脂肪含量测量系统及方法与流程

本发明涉及超声波应用技术领域，具体而言，涉及一种脂肪含量测量系统及方法。

背景技术：

传统的超声波测量仪器中，为了补偿随深度的增加而导致的超声回波信号衰减，一般采用时间增益补偿(TGC)电路对回波信号进行放大，该电路复杂且成本高，不适用于脂肪含量测量仪这样的低成本、小型超声仪器中。另外一种方式采用固定增益，而在后端数字处理时采用数字增益(的方式进行增益补偿，该方式虽然节约了时间增益补偿(TGC)电路，降低了成本，但是会带来相应的问题。超声波能量在人体内传递时会随深度而衰减，衰减系数一般为0.81dB/cm*MHz，如果超声发射频率为2.5MHz，超声能量每传输1.5cm深度就会被衰减一半，即超声回波信号能量每1.5cm会降低3dB。为了获得远场信号更高的信噪比，就必须增加发射电压，但是发射电压的增加，在增益固定的情况下，必然导致近场信号的饱和。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种脂肪含量测量系统及方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种脂肪含量测量系统包括：超声测量仪和用户终端，所述超声测量仪包括控制装置、超声探头和处理装置，所述用户终端包括合成模块和计算模块；

所述控制装置，用于产生发射电压和发射波形，并控制所述超声探头在所述发射电压和发射波形下发射超声波，其中，所述控制装置能产生至少两级发射电压；

所述超声探头，用于在所述控制装置的控制下向被测对象发射超声波，接收其所发射超声波的超声回波，并将接收到的超声回波发送至所述处理装置；

所述处理装置，用于接收所述超声探头发送的超声回波，并对所述超声回波进行处理，得到处理后的超声回波，并将所述处理后的超声回发送至所述用户终端的合成模块；

所述合成模块，用于接收和存储所述处理装置发送的处理后的超声回波，将对同一被测对象采用至少两级发射电压分别进行超声波发射、接收及处理后获得的至少两个超声回波进行合成得到合成后的超声回波，所述合成包括对获得的每个超声回波进行深度分段得到分段后的超声回波，每级发射电压分别对应一段超声回波，所述至少两级发射电压所对应的至少两段超声回波构成所述合成后的超声回波；

所述计算模块，用于根据所述合成后的超声回波计算被测对象的脂肪厚度及脂肪含量。

进一步地，所述用户终端还包括存储模块，用于存储所述计算模块计算的脂肪厚度及脂肪含量的计算结果。

进一步地，所述脂肪含量测量系统还包括服务器；

所述计算模块，还用于发送用户注册信息和所述脂肪厚度及脂肪含量的计算结果至所述服务器；

所述服务器，用于接收和存储所述计算模块发送的用户注册信息和脂肪厚度及脂肪含量的计算结果，与外接设备进行数据共享。

进一步地，所述控制装置包括：主控制器、发射电压控制器和发射控制电路，所述主控制器与所述发射电压控制器和所述发射控制电路分别电性连接，所述发射电压控制器与所述发射控制电路电性连接；

所述主控制器，用于产生及向所述发射电压控制器发送数字信号，以及产生和向所述发射控制电路发送发射波形；

所述发射电压控制器，包括数模转换器、放大器和射级跟随器，所述数模转换器用于接收所述主控制器产生的数字信号并将所述数字信号转化为发射电压，所述放大器用于对所述发射电压进行放大，所述射级跟随器用于对放大后的发射电压进行功率放大，并将功率放大后的发射电压发送至所述发射控制电路；

所述发射控制电路，用于接收所述主控制器产生的发射波形和所述发射电压控制器产生的发射电压，并产生和发送能使所述超声探头发射超声波的激励信号至所述超声探头。

进一步地，所述处理装置包括：高通滤波器、放大电路、包络检波电路和模数转换器；

所述高通滤波器，用于滤除所述超声探头接收到的超声回波中的低频干扰信号，得到滤波后的超声回波，并将滤波后的超声回波发送至所述放大电路；

所述放大电路，用于接收所述高通滤波器发送的滤波后的超声回波，对所述滤波后的超声回波进行放大，得到放大后的超声回波，并将放大后的超声回波发送至所述包络检波电路；

所述包络检波电路，用于接收所述放大电路发送的放大后的超声回波，对所述放大后的超声回波进行包络检波处理，得到超声回波包络信号，并将所述超声回波包络信号发送至所述模数转换器；

模数转换器，用于接收所述包络检波电路发送的超声回波包络信号，并将所述超声回波包络信号转换为超声回波数字信号。

一种脂肪含量测量系统包括：控制装置、超声探头、处理装置、合成模块和计算模块；

所述控制装置，用于产生发射电压和发射波形，并控制所述超声探头在所述发射电压和发射波形下发射超声波，其中，所述控制装置能产生至少两级发射电压；

所述超声探头，用于在所述控制装置的控制下向被测对象发射超声波，接收其所发射超声波的超声回波，并将接收到的超声回波发送至所述处理装置；

所述处理装置，用于接收所述超声探头发送的超声回波，并对所述超声回波进行处理，得到处理后的超声回波，并将所述处理后的超声回发送至所述合成模块；

合成模块，用于接收和存储所述处理装置发送的处理后的超声回波，将对同一被测对象采用至少两级发射电压分别进行超声波发射、接收及处理后获得的至少两个超声回波进行合成得到合成后的超声回波，所述合成包括对获得的每个超声回波进行深度分段得到分段后的超声回波，每级发射电压分别对应一段超声回波，所述至少两级发射电压所对应的至少两段超声回波构成所述合成后的超声回波；

计算模块，用于根据所述合成后的超声回波计算被测对象的脂肪厚度及脂肪含量；

显示装置，用于显示被测对象的脂肪厚度及脂肪含量计算结果。

进一步地，所述脂肪含量测量系统还包括存储模块，所述存储模块用于存储所述计算模块计算的被测对象的脂肪厚度及脂肪含量计算结果。

进一步地，所述脂肪含量测量系统还包括与外接设备通信的通信装置。

一种脂肪含量测量方法，所述方法包括：

采用至少两级发射电压分别向被测对象发射超声波；

分别接收所述超声波的超声回波；

分别对所述超声回波进行处理，得到处理后的超声回波；

将对同一被测对象采用至少两级发射电压分别进行超声波发射、接收及处理后获得的至少两个超声回波进行合成得到合成后的超声回波，所述合成包括对获得的每个超声回波进行深度分段得到分段后的超声回波，每级发射电压分别对应一段超声回波，所述至少两级发射电压所对应的至少两段超声回波构成所述合成后的超声回波；

根据合成后的超声回波计算被测对象的脂肪厚度及脂肪含量。

进一步地，所述根据合成后的超声回波计算被测对象的脂肪厚度及脂肪含量步骤，包括：

对超过阈值的超声回波信号求一阶导数得到各分界面的采样时间；

根据所述采样时间计算得到所述被测对象的脂肪厚度；

根据所述脂肪厚度得到被测对象的脂肪含量。

本发明提供的脂肪含量测量系统及方法，在不增加电路、节约成本的情况下，提高了远场信号信噪比且使近场信号不饱和，从而提高了测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的脂肪含量测量系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的控制装置的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的处理装置的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的用户终端的另一结构示意图。

图5为本发明实施例提供的脂肪含量测量系统的另一结构示意图。

图6为本发明实施例提供的超声测量仪进行测量的示意图。

图7-a为本发明实施例提供的采用第一级发射电压获得的处理后的超声回波的示意图。

图7-b为本发明实施例提供的采用第二级发射电压获得的处理后的超声回波的示意图。

图7-c为本发明实施例提供的采用第三级发射电压获得的处理后的超声回波的示意图。

图7-d为本发明实施例提供的合成模块合成后的超声回波的示意图。

图8为本发明实施例提供的对合成后的超声回波做阈值处理的示意图。

图9为本发明实施例提供的对超声回波中超过阈值的信号段求一阶导数的示意图。

图10本发明实施例提供的脂肪含量测量系统的另一结构示意图。

图11本发明实施例提供的脂肪含量测量系统的另一结构示意图。

图12为本发明实施例提供的脂肪含量测量方法的流程图。

图13为本发明实施例提供的脂肪含量测量方法中步骤S105的流程图。

图标：1-脂肪含量测量系统；10-超声测量仪；11-控制装置；12-超声探头；13-处理装置；50-用户终端；51-合成模块；52-计算模块；111-主控制器；112-发射电压控制器；113-发射控制电路；1121-数模转换器；1122-放大器；1123-射级跟随器；131-高通滤波器；132-放大电路；133-包络检波电路；134-模数转换器；53-存储模块；90-服务器；54-显示装置；55-通信装置；3-皮肤；5-脂肪层；7-浅筋膜层；9-深筋膜层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

请参阅图1，本发明提供了一种脂肪含量测量系统1，包括：超声测量仪10和用户终端50。其中，超声测量仪10包括控制装置11、超声探头12和处理装置13，用户终端50包括合成模块51和计算模块52。

控制装置11，用于产生发射电压和发射波形，并控制超声探头12在所述发射电压和发射波形下发射超声波。其中，控制装置11能产生至少两级发射电压。可选地，在本实施例中，控制装置11能产生3级发射电压，分别是1V、2V和4V。应理解，被测对象的脂肪厚度不同，所采用的电压级数和电压值的大小可能会不同，因而控制装置11产生的电压级数和电压值应根据实际情况进行设定，在此不作限定。

请参阅图2，可选地，在本实施例中，控制装置11包括：主控制器111、发射电压控制器112和发射控制电路113。主控制器111与发射电压控制器112和发射控制电路113分别电性连接，发射电压控制器112与发射控制电路113电性连接。主控制器111，用于产生及向发射电压控制器112发送数字信号，以及产生和向发射控制电路113发送发射波形。可选地，主控制器111可以采用FPGA、DSP、单片机，ARM等处理器。发射电压控制器112，包括数模转换器1121、放大器1122和射级跟随器1123。其中，数模转换器1121用于接收主控制器111产生的数字信号并将所述数字信号转化为发射电压，放大器1122用于对所述发射电压进行放大，射级跟随器1123用于对放大后的发射电压进行功率放大，并将功率放大后的发射电压发送至发射控制电路113。发射控制电路113，用于接收主控制器111产生的发射波形和发射电压控制器112产生的发射电压，并产生和发送能使超声探头12发射超声波的激励信号至所述超声探头12。

超声探头12，用于在所述控制装置11的控制下向被测对象发射超声波，接收其所发射超声波的超声回波，并将接收到的超声回波发送至所述处理装置13。

处理装置13，用于接收所述超声探头12发送的超声回波，并对所述超声回波进行处理，得到处理后的超声回波，并将所述处理后的超声回发送至所述用户终端50的合成模块51。

请参阅图3，可选地，在本实施例中，处理装置13包括：高通滤波器131、放大电路132、包络检波电路133和模数转换器134。高通滤波器131，用于滤除所述超声探头12接收到的超声回波中的低频干扰信号，得到滤波后的超声回波，并将滤波后的超声回波发送至所述放大电路132。所述放大电路132，用于接收所述高通滤波器131发送的滤波后的超声回波，对所述滤波后的超声回波进行放大，得到放大后的超声回波，并将放大后的超声回波发送至所述包络检波电路133。所述包络检波电路133，用于接收所述放大电路132发送的放大后的超声回波，对所述放大后的超声回波进行包络检波处理，得到超声回波包络信号，并将所述超声回波包络信号发送至所述模数转换器134。模数转换器134，用于接收所述包络检波电路133发送的超声回波包络信号，并将所述超声回波包络信号转换为超声回波数字信号。

处理装置13和用户终端50内置有与外接设备进行通信的数据接口、蓝牙模块、WiFi模块等。用户终端50可以是智能手机、平板电脑及电脑等电子设备。

合成模块51，用于接收和存储所述处理装置13发送的处理后的超声回波，将对同一被测对象采用至少两级发射电压分别进行超声波发射、接收及处理后获得的至少两个超声回波进行合成得到合成后的超声回波，所述合成包括对获得的每个超声回波进行深度分段得到分段后的超声回波，每级发射电压分别对应一段超声回波，所述至少两级发射电压所对应的至少两段超声回波构成所述合成后的超声回波。

计算模块52，用于根据所述合成后的超声回波计算被测对象的脂肪厚度及脂肪含量。

请参阅图4，可选地，在本实施例中，所述用户终端50还包括存储模块53，用于存储所述计算模块52计算的脂肪厚度及脂肪含量的计算结果。

请参阅图5，可选地，在本实施例中，所述脂肪含量测量系统1还包括服务器90。所述计算模块52，还用于发送用户注册信息和所述脂肪厚度及脂肪含量的计算结果至所述服务器90。所述服务器90，用于接收和存储所述计算模块52发送的用户注册信息和脂肪厚度及脂肪含量的计算结果，与外接设备进行数据共享。

请参阅图6，在使用本发明提供的脂肪含量测量系统1测量人体某部位的脂肪厚度和脂肪含量时，可选地，控制装置11能产生3级发射电压，每个部位测量三次。第一次测量，将超声测量仪10的超声探头12靠近皮肤3，一般情况下在超声探头12与皮肤3之间存在含有耦合剂。超声探头12在控制装置11产生的第一级发射电压的控制下产生超声波，超声波穿过皮肤3、脂肪层5、浅筋膜层7及深筋膜层9的分界面时发生反射形成超声回波被超声探头12所接收，超声探头12将接收到的超声回波发送至处理装置13经滤波、放大、包络检波及模数转换等处理后，将所述处理后的超声回波发送至用户终端50的合成模块51。第二次测量和第三次测量的步骤与第一次测量的步骤相同，不同的是，超声波探头分别是在控制装置11产生的第二级发射电压和第三级发射电压的控制下产生超声波的。

三次测量结束后，合成模块51接收到三个处理后的超声回波，如图7-a、图7-b和图7-c。A表示采用第一级发射电压获得的分段后的超声回波的第一段，B表示采用第二级发射电压获得的分段后的超声回波的第二段，C表示采用第三级发射电压获得的分段后的超声回波的第三段。图7-d为合成后的超声回波的示意图。如图7-d所示，所述合成后的超声回波的第一段为采用第一级发射电压获得的分段后的超声回波的第一段，第二段为采用第二级发射电压获得的分段后的超声回波的第二段，第三段为采用第三级发射电压获得的分段后的超声回波的第三段。

将合成后的的超声回波发送至计算模块52，以计算被测对象的脂肪厚度及脂肪含量。

首先对合成后的超声回波做阈值处理，即高于阈值的信号取为1，低于阈值的信号取为0，如图8所示。

阈值的选择根据脂肪厚度及现有经验而定。然后对超声回波中超过阈值的信号段求一阶导数，如果某信号点的一阶导数大于一个正阈值，且后一信号点的一阶导数小于一个负阈值，则该信号点被标注为一个分界面信号点T(n)，如图9所示。

其次，计算各分层的厚度，计算公式为：H(n)＝T(n)×V/2

其中，V是超声波在人体内传播的速度,由于发明主要是计算脂肪厚度，该声速应该为超声波在脂肪层5中的传播速度，所以V的取值为1450m/s。T(n)是接收到各交界面产生的超声回波的时间与接收到皮肤3与脂肪层5的交界面产生的超声回波的时间之差。H(n)为皮肤3到各交界面的厚度。一般地，在计算脂肪层5厚度时，可以忽略皮肤3层的厚度，所以脂肪层5的厚度可以直接用接收到脂肪层5和深筋膜层9的交界面产生的超声回波的时间进行计算。

最后，根据脂肪厚度计算脂肪含量。用户终端50在操作界面上，指导操作者完成左右后腰部，左右大腿内测等部位的脂肪层5厚度检测，并按要求输入性别、体重和腰围尺寸，据此估算人体脂肪含量(百分比)，具体估算公式为：

女性：BF％＝(0.183×BW+0.251×UVW+0.126×UMB+0.169×THI-20.7)/BW×100％

男性：BF％＝(-0.237×BW+0.482×UVW+0.195×UMB+0.209×THI-18.9)/BW×100％

其中，BW为体重(单位，kg)，UVW是腰围(单位，mm)，UMB是测量的左右后腰部脂肪厚度的平均值(单位，mm)，THI是测量的左右大腿内侧脂肪厚度的平均值(单位，mm)。

用户终端50通过储存模块对该测量的人体脂肪含量进行记录。当完成多次测量后，用户终端50还可以绘制人体脂肪含量的变化曲线和趋势。用户终端50还可以通过服务器90与运动健身记录软件，如Keep，apple等进行数据共享，对健身、减肥等运动的成效进行客观记录。用户终端50还可以通过对各部位脂肪厚度、人体脂肪含量及共享的健身数据进行分析，并提出建议。

请参与图10，本发明还提供一种脂肪含量测量系统1，与图1所示的脂肪含量测量系统1大致相同，不同之处在于，图10所示的脂肪含量测量系统1中，合成模块51和计算模块52与控制装置11、超声探头12和处理装置13集成于一体，并增加了显示装置54，用于显示被测对象的脂肪厚度及脂肪含量计算结果。

请参阅图11，可选地，在本实施例中，所述脂肪含量测量系统1还可以包括用于存储所述计算模块52计算的被测对象的脂肪厚度及脂肪含量计算结果的存储模块53以及与外接设备通信的通信装置55。

请参阅图12，本发明实施例还提供一种脂肪含量测量方法，所述方法包括：步骤S101、步骤S102、步骤S103、步骤S104和步骤S105。

步骤S101，采用至少两级发射电压分别向被测对象发射超声波；

步骤S102，分别接收所述超声波的超声回波；

步骤S103，分别对所述超声回波进行处理，得到处理后的超声回波；

步骤S104，将对同一被测对象采用至少两级发射电压分别进行超声波发射、接收及处理后获得的至少两个超声回波进行合成得到合成后的超声回波，所述合成包括对获得的每个超声回波进行深度分段得到分段后的超声回波，每级发射电压分别对应一段超声回波，所述至少两级发射电压所对应的至少两段超声回波构成所述合成后的超声回波；

步骤S105，根据合成后的超声回波计算被测对象的脂肪厚度及脂肪含量。

请参阅图13，可选地，在本实施例中，步骤S105包括：子步骤S1051、子步骤S1052和子步骤S1053。

子步骤S1051，对超过阈值的超声回波信号求一阶导数得到各分界面的采样时间；

子步骤S1052，根据所述采样时间计算得到所述被测对象的脂肪厚度；

子步骤S1053，根据所述脂肪厚度得到被测对象的脂肪含量。

本发明提供的脂肪含量测量系统1及方法，在不增加电路、节约成本的情况下，提高了远场信号信噪比且使近场信号不饱和，从而提高了测量精度。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。