电流激励型多通道经络阻抗检测仪的设计与实现

【作 者】曹成虎，陈新福州大学物理与信息工程学院，福州市，350108

电流激励型多通道经络阻抗检测仪的设计与实现

【作 者】曹成虎，陈新
福州大学物理与信息工程学院，福州市，350108

该文介绍一种用于经络三维可视化研究的多通道阻抗检测仪。根据经络的低阻抗电学特性，采用电流激励方式的四电极测量方法，设计和研制多通道检测仪的各个模块，包括电源模块、正弦信号发生器、压控电流源、隔离放大电路、滤波电路和有效值检测模块等。

经络；阻抗检测；经络定位

0 引言

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[1]。激励信号的导入有多种方式，频率较低时常采用接触式[2]电极测量方式，主要有：电桥法、双电极法、四电极法和四环电极法。电桥测量法利用电桥平衡的原理来测量生物组织的阻抗，但由于其调节难度大等原因在现代的阻抗测量系统中已不多见；双电极测量技术采用一对电极，这对电极既是激励电极又是测量电极，这对电极附近组织的电流密度分布不均匀；四环电极测量系统常用于生物组织的离体测量，极少用在活体生物阻抗测量中；四电极测量系统共有两对电极：一对是激励电极，用于将激励信号灌入到人体待测部位；一对是测量电极，用于检测两激励电极之间部位的相关信号，四电极法用于对精度有较高要求的生物阻抗测量系统中。

通过以上分析及其本课题的具体实际情况，本文多通道检测仪采用四电极测量技术设计了一种32×2电极矩阵，并采用电流激励的方式，向人体体表待测部位导入恒定的正弦电流信号，间接地测量出各电极上的人体体表的阻抗信息，然后根据经络的低阻抗特性来确定经络点的具体位置，用于经络可视化研究。

1 经络可视化系统整体结构

为实现测量的实时性，经络可视化系统采用上下位机的模式[3]。下位机结合多通道经络阻抗检测仪实时采集32通道皮肤阻抗信息，检测出阻抗值最低的通道，并将最低通道值和对应的阻抗值等信息通过串口传送至上位机，上位机利用双目视觉技术进行定位，并结合下位机传来的数据获取经络点的三维坐标，再将相关信息叠加至场景摄像机实时拍摄出的人体图像中，从而实现经络的可视化。由于多通道经络阻抗检测仪在可视化过程中是经络定位的关键设备，因此本文仅针对多通道经络阻抗检测仪进行介绍。

2 多通道经络检测仪的设计

在整个系统中，经络检测仪对整个系统实现精确的可视化具有重要的影响，本文介绍多通道检测仪的各个模块的设计。

2.1 经络阻抗检测仪整体框图

多通道经络检测仪的结构包含以下几个重要模块：电源模块、正弦信号发生器、压控电流源、隔离放大电路、滤波电路，有效值检测电路，具体结构如图1所示。

图1 多通道阻抗检测仪整体框图Fig.1 The whole block diagram of multi-channel impedance tester

信号发生器产生20 kHz的电压幅度恒定的正弦信号，并作用于压控电流源间接产生20 kHz且幅度稳定的正弦电流。压控电流源产生的电流信号导入人体的待测部位，32路测量电极同时检测待测部位的正弦电压信号，并通过隔离放大电路，滤波电路和有效值的检测电路后，再由MP425数据采集模块[4]对数据进行采集并传至上位机处理。电源模块提供多通道经络检测仪各个电路模块所需的电源。

2.2 测量原理

考虑本实验需要在测量过程中有较高的精度，系统采用四电极测量方法。如图2所示是典型的单路四电极测量法的等效电路图：其中包括两对电极：一对电流激励电极（即激励电极0和1，其中R1和R2是等效接触电阻抗），另一对测量电极（即测量电极1和2，其中R5，R6是等效接触电阻抗），R7是等效的待测部位的经络阻抗。激励电极将正弦电流信号导入人体的待测部位，测量电极介于两激励电极之间，可以检测出被测部位的电压，从而间接检测出被测部位的阻抗。

2.3 多通道阻抗检测仪的设计

2.3.1 电源模块的设计

图2 四电极测量法示意图Fig.2 Schematic diagram of the measuring method of four electrode

在整个多通道经络检测仪的系统中，信号发生器需要数字直流电压+5 V和模拟直流电压+5 V；隔离放大电路、滤波电路和有效值检测电路需要模拟±12 V的直流电压；压控电流源需要±37～±40 V的直流电压。为了避免电源对信号发生器和各个信号处理电路产生干扰并且提供稳定的电压，本系统专门设计电源模块，为上述各电路提供所需要的稳定电压。

本系统电源采用变压器稳压电路、LC电路、模拟地与数字地分开布线[5]、电源线和地线尽量宽等方法，有效地提高了电源的性能和抗干扰能力。

2.3.2 正弦信号发生器的设计

系统采用基于直接数字合成（DDS）技术设计正弦信号发生器，如图3所示，正弦信号发生器包括DDS芯片AD9851、滤波器电路、放大电路构成,并由单片机STC89C52控制管理，DDS的输出经过滤波电路和放大电路减少波形的失真。

图3 正弦信号发生器的结构示意图Fig.3 Schematic configuration of excitation source

2.3.3 压控电流源的设计

信号发生器输出为一定频率的电压信号，本文采用双运放形式的电压控制电流源把电压信号转换为对应的电流信号。双运放形式的压控电流源输出的电流仅与固定的电阻有关，而且该形式的压控电流源电路具有稳定、可靠的性能。满足可视化系统的需求。

2.3.4 前级放大电路的设计

由于各通道的测量电极之间的电压一般为毫伏级的，因此有必要将这个微小的信号进行放大，各通道的前置差分放大电路均相同。本文采用美国Analog Device公司生产的高精度仪表放大器AD620进行前置放大，运用该芯片的差分放大电路具有高输入阻抗、高共模抑制比和低噪声、低漂移性能。

通过调节平衡电位器的阻值来调节芯片AD620的内部平衡，以此来调节和改进前置放大电路的共模抑制比，可以减小共模信号特别是50 Hz的工频信号的干扰[5]，从而提高了系统的测量精度。

2.3.5 滤波电路的优化设计

由于前级放大电路中引入工频信号的微弱干扰，并将其进行了前级放大的处理，为了进一步减小干扰信号对系统的影响提高系统的精度，需要对前级放大电路的输出信号进行滤波。多通道检测仪设计三阶有源滤波器，滤波器采用芯片双运放芯片LM358。原理如图4所示。

图4 滤波电路原理图Fig.4 Diagram of filter circuit

当电阻用10 kΩ，电容用0.001 μF时，50 Hz的工频信号[5]干扰衰减达到-90 dB，20 kHz的有用信号的增益可达到10 dB,可以满足整个系统的要求。

2.3.6 有效值检测电路的优化设计

经络检测仪的输出数据需要计算机的处理，所以检测仪的输出信号应该是直流信号。本系统采用对后级放大电路输出的交流信号的有效值进行测量。采用有效值测定单片集成芯片AD536，该芯片具有转换速度快、转换精度高的优点，符合本系统高精度测量的要求。

3 实验验证和数据分析

3.1 各通道电路的粗调

电路设计与焊接完成后，需对各个通道电路进行粗调。如图1所示，各通道电路中有前级放大电路，滤波电路，后级放大电路和有效值检测电路，因此前置和后置放大电路的放大倍数均需要调节。

为减少外界干扰的影响（特别是工频50 Hz干扰），应首先调节各通道前置放大电路的共模抑制比，并调节各通道的前置放大电路的放大倍数为6倍，后置放大电路的放大倍数为60倍，经实验与计算：各通道的共模抑制比大于70 dB，满足系统实验的要求。

3.2 多路测量电路的测量与分析

为了分析和验证多通道经络检测仪中各系统参数对测量精度的影响，在多通道经络检测仪的32个通道仿造人体体表激励与测量模型接入纯电阻。在相同实验环境下，采用单一变量法，保持激励电流源的频率和电流不变，对纯电阻的阻抗值进行多次测量求取平均值并计算误差。

通过电路测量实验，所测得的阻值和真实电阻值的差值在-0.3 kΩ～0.3 kΩ之间，相对误差在-2%～2%之间，测量结果的精度满足实验的初步要求。

3.3 人体实验结果数据分析

实验室环境温度20oC左右，一般情况下皮肤不做任何处理。首先打开电源，启动上下位机程序。受试者将激励电流源的参考地电极握于手掌心，激励电流源的输出通过湿电极粘贴于受试者手臂上端的皮肤上，将32通道检测电极沿着太阴肺经[6]的尺泽穴到太渊穴位之间进行接触皮肤的缓慢移动，在移动中的某一时刻截取数据如图5所示。

图5 多通道经络检测系统实验结果Fig.5 Experimental results of multi-channel detection system of main and collateral channels

由图5可见，计算机输出的显示结果为 32路输出电压构成的折线图，每个电压值对应一对测量电极触点处的皮肤阻抗值，电压越低，阻抗值则越低，实验表明，在同一时刻可能有若干个通道的阻抗值会低于100 kΩ，在经络可视化系统中可以设计一种基于空间平滑度准则的代价函数，从这些候选通道中选择出最有可能经络通道位置，本例中检测得到的经络点为第5通道，经络点的阻抗值为93.000 kΩ。

本研究中采用图像融合技术，把经络点投影到现场的二维实时图像平面上，再利用曲线拟合的方法，让经络线平滑的显示在现场的实时图像上。其结果如图6所示。

图6 人体经络可视化结果图Fig.6 The map of human body main and collateral channels visualization

4 结束语

人体经络的可视化研究对中医的临床研究和教学具有重要的作用和意义。本文旨在实现人体经络的检测与实时定位，即能够在人体体表上直接测量和绘出经络的准确位置。以此为基础，我们将实现经络穴位检测的图形化，并融合显示到实际人体体表的图像上，实现定位检测与描绘的自动化。

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

[3] 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): 60-62,93.

[4] 双诺公司. MP425 USB采集卡说明书[M]. 北京: 双诺公司, 2006.

[5] 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.

[6] 邵水金, 董艳, 严振国, 等. 手太阴肺经在虚拟人体上的可视化研究[J]. 针刺研究, 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

福建省自然科学基金项目（2012J01267）

曹成虎，E-mail: 764161366@qq.com