人体经络动态电阻检测电路的设计.pdf

人体经络动态电阻检测电路的设计 王亚盛1 许 萍2 1 威海康威电子通信集团公司 山东 威海264200 2 威海职业学院 理学系 山东 威海264200 摘 要 根据人体经络动态电阻检测的精度 抗干扰 低噪声等特殊指标的要求 提出了检测电路设计方 案 并提出了有效地降低噪声 提高检测精度的设计措施 确定了电路中的关键元器件的参数 通过实际应 用取得了预期效果 关键词 经络动态电阻 抑制噪声 检测电路 器件参数 中图分类号 TN99 文献标识码 A 文章编号 1000 9787 2004 10 0045 03 Design of test circuits for human meridian dynamic resistance WANG Ya2sheng1 XU Ping2 1 Weihai Cowitel Electronic Telecom Grop LTD Weihai 264200 China 2 Dept of Natural Sci Weihai College Weihai 264200 China Abstract According to the request of several special targets such as test accuracy anti2jamming smaller noise in human meridian dynamic resistance design project of a test circuit is given Some measures that have an effect on lowering noise and improving test accuracy are presented in the project The key devices parameters in circuit are confirmed Applications have achieved anticipated effects Key words meridian resistance restrain noise test circuit devices parameters 0 引 言 目前 公开的经络电特性检测方法和技术 如 日本特 昭和57182659 俄 罗 斯 发 明 证 书950304 德 国 专 利 DE2944169A1和中国Z L90105043 1 Z L97245477 2 都是在基 于人体经络电阻是一个静态定值的基础上 对经络电阻 电 流进行检测和分析 Z L90105043 1则是在对静态电流检测 的基础上进行统计分析处理 以此作为判断中医虚实的依 据 通过检测发现 人体经络具有动态非线性低电阻特征 和低流阻通道特性 1 通过对人体经络的动态非线性低电 阻特征的检测 分析出人体经络病变 脏腑病变情况 可以 进行定量 定性的中医辨证诊断和治疗 由于人体经络的物质构成特点决定了人体病变与经络 电特性之间的关系 在进行检测电路的设计中 如何减少电 路的内部噪声和抗干扰能力 是提高检测精度 重复性的关 键技术问题 根据国家对医疗诊断仪器的规定 本文作者 提出了与检测精度有关的设计参数为 1 恒定输出电流 零点电流误差0 2 A 最大电流误 差小于 5 A 非线性误差小于 0 2 2 线性特性 输出电压与电流曲线的斜率变化率小于 0 5 对标准线性负载 3 重复性 对标准线性电阻的重复检测 斜率误差小 收稿日期 2004 04 29 于 0 2 对同一个经络原穴重复检测 间隔时间大于 10 min 压力 位置和接触电阻相同 斜率误差小于1 4 信噪比应大于150倍 1 检测原理及电路设计 1 1 经络导电基本原理 经络中有蛋白质 有机物 脂肪 水 电解质等物质构成 的经络组织液 这些组织液在经络这个低流阻通道中 在气 的推动下作用到各个细胞组织 以维持细胞的正常发育生 长和新陈代谢等生理功能 经络组织液中的水和正负离子 如 钾 钙 钠 镁等金属正离子及Cl SO2 4 和HPO2 4 等 负离子 具有一定的导电能力 特别是钙离子的含量非常丰 富 2 经络组织液的导电能力的大小与这些导电物质的存 在形态 数量有着极为密切的关系 基本以盐电解质的导电 特性为主体 同时 还与环境温度 经络组织液浓度等因素 有关 同样 导电性能好的物质 其导热性能也比较好 人体的许多疾病和病理变化 导致经络中的导电物质 导热物质的电性能 热传导性发生相应的变化 人体经络 对外呈现的电阻值随着外加电能的大小和时间发生非线性 变化 不同的变化结果代表了经络及脏腑的病变或健康情 况的不同 特别是经络的微量变化信息必须及时被检测 54 2004年 第23卷 第10期 传感器技术 Journal of Transducer Technology 到 因为这些微量变化是疾病开始和潜在质变的先兆 1 2 检测电路结构设计 人体经络检测的电子电路主要由测试电压发生电路 检测取样及信号调整电路 A D转换电路 传感器 数据接 口电路和微机总线等部分构成 如图1所示 图1 检测电路结构图 Fig 1 Struclural diagram of test circuit 电压发生电路向传感器提供一个标准的在t秒内从 0 Imax的线性渐增恒定电流 在经络电阻上产生随时间 电 流变化的动态电压 每间隔0 01 s测量一次动态电压值 在 t秒内能够形成一个连续的 动态的非线性 寒证时为线 性 的经络电压特性曲线 通过PC机统计分析 显示出该 经络的电压动态特性曲线和相关的代表虚 实 寒 热和失 衡等测量数据 典型的经络电压动态特性曲线如图2所 示 图2 典型的经络电压动态特性曲线 Fig 2 Typical dynamic characteristic curve of meridian voltage 通过设计好的程序进行控制 可以按照循序检测出人 体12条主要经络左右共24条电压动态特性曲线 由PC 机自动对曲线进行分析 判断每条经络及所络脏腑的寒 热 虚 实 表 里和失衡等定量数据 供医务人员进行辨证 诊断和治疗 1 3 检测取样及信号调整电路的设计 在人体经络检测系统设计中 检测取样电路的设计尤 为重要 因为电路噪声会对检测精度造成严重的不良影响 为了保证能够检测到真实的经络动态电阻情况 在原来初 步设计的基础上进行了改进 采用了具有低频 低噪声和高 抗干扰特点的设计方案 电路原理设计如图3所示 图3 检测取样及信号调整电路 Fig 3 Test sampling and signal adjusting circuit 在电路设计中 将人体经络电阻RL作为由三极管T 场效应管FET和运算放大器U1构成的渐增式线性恒流源 的负载 由于IC是恒定线性渐增电流 RL是经络的非线 性动态电阻 因此 电压VB的变化与经络电阻抗RL同步非 线性变化 电阻R2 R3是标准线性电阻 所以 将A点的 电压VA作为取样信号 能够完全反映出经络电阻RL的真 实动态的变化情况 运算放大器U2将检测到的信号VA进 行调整处理成满量程为 5 V的规范化信号 输送给A D 转换电路变成数字信号 输入到PC机供计算统计和分析 通常 对于不同健康状况 年龄的人来说 RL的阻值在 30 500 k 之间 并随着外加电能和时间而发生变化 在 电路分析中 VA与RL的关系为 VA RLR3IC RL R2 R3 被检测信号VA除了与RL直接相关以外 还与电路中 的电阻R2 R3和恒流源电流IC有关 当电路参数恒定不 变时 VA的数值和变化完全能反映出经络电阻RL的真实 数据和变化情况 2 噪声分析及抑制 2 1 噪声来源分析 在经络动态电阻检测系统中 检测取样电路和传感器 产生的噪声对检测精度影响很大 特别是在低频工作情况 下 由晶体管和集成电路中产生的1 f噪声的影响是检测 电路设计的重点之一 另外 检测电路单元与微型计算机连接 其模数转换部 分有公共接地 公共电源 微机中的数字信号的频繁交变在 经络电阻抗取样检测模拟电路中会产生噪声 它们通过静 电耦合 电磁耦合和漏电电流等形式对检测电路产生干 扰 3 2 2 低噪声的取样检测电路参数设计 三极管T的主要功能是输出恒定的线性渐变的检测取 样电流IC 由于输入信号 被检测的经络电阻信号都是直 流 包括直流脉动信号 所以 采用负反馈方式使U1和T 处于稳定的工作状态 特制晶体管T的设计参数为pnp型 高反压VCEO 250 V 低频fT 100 MHz 低噪声NF 150 而且IC能够在 V级 正常工作 电阻R1 R2和R3的精度要高 温度系数要小 选择0 25 W 0 5的金属膜精密电阻 用于恒流源的运算放大器U1部的噪声大小将对整个 64 传 感 器 技 术 第23卷 恒流源的稳定工作产生较大的影响 特别是对于高输入阻 抗的电路来说 输入噪声电流应当控制在pA级 设计选择 SE5534运算放大器 其典型参数为 等效输入噪声电流0 4 pA Hz1 2 等效噪声输入电压3 5 nV Hz1 2 温度漂移和时间 漂移等参数也能符合电路设计要求 对用于检测信号进行调整的运算放大器U2 同样采用 负反馈设计 负反馈电阻为R5 U2的输出电压VO为 VO R4 R5 V A R4 由于电压VA和电流IA的数值很小 通常VA在 30 500 mV之间 IA在0 6 10 A之间 为此 选择输入失 调电压为 V级 输入失调电流为pA级的低噪声运算放大 器T LC2652 其典型参数为 输入失调电压0 5 V 输入失调 电压漂移0 003 V 失调电压长期漂移0 003 V 30 d 输 入失 调 电 流2 pA 等 效 输 入 噪 声 电 压94 nV Hz1 2 f 10 Hz 通过计算可知 该设计的最低电压信噪比为300倍 能 够检测分辨50 V以上的电压信号和0 2 nA以上的电流信 号 可以满足设计指标要求 电阻R4 R5的选择和要求同 R1 R2和R3 2 3 传感器及电源的抗干扰设计 在设计取样传感器时 首先 考虑传感器电极体电阻 电缆电阻和周围电磁干扰源对检测电路的影响 为了降低 噪声 提高抗干扰能力 采用网状屏蔽的低电阻率 低损耗 的传输电缆和低电阻电极 通过施加检测导电液和恒定压 力来减少电极与人体接触电阻 减少热噪声 采用低通滤 波电路和屏蔽措施 提高抗干扰能力 在人体经络动态电阻检测系统中 基准电压源 110 5 1 V 电路工作电压源 12 105 115 V 基准电压源采 用斩波稳定运放电路设计方案 保证 综 合 漂 移 小于 0 01 V 工作电源采用二次滤波和稳压电路 以保证其稳 定度和抗干扰能力 3 实验结果 最初设计的人体经络动态电阻检测系统时 重点考虑 的是各种检测功能的实现 没有认真考虑噪声和干扰的影 响 结果部分参数达不到医疗仪器的规范要求 按照上述 方案进行重新设计后 首批生产20套 经过检测全部合格 通过对标准模拟电阻负载和选择身体健康的10人 男 女 各5人 年龄24 26岁 分别进行检测验证 实际检测结 果及相关数据见表1 表2和表3 表1中的数据是一男性被检测对象 25 岁 身体健康 仅脾经有点寒证和失衡 的左右24条经络动态电阻 对应 的时间为 1s 的第一次检测结果 综合10个人的检测结果 分析 手六经的平均经络动态电阻为134 38 k 最大值为 186 35 k 最小值为72 19 k 足六经的平均经络动态电 阻为189 55 k 最大值为236 05 k 最小值为153 41 k 其 中 有两名女性的肾经表现为热证 表1 人体12经络动态电阻实测数据 Tab 1 Testing data of human 122meridian dynamic resistance 经络 名称 小肠经心 经三焦经心包经大肠经 肺 经 电阻值 左165 25166 32164 22158 76163 46 166 89 k 右168 01164 29160 01153 41174 06 155 47 膀胱经肾 经胆 经肝 经胃 经 脾 经 电阻值 左212 87200 17218 67211 61239 34 241 56 k 右221 43202 33220 56208 37223 84 248 61 表2中 实验负载RL采用标准精密电阻器模拟 取值 为33 100 300 510 k 电阻精度优于 0 1 表2 经络动态电阻检测系统参数对比 Tab 2 Parameter contrast of meridian dynamic resistance testing system 参 数 目标值抑制前抑制后负载 零点电流误差 A 0 21 870 53电阻 最大电流误差 A 54 851 62电阻 非线性误差 0 21 140 11电阻 斜率变化率 0 51 630 21电阻 重复性 0 20 820 13电阻 信噪比 倍 150116293电阻 根据对10人的左右24条经络各测试5次 每个原穴 的重复检测间隔为2 min 共得出1 200个动态电阻的基础 检测