基于AD5933阻抗測量芯片的人體經穴阻抗動態監測系統研制*

席 強趙 敏楊華元郭永明郭 義*

基于AD5933阻抗測量芯片的人體經穴阻抗動態監測系統研制*

席 強①趙 敏①楊華元②郭永明①郭 義①*

目的：設計人體經穴阻抗動態經絡監測系統，明確人體經穴阻抗在低中頻范圍內響應規律。方法：系統采用STM32系列單片機STM32F103RBT6作為控制器，對阻抗測量芯片AD5933內部寄存器讀寫從而控制阻抗測量，外接ADG711模擬開關以實現不同量程范圍，選用SGM4782雙路模擬開關選通A、B兩個通道，并在AD5933芯片的Vout腳和Vin腳間加入基于AD844的恒流源，采樣數據通過SD卡讀入上位機并分析。結果：系統能夠實時反映經穴阻抗在1～128 kHz掃頻激勵下阻抗曲線及數值。結論：基于AD5933阻抗測量芯片的人體經穴阻抗動態經絡監測系統可以準確反映經穴阻抗信息，可作為進一步明確針灸經穴阻抗特性研究工具。

AD5933阻抗測量芯片；經穴阻抗；經絡監測；針灸；動態檢測

20世紀中期國內外研究者發現，經絡穴位的直流電阻和交流阻抗均比非穴位點低，等效電容則比較高，從而確定了穴位具有低阻抗電特性的事實[1-3]。然而，關于穴位低阻抗特性的根本原因至今尚無本質上的發現。就縱向的分布范圍而言，處于經絡上的穴位點有著復雜的組織解剖結構，穴位與結締組織、神經末梢、血管以及淋巴管分布均有密切聯系，有學者認為此特性與植物神經系統尤其是交感神經系統密切相關[4-6]。在尚無證據證明經絡實質的前提下，可以認為其低阻抗特性不僅與生物體某一種(或數種)組織相關，而且更可能是全部組織結構共同作用的結果。因而在研究穴位電特性時，測量系統應該能反映穴位深層組織的變化，不僅能測量阻抗特性，也應該能夠測量容抗和感抗特性[7]。

1 等效生物電路模型

把經絡穴位下的復雜組織結構一一等效基本上是不可能的，但生物組織的基本單元是細胞，眾多細胞的等效電路在適當的簡化后可以看成一個電阻和電容的串聯和一個電阻的并聯[8](如圖1所示)。

圖1 生物組織的等效電路圖

生物組織特性使得細胞的電特性與電子電路系統相比有著明顯的區別：①非線性，電阻抗會隨著激勵電流的幅度、頻率變化而呈非線性變化[9-10]；②復雜性，生物組織的復雜程度導致很難使用電子電路的集中參數模型來描述[11]；③可靠性，活的生物組織是一個開放的復雜的系統，各種內外因素能顯著影響經穴電特性測量的可靠性。因此，檢測生物組織電特性應充分考慮其非線性、復雜性特點，盡量減少影響因素。

2 生物組織電特性測量

生物組織電特性基本測量方式是利用體外的系統向檢測對象施加安全的電磁激勵(電流、電壓)，在體表檢測相應變化，獲取相關的信息[12]。阻抗和容抗在總電抗中分量的大小是和頻率相關的。生物組織的容抗特性在交流信號激勵下電阻抗比較大，因此在采用交流激勵的時候，總的電阻抗應該包含電阻和電抗兩部分。

生物組織的電抗一般呈現出阻性、容性或者感性特性組合，其共同決定了組織的阻抗特性。在某個特定頻率下阻抗才有意義。在不同的頻率條件下測量阻抗，會得到不同的阻抗值。通過測量多個頻率點下的阻抗，可以獲取更有價值的數據。

3 人體經穴阻抗動態監測系統方案

系統通過STM32系列單片機STM32F103RBT6作為控制器，通過對AD5933阻抗測量芯片內部寄存器讀寫從而進行阻抗測量。模擬開關實現不同校正電阻的自動選擇和選通A、B兩個通道，并加入基于AD844的恒流源[13]。采樣數據保存到SD卡，上位機(PC)通過從SD卡讀入數據并分析(如圖2所示)。

圖2 系統設計框圖

4 人體經穴阻抗動態監測系統硬件設計

4.1 監測系統處理器

STM32F103系列微控制器是基于ARM?CortexTM-M3的控制器，其將高性能的32位計算引入到對價格敏感的嵌入式微控制器應用中。

4.2 監測系統阻抗測量

(1)AD5933阻抗轉換器。阻抗測量是一個比較復雜的信號處理問題，傳統的方法是采用分立解決方案實現的。而AD5933結合了最先進的數字信號和模擬信號處理技術，為阻抗測量提供了一種小型集成解決方案，其采用直接數字頻率合成器(direct digital synthesizer，DDS)技術將模擬數字轉換器(analog digital converter，ADC)和復雜的數字信號處理功能結合在一起，提供頻率掃頻能力，允許處理高達100 kHz的已知頻率激勵的外部復數阻抗。

用AD5933阻抗測量芯片來實現阻抗測量，這種測量方法實質上是一種軟測量方法，即在待測變量難于直接測量的情況下，進行與之相關的易測變量的測量，并依據易測變量與待測變量之間的數學關系，建立數學模型，運用數學計算和估計方法，實現待測變量的測量[14]。

AD5933阻抗測量芯片有一個電壓輸出引腳Vout，能夠發出一定頻率的正弦掃描信號對外部阻抗Z(ω)進行激勵。信號通過被測樣品后，再經放大、濾波后被模數轉換器取樣，并進行離散傅里葉變換，計算出待測阻抗值。為了表征阻抗特性，要進行頻率掃描，其掃頻流程如圖3所示。

圖3 頻率掃描流程圖

AD5933阻抗測量芯片是通過芯片內部的DDS來產生正弦掃描信號，這些信號的起始頻率，頻率的增量和增加的次數都可通過軟件進行設定[15]。掃描激勵信號通過被測阻抗后，經過放大、濾波及ADC轉換輸出的數字信號直接進入數字信號處理器進行離散傅里葉變換(discrete fourier transform，DFT)。傅里葉變換在每個掃描頻率點上進行(公式1)：

每個頻率點的1024個樣本對應的乘積值累加，結果存儲在兩個16位寄存器中，分別代表結果的實部和虛部。用戶以公式2計算每個掃頻點計算被測體的幅值(阻抗)和相位(公式3)：

(2)AD844運算放大器。AD844是一款高速單芯片運算放大器，具有高帶寬、非常快速的大信號響應特性和出色的直流性能。AD844可看做一個電流傳輸器連接了一個電壓跟隨器，輸出阻抗為Zt(Zt=Rt/Ct)。使用AD844克服了電流鏡像不對稱性和溫度穩定性等問題。

5 人體經穴阻抗動態監測系統軟件設計

5.1 單片機軟件設計

AD5933阻抗測量芯片是IIC接口的器件，滿足IIC控制條件，STM32微處理器有自帶的IIC接口，可以實現對AD5933芯片的操作(如圖4所示)。

圖4 單片機軟件框圖

5.2 上位機軟件設計

上位機軟件主要考慮的是與單片機系統的接口和數據傳輸問題(如圖5所示)。如果采用串口或USB傳輸，雖然實時性強，但對于AD5933阻抗測量芯片這類高精度的集成芯片而言，采樣系統的抗干擾能力要求較高，應盡量避免周圍電磁場的影響。故使用SD存貯卡作為下位機與上位機的傳輸載體。

圖5 上位機軟件框圖

6 結語

基于AD5933阻抗測量芯片的人體經穴阻抗動態監測系統克服了同類儀器的局限性，如電路復雜、抗干擾能力差、頻率分辨力低及測量數據只能以數字方式顯示等。實現了自動化的阻抗測量，測量數據既可用數字方式讀取，也可用圖形方式顯示，并且可采用1 kHz的頻率點掃描信號完整的阻抗曲線，能夠準確地反映出人體經穴阻抗在低中頻范圍內的特性。

[1]Hyvarinen J,Karlsson M.Low-resistance skin points that may coincide with acupuncture loci[J].Med Biol,1977,55(2):88-94.

[2]王學民,常曉劍,曹玉珍.基于生物放大器的經絡阻抗研究[J].北京生物醫學工程,2007,26(4):365-368.

[3]佘延芬,齊叢會,朱江.國內外穴位電學特性研究的歷史及進展評述[J].中國針灸,2010,30(12):1047-1050.

[4]Helene M,Langevin,David L,et al.Mechanical signaling through connective tissue:a mechanism for the therapeutic effect of acupuncture[J]. Faseb Journal,2001,15(12):2275-2282.

[5]費倫,承煥生,蔡德亨,等.經絡物質基礎及其功能性特征的實驗探索和研究展望[J].科學通報,1998, 43(6):658-672.

[6]魏建子,沈雪勇.穴位電阻的含義與測量[J].生物醫學工程學雜志,2006,23(3):509-511.

[7]黃松鑫,何愛軍,霍鋮宇,等.基于USB2.0接口的生物阻抗分析儀的研制[J].電子測量技術,2008, 31(7):167-170.

[8]胡瑯琳,嵇波,李志剛,等.經穴皮膚電阻特性的研究情況分析[C].成都:中國針灸學會學術年會第四屆中醫藥現代化國際科技大會針灸研究與國際化分會論文集,2013.

[9]王頻,楊華元,王憶勤.耳穴電阻抗非線性特征探測在中風病虛實證候研究中的應用[C].上海:首屆國際針灸器材學術研討會論文集,2009.

[10]黎步銀,黃兆祥,幸會,等.基于AD5933的阻抗頻譜測試系統設計與實現[J].微計算機信息,2008, 24(10-2):288-290.

[11]李靜,陳世利,靳世久.基于AD5933的阻抗分析儀的設計和實現[J].現代科學儀器,2009(2):28-31.

[12]陳正亮.人體經絡電阻抗檢測技術及初步實驗研究[D].杭州:浙江大學控制科學與工程學系碩士學位論文,2010.

[13]史學濤,尤富生,霍旭陽,等.用于腦部電阻抗斷層成像的高穩定性恒流源的設計[J].第四軍醫大學學報,2006,27(23):2203-2205.

[14]李自雙,宋關斌,蔡紹皙.智能化穴位電阻檢測儀的研制及實驗研究[J].生物醫學工程,1996,15(1):27-30.

[15]楊華元,夏錦杉,顧訓杰,等.經穴皮膚電阻動態參數測定系統及其應用[J].生物醫學工程,1997,16(1): 41-51.

Development of AD5933-based human body meridian impedance dynamic testing system/

XI Qiang, ZHAO Min, YANG Hua-yuan, et al//
China Medical Equipment,2014,11(11):7-9.

Objective: To design the human body Meridian impedance dynamic testing system, to make clear the response of the human body Meridian impedance in the low frequency range. Methods: The system uses STM32F103RBT6 as a controller to read and write AD5933 internal registers in order to control the impedance measurement. Outer join ADG711 analog switch in order to achieve different range. Select SGM4782 as dual analog switch to strobe A,B two channels. Join in the constant current source based on AD844 between AD5933's Vout feet and Vin feet. Sample data is read into the PC via SD card. Results: The system can reflect the real-time impedance values and impedance curve under the sweep excitation from 1kHz to 128 kHz. Conclusion: The human body meridian dynamic impedance detection system based on AD5933 can accurately reflect meridian impedance information, and it can also be as a research tool to further defined meridian impedance characteristics.

AD5933 impedance dynamic testing system; Meridian impedance; Acupuncture; Dynamic monitor

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.11.003

1672-8270(2014)11-007-03

R197.324

A

席強,男,(1984- ),博士研究生，實驗師。天津中醫藥大學實驗針灸研究中心，研究方向：現代針灸器具研發。

2014-05-23

國家科技支撐計劃(2012BAI25B03)“實時經絡監測輔助診斷系統與針灸治療設備的研究”

①天津中醫藥大學實驗針灸研究中心 天津 300193

②上海中醫藥大學中醫藥工程學院 上海 201210

*通訊作者：guoyi_168@163.com

[First-author’s address]Experimental Research Center for Acupuncture in Tianjin University of TCM, Tianjin 300193, China.