低價的歐姆龍HBF-306人體脂肪儀的設計要點分析

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

　　這不是一個讓人們用來玩樂的普通儀器，嚴格來說，它的主要用途在于醫療方面，因為它能快速地告訴被測者身體內所含脂肪的比例。不過，隨著這種儀器在操作時所呈現的神奇效果，我想它或許能很好地持續檢查我在維持體重方面的進展。這個儀器可在相當簡單的前提下執行，并通過相對簡單的電子器件(絕大多數為模擬器件)所實現。

　　HBF-306外形類似于手持式游戲控制器，具有兩個方便受測者在測量過程中緊握的手柄，而用來測量的電子器件則放置于中間的夾盒內。每個手柄有兩個電極，它們由塑料外殼圍住的金屬簧片組成。受測者在測試時手握把手，與電極發生接觸。該儀器使用7號電池供電，進一步證明內部的電子器件極至簡單。

　　由于零售價有可能低至30美元，因此沒有多余的預算可用來實現精致的醫療級監控功能。傳統上，精確的人體組成成份測量主要仰賴雙能X光能量吸收儀(dual X-ray absorptiometry)或流水靜力學秤重法(hydrostatic weighing)，這種方法可以記錄水下的被測對象在肺部排出空氣時的視重(apparent weight)。另外，體褶(body fold)和其它實體特征的測量也十分常見。不過，在這款低價且外形設計相對簡單的歐姆龍儀器中，顯然缺少X光、測試池或是測徑器，因此它必須仰賴別的裝置或是技術來進行測量。

　　通過搜尋歐姆龍的網站和專利研究文獻，我們發現HBF-306主要采用的技術是生物電阻抗分析(BIA)。BIA測量被測對象的人體阻抗，在精密控制的測量條件下將之記錄下來，并將該結果與用戶輸入的資料，以及相關實驗室的收集資料加以整合，以評估人體的脂肪含量。

　　測量阻抗本身就是一件復雜的事情。人體傳導同時擁有電阻和電抗成分，電阻部分由含水組織驅動，容抗則源自每個細胞周圍的絕緣隔膜。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體，而瘦肉肌的電阻特性則相對較低。精確的人體模仿RC模型的確定是一個備受爭議的主題，但首要的是，阻抗似乎可以模擬成一個并行的RC電路。

　　測量開始時，先由受測者輸入性別、身高、體重和年齡。儀器針對影響阻抗和與人體脂肪百分比有最終對比的變量進行調整。據我所知，歐姆龍采用上述傳統精準方法收集了大批不同受測群體的脂肪百分比數據庫。通過了解每個人的實驗室級數字并測量每個案例相應的阻抗，歐姆龍的開發工程師創建了這個數據庫。這種假設是HBF-306的任意結果都可以指定一個人體脂肪百分比與更加精確的實驗室數據(根據用戶的特定輸入修正過)相對應。

　　這個方法并不理想，并且受其它變量的影響。測量過程中手的接觸必須保持穩定，歐姆龍的專利技術可實現在一個較短的時延讀數范圍內顯示阻抗，否則測試將終止。用法說明還指示用戶須在站立且兩腳稍微分開的情況下將雙臂屈曲成90度。這些要求完全是滿足可預測人體幾何學的需要，這樣就不會引起電路分流而使測量和對比遭受不良影響。最后，由于人體的阻抗是隨著一天過程中的液體攝入和活動而變化的，因此歐姆龍總結出能夠實現可靠讀數的特定時間和環境，也可以針對肌肉組織和特定受測條件(運動員模式)進行調整。

　　圖1：歐姆龍HBF-306人體脂肪儀器件組成情況。

　　這個儀器基本上由一個簡單的阻抗計和一個小數據庫組成。由于要測量復雜的阻抗，因此必須使用交流信號;此時，他們對四個電極中的兩個電極(左手一個電極，右手一個電極)施加了一個500mA、50kHz的恒流信號。余下的兩個電極充當傳感器，從而通過測量由于人體的等效RC電路引起的電壓上升和移相來感應阻抗。

　　模擬計量前端的電子器件僅是ST的TS924四路運放，可能部分用作振蕩器，部分用作被檢測的電壓放大器以確定電阻值，部分用來實現解調器以進行相位檢測。由兩個TI的SN74LV4052四通道模擬信號復用/分離芯片和一個TI的SN74LV4066四路雙向模擬開關實現了一個模擬信號結構，預示著這是一個能進行雙向測量的反向電路。不過，對于這點還不是十分肯定。

　　在HBF-306體脂計中，最大的芯片是瑞薩的M38223M4H八位微控制器，這并非什么新器件，其片級版權日期是1986年。該微控制器帶16Kb ROM和512B RAM，具有可用來數字化解調器和放大器輸出的A/D電路外圍，以及負責測量查找和對比人體脂肪百分比的數字智能部分。

　　前面板開關的用戶接口和直接驅動的單色LCD也屬于瑞薩的器件。精工技術公司的1Kb串行E2PROM補充了控制器的片上內存，可用來存儲代碼、對比數據或用戶測量結果。

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

　　在詳細解構HBF-306體脂計之后，我們可以清楚地看到組成這臺設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能以極低廉的成本，為人們提供一種能以簡單且快捷的途徑評估人體組成成份的方法。我的測量結果正常，但并不值得慶幸，繼續鍛煉和適度的飲食可能仍是最好辦法。