電流激勵型多通道經絡阻抗檢測儀的設計與實現

【作 者】曹成虎，陳新福州大學物理與信息工程學院，福州市，350108

電流激勵型多通道經絡阻抗檢測儀的設計與實現

【作 者】曹成虎，陳新
福州大學物理與信息工程學院，福州市，350108

該文介紹一種用于經絡三維可視化研究的多通道阻抗檢測儀。根據經絡的低阻抗電學特性，采用電流激勵方式的四電極測量方法，設計和研制多通道檢測儀的各個模塊，包括電源模塊、正弦信號發生器、壓控電流源、隔離放大電路、濾波電路和有效值檢測模塊等。

經絡；阻抗檢測；經絡定位

0 引言

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[1]。激勵信號的導入有多種方式，頻率較低時常采用接觸式[2]電極測量方式，主要有：電橋法、雙電極法、四電極法和四環電極法。電橋測量法利用電橋平衡的原理來測量生物組織的阻抗，但由于其調節難度大等原因在現代的阻抗測量系統中已不多見；雙電極測量技術采用一對電極，這對電極既是激勵電極又是測量電極，這對電極附近組織的電流密度分布不均勻；四環電極測量系統常用于生物組織的離體測量，極少用在活體生物阻抗測量中；四電極測量系統共有兩對電極：一對是激勵電極，用于將激勵信號灌入到人體待測部位；一對是測量電極，用于檢測兩激勵電極之間部位的相關信號，四電極法用于對精度有較高要求的生物阻抗測量系統中。

通過以上分析及其本課題的具體實際情況，本文多通道檢測儀采用四電極測量技術設計了一種32×2電極矩陣，并采用電流激勵的方式，向人體體表待測部位導入恒定的正弦電流信號，間接地測量出各電極上的人體體表的阻抗信息，然后根據經絡的低阻抗特性來確定經絡點的具體位置，用于經絡可視化研究。

1 經絡可視化系統整體結構

為實現測量的實時性，經絡可視化系統采用上下位機的模式[3]。下位機結合多通道經絡阻抗檢測儀實時采集32通道皮膚阻抗信息，檢測出阻抗值最低的通道，并將最低通道值和對應的阻抗值等信息通過串口傳送至上位機，上位機利用雙目視覺技術進行定位，并結合下位機傳來的數據獲取經絡點的三維坐標，再將相關信息疊加至場景攝像機實時拍攝出的人體圖像中，從而實現經絡的可視化。由于多通道經絡阻抗檢測儀在可視化過程中是經絡定位的關鍵設備，因此本文僅針對多通道經絡阻抗檢測儀進行介紹。

2 多通道經絡檢測儀的設計

在整個系統中，經絡檢測儀對整個系統實現精確的可視化具有重要的影響，本文介紹多通道檢測儀的各個模塊的設計。

2.1 經絡阻抗檢測儀整體框圖

多通道經絡檢測儀的結構包含以下幾個重要模塊：電源模塊、正弦信號發生器、壓控電流源、隔離放大電路、濾波電路，有效值檢測電路，具體結構如圖1所示。

圖1 多通道阻抗檢測儀整體框圖Fig.1 The whole block diagram of multi-channel impedance tester

信號發生器產生20 kHz的電壓幅度恒定的正弦信號，并作用于壓控電流源間接產生20 kHz且幅度穩定的正弦電流。壓控電流源產生的電流信號導入人體的待測部位，32路測量電極同時檢測待測部位的正弦電壓信號，并通過隔離放大電路，濾波電路和有效值的檢測電路后，再由MP425數據采集模塊[4]對數據進行采集并傳至上位機處理。電源模塊提供多通道經絡檢測儀各個電路模塊所需的電源。

2.2 測量原理

考慮本實驗需要在測量過程中有較高的精度，系統采用四電極測量方法。如圖2所示是典型的單路四電極測量法的等效電路圖：其中包括兩對電極：一對電流激勵電極（即激勵電極0和1，其中R1和R2是等效接觸電阻抗），另一對測量電極（即測量電極1和2，其中R5，R6是等效接觸電阻抗），R7是等效的待測部位的經絡阻抗。激勵電極將正弦電流信號導入人體的待測部位，測量電極介于兩激勵電極之間，可以檢測出被測部位的電壓，從而間接檢測出被測部位的阻抗。

2.3 多通道阻抗檢測儀的設計

2.3.1 電源模塊的設計

圖2 四電極測量法示意圖Fig.2 Schematic diagram of the measuring method of four electrode

在整個多通道經絡檢測儀的系統中，信號發生器需要數字直流電壓+5 V和模擬直流電壓+5 V；隔離放大電路、濾波電路和有效值檢測電路需要模擬±12 V的直流電壓；壓控電流源需要±37～±40 V的直流電壓。為了避免電源對信號發生器和各個信號處理電路產生干擾并且提供穩定的電壓，本系統專門設計電源模塊，為上述各電路提供所需要的穩定電壓。

本系統電源采用變壓器穩壓電路、LC電路、模擬地與數字地分開布線[5]、電源線和地線盡量寬等方法，有效地提高了電源的性能和抗干擾能力。

2.3.2 正弦信號發生器的設計

系統采用基于直接數字合成（DDS）技術設計正弦信號發生器，如圖3所示，正弦信號發生器包括DDS芯片AD9851、濾波器電路、放大電路構成,并由單片機STC89C52控制管理，DDS的輸出經過濾波電路和放大電路減少波形的失真。

圖3 正弦信號發生器的結構示意圖Fig.3 Schematic configuration of excitation source

2.3.3 壓控電流源的設計

信號發生器輸出為一定頻率的電壓信號，本文采用雙運放形式的電壓控制電流源把電壓信號轉換為對應的電流信號。雙運放形式的壓控電流源輸出的電流僅與固定的電阻有關，而且該形式的壓控電流源電路具有穩定、可靠的性能。滿足可視化系統的需求。

2.3.4 前級放大電路的設計

由于各通道的測量電極之間的電壓一般為毫伏級的，因此有必要將這個微小的信號進行放大，各通道的前置差分放大電路均相同。本文采用美國Analog Device公司生產的高精度儀表放大器AD620進行前置放大，運用該芯片的差分放大電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比和低噪聲、低漂移性能。

通過調節平衡電位器的阻值來調節芯片AD620的內部平衡，以此來調節和改進前置放大電路的共模抑制比，可以減小共模信號特別是50 Hz的工頻信號的干擾[5]，從而提高了系統的測量精度。

2.3.5 濾波電路的優化設計

由于前級放大電路中引入工頻信號的微弱干擾，并將其進行了前級放大的處理，為了進一步減小干擾信號對系統的影響提高系統的精度，需要對前級放大電路的輸出信號進行濾波。多通道檢測儀設計三階有源濾波器，濾波器采用芯片雙運放芯片LM358。原理如圖4所示。

圖4 濾波電路原理圖Fig.4 Diagram of filter circuit

當電阻用10 kΩ，電容用0.001 μF時，50 Hz的工頻信號[5]干擾衰減達到-90 dB，20 kHz的有用信號的增益可達到10 dB,可以滿足整個系統的要求。

2.3.6 有效值檢測電路的優化設計

經絡檢測儀的輸出數據需要計算機的處理，所以檢測儀的輸出信號應該是直流信號。本系統采用對后級放大電路輸出的交流信號的有效值進行測量。采用有效值測定單片集成芯片AD536，該芯片具有轉換速度快、轉換精度高的優點，符合本系統高精度測量的要求。

3 實驗驗證和數據分析

3.1 各通道電路的粗調

電路設計與焊接完成后，需對各個通道電路進行粗調。如圖1所示，各通道電路中有前級放大電路，濾波電路，后級放大電路和有效值檢測電路，因此前置和后置放大電路的放大倍數均需要調節。

為減少外界干擾的影響（特別是工頻50 Hz干擾），應首先調節各通道前置放大電路的共模抑制比，并調節各通道的前置放大電路的放大倍數為6倍，后置放大電路的放大倍數為60倍，經實驗與計算：各通道的共模抑制比大于70 dB，滿足系統實驗的要求。

3.2 多路測量電路的測量與分析

為了分析和驗證多通道經絡檢測儀中各系統參數對測量精度的影響，在多通道經絡檢測儀的32個通道仿造人體體表激勵與測量模型接入純電阻。在相同實驗環境下，采用單一變量法，保持激勵電流源的頻率和電流不變，對純電阻的阻抗值進行多次測量求取平均值并計算誤差。

通過電路測量實驗，所測得的阻值和真實電阻值的差值在-0.3 kΩ～0.3 kΩ之間，相對誤差在-2%～2%之間，測量結果的精度滿足實驗的初步要求。

3.3 人體實驗結果數據分析

實驗室環境溫度20oC左右，一般情況下皮膚不做任何處理。首先打開電源，啟動上下位機程序。受試者將激勵電流源的參考地電極握于手掌心，激勵電流源的輸出通過濕電極粘貼于受試者手臂上端的皮膚上，將32通道檢測電極沿著太陰肺經[6]的尺澤穴到太淵穴位之間進行接觸皮膚的緩慢移動，在移動中的某一時刻截取數據如圖5所示。

圖5 多通道經絡檢測系統實驗結果Fig.5 Experimental results of multi-channel detection system of main and collateral channels

由圖5可見，計算機輸出的顯示結果為 32路輸出電壓構成的折線圖，每個電壓值對應一對測量電極觸點處的皮膚阻抗值，電壓越低，阻抗值則越低，實驗表明，在同一時刻可能有若干個通道的阻抗值會低于100 kΩ，在經絡可視化系統中可以設計一種基于空間平滑度準則的代價函數，從這些候選通道中選擇出最有可能經絡通道位置，本例中檢測得到的經絡點為第5通道，經絡點的阻抗值為93.000 kΩ。

本研究中采用圖像融合技術，把經絡點投影到現場的二維實時圖像平面上，再利用曲線擬合的方法，讓經絡線平滑的顯示在現場的實時圖像上。其結果如圖6所示。

圖6 人體經絡可視化結果圖Fig.6 The map of human body main and collateral channels visualization

4 結束語

人體經絡的可視化研究對中醫的臨床研究和教學具有重要的作用和意義。本文旨在實現人體經絡的檢測與實時定位，即能夠在人體體表上直接測量和繪出經絡的準確位置。以此為基礎，我們將實現經絡穴位檢測的圖形化，并融合顯示到實際人體體表的圖像上，實現定位檢測與描繪的自動化。

[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] Gedeea LA,Baker LE.Principles of applied biomedical instrumentation[M]. Third Edition, New York, A Wiley-Interscience Publication, 1989.

[3] 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): 60-62,93.

[4] 雙諾公司. MP425 USB采集卡說明書[M]. 北京: 雙諾公司, 2006.

[5] 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.

[6] 邵水金, 董艷, 嚴振國, 等. 手太陰肺經在虛擬人體上的可視化研究[J]. 針刺研究, 2008, 33(3): 191-193.

Design and lmplementation of the Multi-Channel Meridian lmpedance Detector Based on Current Driving

【Writers】CAO Chenghu, CHEN Xin
College of Physics & Information Engineering, Fuzhou, 350108

A multi-channel meridian impedance detector used to the 3D meridian visualization positioning is presented. The detector is designed with the four-electrode method based on current driving according to low impedance of the meridian. The detector consists of power-supply module, sinusoidal signal generator, voltage-controlled current source, isolation amplifiers, filter circuit, amplitude detectors and so on.

meridian, impedance detection, meridian positioning

R197.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.02.006

1671-7104(2015)02-0098-04

2014-10-24

福建省自然科學基金項目（2012J01267）

曹成虎，E-mail: 764161366@qq.com