電壓激勵法人體經(jīng)絡(luò)定位測量中系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及實現(xiàn)

曹成虎，蘇 燕，阮 瑩，代 亭

河南師范大學(xué)新聯(lián)學(xué)院機械工程系，鄭州市，451400

電壓激勵法人體經(jīng)絡(luò)定位測量中系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及實現(xiàn)

【作 者】曹成虎，蘇 燕，阮 瑩，代 亭

河南師范大學(xué)新聯(lián)學(xué)院機械工程系，鄭州市，451400

該文對可視化系統(tǒng)中多通道阻抗測試儀的激勵模塊、測試儀干擾抑制以及上下位機串口同步匹配通信模塊進行了優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化后的系統(tǒng)進行測試，通過實驗證實了優(yōu)化后的系統(tǒng)在測量精度等性能指標上有較大的提高。該文還對整個經(jīng)絡(luò)可視化系統(tǒng)進行了簡要介紹。

經(jīng)絡(luò)定位；可視化；優(yōu)化

0 引言

生物電阻抗測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)的生物信息檢測技術(shù)[1]。本文在以“人體體表的皮膚低阻點基本循經(jīng)分布”為理論基礎(chǔ)和電壓激勵方式完成了16通道的人體經(jīng)絡(luò)阻抗檢測儀的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，不但解決了可視化系統(tǒng)中上下位機數(shù)據(jù)傳送的同步和可靠性問題，而且提高了系統(tǒng)的可視化效果，最后結(jié)合實驗室的現(xiàn)有研究條件，實現(xiàn)了經(jīng)絡(luò)的精度定位和實時顯示。

1 經(jīng)絡(luò)可視化系統(tǒng)的整體框架

為了保證測量的實時性，系統(tǒng)采用上下位機工作模式。整體框架如圖1所示。

圖1 經(jīng)絡(luò)可視化系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 overall structure of multi-channel meridian detector

上位機處理來自經(jīng)絡(luò)阻抗測試儀的數(shù)據(jù)，計算出各通道的阻抗值并找出其中的低阻抗點；同時接收下位機傳來的特征點的三維坐標，利用電極陣列中各電極的相對位置關(guān)系求出低阻抗點的三維坐標，然后利用坐標轉(zhuǎn)換把低阻抗點的三維坐標轉(zhuǎn)換為場景攝像機平面的二維坐標。

2 多通道經(jīng)絡(luò)測試儀設(shè)計方案

多通道經(jīng)絡(luò)測試儀是可視化系統(tǒng)的核心部分，用于實現(xiàn)人體阻抗數(shù)據(jù)的高速采集與經(jīng)絡(luò)點的提取，可同時獲取16路皮膚阻抗數(shù)據(jù)，提取出經(jīng)絡(luò)點然后采用融合技術(shù)實現(xiàn)經(jīng)絡(luò)可視化。

2.1 經(jīng)絡(luò)測試儀的硬件設(shè)計方案

多通道經(jīng)絡(luò)檢測儀的硬件結(jié)構(gòu)包含幾個重要的模塊，分別是測量電極模塊、可調(diào)穩(wěn)壓電源模塊、高壓脈沖發(fā)生器模塊（也稱隔離刺激器）、多路分壓網(wǎng)絡(luò)模塊、放大隔離電路模塊、a/D數(shù)據(jù)采集模塊，硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 多通道經(jīng)絡(luò)檢測儀的硬件設(shè)計框圖Fig.2 Hardware design block diagram of multi-channel meridian detector

2.2 經(jīng)絡(luò)測試儀的軟件設(shè)計方案

多通道經(jīng)絡(luò)測試儀的軟件設(shè)計包括高壓脈沖發(fā)生器控制模塊、阻抗數(shù)據(jù)采集模塊、經(jīng)絡(luò)提取模塊、串口通信模塊、上下位機數(shù)據(jù)同步模塊、經(jīng)絡(luò)三維數(shù)據(jù)配準模塊、顯示模塊及用戶信息管理模塊?？傮w設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 多通道經(jīng)絡(luò)測試儀的軟件設(shè)計方案Fig.3 Software design scheme of multi-channel meridian tester

3 測試儀的優(yōu)化設(shè)計

本文主要講述多通道測試儀的激勵方式、硬件干擾抑制方法及上下位機數(shù)據(jù)匹配的優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)。

3.1 激勵方式的優(yōu)化設(shè)計

多通道經(jīng)絡(luò)測試儀的激勵方式有電壓激勵和電流激勵[2]。電流激勵方式采用電壓控制的電流源，并將電流灌入待測部位，從而對其進行測量。采用電流激勵方式主要有以下三種缺點：(1) 電流源受到電壓的控制，電壓信號的不穩(wěn)定性影響到電流源特性，并且在一定電壓值的情況下處于飽和狀態(tài)，所以實際中的電流源伏安特性并非線性關(guān)系；(2) 采用電流激勵測量皮膚阻抗時，由于靠近電極的被測組織中電流密度高于其它部位的電流密度，即電流在兩電極間的分布并不均勻，則組織各個部分對測量阻抗值的貢獻就不同，同時電極和被測組織之間還存在不穩(wěn)定的接觸電阻，這些都將增大測量誤差；(3) 電流激勵方式增加了電流源的實現(xiàn)過程，增加了測試儀的硬件復(fù)雜度。電壓激勵采用將一定的幅度和脈寬的電壓直接作用于待測部位，再利用測試儀提取出阻抗信息，而電流激勵是將電流灌注于待測部位，利用測試儀間接提取出對應(yīng)部位的電壓信號，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的阻抗信息，電壓激勵不存在激勵源的非線性和在待測部位分布不均的問題，所以采用電壓激勵方式克服了電流激勵的缺陷與不足，提高了測量精度，實現(xiàn)了最優(yōu)可視化效果。

3.2 檢測儀干擾抑制的優(yōu)化設(shè)計

本文系統(tǒng)中的電源模塊、激勵信號模塊和信號處理模塊分別封裝于三個金屬屏蔽箱中。系統(tǒng)中的模擬電路、數(shù)字電路分開獨立設(shè)計。各通道電路中各個模塊信號線及地線布局采用對稱原則[3]。采取以上措施減少了外界噪聲對測試儀測量所引起的干擾，提高測試儀的測量精度。

3.3 上下位機數(shù)據(jù)同步匹配的優(yōu)化設(shè)計

為了精確同步匹配上下位機分別采集得到的經(jīng)絡(luò)阻抗信息和三維坐標信息，本文同時采取兩種措施：（1）利用操作系統(tǒng)的多線程技術(shù)[4]，即在下位機把間接得到的電極陣列的三維坐標數(shù)據(jù)分成等間隔的連續(xù)時間片，并在上位機僅采用中間的一個時間片的三維坐標數(shù)據(jù)匹配16通道經(jīng)絡(luò)阻抗檢測儀采集到的阻抗數(shù)據(jù)；（2）利用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生同步脈沖，以此在一段時間內(nèi)上位機篩選的經(jīng)絡(luò)通道號和下位機提取的經(jīng)絡(luò)三維信息達到同步匹配，時序圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的上下位機時序圖Fig.4 Sequence diagrams of optimized machine

4 實驗數(shù)據(jù)分析及經(jīng)絡(luò)可視化的實現(xiàn)

本節(jié)通過純電阻實驗證明優(yōu)化后系統(tǒng)的測量精度有了一定程度的提高，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)實現(xiàn)人體經(jīng)絡(luò)的可視化。

4.1 系統(tǒng)優(yōu)化后的實驗結(jié)果與分析

優(yōu)化后整體系統(tǒng)采用仿造人體體表激勵與測量模型進行純電阻試驗。在激勵源的電壓為25 V，脈沖寬度為100 μs，相同溫濕度的實驗環(huán)境下，利用多通道測試儀對不同阻值的純電阻多次測量并求平均值。實驗分析結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)優(yōu)化純電阻實驗測試分析結(jié)果Tab.1 Purely resistance experimental test analysis results of optimized system

通過表1可以看出，在相同的實驗環(huán)境條件下，多通道經(jīng)絡(luò)測試儀的純電阻實驗測量結(jié)果滿足以下特點：

(1) 優(yōu)化后的可視化系統(tǒng)的阻抗測試儀中各個通道的純電阻測量精度都有了明顯的提高。

(2) 被測電阻的阻值越小，實驗測量結(jié)果誤差就越小，系統(tǒng)測量就越準確。

從實驗數(shù)據(jù)分析可得，系統(tǒng)總體測量精度較高，數(shù)據(jù)誤差較小，滿足系統(tǒng)需求。造成誤差存在的原因可能有以下幾點：

(1) 多通道測試儀各通道電路的零點漂移，導(dǎo)致各通道測量結(jié)果都有一定的偏差。

(2) 由于MP425采集卡中數(shù)模轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生一定的誤差，從而引起整個系統(tǒng)測量有一定的誤差。

4.2 人體經(jīng)絡(luò)可視化的實現(xiàn)

實驗室環(huán)境溫度20oc左右，一般情況下皮膚不做任何處理。首先打開上下位機程序、磁定位儀和多通道經(jīng)絡(luò)測試儀，把測試儀的刺激脈沖電壓調(diào)節(jié)到25 V（一般不超過38 V），并設(shè)置脈沖寬度為100 μs。此時計算機實時顯示出16通道電極測試阻抗值結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見，計算機輸出顯示結(jié)果為 16×1陣列點構(gòu)成的灰度圖（阻抗越低灰度越高），每個陣列點的灰度對應(yīng)一個測量電極觸點處的皮膚阻抗值，其灰度隨著對應(yīng)電極點的阻抗值變化而變化。本次系統(tǒng)檢測得到的經(jīng)絡(luò)點為第16通道，經(jīng)絡(luò)點的阻抗值為110.1 kΩ。

利用代價函數(shù)得到真正的經(jīng)絡(luò)點阻抗值和經(jīng)絡(luò)點通道后，同步上下位機的經(jīng)絡(luò)數(shù)據(jù)，得到經(jīng)絡(luò)點的三維坐標[5]，再經(jīng)過一系列的平移轉(zhuǎn)換得到場景攝像機的二維坐標后，接下來的目標就是讓經(jīng)絡(luò)點在場景圖像中實時的顯示出來，利用曲線擬合方法將檢測到的經(jīng)絡(luò)點平滑的連接起來，再利用圖像融合技術(shù)實現(xiàn)經(jīng)絡(luò)線的可視化，如圖6所示。

圖5 多通道經(jīng)絡(luò)檢測系統(tǒng)的實驗結(jié)果Fig.5 The experimental results of multi-channel meridian detection system

圖6 人體經(jīng)絡(luò)循行線的可視化結(jié)果Fig.6 Results of the human body meridian visualization

5 結(jié)束語

人體經(jīng)絡(luò)的可視化研究對中醫(yī)的臨床研究和教學(xué)具有重要的作用和意義。本文旨在實現(xiàn)人體經(jīng)絡(luò)的檢測與實時顯示，即能在人體體表上直接測量和繪出經(jīng)絡(luò)的準確位置，進一步實現(xiàn)經(jīng)絡(luò)穴位檢測的圖形化，并融合顯示到實際人體體表的圖像上，實現(xiàn)定位檢測與描繪的自動化。

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

[2] 曹成虎, 陳新. 電流激勵型多通道經(jīng)絡(luò)阻抗檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2015, 39(2): 98-101.

[3] 趙書蘭. MaTLaB R2008數(shù)字圖像處理與分析實例教程[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

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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.