基于AD5933阻抗测量芯片的人体经穴阻抗动态监测系统研制*

席 强赵 敏杨华元郭永明郭 义*

基于AD5933阻抗测量芯片的人体经穴阻抗动态监测系统研制*

席 强①赵 敏①杨华元②郭永明①郭 义①*

目的：设计人体经穴阻抗动态经络监测系统，明确人体经穴阻抗在低中频范围内响应规律。方法：系统采用STM32系列单片机STM32F103RBT6作为控制器，对阻抗测量芯片AD5933内部寄存器读写从而控制阻抗测量，外接ADG711模拟开关以实现不同量程范围，选用SGM4782双路模拟开关选通A、B两个通道，并在AD5933芯片的Vout脚和Vin脚间加入基于AD844的恒流源，采样数据通过SD卡读入上位机并分析。结果：系统能够实时反映经穴阻抗在1～128 kHz扫频激励下阻抗曲线及数值。结论：基于AD5933阻抗测量芯片的人体经穴阻抗动态经络监测系统可以准确反映经穴阻抗信息，可作为进一步明确针灸经穴阻抗特性研究工具。

AD5933阻抗测量芯片；经穴阻抗；经络监测；针灸；动态检测

20世纪中期国内外研究者发现，经络穴位的直流电阻和交流阻抗均比非穴位点低，等效电容则比较高，从而确定了穴位具有低阻抗电特性的事实[1-3]。然而，关于穴位低阻抗特性的根本原因至今尚无本质上的发现。就纵向的分布范围而言，处于经络上的穴位点有着复杂的组织解剖结构，穴位与结缔组织、神经末梢、血管以及淋巴管分布均有密切联系，有学者认为此特性与植物神经系统尤其是交感神经系统密切相关[4-6]。在尚无证据证明经络实质的前提下，可以认为其低阻抗特性不仅与生物体某一种(或数种)组织相关，而且更可能是全部组织结构共同作用的结果。因而在研究穴位电特性时，测量系统应该能反映穴位深层组织的变化，不仅能测量阻抗特性，也应该能够测量容抗和感抗特性[7]。

1 等效生物电路模型

把经络穴位下的复杂组织结构一一等效基本上是不可能的，但生物组织的基本单元是细胞，众多细胞的等效电路在适当的简化后可以看成一个电阻和电容的串联和一个电阻的并联[8](如图1所示)。

图1 生物组织的等效电路图

生物组织特性使得细胞的电特性与电子电路系统相比有着明显的区别：①非线性，电阻抗会随着激励电流的幅度、频率变化而呈非线性变化[9-10]；②复杂性，生物组织的复杂程度导致很难使用电子电路的集中参数模型来描述[11]；③可靠性，活的生物组织是一个开放的复杂的系统，各种内外因素能显著影响经穴电特性测量的可靠性。因此，检测生物组织电特性应充分考虑其非线性、复杂性特点，尽量减少影响因素。

2 生物组织电特性测量

生物组织电特性基本测量方式是利用体外的系统向检测对象施加安全的电磁激励(电流、电压)，在体表检测相应变化，获取相关的信息[12]。阻抗和容抗在总电抗中分量的大小是和频率相关的。生物组织的容抗特性在交流信号激励下电阻抗比较大，因此在采用交流激励的时候，总的电阻抗应该包含电阻和电抗两部分。

生物组织的电抗一般呈现出阻性、容性或者感性特性组合，其共同决定了组织的阻抗特性。在某个特定频率下阻抗才有意义。在不同的频率条件下测量阻抗，会得到不同的阻抗值。通过测量多个频率点下的阻抗，可以获取更有价值的数据。

3 人体经穴阻抗动态监测系统方案

系统通过STM32系列单片机STM32F103RBT6作为控制器，通过对AD5933阻抗测量芯片内部寄存器读写从而进行阻抗测量。模拟开关实现不同校正电阻的自动选择和选通A、B两个通道，并加入基于AD844的恒流源[13]。采样数据保存到SD卡，上位机(PC)通过从SD卡读入数据并分析(如图2所示)。

图2 系统设计框图

4 人体经穴阻抗动态监测系统硬件设计

4.1 监测系统处理器

STM32F103系列微控制器是基于ARM®CortexTM-M3的控制器，其将高性能的32位计算引入到对价格敏感的嵌入式微控制器应用中。

4.2 监测系统阻抗测量

(1)AD5933阻抗转换器。阻抗测量是一个比较复杂的信号处理问题，传统的方法是采用分立解决方案实现的。而AD5933结合了最先进的数字信号和模拟信号处理技术，为阻抗测量提供了一种小型集成解决方案，其采用直接数字频率合成器(direct digital synthesizer，DDS)技术将模拟数字转换器(analog digital converter，ADC)和复杂的数字信号处理功能结合在一起，提供频率扫频能力，允许处理高达100 kHz的已知频率激励的外部复数阻抗。

用AD5933阻抗测量芯片来实现阻抗测量，这种测量方法实质上是一种软测量方法，即在待测变量难于直接测量的情况下，进行与之相关的易测变量的测量，并依据易测变量与待测变量之间的数学关系，建立数学模型，运用数学计算和估计方法，实现待测变量的测量[14]。

AD5933阻抗测量芯片有一个电压输出引脚Vout，能够发出一定频率的正弦扫描信号对外部阻抗Z(ω)进行激励。信号通过被测样品后，再经放大、滤波后被模数转换器取样，并进行离散傅里叶变换，计算出待测阻抗值。为了表征阻抗特性，要进行频率扫描，其扫频流程如图3所示。

图3 频率扫描流程图

AD5933阻抗测量芯片是通过芯片内部的DDS来产生正弦扫描信号，这些信号的起始频率，频率的增量和增加的次数都可通过软件进行设定[15]。扫描激励信号通过被测阻抗后，经过放大、滤波及ADC转换输出的数字信号直接进入数字信号处理器进行离散傅里叶变换(discrete fourier transform，DFT)。傅里叶变换在每个扫描频率点上进行(公式1)：

每个频率点的1024个样本对应的乘积值累加，结果存储在两个16位寄存器中，分别代表结果的实部和虚部。用户以公式2计算每个扫频点计算被测体的幅值(阻抗)和相位(公式3)：

(2)AD844运算放大器。AD844是一款高速单芯片运算放大器，具有高带宽、非常快速的大信号响应特性和出色的直流性能。AD844可看做一个电流传输器连接了一个电压跟随器，输出阻抗为Zt(Zt=Rt/Ct)。使用AD844克服了电流镜像不对称性和温度稳定性等问题。

5 人体经穴阻抗动态监测系统软件设计

5.1 单片机软件设计

AD5933阻抗测量芯片是IIC接口的器件，满足IIC控制条件，STM32微处理器有自带的IIC接口，可以实现对AD5933芯片的操作(如图4所示)。

图4 单片机软件框图

5.2 上位机软件设计

上位机软件主要考虑的是与单片机系统的接口和数据传输问题(如图5所示)。如果采用串口或USB传输，虽然实时性强，但对于AD5933阻抗测量芯片这类高精度的集成芯片而言，采样系统的抗干扰能力要求较高，应尽量避免周围电磁场的影响。故使用SD存贮卡作为下位机与上位机的传输载体。

图5 上位机软件框图

6 结语

基于AD5933阻抗测量芯片的人体经穴阻抗动态监测系统克服了同类仪器的局限性，如电路复杂、抗干扰能力差、频率分辨力低及测量数据只能以数字方式显示等。实现了自动化的阻抗测量，测量数据既可用数字方式读取，也可用图形方式显示，并且可采用1 kHz的频率点扫描信号完整的阻抗曲线，能够准确地反映出人体经穴阻抗在低中频范围内的特性。

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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

席强,男,(1984- ),博士研究生，实验师。天津中医药大学实验针灸研究中心，研究方向：现代针灸器具研发。

2014-05-23

国家科技支撑计划(2012BAI25B03)“实时经络监测辅助诊断系统与针灸治疗设备的研究”

①天津中医药大学实验针灸研究中心 天津 300193

②上海中医药大学中医药工程学院 上海 201210

*通讯作者：guoyi_168@163.com

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