劉錦英，陳新

福州大學(xué)　物理與信息工程學(xué)院，福建　福州　350108

電流激勵(lì)型多通道經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)儀

劉錦英，陳新

福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建福州350108

生物電阻抗測(cè)量是一種利用生物組織與器官的電學(xué)特性及其變化規(guī)律提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物信息檢測(cè)技術(shù)。對(duì)于直接在生物體表檢測(cè)阻抗的方法，通常是借助置于體表的電極系統(tǒng)向檢測(cè)對(duì)象發(fā)送一個(gè)微小的刺激電流，同時(shí)檢測(cè)相應(yīng)的電壓值及其變化情況[1-2]。這種測(cè)量方法和輸入刺激電流的頻率密切相關(guān)，在低頻段，主要的方法有電橋法、雙電極法、四電極法和四環(huán)電極法；在高頻段，受分布參數(shù)的影響，一般采用非接觸性測(cè)量技術(shù)和開放端同軸電纜測(cè)量技術(shù)等[3]，但此種方法主要應(yīng)用于生物組織微波頻段的電特性測(cè)量，極少用于體表皮膚阻抗測(cè)量系統(tǒng)中。電橋法是最早被用于測(cè)量生物阻抗的方法之一[4]，但由于電橋調(diào)節(jié)范圍比較窄，平衡調(diào)節(jié)難度大，并且精度也不高，在實(shí)際應(yīng)用中很少見。雙電極測(cè)量技術(shù)存在電流在兩電極間分布不均勻、生物組織各部分對(duì)測(cè)量阻抗的貢獻(xiàn)不同，電極和被測(cè)組織之間存在不穩(wěn)定的接觸電阻問題，因此雙電極測(cè)量技術(shù)不適用于精度要求較高的生物組織阻抗測(cè)量系統(tǒng)中。四電極測(cè)量技術(shù)把測(cè)量電極和激勵(lì)電極分開，克服了雙電極技術(shù)的缺點(diǎn)，適用于精度要求較高的生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)中。四環(huán)電極測(cè)量技術(shù)對(duì)檢測(cè)部位的要求比較高，多用于生物組織的離體測(cè)量，極少用于體表阻抗測(cè)量系統(tǒng)中。

通過以上分析，本文采用四電極測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)了一種32×1電極陣列的多通道經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)儀，采用電流灌注激勵(lì)方式，通過向人體待測(cè)部位注入恒定的正弦電流信號(hào)，間接測(cè)量各電極上的人體體表阻抗信息，然后根據(jù)經(jīng)絡(luò)的低阻抗特性確定經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的位置，成像于計(jì)算機(jī)屏幕上，為經(jīng)絡(luò)可視化研究提供測(cè)量工具，便于中醫(yī)臨床診斷和治療。

1　經(jīng)絡(luò)三維定位成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

為保證測(cè)量的實(shí)時(shí)性，該系統(tǒng)采用上下位機(jī)工作模式，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見圖1。

上位機(jī)利用多通道經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)儀在人體體表檢測(cè)出阻抗值最低的電極通道，并把阻抗值和通道值通過串口發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)利用雙目定位攝像機(jī)對(duì)電極上的標(biāo)靶進(jìn)行定位，同時(shí)與上位機(jī)發(fā)送過來的信息進(jìn)行匹配，計(jì)算經(jīng)絡(luò)穴位的三維坐標(biāo)信息，最后投影疊加到場(chǎng)景攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝的人體圖像上，其結(jié)果就像在體表上直接描繪經(jīng)絡(luò)穴位圖一樣，醫(yī)生根據(jù)所看到的影像直接執(zhí)行針刺治療或進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。本文僅針對(duì)多通道經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)儀進(jìn)行介紹，受篇幅所限，整個(gè)經(jīng)絡(luò)三維定位成像系統(tǒng)及光學(xué)定位的相關(guān)內(nèi)容另擬文闡述。

圖1　經(jīng)絡(luò)三維定位成像系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1測(cè)量原理

多通道經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)儀采用四電極測(cè)量方法，其電極結(jié)構(gòu)，見圖2。1對(duì)激勵(lì)電極把激勵(lì)信號(hào)導(dǎo)入到待測(cè)肢體部位的兩端，在兩個(gè)激勵(lì)電極之間放置32對(duì)測(cè)量電極提取電壓信號(hào)，32對(duì)測(cè)量電極均勻地分布在同一塊電極板上。單通道的四電極測(cè)量模型，見圖3。其中Z2、Z3和Z4為生物體電阻抗；加粗的黑線表示電極，0號(hào)和1號(hào)電極為激勵(lì)電極，Z0和Z1表示激勵(lì)電極和皮膚間的接觸電阻抗；2號(hào)和3號(hào)電極為測(cè)量電極，Z5和Z6表示測(cè)量電極和皮膚的接觸電阻抗。

圖2　電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　單通道四電極測(cè)量法示意圖

由圖3可以看出，四電極測(cè)量模型中由于激勵(lì)電極與測(cè)量電極分離，測(cè)量電極處于電流密度分布比較均勻的中間段，因而測(cè)量所得的阻抗和實(shí)際電阻抗較為一致。采用四電極法測(cè)量電阻抗時(shí)，由于激勵(lì)電極的面積較大使得Z0、Z 1的影響相對(duì)較小，而一般測(cè)量裝置的輸入阻抗相對(duì)較大，測(cè)量電極支路對(duì)激勵(lì)電流的分流作用很小。同時(shí)，接觸電阻Z5、Z6相對(duì)于測(cè)量裝置的輸入阻抗可以忽略不計(jì)，因此激勵(lì)電流流過被測(cè)目標(biāo)所產(chǎn)生的電壓信號(hào)幾乎可無衰減地被測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到。在理想情況下，使用四電極法測(cè)量生物電阻抗時(shí)，接觸阻抗對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響很小。

2.2多通道經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)

多通道經(jīng)絡(luò)檢測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)包含以下幾個(gè)重要模塊：電源模塊、信號(hào)發(fā)生器、電壓控制電流源、隔離放大電路、幅度檢測(cè)電路、AD采集模塊、PC機(jī)數(shù)據(jù)處理顯示模塊。系統(tǒng)硬件框圖，見圖4。

圖4　系統(tǒng)硬件框圖

正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生指定頻率的正弦信號(hào)，通過壓控電流源把正弦電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，利用激勵(lì)電極將壓控電流源輸出的一定頻率和幅值的電流信號(hào)導(dǎo)入到人體，32路測(cè)量電極同時(shí)檢測(cè)待測(cè)部位的正弦電壓信號(hào)，經(jīng)放大電路和幅度檢測(cè)電路后由A/D采集模塊轉(zhuǎn)變?yōu)楦魍ǖ赖碾妷簲?shù)據(jù)。上位機(jī)程序用于接收并處理采集卡獲得的各通道數(shù)據(jù)，再結(jié)合激勵(lì)電流的大小計(jì)算得到對(duì)應(yīng)各通道的阻抗值，最后依據(jù)經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的低阻抗特性確定出經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)阻抗值和對(duì)應(yīng)點(diǎn)灰度值實(shí)時(shí)顯示。

2.2.1正弦信號(hào)發(fā)生器

人體阻抗測(cè)量的激勵(lì)信號(hào)主要有電壓激勵(lì)和電流激勵(lì)兩種方式，其中兩種激勵(lì)方式的電壓和電流波形又有多種模式可供選擇，如直流、矩形脈沖、方波以及正弦波等。為減少接觸電阻和電極極化的影響，本文采用頻率為20kHz的正弦電流信號(hào)作為皮膚阻抗測(cè)量的激勵(lì)信號(hào)。

基于直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)設(shè)計(jì)激勵(lì)源，激勵(lì)源由正弦信號(hào)發(fā)生器和壓控電流源2部分組成，見圖5。其中正弦信號(hào)發(fā)生器又分為DDS(AD9851)芯片、緩沖放大、低通濾波等3部分構(gòu)成，由單片機(jī)STC89C52控制和管理。

圖5　激勵(lì)源的結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2壓控電流源電路

四電極測(cè)量法的激勵(lì)源必須是恒流源，因此需要將正弦信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)。本系統(tǒng)采用雙運(yùn)放電壓控制電流源電路，見圖6。當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，由深度負(fù)反饋原理推出I0=Ui/ Rs，輸出電流可控范圍為6μA～50mA。

圖6　電壓控制電流源電路原理圖

2.2.3隔離放大電路

由于各通道兩個(gè)測(cè)量電極之間的電壓信號(hào)一般為毫伏級(jí)的交流信號(hào)，因此有必要將這個(gè)微小的交流信號(hào)進(jìn)行放大，各通道的前置差分放大電路均相同，電原理圖，見圖7。

圖7　單通道隔離放大電路

AD620具有高共模抑制比、低失調(diào)電壓(<125μV)、低失調(diào)電壓漂移、低噪聲、低非線性，增益為l～1000倍等特點(diǎn)，是高精度數(shù)據(jù)放大的理想器件，可完全滿足本系統(tǒng)的要求。隔離放大電路的輸出電壓 V0= G(VN+1-VN)。其中增益G由固定電阻R5和可變電阻R6決定，增益控制電阻的這種結(jié)構(gòu)有利于各通道的一致性調(diào)節(jié)；VN+1、VN是兩個(gè)測(cè)量電極的電壓；電路中的C 1和C 2為耦合電容；可變電阻R 2、R6可調(diào)整平衡，以提高共模抑制比。

2.2.4幅度檢測(cè)電路

從電極輸出的電壓信號(hào)經(jīng)放大處理后仍是交流信號(hào)，無法作為經(jīng)絡(luò)定位分析用的數(shù)據(jù)，必須經(jīng)幅度檢測(cè)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，方可成為經(jīng)絡(luò)定位分析數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的幅度檢測(cè)方法不但復(fù)雜，而且在解調(diào)過程中會(huì)引入難以消除的干擾，本文通過直接采用有效值測(cè)定芯片A D536A的方法來實(shí)現(xiàn)。A D536A是美國(guó)A D公司推出的有效值測(cè)定單片集成電路，可直接計(jì)算輸入的任何復(fù)雜波形的有效值。幅度檢測(cè)電路，見圖8。實(shí)驗(yàn)證明，該電路不僅簡(jiǎn)單且精度較高。

圖8　幅度檢測(cè)電路

2.2.5A/D采集電路

經(jīng)過幅度檢測(cè)的電壓信號(hào)是模擬信號(hào)，不能被計(jì)算機(jī)識(shí)別，還需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)才可以直接讀取測(cè)量值。該檢測(cè)儀直接采用MP425數(shù)據(jù)采集卡[4]將幅度檢測(cè)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)據(jù)通過USB接口傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)共需要4片8通道數(shù)據(jù)采集卡，為了減少采集卡占用上位機(jī)的USB接口，將4片采集卡通過一個(gè)USB與HUB連接到上位機(jī)的USB接口上。

2.2.6經(jīng)絡(luò)數(shù)據(jù)后處理

大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果某點(diǎn)的皮膚阻抗值<100 kΩ，則該點(diǎn)可以認(rèn)為是經(jīng)絡(luò)線的候選點(diǎn)。但由于環(huán)境噪聲、電極極化等因素的影響，檢測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)通道的阻抗值均<100 kΩ，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。為此，本文根據(jù)人體經(jīng)絡(luò)點(diǎn)處的電阻抗值比周圍皮膚的電阻抗值低以及經(jīng)絡(luò)線在人體體表的分布基本呈連續(xù)光滑曲線分布這兩個(gè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)代價(jià)函數(shù)以進(jìn)行優(yōu)化分析。然而，由于電極探頭在人體皮膚表面滑動(dòng)時(shí)，不可能呈絕對(duì)直線，因此代價(jià)函數(shù)不能直接使用經(jīng)絡(luò)點(diǎn)前后的通道直線距離，而應(yīng)利用下位機(jī)求出經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的三維坐標(biāo)距離[5]和相應(yīng)的電阻抗值作為代價(jià)函數(shù)的兩個(gè)參數(shù)，綜合確定經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的具體通道和三維坐標(biāo)信息。設(shè)代價(jià)函數(shù)由下式確定：

式中，D(x)=||dn-1（x,y,z）-dn（x,y,z）||為當(dāng)前時(shí)刻可能為經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的通道與前一時(shí)刻經(jīng)絡(luò)點(diǎn)通道的三維坐標(biāo)距離， 是D(x)的歸一化值；R (y)為當(dāng)前時(shí)刻檢測(cè)的32通道經(jīng)絡(luò)電阻抗數(shù)值， 為R (y)的歸一化值；參數(shù)a和b表示三維距離函數(shù)和阻抗值大小對(duì)經(jīng)絡(luò)點(diǎn)測(cè)量的影響程度。當(dāng)計(jì)算得到的代價(jià)函數(shù)f(x)達(dá)到最小值時(shí)，則可以認(rèn)為這個(gè)通道就是經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

2.2.7抗干擾設(shè)計(jì)

對(duì)檢測(cè)儀的干擾來自外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾主要指工頻信號(hào)干擾和空間的電磁輻射干擾。工頻干擾一般通過電源線進(jìn)入電子設(shè)備，來自空間的輻射干擾主要指儀器使用環(huán)境中其他電子設(shè)備產(chǎn)生的工頻或高頻信號(hào)通過電磁輻射進(jìn)入儀器[6]。主要解決辦法是切斷干擾的傳播途徑，阻止干擾進(jìn)入檢測(cè)儀。對(duì)于來自電源線的干擾，可以采用高度隔離且為金屬外殼封裝的開關(guān)電源模塊供電。對(duì)于來自空間輻射的干擾，檢測(cè)儀系統(tǒng)需加裝金屬屏蔽罩，檢測(cè)儀的所有電極到電路板間的電纜均采用屏蔽電纜，且屏蔽電纜的一端和金屬屏蔽罩均良好接地。檢測(cè)儀內(nèi)部的干擾指檢測(cè)儀內(nèi)部電路產(chǎn)生的干擾以及相互之間的干擾。本系統(tǒng)采用單點(diǎn)接地方式，使模擬地與數(shù)字地分開布線，電源去耦、PCB板雙面走線盡量垂直等方法有效地抑制了干擾。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

3.1純電阻測(cè)試及分析

為了使32個(gè)通道具有相同的系統(tǒng)參數(shù)來提高檢測(cè)精度，可以利用基準(zhǔn)電阻R替代人體體表阻抗作為檢測(cè)對(duì)象。在圖7的隔離放大器中，利用電位器調(diào)節(jié)放大器的增益，對(duì)各通道進(jìn)行校準(zhǔn)，使32個(gè)通道輸出數(shù)據(jù)都盡可能接近于基準(zhǔn)電阻，此時(shí)可以認(rèn)為32個(gè)通道具有基本相同的系統(tǒng)參數(shù)，見表1。

表1　純電阻實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果（激勵(lì)源頻率：20kHz , 電流：30μA）

表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各通道的一致性較好，計(jì)算得出的電阻值比較準(zhǔn)確，能夠滿足檢測(cè)系統(tǒng)的精度要求。

3.2人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先打開上下位機(jī)程序和多通道經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)儀；接著把經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)儀的激勵(lì)源調(diào)整到20kHz、30μA；受試者把參考電極（電極1）握在手心，手臂上方粘貼濕電極（電極0），并將測(cè)量電極附著在皮膚上，沿著太陰肺經(jīng)的尺澤到太淵穴位移動(dòng)。此時(shí)計(jì)算機(jī)將在每一時(shí)刻實(shí)時(shí)顯示出檢測(cè)阻抗值的結(jié)果，見圖9。

圖9　某時(shí)刻經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)結(jié)果

對(duì)于圖9中出現(xiàn)的多個(gè)可能經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的通道，本文采用代價(jià)函數(shù)的方法進(jìn)行決策選擇，確定出經(jīng)絡(luò)所在的準(zhǔn)確通道。為了驗(yàn)證代價(jià)函數(shù)的效果，分析上述方法的可行性和準(zhǔn)確性，本文采用MA T LAB[7]對(duì)阻抗檢測(cè)儀某一段時(shí)間內(nèi)測(cè)得的經(jīng)絡(luò)點(diǎn)阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見圖10～11。在圖10中，雖然同一時(shí)刻32個(gè)通道內(nèi)有可能同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)100k以下的低阻抗點(diǎn)（圖中的黑圓點(diǎn)），而且圖中第15～18采樣時(shí)刻真實(shí)經(jīng)絡(luò)位置的阻抗值并不是最低，用本文所設(shè)計(jì)的代價(jià)函數(shù)可以準(zhǔn)確地選定出阻抗值較低的、真正的經(jīng)絡(luò)通道。由圖11可看出，測(cè)量的這段時(shí)間內(nèi)經(jīng)絡(luò)點(diǎn)主要集中在第13和14通道，依此畫出的經(jīng)絡(luò)線和人體真實(shí)的經(jīng)絡(luò)線一樣具有空間上的連續(xù)性，這也驗(yàn)證了本文所提出的檢測(cè)辦法是可行的。

圖10　用代價(jià)函數(shù)進(jìn)行決策選擇后的成像圖

圖11　連續(xù)測(cè)量的人體經(jīng)絡(luò)成像圖

4　結(jié)束語

經(jīng)絡(luò)學(xué)說是中醫(yī)基礎(chǔ)理論的重要組成部分，也是針灸及推拿療法的理論核心，指導(dǎo)著中醫(yī)的臨床診斷和治療。隨著中醫(yī)基礎(chǔ)理論研究與現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的不斷融合，生物電阻抗測(cè)量技術(shù)得到了迅速發(fā)展和提高。本文依據(jù)人體經(jīng)絡(luò)的低阻抗特性基于經(jīng)絡(luò)可視化系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一臺(tái)多通道人體經(jīng)絡(luò)阻抗測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)了人體體表阻抗信息的灰度顯示及經(jīng)絡(luò)線的提取。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 任超世.生物電阻抗測(cè)量技術(shù)[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息,2004, 10(1):21-25.

[2] 唐敏.生物電阻抗測(cè)量原理與測(cè)量技術(shù)[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,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] 孫振威.基于C8051F單片機(jī)的USB數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2012.

[5] 岳慧平,馬鐵明,劉建平.基于單片機(jī)的數(shù)字化中醫(yī)穴位療法治療儀的功能與原理[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2012,27(5):94-95.

[6] 沈金志,陳新.人體皮膚經(jīng)絡(luò)定位與成像系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2012,48(6):60-62.

[7] 王貽淳.電子儀器干擾的一般原因及消除方法[J].醫(yī)學(xué)物理, 1985,2(1):25-28.

[8] 趙書蘭.MA T L ABR2008數(shù)字圖像處理與分析實(shí)例教程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

本文作者：劉錦英，碩士研究生。

作者郵箱：158060340514@139.com

[中圖分類號(hào)]R224；TP391.41

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.006

[文章編號(hào)]1674-1633(2014)02-0026-04

收稿日期：2013-09-22

基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2012J01267）。

通訊作者：陳新，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]介紹一種用于經(jīng)絡(luò)三維定位的多通道經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)儀。根據(jù)經(jīng)絡(luò)的低阻抗特性，采用四電極法進(jìn)行多通道經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)儀各模塊的設(shè)計(jì)，包括信號(hào)發(fā)生器、壓控電流源、隔離放大電路、幅度檢測(cè)電路、A/D數(shù)據(jù)采集模塊和P C機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊等。根據(jù)多個(gè)中低阻通道的位置確定經(jīng)絡(luò)的位置，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證經(jīng)絡(luò)的三維定位的準(zhǔn)確性。

[關(guān)鍵詞]經(jīng)絡(luò)阻抗檢測(cè)儀；生物電阻抗；生物電阻抗測(cè)量；人體經(jīng)絡(luò)；四電極法

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