DE20116409U1

DE20116409U1 - Vorrichtung zum Messen des Körperfetts

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Publication number: DE20116409U1
Application number: DE20116409U
Authority: DE
Original assignee: Fook Tin Plastic Factory Ltd
Current assignee: Fook Tin Technology Ltd Hk
Priority date: 2000-09-30
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2002-01-24
Anticipated expiration: 2011-09-29
Also published as: US20020062090A1; ITTO20010927A1; FR2814664A1; US6473643B2; FR2814664B3

Description

VORRICHTUNG ZUM MESSEN DES KÖRPERFETTS
GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Körperfetts eines lebenden Individuums, und speziell den eines lebenden Menschen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Körperzusammensetzung und insbesondere der Körperfettanteil ist als Maß für die physische Gesundheit allgemein anerkannt. Unterschiedliche Techniken der Bestimmung des Körperfettanteiles werden derzeit benutzt, einschließlich Meßlehren-Messungen, Unterwasserverdrängungs-Messungen und bioelektrische Impedanzmessungen.

In dieser letzten Technik, wie in den US-Patenten Nr. 5 415 176 und 5 611 351, beide von Sato et al. beschrieben, wird ein lebendes Individuum, dessen Körperfett zu bestimmen ist, auf eine skalen-artige Vorrichtung mit vier Elektroden an ihrer Oberseite gestellt. Ein elektrischer Strom von 50 KHz, &dgr;&Ogr;&Ogr;&mgr;&Agr; wird durch eine Konstantstromquelle erzeugt.

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Dieser Strom wird zunächst durch zwei Elektroden, die mit den Zehen in Kontakt sind des Individuums (Lebewesens) und dann durch zwei Referenz-Widerstände, die in Serie mit dem Körper des Individuums geschaltet sind und zueinander geschaltet sind, durchströmt. Der elektrische Strom fließt durch den Körper des Individuums und verursacht ein Spannungspotential zwischen den Fersen des Individuums.

Eine mikroprozessorgesteuerte Schalteranordnung und einen Spannungsmesskreis nutzend, wird die Spannung von Ferse zu Ferse über zwei andere Elektroden, die in Kontakt mit den Fersen des Objekts sind, gemessen. Die Spannung über die Referenz-Widerstände wird also gemessen während der elektrische Strom an den Zehen des Individuums angelegt ist. Ein Vergleich der gemessenen Spannungen über die Referenz-Widerstände mit der Spannung von Ferse zu Ferse liefert eine sehr akkurate Messung der Impedanz von Ferse zu Ferse. Nachdem gewisse zusätzliche Parameter, wie Alter, Gewicht und Größe dem Mikroprozessor zugeführt wurden, berechnet dieser die Dichte des Körpers, wozu ein Algorithmus die Körper-Impedanz und die zusätzlichen Parameter ins Verhältnis zur Körperdichte setzt. Sobald die Körperdichte ermittelt ist, führt der Mikroprozessor eine zweite Berechnung durch, die die Körperdichte in den Körperfettanteil (Prozentsatz) umrechnet.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben verschiedene Nachteile bei den Vorrichtungen von Sato et al. erkannt. Zum ersten erzeugt der Strom von 800&mgr;&Agr; ein relativ starkes elektrisches Feld, das auf die Stromzufuhr-Elektroden zentriert ist. Diese Feldverteilung schränkt die Lage der Stromzufuhr-Elektroden bezüglich der spannungsmessenden Elektroden ein: Die zwei Sätze von Elektroden müsse mindestens 5 cm voneinander entfernt sein. Diese Entfernungseinschränkung kann bei der Körperfettbestimmung von kleinen Kindern ein Problem darstellen.

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Zum zweiten sind die Elektroden in den Vorrichtungen von Sato und et al. flach und ziemlich groß, damit sie an eine Reihe von Größen der Füße von Erwachsenen angepasst sind. Der Druck des Gewichts des Individuums auf seine Füße, die in Kontakt mit der großen, flachen Fläche der Elektroden ist, schränkt den Fluss des Blutes zu den Geweben oberhalb der Elektroden ein. Es ist davon auszugehen, dass diese Einschnürung eine künstliche Erhöhung der gemessenen Körper-Impedanz verursacht, wodurch eine Fehlerquelle in der Körperfett-Bestimmung erzeugt wird. Weiterhin erzeugen die großen Elektroden der Vorrichtung von Sato et al. einen klinischen und unästhetischen Eindruck, der überhaupt nicht nutzerfreundlich ist.

Zum Dritten sind die Referenz-Widerstände in der Vorrichtung von Sato und et al. in Serie miteinander und mit dem Körper des Individuums geschaltet. Diese Anordnung beschränkt die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Anordnung, da dann, wenn die Verbindung zwischen irgendeinem der Widerstände oder der Stromzufuhr-Elektroden versehentlich bricht, die Vorrichtung vollständig arbeitsunfähig wird. Darüber hinaus ist die Vorrichtung nur geeignet, Kombinationen von Referenz-Widerständen zu messen, die zueinander benachbart sind. Diese Anordnung schränkt damit die Auflösung der Messung ein. Zum letzten sind die Stromzufuhr-Elektroden in der Vorrichtung von Sato et al. in Kontakt mit den Zehen des Individuums, während die spannungsmessenden Elektroden mit den Fersen in Kontakt sind. Dadurch fließt der Strom von den Zehen durch den Fuß zu den Fersen und dann durch die Beine hinauf. Die gemessene Körperimpedanz enthält dadurch die Zehen- zu Fersenimpedanz von jedem Fuß. Da die Zehen- zu Fersenimpedanz in den meisten Gleichungen, die die Körperimpedanz zu dem Körperfettanteil in Beziehung setzen, als eine unabhängige Variable enthalten ist, werden, wie auch immer, Veränderungen in der Größe der Füße und der Fuß-Impedanz von Individuum zu Individuum zusätzliche Fehler in der Körperfett-Berechnung einführen.

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Zusammenfassung der Erfindung

Dementsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, diese und andere Problerne des Standes der Technik zu lösen und eine akkurate, robuste und hochauflösende Messvorrichtung für den Körperfettanteil, die bei einer großen Spanne von Individuen benutzt werden kann, zu schaffen.

Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung wird die Körperzusammen-Setzung eines Individuums durch (1) Zufuhr eines 50 KHz, bei 300 &mgr;&Agr; elektrischen Stromes zu dem Körper über eine Anordnung von Stromzufuhr-Elektroden, die die Fersen des Individuums kontaktieren, zugeführt (2), Messen der Spannung mittels einer Anordnung von spannungsmessenden Elektroden, die in Kontakt mit den Ballen (und/oder Zehen) der Füße des Individuums sind und zwischen einer Mehrzahl interner Referenz-Widerständen, die parallel zu dem Körper des Individuums geschalten sind, und (3) Berechnen des Körperfettanteils in Abhängigkeit der Körperimpedanz. Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung beinhaltet eine Stromquelle, die parallel zu zwei oder mehreren Referenzwiderständen und dem Körper des Individuums geschaltet ist. Die Widerstände und der Körper des Individuums werden in den Stromkreis ein- und ausgeschleift und die unterschiedlichen Spannungen über die Widerstände und den Körper werden durch einen Differential-Verstärker gemessen. Das Ausgangssignal des Differential-Verstärkers wird durch einen Gleichrichter und einen Tiefpassfilter (LPF) konditioniert und einem Analog-Digitalwandler (ADC) zugeführt. Das Ausgangssignal dieses ADC wird einer Mikroprozessor-Steuereinheit zugeführt, die (1) die Impedanz des individuellen Körpers aufgrund der unterschiedlichen Spannungsmessungen und (2) den Körperfettanteil in Funktion dieser Impedanz und anderer variablen Größe, Gewicht, Alter und Geschlecht berechnet.

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Zusätzlich sind die Elektroden der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung als kleine, runde Knöpfe, die wenig über die Oberfläche, auf der sie angeordnet sind, hinausragend ausgebildet. Die Elektroden sind in vier Anordnungen aufgeteilt - zwei Stromzufuhr-Anordnungen, die die rechten und linken Fersen kontaktieren, und zwei spannungsmessende Anordnungen, die die Ballen der Füße kontaktieren. Weil ein Strom von nur 300 &mgr;&Agr; anstelle eines von 800 &mgr;&Agr; benutzt wird, können die Stromzufuhr-Elektrodenanordnungen und die spannungsmessenden Elektrodenanordnungen ziemlich nah beieinander liegen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Elektroden ungefähr einen Zentimeter voneinander entfernt.

Diese Konfiguration der Anordnung von Elektroden hat eine Anzahl von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Zum ersten können die Elektroden nahe genug zueinander sein, um selbst bei kleinfüßigen Kindern eine Benutzung der Vorrichtung ermöglichen. Zweitens hat das Individuum eine große Flexibilität hinsichtlich der spezifischen Lage seiner Füße auf der Vorrichtung. Zuletzt wird, weil der Fuß des Individuums in Kontakt mit einer Anzahl von kleinen, auf der Fläche des Fußes verteilten Elektroden ist, die Blutzirkulation in jedem Fuß im Vergleich zu flachen, platten Elektroden, wie in dem Stand der Technik beschrieben, verbessert und die Messung dadurch reproduzierbarer.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Körperfett-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2a zeigt eine Aufsicht auf die Elektrodenanordnungen an der O-berfläche einer Körperfettmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

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Fig. 2b zeigt eine Querschnittansicht der Anordnung von Fig. 2a.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in einer bevorzugten Ausführungsform in Fig. 1 dargestellt ist, enthält eine 50 KHz, 300 uA Konstanzstromquelle (10), die parallel mit einer Mehrzahl von Referenzwiderständen Ri (R1, R2 und R3 als Beispiele in der Fig. 1 gezeigt) und mit dem Körper (60) des Individuums geschaltet ist. Die Widerstände Ri und der Körper (60) des Individuums werden durch Schalter Sj (S 1 bis S8 in der Ausführungsform von Fig. 1) in den Stromkreis ein- und ausgeschleift, welche durch eine Mikroprozessorsteuereinheit (MCU) 120 angesteuert werden. In der Ausführung gemäß der Fig. 1 werden unterschiedliche Spannungen über die Widerstände und den Körper sequentiell zu dem Spannungsabfall-Messgerät 70 über Schalter S9 bis S12, auch angesteuert durch die MCU 120 zu, geschaltet.

Um beispielsweise die Spannung, die sich zwischen dem Körper 60 ausbildet zu messen, werden die Schalter S7, S8, S11 und S12 geschlossen, während die Schalter S1 bis S6, S9 und S10 geöffnet sind. So fließt der Strom durch die Stromzufuhrelektrodenanordnung 20, welche in Kontakt mit einer der Fersen des Individuums ist, durch den Körper 60 und durch die Stromzufuhrelektrodenanordnung 30, die in Kontakt mit der anderen Ferse des Objektes ist. Gleichzeitig wird die Spannung, die zwischen den Ballen der Füße des Objektes generiert wird, durch die spannungsmessenden Elektrodenanordnungen 40 und 50 geleitet, die mit den Ballen der Füße des Individuums in Kontakt sind, zu den Eingängen einer Spannungsabfallmesseinrichtung 70 geleitet. In gleicher Wiese werden, zur Messung der Spannung über den Widerstand R1, Schalter S1, S2, S9 und S10 geschlossen, während Schalter

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S3 bis S8 und S11 und S12 geöffnet werden. Auf diesem Wege kann die Spannung über jeden der Widerstände oder den Körper des Individuums hinweg gemessen werden.

Zusätzlich können Kombinationen der Referenz-Widerstände Ri (R1, R2 und R3 in Fig. 1) und dem Körper 60 geschaltet werden und die Spannung über diese Kombination hinweg gemessen werden. Können z.B. die Widerstände R1 und R2 miteinander geschaltet werden, indem die Schalter S1, S2, S3, S4, S9 und S10 geschlossen und die anderen Schalter geöffnet werden. So kann eine große Anzahl von Datenpunkten mit Widerstands- und zu Spannungswerten bei einer engen Auflösung von Widerstandswerten erhalten werden. Zusätzlich kann die Anzahl möglicher Datenpunkte dadurch erhöht werden, indem die Anzahl der Referenz-Widerstände Ri, die parallel zu dem Körper 60 geschaltet sind, erhöht wird. Die Auflösung der Datenpunkte wird durch die Werte der Referenz-Widerstände und die äquivalenten Widerstände von Gruppen von solchen Widerständen bestimmt; die Referenz-Widerstände werden so ausgewählt, dass die volle Spanne der Körperimpedanz, die typischerweise zwischen 0 und 1000 Ohm variiert, umfasst wird.

Nachdem die Spannungen, die an den Spannungsabfall-Messeinrichtungen 70 anliegen, kleinere Spannungen sind, weist die Spannungsabfallmesseinrichtung 70 einen Differentialverstärker 80 zur Verstärkung des Wechselstromsignals, ein Gleichrichter 90 und ein Tiefpassfilter (LPF) 100 auf. Die Spannungsabfall-Messeinrichtung präsentiert so eine Gleichspannung, die der Amplitude des Wechselstromsignals entspricht, dem Analog-/Digitalkonverter (ADC) 110, welcher regelmäßig die digitalisierte Spannungsmessung dem MCU 120 übermittel. Der MCU 120 interpoliert dann die gemessene Körperimpedanz durch Vergleichen der gemessenen Körperspannung mit der der Referenzwiderstände. Auf diese Weise werden Spannungsmessfehler, die

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durch Kontaktwiderstände oder Nichtlinearitäten des Verstärkers bedingt sind, eliminiert.

Danach nutzt der MCU 120 bekannte Formeln um den Körperfettanteil aus der gemessenen Körperimpedanz heraus zu berechnen. In dem US-Patent Nr. 5,415,176 von Sato et.al. ist eine solche Formel beschreiben, die einen zweistufigen Rechenprozess beinhaltet, indem die Körperdichte zuerst in Abhängigkeit der Körperimpedanz und dann der Körperfettanteil als eine Funktion der Körperdichte berechnet wird. Die beschriebene Formel für die erste Berechnung ist:

wobei BD die Körperdichte, W das Gewicht in Kilogramm, Z die Körperimpedanz zu H die Größe in Zentimetern ist. Die angegebene Formel für den zweiten Rechenschritt ist:

BD

-4,142*100,

wobei %BV der Körperfettanteil und BD die Körperdichte ist. Wie dem auch immer sei, jede Formel, die die Körperimpedanz in Relation zu dem Körperfettanteil setzt kann benutzt werden. Sobald der MTU 120 den Körperfettanteil des Individuums berechnet hat, zeigt es dieses Resultat auf dem Anzeigeschirm 130 an.

Fig. 2a und 2b zeigen eine Elektrodenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Wenn ein Individuum auf der Körpermessvorrichtung steht, verweilen die Füße 270, 280 auf den diskreten Elektroden. In der dargestellten Ausführungsform sind die Elektroden in vier Sektionen (Quadranten) 230, 240, 250 und 260 aufgeteilt. Die Anordnungen 230 und 240 sind spannungsmessende Elektrodenanordnungen, während die Anordnungen 250 und 260 Stromzufuhr-Elektrodenanordnungen sind. Verglichen mit den großen flachen Elektroden, stimuliert diese diskrete Geometrie der Elektrodenanordnung die Füße des Individuums, verbessert die Blutzirkulation und macht die Im-

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pedanzmessung reproduzierbarer. Zusätzlich ist das Individuum in der Platzierung seiner Füße 270, 280 nicht eingeschränkt, solange die Fersen beispielsweise des Fußes 280, wenigstens eine der Elektroden in der Anordnung der Stromzufuhr Elektroden 260 und der Ballen des Fußes 280 wenigstens eine der Elektroden der spannungsmessenden E-lektroden in der Anordnung 230 kontaktiert. Gemäß einer Ausgestaltung sind die Elektroden der spannungsmessenden Anordnungen 230, 240 und die Elektroden der stromzuführenden Anordnung 250, 260 mit einer Distanz von einem Zentimeter voneinander getrennt, so dass sowohl Kinder als auch Erwachsene die Vorrichtung nutzen können. Ebenso zeigt die Fig. 2a das Anzeigepaneel 220 und ein Tastenfeld 210 für die Eingabe von Parametern, wie Körpergröße, Gewicht und Geschlecht in den MCU.

Die Fig. 2b zeigt eine Querschnittdarstellung durch die Vorrichtung zum Messen des Körperfetts gemäß der Fig. 2a. Für einen gegebenen Fuß 280 kontaktieren spannungsmessende Elektroden 300 den Ballen und Zehen des Fußes, während Stromzufuhrelektroden 310 die Ferse kontaktieren. Aus der Fig. 2b ist ersichtlich, dass die spannungsmessenden Elektroden 300 elektrisch miteinander verbunden sind und dass die stromzuführenden Elektroden 310 ebenfalls elektrisch miteinander verbunden sind.

Vorzugsweise ist die nichtleitende Fläche 320 (Basis) ausreichend steif, um das Gewicht des Individuums ohne Deformation zu tragen und kann aus jeden im wesentlichen steifen, nichtleitenden Material, wie beispielsweise Glas sein. Alternativ ist es auch möglich, dass leitendes Material, wie beispielsweise Aluminium, verwendet wird, solange ein Spalt oder eine Isolation zwischen den Elektroden und der Oberfläche 320 vorgesehen ist.

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Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine spezifische Ausführungsform beschrieben wurde, wird von dem Fachmann erkannt, dass Abwandlungen in der Struktur und der Form der Erfindung möglich sind, ohne den Sinn und den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise wird erkannt, dass eine Elektrodenanordnung auf eine Körperfettmessvorrichtung übertragbar ist, die anstelle der oben beschriebenen Vierpunktmesstechnik eine Zweipunktimpedanzmesstechnik nutzt. Es ist auch zu erkennen, dass die Anordnung der Referenz Widerstände auch bei einem solchen Zweipunktmesssystem möglich ist. Demgemäß wird der Rahmen der Erfindung nicht durch die oben beschriebenen Ausführungsformen sondern lediglich durch die nachfolgenden Schutzansprüche bestimmt.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen des Körperfettanteils des Körpers eines Individuums, mit:

a) einem Gehäuse;

b) einer Anordnung von fünf oder mehr Elektroden, an dem Gehäuse befestigt und angeordnet um einen solchen Körper zu kontaktieren, wobei wenigstens zwei der Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind;

c) einer Stromquelle, die mit der Anordnung verbunden ist, wodurch einem solchen Körper durch wenigstens einen Teil der Elektroden Strom zugeführt wird, der die Ausbildung einer Spannung innerhalb des Körpers bewirkt;

d) einem mit der Anordnung verbundenen Spannungsverstärker, wodurch die Spannung über den Körper gemessen und verstärkt wird; und

e) einem Mikroprozessor, verbunden mit dem Spannungsverstärker und konfiguriert, um auf Grundlage der verstärkten Spannung die Körperzusammensetzung des Individuums zu ermitteln.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung von Elektroden umfasst:

a) eine erste Anordnung von mit der Stromquelle verbundenen Stromzufuhr-Elektroden; und

b) eine zweite Anordnung von mit dem Spannungsverstärker verbundenen spannungsmessenden Elektroden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jede Elektrode der ersten Anordnung wenigstens ungefähr einen Zentimeter (1 cm) von jeder Elektrode der zweiten Anordnung entfernt angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei

a) die Elektroden der ersten Anordnung in eine erste und eine zweite Gruppe aufgeteilt sind, wobei alle Elektroden einer Gruppe miteinander elektrisch verbunden sind, und jede der Gruppen mit der Stromquelle verbunden ist; und

b) die Elektroden der zweiten Anordnung in eine dritte und eine vierte Gruppe aufgeteilt sind, alle Elektroden jeder Gruppe elektrisch miteinander verbunden sind, und jede der Gruppen mit dem Spannungsverstärker verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Basis vier Quadranten aufweist, wobei jede Gruppe von Elektroden in einem der Quadranten angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Gruppen auf der Basis so angeordnet sind, daß dann, wenn ein Individuum auf der Basis steht,

a) die erste und die zweite Gruppe die Fersen seiner Füße und

b) die dritte und vierte Gruppe die Ballen seiner Füße kontaktieren, wodurch Meßfehler durch Veränderung der Fersen-Zehen-Impedanz vermieden werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei, wenn ein Individuum mit den Elektroden in Kontakt ist, ein elektrischer Strom durch den Körper des Individuums fließt, dessen Magnitude nicht größer als ungefähr 300 µA ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Magnitude des Stroms ungefähr 300 µA beträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche der Basis strukturell steif ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Oberfläche der Basis aus Glas ist.

11. Vorrichtung zum Messen des Körperfettanteils des Körpers eines Individuums, mit:

a) zwei oder mehr spannungsmessenden Elektroden, die geeignet sind eine Extremität eines Körpers zu kontaktieren;

b) zwei oder mehr Stromzufuhr-Elektroden, die geeignet sind, diese Extremität an einer Stelle zu kontaktieren, die körpernäher an einem solchen Körper liegen, als die der zwei oder mehr spannungsmessenden Elektroden liegen;

c) einer mit den Stromzufuhr-Elektroden verbundene Stromquelle, wodurch einem solchen Körper Strom zugeführt werden kann;

d) einem mit den spannungsmessenden Elektroden verbundenen Spannungs-Verstärker, wodurch eine Spannung durch den Körper hindurch aufgenommen und verstärkt werden kann; und

e) einem Mikroprozessor, konfiguriert, um den Körperfettanteil aufgrund der durch die von den spannungsmessenden Elektroden erfassten Spannung zu berechnen; wodurch Messfehler reduziert werden, die durch Variationen in der Impedanz der Extremität begründet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei

a) die Stromzufuhr-Elektroden mit den Fersen der Füße des Individuums und,

b) die spannungsmessenden Elektroden mit den Ballen der Füße des Individuums verbunden sind.

13. Vorrichtung zum Messen des Körperfettanteils des Körpers eines Individuums, mit:

a) zwei oder mehr Elektroden zum Kontaktieren eines solchen Körpers;

b) zwei oder mehr Referenz-Widerständen in Parallelschaltung mit dem Körper;

c) einer Stromquelle;

d) einem Spannungsverstärker;

e) einem ansteuerbaren Schalter, der die Stromquelle und den Spannungsverstärker mit den Elektroden und den Referenz-Widerständen verbinden kann, so daß ein Strom dem Körper und den Referenz-Widerständen zugeführt werden kann und eine Spannung hierdurch erfasst und verstärkt werden kann; und

f) einem Mikroprozessor, verbunden mit dem Spannungsverstärker, und konfiguriert, um den Körperfettanteil des Körpers des Individuums aufgrund der verstärkten Spannungen zu berechnen, wodurch die Vorrichtung funktionsfähig bleibt, auch wenn die Verbindung zu einem der Referenz-Widerstände ausfällt.