電流激勵型多通道經絡阻抗檢測儀

劉錦英，陳新

福州大學　物理與信息工程學院，福建　福州　350108

電流激勵型多通道經絡阻抗檢測儀

劉錦英，陳新

福州大學物理與信息工程學院，福建福州350108

生物電阻抗測量是一種利用生物組織與器官的電學特性及其變化規律提取與人體生理、病理狀況相關的生物信息檢測技術。對于直接在生物體表檢測阻抗的方法，通常是借助置于體表的電極系統向檢測對象發送一個微小的刺激電流，同時檢測相應的電壓值及其變化情況[1-2]。這種測量方法和輸入刺激電流的頻率密切相關，在低頻段，主要的方法有電橋法、雙電極法、四電極法和四環電極法；在高頻段，受分布參數的影響，一般采用非接觸性測量技術和開放端同軸電纜測量技術等[3]，但此種方法主要應用于生物組織微波頻段的電特性測量，極少用于體表皮膚阻抗測量系統中。電橋法是最早被用于測量生物阻抗的方法之一[4]，但由于電橋調節范圍比較窄，平衡調節難度大，并且精度也不高，在實際應用中很少見。雙電極測量技術存在電流在兩電極間分布不均勻、生物組織各部分對測量阻抗的貢獻不同，電極和被測組織之間存在不穩定的接觸電阻問題，因此雙電極測量技術不適用于精度要求較高的生物組織阻抗測量系統中。四電極測量技術把測量電極和激勵電極分開，克服了雙電極技術的缺點，適用于精度要求較高的生物阻抗測量系統中。四環電極測量技術對檢測部位的要求比較高，多用于生物組織的離體測量，極少用于體表阻抗測量系統中。

通過以上分析，本文采用四電極測量技術設計了一種32×1電極陣列的多通道經絡阻抗檢測儀，采用電流灌注激勵方式，通過向人體待測部位注入恒定的正弦電流信號，間接測量各電極上的人體體表阻抗信息，然后根據經絡的低阻抗特性確定經絡點的位置，成像于計算機屏幕上，為經絡可視化研究提供測量工具，便于中醫臨床診斷和治療。

1　經絡三維定位成像系統的結構

為保證測量的實時性，該系統采用上下位機工作模式，整個系統結構，見圖1。

上位機利用多通道經絡阻抗檢測儀在人體體表檢測出阻抗值最低的電極通道，并把阻抗值和通道值通過串口發送給下位機，下位機利用雙目定位攝像機對電極上的標靶進行定位，同時與上位機發送過來的信息進行匹配，計算經絡穴位的三維坐標信息，最后投影疊加到場景攝像機實時拍攝的人體圖像上，其結果就像在體表上直接描繪經絡穴位圖一樣，醫生根據所看到的影像直接執行針刺治療或進行現場教學。本文僅針對多通道經絡阻抗檢測儀進行介紹，受篇幅所限，整個經絡三維定位成像系統及光學定位的相關內容另擬文闡述。

圖1　經絡三維定位成像系統的整體結構

2　系統硬件設計

2.1測量原理

多通道經絡阻抗檢測儀采用四電極測量方法，其電極結構，見圖2。1對激勵電極把激勵信號導入到待測肢體部位的兩端，在兩個激勵電極之間放置32對測量電極提取電壓信號，32對測量電極均勻地分布在同一塊電極板上。單通道的四電極測量模型，見圖3。其中Z2、Z3和Z4為生物體電阻抗；加粗的黑線表示電極，0號和1號電極為激勵電極，Z0和Z1表示激勵電極和皮膚間的接觸電阻抗；2號和3號電極為測量電極，Z5和Z6表示測量電極和皮膚的接觸電阻抗。

圖2　電極結構示意圖

圖3　單通道四電極測量法示意圖

由圖3可以看出，四電極測量模型中由于激勵電極與測量電極分離，測量電極處于電流密度分布比較均勻的中間段，因而測量所得的阻抗和實際電阻抗較為一致。采用四電極法測量電阻抗時，由于激勵電極的面積較大使得Z0、Z 1的影響相對較小，而一般測量裝置的輸入阻抗相對較大，測量電極支路對激勵電流的分流作用很小。同時，接觸電阻Z5、Z6相對于測量裝置的輸入阻抗可以忽略不計，因此激勵電流流過被測目標所產生的電壓信號幾乎可無衰減地被測量系統檢測到。在理想情況下，使用四電極法測量生物電阻抗時，接觸阻抗對測量結果的影響很小。

2.2多通道經絡阻抗檢測儀的硬件結構

多通道經絡檢測儀的硬件結構包含以下幾個重要模塊：電源模塊、信號發生器、電壓控制電流源、隔離放大電路、幅度檢測電路、AD采集模塊、PC機數據處理顯示模塊。系統硬件框圖，見圖4。

圖4　系統硬件框圖

正弦信號發生器產生指定頻率的正弦信號，通過壓控電流源把正弦電壓信號轉換為電流信號，利用激勵電極將壓控電流源輸出的一定頻率和幅值的電流信號導入到人體，32路測量電極同時檢測待測部位的正弦電壓信號，經放大電路和幅度檢測電路后由A/D采集模塊轉變為各通道的電壓數據。上位機程序用于接收并處理采集卡獲得的各通道數據，再結合激勵電流的大小計算得到對應各通道的阻抗值，最后依據經絡點的低阻抗特性確定出經絡點的位置，實現阻抗值和對應點灰度值實時顯示。

2.2.1正弦信號發生器

人體阻抗測量的激勵信號主要有電壓激勵和電流激勵兩種方式，其中兩種激勵方式的電壓和電流波形又有多種模式可供選擇，如直流、矩形脈沖、方波以及正弦波等。為減少接觸電阻和電極極化的影響，本文采用頻率為20kHz的正弦電流信號作為皮膚阻抗測量的激勵信號。

基于直接數字合成（DDS）技術設計激勵源，激勵源由正弦信號發生器和壓控電流源2部分組成，見圖5。其中正弦信號發生器又分為DDS(AD9851)芯片、緩沖放大、低通濾波等3部分構成，由單片機STC89C52控制和管理。

圖5　激勵源的結構框圖

2.2.2壓控電流源電路

四電極測量法的激勵源必須是恒流源，因此需要將正弦信號發生器輸出的電壓信號轉變為電流信號。本系統采用雙運放電壓控制電流源電路，見圖6。當R1=R2=R3=R4時，由深度負反饋原理推出I0=Ui/ Rs，輸出電流可控范圍為6μA～50mA。

圖6　電壓控制電流源電路原理圖

2.2.3隔離放大電路

由于各通道兩個測量電極之間的電壓信號一般為毫伏級的交流信號，因此有必要將這個微小的交流信號進行放大，各通道的前置差分放大電路均相同，電原理圖，見圖7。

圖7　單通道隔離放大電路

AD620具有高共模抑制比、低失調電壓(<125μV)、低失調電壓漂移、低噪聲、低非線性，增益為l～1000倍等特點，是高精度數據放大的理想器件，可完全滿足本系統的要求。隔離放大電路的輸出電壓 V0= G(VN+1-VN)。其中增益G由固定電阻R5和可變電阻R6決定，增益控制電阻的這種結構有利于各通道的一致性調節；VN+1、VN是兩個測量電極的電壓；電路中的C 1和C 2為耦合電容；可變電阻R 2、R6可調整平衡，以提高共模抑制比。

2.2.4幅度檢測電路

從電極輸出的電壓信號經放大處理后仍是交流信號，無法作為經絡定位分析用的數據，必須經幅度檢測轉換為直流信號，方可成為經絡定位分析數據。傳統的幅度檢測方法不但復雜，而且在解調過程中會引入難以消除的干擾，本文通過直接采用有效值測定芯片A D536A的方法來實現。A D536A是美國A D公司推出的有效值測定單片集成電路，可直接計算輸入的任何復雜波形的有效值。幅度檢測電路，見圖8。實驗證明，該電路不僅簡單且精度較高。

圖8　幅度檢測電路

2.2.5A/D采集電路

經過幅度檢測的電壓信號是模擬信號，不能被計算機識別，還需要經過A/D轉換電路將模擬信號轉為數字信號，計算機才可以直接讀取測量值。該檢測儀直接采用MP425數據采集卡[4]將幅度檢測的電壓信號轉換為數字信號，并將數據通過USB接口傳送給計算機進行處理。本系統共需要4片8通道數據采集卡，為了減少采集卡占用上位機的USB接口，將4片采集卡通過一個USB與HUB連接到上位機的USB接口上。

2.2.6經絡數據后處理

大量的實驗結果表明，如果某點的皮膚阻抗值<100 kΩ，則該點可以認為是經絡線的候選點。但由于環境噪聲、電極極化等因素的影響，檢測時會出現多個通道的阻抗值均<100 kΩ，影響測量的準確性。為此，本文根據人體經絡點處的電阻抗值比周圍皮膚的電阻抗值低以及經絡線在人體體表的分布基本呈連續光滑曲線分布這兩個特點設計了一個代價函數以進行優化分析。然而，由于電極探頭在人體皮膚表面滑動時，不可能呈絕對直線，因此代價函數不能直接使用經絡點前后的通道直線距離，而應利用下位機求出經絡點的三維坐標距離[5]和相應的電阻抗值作為代價函數的兩個參數，綜合確定經絡點的具體通道和三維坐標信息。設代價函數由下式確定：

式中，D(x)=||dn-1（x,y,z）-dn（x,y,z）||為當前時刻可能為經絡點的通道與前一時刻經絡點通道的三維坐標距離， 是D(x)的歸一化值；R (y)為當前時刻檢測的32通道經絡電阻抗數值， 為R (y)的歸一化值；參數a和b表示三維距離函數和阻抗值大小對經絡點測量的影響程度。當計算得到的代價函數f(x)達到最小值時，則可以認為這個通道就是經絡點的準確位置。

2.2.7抗干擾設計

對檢測儀的干擾來自外部干擾和內部干擾。外部干擾主要指工頻信號干擾和空間的電磁輻射干擾。工頻干擾一般通過電源線進入電子設備，來自空間的輻射干擾主要指儀器使用環境中其他電子設備產生的工頻或高頻信號通過電磁輻射進入儀器[6]。主要解決辦法是切斷干擾的傳播途徑，阻止干擾進入檢測儀。對于來自電源線的干擾，可以采用高度隔離且為金屬外殼封裝的開關電源模塊供電。對于來自空間輻射的干擾，檢測儀系統需加裝金屬屏蔽罩，檢測儀的所有電極到電路板間的電纜均采用屏蔽電纜，且屏蔽電纜的一端和金屬屏蔽罩均良好接地。檢測儀內部的干擾指檢測儀內部電路產生的干擾以及相互之間的干擾。本系統采用單點接地方式，使模擬地與數字地分開布線，電源去耦、PCB板雙面走線盡量垂直等方法有效地抑制了干擾。

3　實驗結果和數據分析

3.1純電阻測試及分析

為了使32個通道具有相同的系統參數來提高檢測精度，可以利用基準電阻R替代人體體表阻抗作為檢測對象。在圖7的隔離放大器中，利用電位器調節放大器的增益，對各通道進行校準，使32個通道輸出數據都盡可能接近于基準電阻，此時可以認為32個通道具有基本相同的系統參數，見表1。

表1　純電阻實驗測量結果（激勵源頻率：20kHz , 電流：30μA）

表1的實驗結果表明，各通道的一致性較好，計算得出的電阻值比較準確，能夠滿足檢測系統的精度要求。

3.2人體實驗結果數據分析

進行人體實驗時，首先打開上下位機程序和多通道經絡阻抗檢測儀；接著把經絡阻抗檢測儀的激勵源調整到20kHz、30μA；受試者把參考電極（電極1）握在手心，手臂上方粘貼濕電極（電極0），并將測量電極附著在皮膚上，沿著太陰肺經的尺澤到太淵穴位移動。此時計算機將在每一時刻實時顯示出檢測阻抗值的結果，見圖9。

圖9　某時刻經絡阻抗檢測結果

對于圖9中出現的多個可能經絡點的通道，本文采用代價函數的方法進行決策選擇，確定出經絡所在的準確通道。為了驗證代價函數的效果，分析上述方法的可行性和準確性，本文采用MA T LAB[7]對阻抗檢測儀某一段時間內測得的經絡點阻抗數據進行分析，分析結果見圖10～11。在圖10中，雖然同一時刻32個通道內有可能同時出現多個100k以下的低阻抗點（圖中的黑圓點），而且圖中第15～18采樣時刻真實經絡位置的阻抗值并不是最低，用本文所設計的代價函數可以準確地選定出阻抗值較低的、真正的經絡通道。由圖11可看出，測量的這段時間內經絡點主要集中在第13和14通道，依此畫出的經絡線和人體真實的經絡線一樣具有空間上的連續性，這也驗證了本文所提出的檢測辦法是可行的。

圖10　用代價函數進行決策選擇后的成像圖

圖11　連續測量的人體經絡成像圖

4　結束語

經絡學說是中醫基礎理論的重要組成部分，也是針灸及推拿療法的理論核心，指導著中醫的臨床診斷和治療。隨著中醫基礎理論研究與現代先進科學技術的不斷融合，生物電阻抗測量技術得到了迅速發展和提高。本文依據人體經絡的低阻抗特性基于經絡可視化系統平臺設計了一臺多通道人體經絡阻抗測試儀，實現了人體體表阻抗信息的灰度顯示及經絡線的提取。

[參考文獻]

[1] 任超世.生物電阻抗測量技術[J].中國醫療器械信息,2004, 10(1):21-25.

[2] 唐敏.生物電阻抗測量原理與測量技術[J].生物醫學工程學雜志,1997,14(2):152-155.

[3] Gedees LA,Baker LE.Principles of applied biomedical instrumentation[M].Third Edition,NewYork:A WileyInterscience Publication,1989:537-576.

[4] 孫振威.基于C8051F單片機的USB數據采集卡設計[D].濟南:山東大學,2012.

[5] 岳慧平,馬鐵明,劉建平.基于單片機的數字化中醫穴位療法治療儀的功能與原理[J].中國醫療設備,2012,27(5):94-95.

[6] 沈金志,陳新.人體皮膚經絡定位與成像系統的研究[J].計算機工程與應用,2012,48(6):60-62.

[7] 王貽淳.電子儀器干擾的一般原因及消除方法[J].醫學物理, 1985,2(1):25-28.

[8] 趙書蘭.MA T L ABR2008數字圖像處理與分析實例教程[M].北京:化學工業出版社,2009.

本文作者：劉錦英，碩士研究生。

作者郵箱：158060340514@139.com

[中圖分類號]R224；TP391.41

[文獻標志碼]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.006

[文章編號]1674-1633(2014)02-0026-04

收稿日期：2013-09-22

基金項目：福建省自然科學基金項目（2012J01267）。

通訊作者：陳新，教授。

A Multi-Channel Meridian Impedance Detector Based on Current Driving

LIU Jin-ying, CHEN Xin
College of Physics & Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350108, China

[摘要]介紹一種用于經絡三維定位的多通道經絡阻抗檢測儀。根據經絡的低阻抗特性，采用四電極法進行多通道經絡阻抗檢測儀各模塊的設計，包括信號發生器、壓控電流源、隔離放大電路、幅度檢測電路、A/D數據采集模塊和P C機數據處理模塊等。根據多個中低阻通道的位置確定經絡的位置，并通過實驗驗證經絡的三維定位的準確性。

[關鍵詞]經絡阻抗檢測儀；生物電阻抗；生物電阻抗測量；人體經絡；四電極法

Abstract：This paper introduces a multi-channel meridian impedance detector applied for3D meridian positioning. Designed by the four-electrode method considering lowimpedance of the meridian, this detector consists of some modules including a signal generator, a voltage-controlled current source, isolation amplif i ers, amplitude detectors, A/D acquisitions, and some data processing modules. Then with application of this newdevice, meridian position is determined with multiple mediumand lowresistance channels,3D positioning accuracy has been verif i ed by experiments.

Key words：meridian impedance detector; electrical bioimpedance; electrical bioimpedance measurement; human meridian; four-electrode method