电流激励型多通道经络阻抗检测仪

刘锦英，陈新

福州大学　物理与信息工程学院，福建　福州　350108

电流激励型多通道经络阻抗检测仪

刘锦英，陈新

福州大学物理与信息工程学院，福建福州350108

生物电阻抗测量是一种利用生物组织与器官的电学特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物信息检测技术。对于直接在生物体表检测阻抗的方法，通常是借助置于体表的电极系统向检测对象发送一个微小的刺激电流，同时检测相应的电压值及其变化情况[1-2]。这种测量方法和输入刺激电流的频率密切相关，在低频段，主要的方法有电桥法、双电极法、四电极法和四环电极法；在高频段，受分布参数的影响，一般采用非接触性测量技术和开放端同轴电缆测量技术等[3]，但此种方法主要应用于生物组织微波频段的电特性测量，极少用于体表皮肤阻抗测量系统中。电桥法是最早被用于测量生物阻抗的方法之一[4]，但由于电桥调节范围比较窄，平衡调节难度大，并且精度也不高，在实际应用中很少见。双电极测量技术存在电流在两电极间分布不均匀、生物组织各部分对测量阻抗的贡献不同，电极和被测组织之间存在不稳定的接触电阻问题，因此双电极测量技术不适用于精度要求较高的生物组织阻抗测量系统中。四电极测量技术把测量电极和激励电极分开，克服了双电极技术的缺点，适用于精度要求较高的生物阻抗测量系统中。四环电极测量技术对检测部位的要求比较高，多用于生物组织的离体测量，极少用于体表阻抗测量系统中。

通过以上分析，本文采用四电极测量技术设计了一种32×1电极阵列的多通道经络阻抗检测仪，采用电流灌注激励方式，通过向人体待测部位注入恒定的正弦电流信号，间接测量各电极上的人体体表阻抗信息，然后根据经络的低阻抗特性确定经络点的位置，成像于计算机屏幕上，为经络可视化研究提供测量工具，便于中医临床诊断和治疗。

1　经络三维定位成像系统的结构

为保证测量的实时性，该系统采用上下位机工作模式，整个系统结构，见图1。

上位机利用多通道经络阻抗检测仪在人体体表检测出阻抗值最低的电极通道，并把阻抗值和通道值通过串口发送给下位机，下位机利用双目定位摄像机对电极上的标靶进行定位，同时与上位机发送过来的信息进行匹配，计算经络穴位的三维坐标信息，最后投影叠加到场景摄像机实时拍摄的人体图像上，其结果就像在体表上直接描绘经络穴位图一样，医生根据所看到的影像直接执行针刺治疗或进行现场教学。本文仅针对多通道经络阻抗检测仪进行介绍，受篇幅所限，整个经络三维定位成像系统及光学定位的相关内容另拟文阐述。

图1　经络三维定位成像系统的整体结构

2　系统硬件设计

2.1测量原理

多通道经络阻抗检测仪采用四电极测量方法，其电极结构，见图2。1对激励电极把激励信号导入到待测肢体部位的两端，在两个激励电极之间放置32对测量电极提取电压信号，32对测量电极均匀地分布在同一块电极板上。单通道的四电极测量模型，见图3。其中Z2、Z3和Z4为生物体电阻抗；加粗的黑线表示电极，0号和1号电极为激励电极，Z0和Z1表示激励电极和皮肤间的接触电阻抗；2号和3号电极为测量电极，Z5和Z6表示测量电极和皮肤的接触电阻抗。

图2　电极结构示意图

图3　单通道四电极测量法示意图

由图3可以看出，四电极测量模型中由于激励电极与测量电极分离，测量电极处于电流密度分布比较均匀的中间段，因而测量所得的阻抗和实际电阻抗较为一致。采用四电极法测量电阻抗时，由于激励电极的面积较大使得Z0、Z 1的影响相对较小，而一般测量装置的输入阻抗相对较大，测量电极支路对激励电流的分流作用很小。同时，接触电阻Z5、Z6相对于测量装置的输入阻抗可以忽略不计，因此激励电流流过被测目标所产生的电压信号几乎可无衰减地被测量系统检测到。在理想情况下，使用四电极法测量生物电阻抗时，接触阻抗对测量结果的影响很小。

2.2多通道经络阻抗检测仪的硬件结构

多通道经络检测仪的硬件结构包含以下几个重要模块：电源模块、信号发生器、电压控制电流源、隔离放大电路、幅度检测电路、AD采集模块、PC机数据处理显示模块。系统硬件框图，见图4。

图4　系统硬件框图

正弦信号发生器产生指定频率的正弦信号，通过压控电流源把正弦电压信号转换为电流信号，利用激励电极将压控电流源输出的一定频率和幅值的电流信号导入到人体，32路测量电极同时检测待测部位的正弦电压信号，经放大电路和幅度检测电路后由A/D采集模块转变为各通道的电压数据。上位机程序用于接收并处理采集卡获得的各通道数据，再结合激励电流的大小计算得到对应各通道的阻抗值，最后依据经络点的低阻抗特性确定出经络点的位置，实现阻抗值和对应点灰度值实时显示。

2.2.1正弦信号发生器

人体阻抗测量的激励信号主要有电压激励和电流激励两种方式，其中两种激励方式的电压和电流波形又有多种模式可供选择，如直流、矩形脉冲、方波以及正弦波等。为减少接触电阻和电极极化的影响，本文采用频率为20kHz的正弦电流信号作为皮肤阻抗测量的激励信号。

基于直接数字合成（DDS）技术设计激励源，激励源由正弦信号发生器和压控电流源2部分组成，见图5。其中正弦信号发生器又分为DDS(AD9851)芯片、缓冲放大、低通滤波等3部分构成，由单片机STC89C52控制和管理。

图5　激励源的结构框图

2.2.2压控电流源电路

四电极测量法的激励源必须是恒流源，因此需要将正弦信号发生器输出的电压信号转变为电流信号。本系统采用双运放电压控制电流源电路，见图6。当R1=R2=R3=R4时，由深度负反馈原理推出I0=Ui/ Rs，输出电流可控范围为6μA～50mA。

图6　电压控制电流源电路原理图

2.2.3隔离放大电路

由于各通道两个测量电极之间的电压信号一般为毫伏级的交流信号，因此有必要将这个微小的交流信号进行放大，各通道的前置差分放大电路均相同，电原理图，见图7。

图7　单通道隔离放大电路

AD620具有高共模抑制比、低失调电压(<125μV)、低失调电压漂移、低噪声、低非线性，增益为l～1000倍等特点，是高精度数据放大的理想器件，可完全满足本系统的要求。隔离放大电路的输出电压 V0= G(VN+1-VN)。其中增益G由固定电阻R5和可变电阻R6决定，增益控制电阻的这种结构有利于各通道的一致性调节；VN+1、VN是两个测量电极的电压；电路中的C 1和C 2为耦合电容；可变电阻R 2、R6可调整平衡，以提高共模抑制比。

2.2.4幅度检测电路

从电极输出的电压信号经放大处理后仍是交流信号，无法作为经络定位分析用的数据，必须经幅度检测转换为直流信号，方可成为经络定位分析数据。传统的幅度检测方法不但复杂，而且在解调过程中会引入难以消除的干扰，本文通过直接采用有效值测定芯片A D536A的方法来实现。A D536A是美国A D公司推出的有效值测定单片集成电路，可直接计算输入的任何复杂波形的有效值。幅度检测电路，见图8。实验证明，该电路不仅简单且精度较高。

图8　幅度检测电路

2.2.5A/D采集电路

经过幅度检测的电压信号是模拟信号，不能被计算机识别，还需要经过A/D转换电路将模拟信号转为数字信号，计算机才可以直接读取测量值。该检测仪直接采用MP425数据采集卡[4]将幅度检测的电压信号转换为数字信号，并将数据通过USB接口传送给计算机进行处理。本系统共需要4片8通道数据采集卡，为了减少采集卡占用上位机的USB接口，将4片采集卡通过一个USB与HUB连接到上位机的USB接口上。

2.2.6经络数据后处理

大量的实验结果表明，如果某点的皮肤阻抗值<100 kΩ，则该点可以认为是经络线的候选点。但由于环境噪声、电极极化等因素的影响，检测时会出现多个通道的阻抗值均<100 kΩ，影响测量的准确性。为此，本文根据人体经络点处的电阻抗值比周围皮肤的电阻抗值低以及经络线在人体体表的分布基本呈连续光滑曲线分布这两个特点设计了一个代价函数以进行优化分析。然而，由于电极探头在人体皮肤表面滑动时，不可能呈绝对直线，因此代价函数不能直接使用经络点前后的通道直线距离，而应利用下位机求出经络点的三维坐标距离[5]和相应的电阻抗值作为代价函数的两个参数，综合确定经络点的具体通道和三维坐标信息。设代价函数由下式确定：

式中，D(x)=||dn-1（x,y,z）-dn（x,y,z）||为当前时刻可能为经络点的通道与前一时刻经络点通道的三维坐标距离， 是D(x)的归一化值；R (y)为当前时刻检测的32通道经络电阻抗数值， 为R (y)的归一化值；参数a和b表示三维距离函数和阻抗值大小对经络点测量的影响程度。当计算得到的代价函数f(x)达到最小值时，则可以认为这个通道就是经络点的准确位置。

2.2.7抗干扰设计

对检测仪的干扰来自外部干扰和内部干扰。外部干扰主要指工频信号干扰和空间的电磁辐射干扰。工频干扰一般通过电源线进入电子设备，来自空间的辐射干扰主要指仪器使用环境中其他电子设备产生的工频或高频信号通过电磁辐射进入仪器[6]。主要解决办法是切断干扰的传播途径，阻止干扰进入检测仪。对于来自电源线的干扰，可以采用高度隔离且为金属外壳封装的开关电源模块供电。对于来自空间辐射的干扰，检测仪系统需加装金属屏蔽罩，检测仪的所有电极到电路板间的电缆均采用屏蔽电缆，且屏蔽电缆的一端和金属屏蔽罩均良好接地。检测仪内部的干扰指检测仪内部电路产生的干扰以及相互之间的干扰。本系统采用单点接地方式，使模拟地与数字地分开布线，电源去耦、PCB板双面走线尽量垂直等方法有效地抑制了干扰。

3　实验结果和数据分析

3.1纯电阻测试及分析

为了使32个通道具有相同的系统参数来提高检测精度，可以利用基准电阻R替代人体体表阻抗作为检测对象。在图7的隔离放大器中，利用电位器调节放大器的增益，对各通道进行校准，使32个通道输出数据都尽可能接近于基准电阻，此时可以认为32个通道具有基本相同的系统参数，见表1。

表1　纯电阻实验测量结果（激励源频率：20kHz , 电流：30μA）

表1的实验结果表明，各通道的一致性较好，计算得出的电阻值比较准确，能够满足检测系统的精度要求。

3.2人体实验结果数据分析

进行人体实验时，首先打开上下位机程序和多通道经络阻抗检测仪；接着把经络阻抗检测仪的激励源调整到20kHz、30μA；受试者把参考电极（电极1）握在手心，手臂上方粘贴湿电极（电极0），并将测量电极附着在皮肤上，沿着太阴肺经的尺泽到太渊穴位移动。此时计算机将在每一时刻实时显示出检测阻抗值的结果，见图9。

图9　某时刻经络阻抗检测结果

对于图9中出现的多个可能经络点的通道，本文采用代价函数的方法进行决策选择，确定出经络所在的准确通道。为了验证代价函数的效果，分析上述方法的可行性和准确性，本文采用MA T LAB[7]对阻抗检测仪某一段时间内测得的经络点阻抗数据进行分析，分析结果见图10～11。在图10中，虽然同一时刻32个通道内有可能同时出现多个100k以下的低阻抗点（图中的黑圆点），而且图中第15～18采样时刻真实经络位置的阻抗值并不是最低，用本文所设计的代价函数可以准确地选定出阻抗值较低的、真正的经络通道。由图11可看出，测量的这段时间内经络点主要集中在第13和14通道，依此画出的经络线和人体真实的经络线一样具有空间上的连续性，这也验证了本文所提出的检测办法是可行的。

图10　用代价函数进行决策选择后的成像图

图11　连续测量的人体经络成像图

4　结束语

经络学说是中医基础理论的重要组成部分，也是针灸及推拿疗法的理论核心，指导着中医的临床诊断和治疗。随着中医基础理论研究与现代先进科学技术的不断融合，生物电阻抗测量技术得到了迅速发展和提高。本文依据人体经络的低阻抗特性基于经络可视化系统平台设计了一台多通道人体经络阻抗测试仪，实现了人体体表阻抗信息的灰度显示及经络线的提取。

[参考文献]

[1] 任超世.生物电阻抗测量技术[J].中国医疗器械信息,2004, 10(1):21-25.

[2] 唐敏.生物电阻抗测量原理与测量技术[J].生物医学工程学杂志,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] 孙振威.基于C8051F单片机的USB数据采集卡设计[D].济南:山东大学,2012.

[5] 岳慧平,马铁明,刘建平.基于单片机的数字化中医穴位疗法治疗仪的功能与原理[J].中国医疗设备,2012,27(5):94-95.

[6] 沈金志,陈新.人体皮肤经络定位与成像系统的研究[J].计算机工程与应用,2012,48(6):60-62.

[7] 王贻淳.电子仪器干扰的一般原因及消除方法[J].医学物理, 1985,2(1):25-28.

[8] 赵书兰.MA T L ABR2008数字图像处理与分析实例教程[M].北京:化学工业出版社,2009.

本文作者：刘锦英，硕士研究生。

作者邮箱：158060340514@139.com

[中图分类号]R224；TP391.41

[文献标志码]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.006

[文章编号]1674-1633(2014)02-0026-04

收稿日期：2013-09-22

基金项目：福建省自然科学基金项目（2012J01267）。

通讯作者：陈新，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]介绍一种用于经络三维定位的多通道经络阻抗检测仪。根据经络的低阻抗特性，采用四电极法进行多通道经络阻抗检测仪各模块的设计，包括信号发生器、压控电流源、隔离放大电路、幅度检测电路、A/D数据采集模块和P C机数据处理模块等。根据多个中低阻通道的位置确定经络的位置，并通过实验验证经络的三维定位的准确性。

[关键词]经络阻抗检测仪；生物电阻抗；生物电阻抗测量；人体经络；四电极法

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