席 強(qiáng)趙 敏楊華元郭永明郭 義*

基于AD5933阻抗測量芯片的人體經(jīng)穴阻抗動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研制*

席 強(qiáng)①趙 敏①楊華元②郭永明①郭 義①*

目的：設(shè)計(jì)人體經(jīng)穴阻抗動態(tài)經(jīng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，明確人體經(jīng)穴阻抗在低中頻范圍內(nèi)響應(yīng)規(guī)律。方法：系統(tǒng)采用STM32系列單片機(jī)STM32F103RBT6作為控制器，對阻抗測量芯片AD5933內(nèi)部寄存器讀寫從而控制阻抗測量，外接ADG711模擬開關(guān)以實(shí)現(xiàn)不同量程范圍，選用SGM4782雙路模擬開關(guān)選通A、B兩個通道，并在AD5933芯片的Vout腳和Vin腳間加入基于AD844的恒流源，采樣數(shù)據(jù)通過SD卡讀入上位機(jī)并分析。結(jié)果：系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反映經(jīng)穴阻抗在1～128 kHz掃頻激勵下阻抗曲線及數(shù)值。結(jié)論：基于AD5933阻抗測量芯片的人體經(jīng)穴阻抗動態(tài)經(jīng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確反映經(jīng)穴阻抗信息，可作為進(jìn)一步明確針灸經(jīng)穴阻抗特性研究工具。

AD5933阻抗測量芯片；經(jīng)穴阻抗；經(jīng)絡(luò)監(jiān)測；針灸；動態(tài)檢測

20世紀(jì)中期國內(nèi)外研究者發(fā)現(xiàn)，經(jīng)絡(luò)穴位的直流電阻和交流阻抗均比非穴位點(diǎn)低，等效電容則比較高，從而確定了穴位具有低阻抗電特性的事實(shí)[1-3]。然而，關(guān)于穴位低阻抗特性的根本原因至今尚無本質(zhì)上的發(fā)現(xiàn)。就縱向的分布范圍而言，處于經(jīng)絡(luò)上的穴位點(diǎn)有著復(fù)雜的組織解剖結(jié)構(gòu)，穴位與結(jié)締組織、神經(jīng)末梢、血管以及淋巴管分布均有密切聯(lián)系，有學(xué)者認(rèn)為此特性與植物神經(jīng)系統(tǒng)尤其是交感神經(jīng)系統(tǒng)密切相關(guān)[4-6]。在尚無證據(jù)證明經(jīng)絡(luò)實(shí)質(zhì)的前提下，可以認(rèn)為其低阻抗特性不僅與生物體某一種(或數(shù)種)組織相關(guān)，而且更可能是全部組織結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果。因而在研究穴位電特性時(shí)，測量系統(tǒng)應(yīng)該能反映穴位深層組織的變化，不僅能測量阻抗特性，也應(yīng)該能夠測量容抗和感抗特性[7]。

1 等效生物電路模型

把經(jīng)絡(luò)穴位下的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)一一等效基本上是不可能的，但生物組織的基本單元是細(xì)胞，眾多細(xì)胞的等效電路在適當(dāng)?shù)暮喕罂梢钥闯梢粋€電阻和電容的串聯(lián)和一個電阻的并聯(lián)[8](如圖1所示)。

圖1 生物組織的等效電路圖

生物組織特性使得細(xì)胞的電特性與電子電路系統(tǒng)相比有著明顯的區(qū)別：①非線性，電阻抗會隨著激勵電流的幅度、頻率變化而呈非線性變化[9-10]；②復(fù)雜性，生物組織的復(fù)雜程度導(dǎo)致很難使用電子電路的集中參數(shù)模型來描述[11]；③可靠性，活的生物組織是一個開放的復(fù)雜的系統(tǒng)，各種內(nèi)外因素能顯著影響經(jīng)穴電特性測量的可靠性。因此，檢測生物組織電特性應(yīng)充分考慮其非線性、復(fù)雜性特點(diǎn)，盡量減少影響因素。

2 生物組織電特性測量

生物組織電特性基本測量方式是利用體外的系統(tǒng)向檢測對象施加安全的電磁激勵(電流、電壓)，在體表檢測相應(yīng)變化，獲取相關(guān)的信息[12]。阻抗和容抗在總電抗中分量的大小是和頻率相關(guān)的。生物組織的容抗特性在交流信號激勵下電阻抗比較大，因此在采用交流激勵的時(shí)候，總的電阻抗應(yīng)該包含電阻和電抗兩部分。

生物組織的電抗一般呈現(xiàn)出阻性、容性或者感性特性組合，其共同決定了組織的阻抗特性。在某個特定頻率下阻抗才有意義。在不同的頻率條件下測量阻抗，會得到不同的阻抗值。通過測量多個頻率點(diǎn)下的阻抗，可以獲取更有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

3 人體經(jīng)穴阻抗動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案

系統(tǒng)通過STM32系列單片機(jī)STM32F103RBT6作為控制器，通過對AD5933阻抗測量芯片內(nèi)部寄存器讀寫從而進(jìn)行阻抗測量。模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同校正電阻的自動選擇和選通A、B兩個通道，并加入基于AD844的恒流源[13]。采樣數(shù)據(jù)保存到SD卡，上位機(jī)(PC)通過從SD卡讀入數(shù)據(jù)并分析(如圖2所示)。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

4 人體經(jīng)穴阻抗動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 監(jiān)測系統(tǒng)處理器

STM32F103系列微控制器是基于ARM?CortexTM-M3的控制器，其將高性能的32位計(jì)算引入到對價(jià)格敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用中。

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)阻抗測量

(1)AD5933阻抗轉(zhuǎn)換器。阻抗測量是一個比較復(fù)雜的信號處理問題，傳統(tǒng)的方法是采用分立解決方案實(shí)現(xiàn)的。而AD5933結(jié)合了最先進(jìn)的數(shù)字信號和模擬信號處理技術(shù)，為阻抗測量提供了一種小型集成解決方案，其采用直接數(shù)字頻率合成器(direct digital synthesizer，DDS)技術(shù)將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog digital converter，ADC)和復(fù)雜的數(shù)字信號處理功能結(jié)合在一起，提供頻率掃頻能力，允許處理高達(dá)100 kHz的已知頻率激勵的外部復(fù)數(shù)阻抗。

用AD5933阻抗測量芯片來實(shí)現(xiàn)阻抗測量，這種測量方法實(shí)質(zhì)上是一種軟測量方法，即在待測變量難于直接測量的情況下，進(jìn)行與之相關(guān)的易測變量的測量，并依據(jù)易測變量與待測變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算和估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)待測變量的測量[14]。

AD5933阻抗測量芯片有一個電壓輸出引腳Vout，能夠發(fā)出一定頻率的正弦掃描信號對外部阻抗Z(ω)進(jìn)行激勵。信號通過被測樣品后，再經(jīng)放大、濾波后被模數(shù)轉(zhuǎn)換器取樣，并進(jìn)行離散傅里葉變換，計(jì)算出待測阻抗值。為了表征阻抗特性，要進(jìn)行頻率掃描，其掃頻流程如圖3所示。

圖3 頻率掃描流程圖

AD5933阻抗測量芯片是通過芯片內(nèi)部的DDS來產(chǎn)生正弦掃描信號，這些信號的起始頻率，頻率的增量和增加的次數(shù)都可通過軟件進(jìn)行設(shè)定[15]。掃描激勵信號通過被測阻抗后，經(jīng)過放大、濾波及ADC轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號直接進(jìn)入數(shù)字信號處理器進(jìn)行離散傅里葉變換(discrete fourier transform，DFT)。傅里葉變換在每個掃描頻率點(diǎn)上進(jìn)行(公式1)：

每個頻率點(diǎn)的1024個樣本對應(yīng)的乘積值累加，結(jié)果存儲在兩個16位寄存器中，分別代表結(jié)果的實(shí)部和虛部。用戶以公式2計(jì)算每個掃頻點(diǎn)計(jì)算被測體的幅值(阻抗)和相位(公式3)：

(2)AD844運(yùn)算放大器。AD844是一款高速單芯片運(yùn)算放大器，具有高帶寬、非常快速的大信號響應(yīng)特性和出色的直流性能。AD844可看做一個電流傳輸器連接了一個電壓跟隨器，輸出阻抗為Zt(Zt=Rt/Ct)。使用AD844克服了電流鏡像不對稱性和溫度穩(wěn)定性等問題。

5 人體經(jīng)穴阻抗動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

AD5933阻抗測量芯片是IIC接口的器件，滿足IIC控制條件，STM32微處理器有自帶的IIC接口，可以實(shí)現(xiàn)對AD5933芯片的操作(如圖4所示)。

圖4 單片機(jī)軟件框圖

5.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要考慮的是與單片機(jī)系統(tǒng)的接口和數(shù)據(jù)傳輸問題(如圖5所示)。如果采用串口或USB傳輸，雖然實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但對于AD5933阻抗測量芯片這類高精度的集成芯片而言，采樣系統(tǒng)的抗干擾能力要求較高，應(yīng)盡量避免周圍電磁場的影響。故使用SD存貯卡作為下位機(jī)與上位機(jī)的傳輸載體。

圖5 上位機(jī)軟件框圖

6 結(jié)語

基于AD5933阻抗測量芯片的人體經(jīng)穴阻抗動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)克服了同類儀器的局限性，如電路復(fù)雜、抗干擾能力差、頻率分辨力低及測量數(shù)據(jù)只能以數(shù)字方式顯示等。實(shí)現(xiàn)了自動化的阻抗測量，測量數(shù)據(jù)既可用數(shù)字方式讀取，也可用圖形方式顯示，并且可采用1 kHz的頻率點(diǎn)掃描信號完整的阻抗曲線，能夠準(zhǔn)確地反映出人體經(jīng)穴阻抗在低中頻范圍內(nèi)的特性。

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Development of AD5933-based human body meridian impedance dynamic testing system/

XI Qiang, ZHAO Min, YANG Hua-yuan, et al//
China Medical Equipment,2014,11(11):7-9.

Objective: To design the human body Meridian impedance dynamic testing system, to make clear the response of the human body Meridian impedance in the low frequency range. Methods: The system uses STM32F103RBT6 as a controller to read and write AD5933 internal registers in order to control the impedance measurement. Outer join ADG711 analog switch in order to achieve different range. Select SGM4782 as dual analog switch to strobe A,B two channels. Join in the constant current source based on AD844 between AD5933's Vout feet and Vin feet. Sample data is read into the PC via SD card. Results: The system can reflect the real-time impedance values and impedance curve under the sweep excitation from 1kHz to 128 kHz. Conclusion: The human body meridian dynamic impedance detection system based on AD5933 can accurately reflect meridian impedance information, and it can also be as a research tool to further defined meridian impedance characteristics.

AD5933 impedance dynamic testing system; Meridian impedance; Acupuncture; Dynamic monitor

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.11.003

1672-8270(2014)11-007-03

R197.324

A

席強(qiáng),男,(1984- ),博士研究生，實(shí)驗(yàn)師。天津中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)針灸研究中心，研究方向：現(xiàn)代針灸器具研發(fā)。

2014-05-23

國家科技支撐計(jì)劃(2012BAI25B03)“實(shí)時(shí)經(jīng)絡(luò)監(jiān)測輔助診斷系統(tǒng)與針灸治療設(shè)備的研究”

①天津中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)針灸研究中心 天津 300193

②上海中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥工程學(xué)院 上海 201210

*通訊作者：guoyi_168@163.com

[First-author’s address]Experimental Research Center for Acupuncture in Tianjin University of TCM, Tianjin 300193, China.