本發(fā)明涉及一種人體參數(shù)測(cè)量裝置，尤其是涉及一種人體電生理參數(shù)測(cè)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

人體電生理模型的分析和參數(shù)測(cè)定可以為健康狀況的評(píng)估甚至疾病診斷提供重要的信息。人體電生理模型是不均勻的電阻和電容分布式參數(shù)模型，目前人體電生理參數(shù)的測(cè)定幾乎全部是通過(guò)外加不同形式的電信號(hào)對(duì)人體電阻或阻抗進(jìn)行測(cè)定，但測(cè)定方法缺乏對(duì)人體電生理模型的研究和分析，存在很大的盲目性，電阻或阻抗測(cè)量結(jié)果受人體電容的影響而不夠準(zhǔn)確。也有極個(gè)別對(duì)人體電容的測(cè)定，其實(shí)只是測(cè)定人體觸摸到電路板上某個(gè)金屬區(qū)域時(shí)引起對(duì)地電容的變化，并不是對(duì)真正的人體電容的測(cè)定?？傊?，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)人體電生理模型參數(shù)的測(cè)定，一方面不夠全面，忽略了人體的等效電容，另一方面在電阻的測(cè)量中因缺乏對(duì)電生理模型的認(rèn)識(shí)忽略電容影響而使得測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種高準(zhǔn)確度的人體電生理參數(shù)測(cè)定裝置及方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種人體電生理參數(shù)測(cè)定裝置，包括四個(gè)金屬電極板和主控制器，所述的主控制器包括MCU控制核心、USB接口、電源轉(zhuǎn)換電路和四路電極測(cè)控回路，所述的電源轉(zhuǎn)換電路分別與USB接口、MCU控制核心和電極測(cè)控回路連接，所述的電極測(cè)控回路與金屬電極板一一對(duì)應(yīng)連接，并分別與MCU控制核心連接，所述的MCU控制核心與USB接口連接，所述的電源轉(zhuǎn)換電路將USB接口提供的5V電源轉(zhuǎn)換為不同大小的穩(wěn)定電壓，所述的電極測(cè)控回路接受MCU控制核心控制，令金屬電極板連接設(shè)定電壓或連接電阻后接地，并將金屬電極板的電壓信號(hào)發(fā)送給MCU控制核心，所述的MCU控制核心計(jì)算人體電生理參數(shù)并發(fā)送給USB接口。所述的設(shè)定電壓為安全直流電壓，其值可以在2～4V之間任意選定。

所述的電極測(cè)控回路包括ADC信號(hào)調(diào)理支路、DAC驅(qū)動(dòng)器支路、數(shù)字電位器支路、高電阻支路和接地支路，所述的ADC信號(hào)調(diào)理支路將金屬電極板與MCU控制核心連接，所述的DAC驅(qū)動(dòng)器支路、數(shù)字電位器支路、高電阻支路和接地支路分別通過(guò)多路開(kāi)關(guān)連接至金屬電極板，分別令金屬電極板連接設(shè)定電壓、令金屬電極板變阻接地、高阻接地和直接接地。

所述的高電阻支路的阻值大于10MΩ。

所述的ADC信號(hào)調(diào)理支路包括信號(hào)調(diào)理芯片和ADC芯片，所述的信號(hào)調(diào)理芯片分別與金屬電極板和ADC芯片的輸入端連接，所述的ADC芯片的輸出端與MCU控制核心連接。

所述的DAC驅(qū)動(dòng)器支路包括DAC芯片和驅(qū)動(dòng)器，所述的驅(qū)動(dòng)器分別與DAC芯片的輸出端和多路開(kāi)關(guān)連接，所述的DAC芯片的輸入端與MCU控制核心連接。

一種使用所述的裝置進(jìn)行人體電生理參數(shù)測(cè)定的方法，該方法將人體電生理模型等效為五個(gè)阻容單元，分別對(duì)應(yīng)四肢和軀干，每個(gè)阻容單元包括電阻R_s、電阻R_p和電容C，其中電阻R_p與電容C并聯(lián)，然后與電阻R_s串聯(lián)，測(cè)量時(shí)，將各金屬電極板與左手、右手、左腳、右腳一一對(duì)應(yīng)接觸，分別對(duì)四肢阻容單元采用相同原理進(jìn)行參數(shù)測(cè)定，其中，對(duì)左上肢阻容單元的測(cè)定過(guò)程包括：MCU控制核心通過(guò)電極測(cè)控回路令左手電極連接設(shè)定的安全直流電壓、左手電極的對(duì)偶電極即右手電極變阻接地、左手電極的近端被動(dòng)電極即左腳電極高阻接地、左手電極的遠(yuǎn)端被動(dòng)電極即右腳電極高阻接地，使人體與測(cè)定裝置形成一個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)，然后MCU控制核心同時(shí)對(duì)四個(gè)金屬電極板上的電壓進(jìn)行連續(xù)采樣，得到電壓信號(hào)波形，由電壓信號(hào)波形數(shù)據(jù)和各金屬電極板的接地電阻值計(jì)算出左上肢阻容單元的參數(shù)。

所述的電阻R_s計(jì)算式為：

其中，u_A為陽(yáng)極電壓波形，即被測(cè)阻容單元連接的金屬電極板電壓波形，(0)表示波形的第1個(gè)采樣點(diǎn)，u_P1為近端被動(dòng)電極電壓波形，u_C為陰極電壓波形，即對(duì)偶電極電壓波形，R_C為陰極接地電阻，

所述的電阻R_p計(jì)算式為：

其中，(N)表示波形的最后一個(gè)采樣點(diǎn)，

所述的電容C計(jì)算式為：

其中，i_CX為電容C上的電流波形，(n)表示波形的第n+1個(gè)采樣點(diǎn)，T_S為采樣間隔，u_CX為電容C上的電壓波形。

所述的電容C上的電壓波形u_CX計(jì)算式為：

所述的電容C上的電流波形i_CX計(jì)算式為：

所述的波形采樣時(shí)間為10s～30s。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)裝置使用USB接口供電和向外傳輸數(shù)據(jù)，內(nèi)部帶有電源轉(zhuǎn)換電路，用于給電極測(cè)控回路和MCU控制核心供電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需使用其它電源；USB提供的電壓安全可靠。

(2)通過(guò)MCU控制核心和四個(gè)電極測(cè)控回路實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)金屬電極板的單獨(dú)控制和測(cè)量，對(duì)人體電生理參數(shù)的測(cè)定更為全面。

(3)電極測(cè)控回路包括五個(gè)支路，其中四個(gè)支路通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)與MCU控制核心連接，使金屬電極板具有四種不同的電路連接狀態(tài)，用于四次阻容單元參數(shù)測(cè)定中所起的不同作用；另一個(gè)支路保持接通，使MCU控制核心持續(xù)獲得電極板的電壓。

(4)數(shù)字電位器支路使金屬電極板能變阻接地，目的是為了在每次測(cè)定過(guò)程中調(diào)整加在人體的電壓，使其保持一個(gè)相對(duì)比較固定的值，即各阻容單元參數(shù)測(cè)定保持在同等條件下，提高整體測(cè)定結(jié)果的可靠性。

(5)本發(fā)明設(shè)計(jì)的人體電生理參數(shù)測(cè)定方法，是建立在研究和分析超低直流電壓下人體電生理模型的基礎(chǔ)上，除了測(cè)定人體電阻外還測(cè)定了模型中的等效電容，對(duì)人體電生理參數(shù)的測(cè)定更為全面；模型消除了人體等效電容對(duì)人體電阻測(cè)定的影響，所以對(duì)人體電生理參數(shù)的測(cè)定更為準(zhǔn)確。

(6)每次測(cè)定過(guò)程，電壓波形采樣時(shí)間持續(xù)10s～30s，考慮了電容效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間，減少了時(shí)間浪費(fèi)。

附圖說(shuō)明

圖1為人體電生理模型及其與本實(shí)施例金屬電極板連接關(guān)系示意圖；

圖2為本實(shí)施例測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)施例主控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標(biāo)記：

1為MCU控制核心；2為USB接口；3為電源轉(zhuǎn)換電路；4為電極測(cè)控回路；41為ADC信號(hào)調(diào)理支路；42為DAC驅(qū)動(dòng)器支路；43為數(shù)字電位器支路；44為高電阻支路；45為接地支路；46為多路開(kāi)關(guān)；51、52、53、54分別為金屬電極板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

本實(shí)施例通過(guò)四肢測(cè)定超低安全直流電壓下人體電生理模型中的等效電阻和電容。通過(guò)四肢測(cè)定時(shí)，人體電生理模型等效為如圖1所示的五個(gè)阻容單元，其中R_s1和R_s2為等效串聯(lián)電阻，R_p為等效并聯(lián)電阻，C為等效電容。四個(gè)與四肢對(duì)應(yīng)的阻容單元被對(duì)應(yīng)連接金屬電極板51、52、53、54。

本實(shí)施例的人體電生理參數(shù)測(cè)定裝置，由四塊金屬電極板51、52、53、54和主控制器組成。如圖3所示，金屬電極板通過(guò)導(dǎo)線接入主控制器中的電極測(cè)控回路4。

如圖2所示，主控制器由USB接口2、電源轉(zhuǎn)換電路3、四個(gè)電極測(cè)控回路4、以及MCU控制核心1組成，如圖2所示。主控制器中的MCU控制核心1與USB接口2連接。

四塊金屬電極板4，其中二塊為手電極，檢測(cè)時(shí)被測(cè)對(duì)象雙手手心面向電極板平放于電極表面且緊密接觸；另外二塊為腳電極板，被測(cè)對(duì)象赤腳站立于電極板之上。為防止長(zhǎng)期測(cè)試過(guò)程中反復(fù)接觸汗液而被腐蝕，電極板通常采用不銹鋼材料制成。

電源轉(zhuǎn)換電路3將USB接口2提供的5V電源轉(zhuǎn)換為主控制器其他各部分所需的穩(wěn)定電壓，如MCU控制核心1所需的3.3V，電極測(cè)控回路4所需的5V和±9V等。

四個(gè)電極測(cè)控回路4具有完全相同的結(jié)構(gòu)，以其中一個(gè)為例，其內(nèi)部組成以及與MCU控制核心1的連接關(guān)系如圖3所示。電極測(cè)控回路4主要由ADC信號(hào)調(diào)理支路41、DAC驅(qū)動(dòng)器支路42、數(shù)字電位器支路43、高電阻支路44、接地支路45和多路開(kāi)關(guān)46組成，其功能是通過(guò)多路選擇器實(shí)現(xiàn)電極狀態(tài)切換并測(cè)量電極電壓信號(hào)。多路選擇開(kāi)關(guān)使得電極具有4個(gè)可選連接：DAC和驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字電位器、高阻接地、直接接地，對(duì)應(yīng)于電極的四種狀態(tài)：電壓輸出狀態(tài)，變阻接地狀態(tài)、高阻接地狀態(tài)、直接接地狀態(tài)。無(wú)論電極處于哪種狀態(tài)，電極測(cè)控回路4的電壓測(cè)量功能始終處于有效狀態(tài)。

MCU控制核心1是主控制器的控制核心，控制并實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)定過(guò)程。以左手電極的測(cè)定過(guò)程為例，測(cè)定時(shí)主控制器通過(guò)電極測(cè)控回路4控制左手電極為電壓輸出狀態(tài)，輸出一個(gè)安全直流電壓(比如取3.0V)，通過(guò)左手電極加至人體左手，此時(shí)左手電極稱為陽(yáng)極。而右手作為對(duì)偶電極稱為陰極，被控制為變阻接地狀態(tài)；左腳電極稱為近端被動(dòng)電極，右腳電極稱為遠(yuǎn)端被動(dòng)電極，均被控制為高阻接地狀態(tài)(通常取10MΩ～20MΩ)。

陰極被置為變阻接地狀態(tài)的目的是為了在每次測(cè)定過(guò)程中調(diào)整加在人體的電壓，使其保持一個(gè)相對(duì)比較固定的值。

此時(shí)人體與外接電阻形成一個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)，MCU控制核心1同時(shí)連續(xù)地采集四個(gè)電極上的電壓信號(hào)波形。由電壓信號(hào)波形數(shù)據(jù)和電極的接地電阻值可以獲得各電極的電流信號(hào)波形。

由于電容效應(yīng)，測(cè)試開(kāi)始后各電極的電流逐漸減小并相對(duì)地穩(wěn)定在一個(gè)水平，對(duì)絕大多數(shù)人而言這一過(guò)程大約持續(xù)10～30秒，所以對(duì)其中任何一個(gè)電極加電壓時(shí)都需連續(xù)采集30秒的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)電路定律解析以下三個(gè)電生理參數(shù)：R_s、R_p、C，其中R_s＝R_s1+R_s2。

測(cè)試過(guò)程具體如下：

1.陰極變阻調(diào)節(jié):

陽(yáng)極輸出電壓30秒后，調(diào)節(jié)陰極數(shù)字電位器電阻值使得加在人體左右手之間的電壓約為2V，然后將該電阻值固定下來(lái)。完成后，主控制器將4個(gè)電極全部置于直接接地狀態(tài)10秒以上，使得人體等效電容完全放電。

2.等效參數(shù)測(cè)定

再次在陽(yáng)極輸出直流電壓持續(xù)30秒，并同時(shí)采集4個(gè)電極的電壓波形。然后按下述(1)～(5)式依次計(jì)算陽(yáng)極對(duì)應(yīng)肢體(在本步驟中對(duì)應(yīng)左手)等效的阻容單元的參數(shù)R_s、R_p、C。也可以按照(1)～(5)式的導(dǎo)出方法推出陰極對(duì)應(yīng)肢體的電生理參數(shù)的計(jì)算式，被動(dòng)電極對(duì)應(yīng)肢體的電生理參數(shù)無(wú)法在這一步驟中計(jì)算。

左手測(cè)定完畢之后，主控制器將4個(gè)電極全部置于直接接地狀態(tài)10秒以上，使得人體等效電容完全放電，然后再按同樣的方法開(kāi)始對(duì)右手、左腳、右腳進(jìn)行測(cè)定，最后分別計(jì)算，可以得到模型中所有的等效參數(shù)值。

四肢測(cè)定順序?qū)Y(jié)果沒(méi)有影響，左手測(cè)定結(jié)果中陽(yáng)極對(duì)應(yīng)的電生理參數(shù)應(yīng)與右手測(cè)定結(jié)果中陰極對(duì)應(yīng)的電生理參數(shù)接近，同樣的情況也會(huì)出現(xiàn)在左右腳測(cè)定的結(jié)果中。

最后主控制器通過(guò)USB接口2將計(jì)算得到的R_s、R_p和C等電生理參數(shù)傳至外界處理，整個(gè)測(cè)定過(guò)程需要依次對(duì)人體左手、右手、左腳、右腳分別進(jìn)行測(cè)試，并分別處理數(shù)據(jù)計(jì)算等效模型中不同部分的電生理參數(shù)。

以陽(yáng)極為例說(shuō)明計(jì)算方法。在最初加電壓的瞬間，電容處于未充電狀態(tài)，所以有：

其中，u_A為陽(yáng)極電壓波形，即被測(cè)阻容單元連接的金屬電極板電壓波形，(0)表示波形的第1個(gè)采樣點(diǎn)，u_P1為近端被動(dòng)電極電壓波形，u_C為陰極電壓波形，即對(duì)偶電極電壓波形，R_C為陰極接地電阻，

在30秒數(shù)據(jù)的末尾，電容基本處于滿充狀態(tài)，此時(shí)有：

其中，(N)表示波形的最后一個(gè)采樣點(diǎn)。

由(1)、(2)二式即可得到R_S、R_P。

最后為計(jì)算等效電容C，須首先計(jì)算等效電容上的電壓波形u_CX和電流波形i_CX：

其中，(n)表示波形的第n+1個(gè)采樣點(diǎn)。，

由等效電容上的基本關(guān)系可以得到在離散采樣的情況下電容的計(jì)算式：

其中，T_S為采樣間隔。

實(shí)際應(yīng)用中，還可以將人體電生理模型由五個(gè)阻容單元簡(jiǎn)化為一個(gè)阻容單元，測(cè)定過(guò)程由四個(gè)步驟簡(jiǎn)化為一個(gè)步驟，三項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算方法與(1)～(5)式完全相同。

實(shí)施例2

一種人體電生理參數(shù)測(cè)定裝置，還包括上位機(jī)，USB接口2與上位機(jī)連接，因此USB接口2既是上位機(jī)為主控制器提供電源的接口，也是主控制器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊通道，因此整個(gè)裝置無(wú)須再配置其他外部電源，使用方便。

其余與實(shí)施例1相同。