the details about the infrared detection probe, control signal processing and pretreatment of detection signal. Compared with CT scan results, when the thickness of fat is within 7 mm, the measurement error can be controlled below 0.3 mm. Therefore, the measurement accuracy of this instrument is high, which can be used as an effective basis to predict the change of human fat composition.

Keywords:fat thickness measurement; the infrared method; the key technology

StudyonKeyTechnologyofInfraredPortableFatMeasuringInstrument

LIU Liyun

(Loudi Vocational & Technical College, Loudi Hunan 417000, China)

TH878

A

1673-1980(2017)05-0071-04

2017-03-10

湖南省教育厅科学研究项目“红外法便携式脂肪测量仪关键技术研究”(16C1352)

刘理云(1975 — )，男，娄底职业技术学院副教授，研究方向为应用电子技术、仪器仪表、自动控制。