低價(jià)的歐姆龍HBF-306人體脂肪儀的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

　　在我居住地區(qū)的藥妝店Walgreen里，似乎總有某些能吸引人們好奇目光的醫(yī)療儀器。這次，我們選擇拆解的電子裝置，就是現(xiàn)在在藥妝店或量販百貨中隨處可見(jiàn)的人體脂肪測(cè)量計(jì)。此次選擇的產(chǎn)品是歐姆龍(Omron)公司的50美元(或不到50美元)HBF-306體脂計(jì)。

　　這不是一個(gè)讓人們用來(lái)玩樂(lè)的普通儀器，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，它的主要用途在于醫(yī)療方面，因?yàn)樗芸焖俚馗嬖V被測(cè)者身體內(nèi)所含脂肪的比例。不過(guò)，隨著這種儀器在操作時(shí)所呈現(xiàn)的神奇效果，我想它或許能很好地持續(xù)檢查我在維持體重方面的進(jìn)展。這個(gè)儀器可在相當(dāng)簡(jiǎn)單的前提下執(zhí)行，并通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的電子器件(絕大多數(shù)為模擬器件)所實(shí)現(xiàn)。

　　HBF-306外形類(lèi)似于手持式游戲控制器，具有兩個(gè)方便受測(cè)者在測(cè)量過(guò)程中緊握的手柄，而用來(lái)測(cè)量的電子器件則放置于中間的夾盒內(nèi)。每個(gè)手柄有兩個(gè)電極，它們由塑料外殼圍住的金屬簧片組成。受測(cè)者在測(cè)試時(shí)手握把手，與電極發(fā)生接觸。該儀器使用7號(hào)電池供電，進(jìn)一步證明內(nèi)部的電子器件極至簡(jiǎn)單。

　　由于零售價(jià)有可能低至30美元，因此沒(méi)有多余的預(yù)算可用來(lái)實(shí)現(xiàn)精致的醫(yī)療級(jí)監(jiān)控功能。傳統(tǒng)上，精確的人體組成成份測(cè)量主要仰賴(lài)雙能X光能量吸收儀(dual X-ray absorptiometry)或流水靜力學(xué)秤重法(hydrostatic weighing)，這種方法可以記錄水下的被測(cè)對(duì)象在肺部排出空氣時(shí)的視重(apparent weight)。另外，體褶(body fold)和其它實(shí)體特征的測(cè)量也十分常見(jiàn)。不過(guò)，在這款低價(jià)且外形設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的歐姆龍儀器中，顯然缺少X光、測(cè)試池或是測(cè)徑器，因此它必須仰賴(lài)別的裝置或是技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

　　通過(guò)搜尋歐姆龍的網(wǎng)站和專(zhuān)利研究文獻(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)HBF-306主要采用的技術(shù)是生物電阻抗分析(BIA)。BIA測(cè)量被測(cè)對(duì)象的人體阻抗，在精密控制的測(cè)量條件下將之記錄下來(lái)，并將該結(jié)果與用戶(hù)輸入的資料，以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的收集資料加以整合，以評(píng)估人體的脂肪含量。

　　測(cè)量阻抗本身就是一件復(fù)雜的事情。人體傳導(dǎo)同時(shí)擁有電阻和電抗成分，電阻部分由含水組織驅(qū)動(dòng)，容抗則源自每個(gè)細(xì)胞周?chē)慕^緣隔膜。鑒于脂肪和骨頭中流體和電解液的保持力較低，因此它們是較差的導(dǎo)體，而瘦肉肌的電阻特性則相對(duì)較低。精確的人體模仿RC模型的確定是一個(gè)備受爭(zhēng)議的主題，但首要的是，阻抗似乎可以模擬成一個(gè)并行的RC電路。

　　測(cè)量開(kāi)始時(shí)，先由受測(cè)者輸入性別、身高、體重和年齡。儀器針對(duì)影響阻抗和與人體脂肪百分比有最終對(duì)比的變量進(jìn)行調(diào)整。據(jù)我所知，歐姆龍采用上述傳統(tǒng)精準(zhǔn)方法收集了大批不同受測(cè)群體的脂肪百分比數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)了解每個(gè)人的實(shí)驗(yàn)室級(jí)數(shù)字并測(cè)量每個(gè)案例相應(yīng)的阻抗，歐姆龍的開(kāi)發(fā)工程師創(chuàng)建了這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。這種假設(shè)是HBF-306的任意結(jié)果都可以指定一個(gè)人體脂肪百分比與更加精確的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)(根據(jù)用戶(hù)的特定輸入修正過(guò))相對(duì)應(yīng)。

　　這個(gè)方法并不理想，并且受其它變量的影響。測(cè)量過(guò)程中手的接觸必須保持穩(wěn)定，歐姆龍的專(zhuān)利技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在一個(gè)較短的時(shí)延讀數(shù)范圍內(nèi)顯示阻抗，否則測(cè)試將終止。用法說(shuō)明還指示用戶(hù)須在站立且兩腳稍微分開(kāi)的情況下將雙臂屈曲成90度。這些要求完全是滿(mǎn)足可預(yù)測(cè)人體幾何學(xué)的需要，這樣就不會(huì)引起電路分流而使測(cè)量和對(duì)比遭受不良影響。最后，由于人體的阻抗是隨著一天過(guò)程中的液體攝入和活動(dòng)而變化的，因此歐姆龍總結(jié)出能夠?qū)崿F(xiàn)可靠讀數(shù)的特定時(shí)間和環(huán)境，也可以針對(duì)肌肉組織和特定受測(cè)條件(運(yùn)動(dòng)員模式)進(jìn)行調(diào)整。

　　圖1：歐姆龍HBF-306人體脂肪儀器件組成情況。

　　這個(gè)儀器基本上由一個(gè)簡(jiǎn)單的阻抗計(jì)和一個(gè)小數(shù)據(jù)庫(kù)組成。由于要測(cè)量復(fù)雜的阻抗，因此必須使用交流信號(hào);此時(shí)，他們對(duì)四個(gè)電極中的兩個(gè)電極(左手一個(gè)電極，右手一個(gè)電極)施加了一個(gè)500mA、50kHz的恒流信號(hào)。余下的兩個(gè)電極充當(dāng)傳感器，從而通過(guò)測(cè)量由于人體的等效RC電路引起的電壓上升和移相來(lái)感應(yīng)阻抗。

　　模擬計(jì)量前端的電子器件僅是ST的TS924四路運(yùn)放，可能部分用作振蕩器，部分用作被檢測(cè)的電壓放大器以確定電阻值，部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)解調(diào)器以進(jìn)行相位檢測(cè)。由兩個(gè)TI的SN74LV4052四通道模擬信號(hào)復(fù)用/分離芯片和一個(gè)TI的SN74LV4066四路雙向模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)模擬信號(hào)結(jié)構(gòu)，預(yù)示著這是一個(gè)能進(jìn)行雙向測(cè)量的反向電路。不過(guò)，對(duì)于這點(diǎn)還不是十分肯定。

　　在HBF-306體脂計(jì)中，最大的芯片是瑞薩的M38223M4H八位微控制器，這并非什么新器件，其片級(jí)版權(quán)日期是1986年。該微控制器帶16Kb ROM和512B RAM，具有可用來(lái)數(shù)字化解調(diào)器和放大器輸出的A/D電路外圍，以及負(fù)責(zé)測(cè)量查找和對(duì)比人體脂肪百分比的數(shù)字智能部分。

　　前面板開(kāi)關(guān)的用戶(hù)接口和直接驅(qū)動(dòng)的單色LCD也屬于瑞薩的器件。精工技術(shù)公司的1Kb串行E2PROM補(bǔ)充了控制器的片上內(nèi)存，可用來(lái)存儲(chǔ)代碼、對(duì)比數(shù)據(jù)或用戶(hù)測(cè)量結(jié)果。

　　具有最少元器件的CEM電路板提供了一個(gè)低成本的基板，在該基板上可安裝IC和80個(gè)分立無(wú)源元件。CEM電路板采用節(jié)省成本的銀漿填充在孔中，并使用密封套印以防止氧化。

　　在詳細(xì)解構(gòu)HBF-306體脂計(jì)之后，我們可以清楚地看到組成這臺(tái)設(shè)備的一系列芯片和支持器件，以及不到10美元的顯示器和外部包裝。其所有的器件成本總共約為15美元，其中還包括了一些智能軟件。這意味著今天的科技已經(jīng)能以極低廉的成本，為人們提供一種能以簡(jiǎn)單且快捷的途徑評(píng)估人體組成成份的方法。我的測(cè)量結(jié)果正常，但并不值得慶幸，繼續(xù)鍛煉和適度的飲食可能仍是最好辦法。