一种穴位探测仪核心部件的设计*

杨蕊，李凯扬

(武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072)

1 引 言

穴位和经络是人体功能的信息传递系统、调节联络系统和反应系统[1]。在其诸多物理特性中，电特性是最重要的特性之一。近几十年来，国内外学者对穴位电阻特性进行了大量的研究。20世纪50 年代，日本学者Nakatani等首次发现穴位表面皮肤具有低电阻抗的特异性[2]。而后，法国学者Niboyet[3]、英国学者Hyvarinen[4]、国内学者张人骥[5]及王学民[6]等人均通过一系列研究得到类似的研究结果，即经穴具有低电阻抗的特性。而且，更深一步的研究表明经络穴位处呈现出低阻抗、高电容的电学特征[7]且其随着机体生理及病理的变化而改变。因此，穴位的电学特性可以作为经穴反映功能特异性及研究的常用客观指标[8]。

但并不是所有的穴位都具有低电阻特性。比如曾兆麟等人[9]在对皮肤穴位导电量的测定实验中，发现穴位处导电量与非穴位处导电量的关系可分为三类：明显高于、明显低于和相差不大。而且，皮肤电阻并不是一个固定值，皮肤低阻点处和非低阻点处的阻抗值会随着测试电压的变化而发生变化。比如有研究发现[10]，当测试电压加到50 V以上时，非低阻点的阻抗值会降至和低阻点处近似的大小。魏建子等人[11]通过给穴位输入一组以三角波形式连续变化的激励电流，发现了穴位伏安曲线具有低惯性特征。因此，如何对穴位电阻的特异性进行客观且标准的检测并将其运用于临床诊断具有十分重要的意义。

经穴是由多种组织构成的多层次“立体结构”[12]。穴位的纵向结构包括皮肤、肌肉(肌腱)以及其间的神经、血管、淋巴管等一系列组织器官，横向上一般可以把以穴位体表定位点为圆心、半径0.2～0.5 cm的圆形区域作为穴位的区域[13]。正是由于穴位处组织结构的这种复杂性，穴位电阻具有明显的非线性特性。因此，应该采用非线性电阻的检测方法，用伏安曲线来反映不同检测条件下穴位电阻的全貌[11]。本研究在上述文献调研的基础上做了一些探讨与改进，设计了一种基于51单片机的穴位检测电路，作为前提与关键为本课题组研制的半导体激光针灸模拟仪[14]提供技术支持。该探测仪实现了0～20 μA之间峰值连续可调的非线性变化和线性变化的两种输出测试电流；并且二次设计了带有弹簧的AgCl探测电极，最大程度上减小了实验操作中因电极与皮肤接触的压力大小以及电极的极化作用对实验结果稳定性带来的影响。下面对该穴位探测仪的相关内容作进一步的介绍。

2 系统整体结构

系统的组成结构见图1，可分为D/A控制、压控恒流源、探测电极、电压检测电路和稳压电源等几部分。稳压电源为电路提供稳定的工作电压以及为D/A芯片提供参考电压，D/A转换电路为后级压控恒流源电路提供精密的基准电压，压控恒流源通过仪表放大器AD620连接运放输出微安级电流。通过给穴位输入该微安电流，测量穴位处的电压曲线，从而达到测量人体穴位处伏安特性曲线的目的。

图1 系统结构图

3 硬件设计

3.1 测量原理介绍

基于穴位是一个复杂的开放系统且具有混沌特性的这一性质，有学者提出了穴位电阻具有不同于线性电阻的特征[10]。由于组成穴位的介质在空间分布上是不均匀和各向异性的，穴位电阻的测量结果中不仅包含了穴位固有的电学特性，而且包含了穴位组织对外界刺激的主动响应所导致的穴位电学特性的改变。因此，对穴位电阻的测量不能简单采用线性电阻的测量方式。值得注意的是，不同测试电流或测试电压下测量得到的穴位电阻值，仅仅是电压-电流曲线上的一个点，不能用来反映整条伏安曲线的特性。为了进一步发掘穴位电学特性中不受检测条件影响的固有规律，本研究在魏建子等人的基础上设计了一种穴位探测仪，设计可以输出连续可调的非线性变化和线性变化的微弱激励电流，通过探测其作用在皮肤表面产生的响应电压值便可以得到一系列的伏安特性点即电阻值。由于穴位[13]可以简化成一个以体表穴区为底垂直于皮肤指向体内的类圆柱体，穴位电阻近似等于皮肤电阻，只要满足作用电极面积、作用电极与参考电极之间的距离、参考电极与作用电极面积比值足够大这三个条件，皮肤表面两点之间的电阻就可认为是穴位皮肤电阻。利用上述测量原理便可以达到最终探测穴位的目的。

3.2 恒流源

微安级恒流源模块是本仪器的核心模块。其目的在于实现输出0～20 μA之间连续可调的激励电流。该激励电流的连续变化方式既包含采用正弦波曲线的非线性变化，也包含采用三角波曲线的线性变化。本探测仪电路中的微安级恒流源具有高阻抗、高精度且输出电流稳定、纹波小的优点。

图2 电压-电流电路

恒流源电路又分为两部分：一是D/A转换电路，二是电压转电流电路。利用仪表放大器AD620结合运放OPA177构建的高精密电压转电流电路见图2。AD620是一种由传统三运放发展而成但性能却优于三运放的仪表放大器。其具有低功耗(最大工作电流仅1.3 mA)、精度高(最大非线性度40 ppm)的特点，同时有很好的直流特性和交流特性。其增益G由(1)式确定：

(1)

仅需要一个外部电阻Rg来设置增益G，增益范围为1～10 000。Rg采用高精度、低噪声的金属膜电阻,以减小对运放增益的影响。运放采用高阻抗运算放大器OPA177，Ib误差为±15nA。由运放“虚短虚断”原则，便可以计算出流经人体电阻的电流值为：

(2)

仪表放大器AD620的正输入为前端D/A转换电路的输出电压信号。D/A转换电路见图3。本探测仪中的设计采用8分辨率的DAC0832芯片和运算放大器构成D/A转换电路。DAC0832是一款电流输出型DA芯片，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器转换成模拟电压信号，运放的反馈电阻通过RFB端引用单片机片内固有电阻。

图3 D/A转换电路

3.3 电源模块设计

电源模块见图4。电路选用两个相同的医用级电源用于产生±18 V的电压，连接三端稳压集成芯片7805和7905用于产生±5 V的电压，分别给D/A转换电路提供参考电压以及给恒流源电路和单片机提供稳定的工作电压。医用级电源相比较于一般的开关电源具有效率高、噪声小等优点。

3.4 探测电极

本探测仪采用双电极进行人体穴位探测。双电极主要测量皮肤中表皮部位的电阻值，测量值多在～kΩ级别[8]。在同样的方法下，穴位电阻的测量值还和电极与皮肤接触的压力、电极面积以及电极极化等因素有关[7,15]。实验发现电极面积大者(直径11 mm)，导电量高，且电极与皮肤间的压力大小对导电量的影响相对于电极面积小者(直径3 mm)较不明显[10]。同时探极的面积也应受到穴位面积的限制，每个穴位都有一定范围和有效阻区，穴表的“感觉圈”即穴位的有效面积，直径为2～3.5 cm[16]。魏建子等人[13]认为穴区是半径0.2～0.5 cm的圆形区域。文献[7]发现当电极与皮肤间的压力在200～400 g之间时，电阻和电容的测量值受压力大小的影响较小。为了试验操作的可重复性以及实验结果的稳定性，应该尽可能保证上述参数在每次实验中保持不变。基于上述文献调研[7-8,10,13,15-17]，本研究采用带有弹簧的AgCl电极作为实验的探测电极，电极的接触面为直径5 mm的银片，接触压力范围选取100～400 g；参考电极选用银棒。AgCl电极能有效避免皮肤电阻测试过程中电极发生极化作用；弹簧可以将电极与皮肤接触的压力转换成刻度显示，以便控制每次实验中电极与皮肤接触压力的大小，从而提高穴位探测时电极与皮肤间接触压力大小的稳定性。

图4 电源模块电路

4 软件实现

基于上述穴位探测仪硬件部分的设计，本研究选用Keil C51进行软件部分的设计。程序设计实现了输出电流变化形式的选择(正弦波或者三角波)和D/A转换。程序流程图见图5。本设计利用定时器延时输出波形数据，每50 ms输出一个数据点。其中，以正弦波形式变化的激励信号是利用一个周期内的400个波形数据离散点实现的。波形数据离散通过式(3)计算可得：

(3)

图5 程序流程图

其中

通过上述软件设计，实现了正弦波和三角波两种波形的输出，且两种输出波形的周期均为20 s。

5 测试结果

利用优利德UTD2102CEX数字示波器和VICTOR-VC890D型数字万用表对本研究设计的穴位探测电路的输出电流进行了测试。图6(a)、(b)分别展示了本探测仪所输出的0～20 μA的激励电流加在定值电阻R(R=160 kΩ)上的测量电压的测试结果图。

此外，选取多个与穴位电阻值相近的定值电阻作为负载进行了人体穴位电阻的模拟测试。设定空载状态下的输出电流波形的幅值为19.47 μA；当输出电流通过不同阻值负载时，测量得到其波形幅值见表1。

图6R=160kΩ上测量电压波形曲线

(a).正弦波形，(b).三角波形

Fig6WaveformofthemeasurementofvoltageonresistanceR=160kΩ

(a).sinusoidalwaveform, (b).triangularwaveform

表1不同负载下实测电流峰值与设定值对比表

Table1Comparisonofthepeakvalueofmeasuredcurrentandsetvaluewithdifferentload

负载阻值/kΩ实际测量电流峰值/μA相对误差/%70.018.863.1390.018.892.9812919.072.0516019.062.1118718.982.5220619.082.0021719.032.2624019.042.2127319.052.16

从表1中可以看到本设备输出的激励电流峰值满足人体无痛感测试条件(≤20 μA)。进一步对测量数据进行整理，得到图7。通过图7 (a)可以看出本穴位探测电路实际输出电流的峰值与设定电流的峰值之间误差的绝对值<0.8 μA；且有负载时，稳流精度约为2.38%(μA级)。同时，观察到图7(b)中蓝色数据表示硬件电路中电阻R6两端的电压峰值(6脚与3脚电压的差值)基本上是保持不变的。在本次测试中，电阻R6为一定值，故从侧面验证了本穴位探测电路的输出电流的峰值的稳定性。对于人体穴位的临床实验将在探测电极制备完成后开展，但由于此次模拟测试所用负载电阻与人体皮肤电阻在一个量级(～kΩ)内，故认为本系统所输出的电流可以应用在人体穴位电学特性的测量上。

图7 定值电阻测试结果图

Fig7Resultsofmeasurementswithdifferentconstantresistance.

(a) .outputexcitingcurrent，(b).voltagesondifferentPINs)

6 总结

针对人体穴位的混沌特性，本研究设计了一种以恒流源输出为核心的穴位探测仪。实现了两种不同变化方式的激励电流输出，即以正弦波形式变化和以三角波形式变化。模拟测试表明输出的激励电流波形稳定，噪声较小，且在0～20 μA之间连续可调，稳流精度约为2.38%。该探测仪的设计满足人体穴位电学特性的测试与分析的应用，为进一步发掘穴位电学特性中不受检测条件影响的固有规律提供了技术支持。