电击下生物组织局部电流电压检测仪

谢可莹，毛健华，罗力玮，黄炳益

（桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004）

0 引言

据世界卫生组织统计，美国每年大约有1000人死于电休克，而发生于低电压中的电休克占到70%左右，其中多为家用电器触电所致[1]。迄今，用于研究电损伤（电击死）的实验装置均较简单，目前尚无专门检测的仪器实时同步分段检测通电生物体的电流电压，阐释电击时各部位组织损伤改变的物理电学基本参数变化基础及其原理[2]。鉴于生物体的种属及其不同组织生物物理变化特性的差异，各组织的阻抗存在一定差异性，特别是生物组织结构的不均匀性，电击时体内不同点和组织的电流电压等物理电学参数变化极其复杂，目前的各类电学参数检测仪多为检测均质导体，不能直接用于生物体。因此，本文研制了一台用于动物或人尸体的十六通道电击下生物体电流检测仪，可在体或离体实时同步地测量出电击下生物体16个不同部位或组织精确的电流、电压参数。

1 测量方法

测量电压电流分为两步：首先，使用选择的激励电压作为电击电压接入到被测生物体，测量探针两端的电压为，其示意图如图1（a）所示，待电压测量完成后，系统使用20阶的程控电压接入，因标准电阻Rs的值固定不变，将生物体局部阻抗看作短时间内固定不变，从而得到经过生物体的电流I，其示意图如图1（b）所示。则加载在Rs的电压的表达式为

图1 测量方法示意图Fig.1 Schematic diagram of measurement method

因生物体局部阻抗与标准电阻为串联，则加载在标准电阻上的电流I的表达式为

2 硬件总体方案

系统的总体框图如图2所示，主要分为程控可变交流电源模块、信号调理电路、STM32F103ZET6系统模块、上位机显示及控制模块。

图2 系统框图Fig.2 System block diagram

2.1 调理电路

信号处理电路主要由过压保护电路、差分电路、带通滤波电路、峰值检波电路组成。差分放大电路由AD620实现，调整电路中滑动变阻器的大小和差分放大的倍数。过压保护电路将过大的电压信号钳位，确保输入电压的峰值不超过AD620的电源电压，防止AD620损坏，同时确保输出的直流电压在微处理器自带的12位的A/D电压采集范围内，以免造成单片机A/D口损坏。带通滤波电路实现干扰信号的滤波，低通滤波电路滤除低于40Hz的噪声，高通滤波电路滤除高于60Hz的噪声和50Hz的高次谐波。

2.2 控制模块

控制模块是控制激励电压与程控电压的大小选择与通断。首先，在上位机测量，选择需要的激励电压，如220V、110V、36V和24V，激励电压通过控制变压器接入到电路中，上位机将控制信号传输给微处理器，微处理器接收到信号后，控制电路产生激励电压接入被测生物体组织，通过仪器的测试线将测量的电信号传输到信号调理电路进行处理，得到测量的电压值后，开始测量电流。

本作品使用逼近法测量电流，先将接在被测生物体的交流电源断开，接下来使用“程控可变电源”给被测生物体加上程控可变的50Hz交流电压，电压大小为。然后，测量出“取样电阻R”两端的电压有效值，将被测生物体此刻的电压的值与在电压测量时得到的d1、d2两端电压有效值进行比较，通过上位机控制程控可变电源，改变的大小，直至与相逼近[3]。流经取样电阻R的电流Ir和流经被测生物体组织的局部电击电流I1相等。通过拟合法，得到标准电阻的电流，因为生物体部分与标准电阻串联，即流经标准电阻的电流就是流经生物体组织的局部电流[4]。

3 软件设计

3.1 下位机软件设计

下位机软件设计采用STM32单片机作为整个系统的中枢控制器，STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应[5]。程序设计流程图如图3所示，先对上位机传输的信号进行接收，进而控制交流电的挡位，最后完成AD采集。

图3 程序设计流程图Fig.3 Single chip microcomputer program flowchart

3.2 上位机软件设计

上位机采用在Labview平台搭建的上位机显示控制模块，基于串口通信方式设计软件程序，串口通信是一种在计算机与计算机之间或者计算机与外围设备之间传送数据的常用方法，通常应用于传统仪器的控制和缓慢变化信号的采集[6]。上位机设计程序流程图如图4所示。上位机通过串行接收程序接收完数据之后，运行数据处理程序将所接收到的数据在Labview的前面板上显示[7]。上位机写的是字符类型的数据，而后软件将字符按照单个的字节位发送至接收端，作为接收端的下位机一方将这些位组成完整的字节，从而完成数据的传送[8]。

图4 上位机总体程序框图Fig.4 Overall program block diagram of upper computer

4 实验

4.1 实验内容

使用3个精密电阻搭建测量模型，电阻的阻值为两个16kΩ，一个1kΩ，使用万用表实测3个电阻的阻值分别为16.13kΩ、16.07kΩ和0.991kΩ，使用230V的激励电压测量，测量时市电的电压为230V。测试时，1次测试4个通道的电流电压，测试4次便可以测试完16个通道，16通道的实测数据见表1。

表1 16通道实测数据Table 1 Measured data of 16 channels

通过计算，被测电阻两端的理论电压值为6.93V，电流为6.99mA，实测电压与理论电压在±0.05V以内，实测电流与理论电流的误差，除了第4通道的电流误差为±0.04mA，剩下15个通道的误差数据都在±0.03mA以内。

4.2 误差分析

本作品的主要误差来自以下3个方面：①由于市电本身就不稳定，导致激励电压的输出有一定的波动；②本作品使用数字电位器来调节程控电压的大小，因数字电位在调节阻值时会有误差，导致程控电压有一定的误差；③每个通道的两根探针间距不能确保固定距离，致使存在一定误差。

5 结束语

本文介绍的作品，除了可以使用16通道对生物体组织局部的电流电压进行检测，还可以实时同步分段检测生物体各部位局部电压分布和电流流经情况，并且可选择220V、110V、36V、24V的激励电压，可模拟更多的应用场景。此外，设计中将拟合法和程控电压替换法应用于生物体电流的检测，提高了测量精度和安全性，误差在±0.05V。