電擊下生物組織局部電流電壓檢測儀

謝可瑩，毛健華，羅力瑋，黃炳益

（桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

據世界衛生組織統計，美國每年大約有1000人死于電休克，而發生于低電壓中的電休克占到70%左右，其中多為家用電器觸電所致[1]。迄今，用于研究電損傷（電擊死）的實驗裝置均較簡單，目前尚無專門檢測的儀器實時同步分段檢測通電生物體的電流電壓，闡釋電擊時各部位組織損傷改變的物理電學基本參數變化基礎及其原理[2]。鑒于生物體的種屬及其不同組織生物物理變化特性的差異，各組織的阻抗存在一定差異性，特別是生物組織結構的不均勻性，電擊時體內不同點和組織的電流電壓等物理電學參數變化極其復雜，目前的各類電學參數檢測儀多為檢測均質導體，不能直接用于生物體。因此，本文研制了一臺用于動物或人尸體的十六通道電擊下生物體電流檢測儀，可在體或離體實時同步地測量出電擊下生物體16個不同部位或組織精確的電流、電壓參數。

1 測量方法

測量電壓電流分為兩步：首先，使用選擇的激勵電壓作為電擊電壓接入到被測生物體，測量探針兩端的電壓為，其示意圖如圖1（a）所示，待電壓測量完成后，系統使用20階的程控電壓接入，因標準電阻Rs的值固定不變，將生物體局部阻抗看作短時間內固定不變，從而得到經過生物體的電流I，其示意圖如圖1（b）所示。則加載在Rs的電壓的表達式為

圖1 測量方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement method

因生物體局部阻抗與標準電阻為串聯，則加載在標準電阻上的電流I的表達式為

2 硬件總體方案

系統的總體框圖如圖2所示，主要分為程控可變交流電源模塊、信號調理電路、STM32F103ZET6系統模塊、上位機顯示及控制模塊。

圖2 系統框圖Fig.2 System block diagram

2.1 調理電路

信號處理電路主要由過壓保護電路、差分電路、帶通濾波電路、峰值檢波電路組成。差分放大電路由AD620實現，調整電路中滑動變阻器的大小和差分放大的倍數。過壓保護電路將過大的電壓信號鉗位，確保輸入電壓的峰值不超過AD620的電源電壓，防止AD620損壞，同時確保輸出的直流電壓在微處理器自帶的12位的A/D電壓采集范圍內，以免造成單片機A/D口損壞。帶通濾波電路實現干擾信號的濾波，低通濾波電路濾除低于40Hz的噪聲，高通濾波電路濾除高于60Hz的噪聲和50Hz的高次諧波。

2.2 控制模塊

控制模塊是控制激勵電壓與程控電壓的大小選擇與通斷。首先，在上位機測量，選擇需要的激勵電壓，如220V、110V、36V和24V，激勵電壓通過控制變壓器接入到電路中，上位機將控制信號傳輸給微處理器，微處理器接收到信號后，控制電路產生激勵電壓接入被測生物體組織，通過儀器的測試線將測量的電信號傳輸到信號調理電路進行處理，得到測量的電壓值后，開始測量電流。

本作品使用逼近法測量電流，先將接在被測生物體的交流電源斷開，接下來使用“程控可變電源”給被測生物體加上程控可變的50Hz交流電壓，電壓大小為。然后，測量出“取樣電阻R”兩端的電壓有效值，將被測生物體此刻的電壓的值與在電壓測量時得到的d1、d2兩端電壓有效值進行比較，通過上位機控制程控可變電源，改變的大小，直至與相逼近[3]。流經取樣電阻R的電流Ir和流經被測生物體組織的局部電擊電流I1相等。通過擬合法，得到標準電阻的電流，因為生物體部分與標準電阻串聯，即流經標準電阻的電流就是流經生物體組織的局部電流[4]。

3 軟件設計

3.1 下位機軟件設計

下位機軟件設計采用STM32單片機作為整個系統的中樞控制器，STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核，它為實現MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的引腳數目、降低的系統功耗，同時提供卓越的計算性能和先進的中斷系統響應[5]。程序設計流程圖如圖3所示，先對上位機傳輸的信號進行接收，進而控制交流電的擋位，最后完成AD采集。

圖3 程序設計流程圖Fig.3 Single chip microcomputer program flowchart

3.2 上位機軟件設計

上位機采用在Labview平臺搭建的上位機顯示控制模塊，基于串口通信方式設計軟件程序，串口通信是一種在計算機與計算機之間或者計算機與外圍設備之間傳送數據的常用方法，通常應用于傳統儀器的控制和緩慢變化信號的采集[6]。上位機設計程序流程圖如圖4所示。上位機通過串行接收程序接收完數據之后，運行數據處理程序將所接收到的數據在Labview的前面板上顯示[7]。上位機寫的是字符類型的數據，而后軟件將字符按照單個的字節位發送至接收端，作為接收端的下位機一方將這些位組成完整的字節，從而完成數據的傳送[8]。

圖4 上位機總體程序框圖Fig.4 Overall program block diagram of upper computer

4 實驗

4.1 實驗內容

使用3個精密電阻搭建測量模型，電阻的阻值為兩個16kΩ，一個1kΩ，使用萬用表實測3個電阻的阻值分別為16.13kΩ、16.07kΩ和0.991kΩ，使用230V的激勵電壓測量，測量時市電的電壓為230V。測試時，1次測試4個通道的電流電壓，測試4次便可以測試完16個通道，16通道的實測數據見表1。

表1 16通道實測數據Table 1 Measured data of 16 channels

通過計算，被測電阻兩端的理論電壓值為6.93V，電流為6.99mA，實測電壓與理論電壓在±0.05V以內，實測電流與理論電流的誤差，除了第4通道的電流誤差為±0.04mA，剩下15個通道的誤差數據都在±0.03mA以內。

4.2 誤差分析

本作品的主要誤差來自以下3個方面：①由于市電本身就不穩定，導致激勵電壓的輸出有一定的波動；②本作品使用數字電位器來調節程控電壓的大小，因數字電位在調節阻值時會有誤差，導致程控電壓有一定的誤差；③每個通道的兩根探針間距不能確保固定距離，致使存在一定誤差。

5 結束語

本文介紹的作品，除了可以使用16通道對生物體組織局部的電流電壓進行檢測，還可以實時同步分段檢測生物體各部位局部電壓分布和電流流經情況，并且可選擇220V、110V、36V、24V的激勵電壓，可模擬更多的應用場景。此外，設計中將擬合法和程控電壓替換法應用于生物體電流的檢測，提高了測量精度和安全性，誤差在±0.05V。