一種穴位探測儀核心部件的設計*

楊蕊，李凱揚

(武漢大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430072)

1 引 言

穴位和經絡是人體功能的信息傳遞系統、調節聯絡系統和反應系統[1]。在其諸多物理特性中，電特性是最重要的特性之一。近幾十年來，國內外學者對穴位電阻特性進行了大量的研究。20世紀50 年代，日本學者Nakatani等首次發現穴位表面皮膚具有低電阻抗的特異性[2]。而后，法國學者Niboyet[3]、英國學者Hyvarinen[4]、國內學者張人驥[5]及王學民[6]等人均通過一系列研究得到類似的研究結果，即經穴具有低電阻抗的特性。而且，更深一步的研究表明經絡穴位處呈現出低阻抗、高電容的電學特征[7]且其隨著機體生理及病理的變化而改變。因此，穴位的電學特性可以作為經穴反映功能特異性及研究的常用客觀指標[8]。

但并不是所有的穴位都具有低電阻特性。比如曾兆麟等人[9]在對皮膚穴位導電量的測定實驗中，發現穴位處導電量與非穴位處導電量的關系可分為三類：明顯高于、明顯低于和相差不大。而且，皮膚電阻并不是一個固定值，皮膚低阻點處和非低阻點處的阻抗值會隨著測試電壓的變化而發生變化。比如有研究發現[10]，當測試電壓加到50 V以上時，非低阻點的阻抗值會降至和低阻點處近似的大小。魏建子等人[11]通過給穴位輸入一組以三角波形式連續變化的激勵電流，發現了穴位伏安曲線具有低慣性特征。因此，如何對穴位電阻的特異性進行客觀且標準的檢測并將其運用于臨床診斷具有十分重要的意義。

經穴是由多種組織構成的多層次“立體結構”[12]。穴位的縱向結構包括皮膚、肌肉(肌腱)以及其間的神經、血管、淋巴管等一系列組織器官，橫向上一般可以把以穴位體表定位點為圓心、半徑0.2～0.5 cm的圓形區域作為穴位的區域[13]。正是由于穴位處組織結構的這種復雜性，穴位電阻具有明顯的非線性特性。因此，應該采用非線性電阻的檢測方法，用伏安曲線來反映不同檢測條件下穴位電阻的全貌[11]。本研究在上述文獻調研的基礎上做了一些探討與改進，設計了一種基于51單片機的穴位檢測電路，作為前提與關鍵為本課題組研制的半導體激光針灸模擬儀[14]提供技術支持。該探測儀實現了0～20 μA之間峰值連續可調的非線性變化和線性變化的兩種輸出測試電流；并且二次設計了帶有彈簧的AgCl探測電極，最大程度上減小了實驗操作中因電極與皮膚接觸的壓力大小以及電極的極化作用對實驗結果穩定性帶來的影響。下面對該穴位探測儀的相關內容作進一步的介紹。

2 系統整體結構

系統的組成結構見圖1，可分為D/A控制、壓控恒流源、探測電極、電壓檢測電路和穩壓電源等幾部分。穩壓電源為電路提供穩定的工作電壓以及為D/A芯片提供參考電壓，D/A轉換電路為后級壓控恒流源電路提供精密的基準電壓，壓控恒流源通過儀表放大器AD620連接運放輸出微安級電流。通過給穴位輸入該微安電流，測量穴位處的電壓曲線，從而達到測量人體穴位處伏安特性曲線的目的。

圖1 系統結構圖

3 硬件設計

3.1 測量原理介紹

基于穴位是一個復雜的開放系統且具有混沌特性的這一性質，有學者提出了穴位電阻具有不同于線性電阻的特征[10]。由于組成穴位的介質在空間分布上是不均勻和各向異性的，穴位電阻的測量結果中不僅包含了穴位固有的電學特性，而且包含了穴位組織對外界刺激的主動響應所導致的穴位電學特性的改變。因此，對穴位電阻的測量不能簡單采用線性電阻的測量方式。值得注意的是，不同測試電流或測試電壓下測量得到的穴位電阻值，僅僅是電壓-電流曲線上的一個點，不能用來反映整條伏安曲線的特性。為了進一步發掘穴位電學特性中不受檢測條件影響的固有規律，本研究在魏建子等人的基礎上設計了一種穴位探測儀，設計可以輸出連續可調的非線性變化和線性變化的微弱激勵電流，通過探測其作用在皮膚表面產生的響應電壓值便可以得到一系列的伏安特性點即電阻值。由于穴位[13]可以簡化成一個以體表穴區為底垂直于皮膚指向體內的類圓柱體，穴位電阻近似等于皮膚電阻，只要滿足作用電極面積、作用電極與參考電極之間的距離、參考電極與作用電極面積比值足夠大這三個條件，皮膚表面兩點之間的電阻就可認為是穴位皮膚電阻。利用上述測量原理便可以達到最終探測穴位的目的。

3.2 恒流源

微安級恒流源模塊是本儀器的核心模塊。其目的在于實現輸出0～20 μA之間連續可調的激勵電流。該激勵電流的連續變化方式既包含采用正弦波曲線的非線性變化，也包含采用三角波曲線的線性變化。本探測儀電路中的微安級恒流源具有高阻抗、高精度且輸出電流穩定、紋波小的優點。

圖2 電壓-電流電路

恒流源電路又分為兩部分：一是D/A轉換電路，二是電壓轉電流電路。利用儀表放大器AD620結合運放OPA177構建的高精密電壓轉電流電路見圖2。AD620是一種由傳統三運放發展而成但性能卻優于三運放的儀表放大器。其具有低功耗(最大工作電流僅1.3 mA)、精度高(最大非線性度40 ppm)的特點，同時有很好的直流特性和交流特性。其增益G由(1)式確定：

(1)

僅需要一個外部電阻Rg來設置增益G，增益范圍為1～10 000。Rg采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻,以減小對運放增益的影響。運放采用高阻抗運算放大器OPA177，Ib誤差為±15nA。由運放“虛短虛斷”原則，便可以計算出流經人體電阻的電流值為：

(2)

儀表放大器AD620的正輸入為前端D/A轉換電路的輸出電壓信號。D/A轉換電路見圖3。本探測儀中的設計采用8分辨率的DAC0832芯片和運算放大器構成D/A轉換電路。DAC0832是一款電流輸出型DA芯片，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器轉換成模擬電壓信號，運放的反饋電阻通過RFB端引用單片機片內固有電阻。

圖3 D/A轉換電路

3.3 電源模塊設計

電源模塊見圖4。電路選用兩個相同的醫用級電源用于產生±18 V的電壓，連接三端穩壓集成芯片7805和7905用于產生±5 V的電壓，分別給D/A轉換電路提供參考電壓以及給恒流源電路和單片機提供穩定的工作電壓。醫用級電源相比較于一般的開關電源具有效率高、噪聲小等優點。

3.4 探測電極

本探測儀采用雙電極進行人體穴位探測。雙電極主要測量皮膚中表皮部位的電阻值，測量值多在～kΩ級別[8]。在同樣的方法下，穴位電阻的測量值還和電極與皮膚接觸的壓力、電極面積以及電極極化等因素有關[7,15]。實驗發現電極面積大者(直徑11 mm)，導電量高，且電極與皮膚間的壓力大小對導電量的影響相對于電極面積小者(直徑3 mm)較不明顯[10]。同時探極的面積也應受到穴位面積的限制，每個穴位都有一定范圍和有效阻區，穴表的“感覺圈”即穴位的有效面積，直徑為2～3.5 cm[16]。魏建子等人[13]認為穴區是半徑0.2～0.5 cm的圓形區域。文獻[7]發現當電極與皮膚間的壓力在200～400 g之間時，電阻和電容的測量值受壓力大小的影響較小。為了試驗操作的可重復性以及實驗結果的穩定性，應該盡可能保證上述參數在每次實驗中保持不變。基于上述文獻調研[7-8,10,13,15-17]，本研究采用帶有彈簧的AgCl電極作為實驗的探測電極，電極的接觸面為直徑5 mm的銀片，接觸壓力范圍選取100～400 g；參考電極選用銀棒。AgCl電極能有效避免皮膚電阻測試過程中電極發生極化作用；彈簧可以將電極與皮膚接觸的壓力轉換成刻度顯示，以便控制每次實驗中電極與皮膚接觸壓力的大小，從而提高穴位探測時電極與皮膚間接觸壓力大小的穩定性。

圖4 電源模塊電路

4 軟件實現

基于上述穴位探測儀硬件部分的設計，本研究選用Keil C51進行軟件部分的設計。程序設計實現了輸出電流變化形式的選擇(正弦波或者三角波)和D/A轉換。程序流程圖見圖5。本設計利用定時器延時輸出波形數據，每50 ms輸出一個數據點。其中，以正弦波形式變化的激勵信號是利用一個周期內的400個波形數據離散點實現的。波形數據離散通過式(3)計算可得：

(3)

圖5 程序流程圖

其中

通過上述軟件設計，實現了正弦波和三角波兩種波形的輸出，且兩種輸出波形的周期均為20 s。

5 測試結果

利用優利德UTD2102CEX數字示波器和VICTOR-VC890D型數字萬用表對本研究設計的穴位探測電路的輸出電流進行了測試。圖6(a)、(b)分別展示了本探測儀所輸出的0～20 μA的激勵電流加在定值電阻R(R=160 kΩ)上的測量電壓的測試結果圖。

此外，選取多個與穴位電阻值相近的定值電阻作為負載進行了人體穴位電阻的模擬測試。設定空載狀態下的輸出電流波形的幅值為19.47 μA；當輸出電流通過不同阻值負載時，測量得到其波形幅值見表1。

圖6R=160kΩ上測量電壓波形曲線

(a).正弦波形，(b).三角波形

Fig6WaveformofthemeasurementofvoltageonresistanceR=160kΩ

(a).sinusoidalwaveform, (b).triangularwaveform

表1不同負載下實測電流峰值與設定值對比表

Table1Comparisonofthepeakvalueofmeasuredcurrentandsetvaluewithdifferentload

負載阻值/kΩ實際測量電流峰值/μA相對誤差/%70.018.863.1390.018.892.9812919.072.0516019.062.1118718.982.5220619.082.0021719.032.2624019.042.2127319.052.16

從表1中可以看到本設備輸出的激勵電流峰值滿足人體無痛感測試條件(≤20 μA)。進一步對測量數據進行整理，得到圖7。通過圖7 (a)可以看出本穴位探測電路實際輸出電流的峰值與設定電流的峰值之間誤差的絕對值<0.8 μA；且有負載時，穩流精度約為2.38%(μA級)。同時，觀察到圖7(b)中藍色數據表示硬件電路中電阻R6兩端的電壓峰值(6腳與3腳電壓的差值)基本上是保持不變的。在本次測試中，電阻R6為一定值，故從側面驗證了本穴位探測電路的輸出電流的峰值的穩定性。對于人體穴位的臨床實驗將在探測電極制備完成后開展，但由于此次模擬測試所用負載電阻與人體皮膚電阻在一個量級(～kΩ)內，故認為本系統所輸出的電流可以應用在人體穴位電學特性的測量上。

圖7 定值電阻測試結果圖

Fig7Resultsofmeasurementswithdifferentconstantresistance.

(a) .outputexcitingcurrent，(b).voltagesondifferentPINs)

6 總結

針對人體穴位的混沌特性，本研究設計了一種以恒流源輸出為核心的穴位探測儀。實現了兩種不同變化方式的激勵電流輸出，即以正弦波形式變化和以三角波形式變化。模擬測試表明輸出的激勵電流波形穩定，噪聲較小，且在0～20 μA之間連續可調，穩流精度約為2.38%。該探測儀的設計滿足人體穴位電學特性的測試與分析的應用，為進一步發掘穴位電學特性中不受檢測條件影響的固有規律提供了技術支持。