电压激励法人体经络定位测量中系统优化设计及实现

曹成虎，苏 燕，阮 莹，代 亭

河南师范大学新联学院机械工程系，郑州市，451400

电压激励法人体经络定位测量中系统优化设计及实现

【作 者】曹成虎，苏 燕，阮 莹，代 亭

河南师范大学新联学院机械工程系，郑州市，451400

该文对可视化系统中多通道阻抗测试仪的激励模块、测试仪干扰抑制以及上下位机串口同步匹配通信模块进行了优化设计，并对优化后的系统进行测试，通过实验证实了优化后的系统在测量精度等性能指标上有较大的提高。该文还对整个经络可视化系统进行了简要介绍。

经络定位；可视化；优化

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]。本文在以“人体体表的皮肤低阻点基本循经分布”为理论基础和电压激励方式完成了16通道的人体经络阻抗检测仪的软硬件设计与实现的基础上，对系统进行优化设计，不但解决了可视化系统中上下位机数据传送的同步和可靠性问题，而且提高了系统的可视化效果，最后结合实验室的现有研究条件，实现了经络的精度定位和实时显示。

1 经络可视化系统的整体框架

为了保证测量的实时性，系统采用上下位机工作模式。整体框架如图1所示。

图1 经络可视化系统的整体结构图Fig.1 overall structure of multi-channel meridian detector

上位机处理来自经络阻抗测试仪的数据，计算出各通道的阻抗值并找出其中的低阻抗点；同时接收下位机传来的特征点的三维坐标，利用电极阵列中各电极的相对位置关系求出低阻抗点的三维坐标，然后利用坐标转换把低阻抗点的三维坐标转换为场景摄像机平面的二维坐标。

2 多通道经络测试仪设计方案

多通道经络测试仪是可视化系统的核心部分，用于实现人体阻抗数据的高速采集与经络点的提取，可同时获取16路皮肤阻抗数据，提取出经络点然后采用融合技术实现经络可视化。

2.1 经络测试仪的硬件设计方案

多通道经络检测仪的硬件结构包含几个重要的模块，分别是测量电极模块、可调稳压电源模块、高压脉冲发生器模块（也称隔离刺激器）、多路分压网络模块、放大隔离电路模块、a/D数据采集模块，硬件设计如图2所示。

图2 多通道经络检测仪的硬件设计框图Fig.2 Hardware design block diagram of multi-channel meridian detector

2.2 经络测试仪的软件设计方案

多通道经络测试仪的软件设计包括高压脉冲发生器控制模块、阻抗数据采集模块、经络提取模块、串口通信模块、上下位机数据同步模块、经络三维数据配准模块、显示模块及用户信息管理模块。总体设计方案如图3所示。

图3 多通道经络测试仪的软件设计方案Fig.3 Software design scheme of multi-channel meridian tester

3 测试仪的优化设计

本文主要讲述多通道测试仪的激励方式、硬件干扰抑制方法及上下位机数据匹配的优化设计与实现。

3.1 激励方式的优化设计

多通道经络测试仪的激励方式有电压激励和电流激励[2]。电流激励方式采用电压控制的电流源，并将电流灌入待测部位，从而对其进行测量。采用电流激励方式主要有以下三种缺点：(1) 电流源受到电压的控制，电压信号的不稳定性影响到电流源特性，并且在一定电压值的情况下处于饱和状态，所以实际中的电流源伏安特性并非线性关系；(2) 采用电流激励测量皮肤阻抗时，由于靠近电极的被测组织中电流密度高于其它部位的电流密度，即电流在两电极间的分布并不均匀，则组织各个部分对测量阻抗值的贡献就不同，同时电极和被测组织之间还存在不稳定的接触电阻，这些都将增大测量误差；(3) 电流激励方式增加了电流源的实现过程，增加了测试仪的硬件复杂度。电压激励采用将一定的幅度和脉宽的电压直接作用于待测部位，再利用测试仪提取出阻抗信息，而电流激励是将电流灌注于待测部位，利用测试仪间接提取出对应部位的电压信号，转换为对应的阻抗信息，电压激励不存在激励源的非线性和在待测部位分布不均的问题，所以采用电压激励方式克服了电流激励的缺陷与不足，提高了测量精度，实现了最优可视化效果。

3.2 检测仪干扰抑制的优化设计

本文系统中的电源模块、激励信号模块和信号处理模块分别封装于三个金属屏蔽箱中。系统中的模拟电路、数字电路分开独立设计。各通道电路中各个模块信号线及地线布局采用对称原则[3]。采取以上措施减少了外界噪声对测试仪测量所引起的干扰，提高测试仪的测量精度。

3.3 上下位机数据同步匹配的优化设计

为了精确同步匹配上下位机分别采集得到的经络阻抗信息和三维坐标信息，本文同时采取两种措施：（1）利用操作系统的多线程技术[4]，即在下位机把间接得到的电极阵列的三维坐标数据分成等间隔的连续时间片，并在上位机仅采用中间的一个时间片的三维坐标数据匹配16通道经络阻抗检测仪采集到的阻抗数据；（2）利用脉冲发生器产生同步脉冲，以此在一段时间内上位机筛选的经络通道号和下位机提取的经络三维信息达到同步匹配，时序图如图4所示。

图4 优化后的上下位机时序图Fig.4 Sequence diagrams of optimized machine

4 实验数据分析及经络可视化的实现

本节通过纯电阻实验证明优化后系统的测量精度有了一定程度的提高，在此基础上系统实现人体经络的可视化。

4.1 系统优化后的实验结果与分析

优化后整体系统采用仿造人体体表激励与测量模型进行纯电阻试验。在激励源的电压为25 V，脉冲宽度为100 μs，相同温湿度的实验环境下，利用多通道测试仪对不同阻值的纯电阻多次测量并求平均值。实验分析结果如表1所示。

表1 系统优化纯电阻实验测试分析结果Tab.1 Purely resistance experimental test analysis results of optimized system

通过表1可以看出，在相同的实验环境条件下，多通道经络测试仪的纯电阻实验测量结果满足以下特点：

(1) 优化后的可视化系统的阻抗测试仪中各个通道的纯电阻测量精度都有了明显的提高。

(2) 被测电阻的阻值越小，实验测量结果误差就越小，系统测量就越准确。

从实验数据分析可得，系统总体测量精度较高，数据误差较小，满足系统需求。造成误差存在的原因可能有以下几点：

(1) 多通道测试仪各通道电路的零点漂移，导致各通道测量结果都有一定的偏差。

(2) 由于MP425采集卡中数模转换会产生一定的误差，从而引起整个系统测量有一定的误差。

4.2 人体经络可视化的实现

实验室环境温度20oc左右，一般情况下皮肤不做任何处理。首先打开上下位机程序、磁定位仪和多通道经络测试仪，把测试仪的刺激脉冲电压调节到25 V（一般不超过38 V），并设置脉冲宽度为100 μs。此时计算机实时显示出16通道电极测试阻抗值结果如图5所示。

由图5可见，计算机输出显示结果为 16×1阵列点构成的灰度图（阻抗越低灰度越高），每个阵列点的灰度对应一个测量电极触点处的皮肤阻抗值，其灰度随着对应电极点的阻抗值变化而变化。本次系统检测得到的经络点为第16通道，经络点的阻抗值为110.1 kΩ。

利用代价函数得到真正的经络点阻抗值和经络点通道后，同步上下位机的经络数据，得到经络点的三维坐标[5]，再经过一系列的平移转换得到场景摄像机的二维坐标后，接下来的目标就是让经络点在场景图像中实时的显示出来，利用曲线拟合方法将检测到的经络点平滑的连接起来，再利用图像融合技术实现经络线的可视化，如图6所示。

图5 多通道经络检测系统的实验结果Fig.5 The experimental results of multi-channel meridian detection system

图6 人体经络循行线的可视化结果Fig.6 Results of the human body meridian visualization

5 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显示，即能在人体体表上直接测量和绘出经络的准确位置，进一步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] 曹成虎, 陈新. 电流激励型多通道经络阻抗检测仪的设计与实现[J]. 中国医疗器械杂志, 2015, 39(2): 98-101.

[3] 赵书兰. MaTLaB R2008数字图像处理与分析实例教程[M]. 北京: 化学工业出版社, 2009.

[4] Beveridge J, Wiener R. Win32多线程程序设计[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2002.

[5] 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.

Optimization Design and Implementation of the Human Meridian Positioning System with Voltage Excitation

【 Writers 】CAO Chenghu, SU Yan, RUAN Ying, DAI Ting
Department of Mechanical Engineering, Xinlian College, Henan Normal University, Zhengzhou, 451400

meridian location, visualization, optimization

TM934.7

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.03.007

1671-7104(2016)03-0180-03

2016-01-06

曹成虎，e-mail: 764161366@qq.com

【 Abstract 】This thesis focuses on the optimum design of excitation module, fltering module, detector’s interference suppression and serial synchronization matching communication of terminal in multi-channel impedance detector of visualization system. And the optimized system has been tested, which confirms that the optimized system has improved the measurement accuracy performance. The thesis also briefy introduces whole meridian visualization system.