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

背景技術(shù)：

人體電生理模型的分析和參數(shù)測定可以為健康狀況的評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)的測定幾乎全部是通過外加不同形式的電信號對人體電阻或阻抗進(jìn)行測定，但測定方法缺乏對人體電生理模型的研究和分析，存在很大的盲目性，電阻或阻抗測量結(jié)果受人體電容的影響而不夠準(zhǔn)確。也有極個別對人體電容的測定，其實(shí)只是測定人體觸摸到電路板上某個金屬區(qū)域時引起對地電容的變化，并不是對真正的人體電容的測定?？傊?，現(xiàn)有技術(shù)對人體電生理模型參數(shù)的測定，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量中因缺乏對電生理模型的認(rèn)識忽略電容影響而使得測量結(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)測定裝置及方法。

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

一種人體電生理參數(shù)測定裝置，包括四個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控制核心和電極測控回路連接，所述的電極測控回路與金屬電極板一一對應(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發(fā)送給MCU控制核心，所述的MCU控制核心計算人體電生理參數(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。

所述的電極測控回路包括ADC信號調(diào)理支路、DAC驅(qū)動器支路、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多路開關(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信號調(diào)理支路包括信號調(diào)理芯片和ADC芯片，所述的信號調(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)動器支路包括DAC芯片和驅(qū)動器，所述的驅(qū)動器分別與DAC芯片的輸出端和多路開關(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)測定的方法，該方法將人體電生理模型等效為五個阻容單元，分別對應(yīng)四肢和軀干，每個阻容單元包括電阻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)，測量時，將各金屬電極板與左手、右手、左腳、右腳一一對應(yīng)接觸，分別對四肢阻容單元采用相同原理進(jìn)行參數(shù)測定，其中，對左上肢阻容單元的測定過程包括：MCU控制核心通過電極測控回路令左手電極連接設(shè)定的安全直流電壓、左手電極的對偶電極即右手電極變阻接地、左手電極的近端被動電極即左腳電極高阻接地、左手電極的遠(yuǎn)端被動電極即右腳電極高阻接地，使人體與測定裝置形成一個電氣網(wǎng)絡(luò)，然后MCU控制核心同時對四個金屬電極板上的電壓進(jìn)行連續(xù)采樣，得到電壓信號波形，由電壓信號波形數(shù)據(jù)和各金屬電極板的接地電阻值計算出左上肢阻容單元的參數(shù)。

所述的電阻R_s計算式為：

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

所述的電阻R_p計算式為：

其中，(N)表示波形的最后一個采樣點(diǎn)，

所述的電容C計算式為：

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計算式為：

所述的電容C上的電流波形i_CX計算式為：

所述的波形采樣時間為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，用于給電極測控回路和MCU控制核心供電，結(jié)構(gòu)簡單，不需使用其它電源；USB提供的電壓安全可靠。

(2)通過MCU控制核心和四個電極測控回路實(shí)現(xiàn)對四個金屬電極板的單獨(dú)控制和測量，對人體電生理參數(shù)的測定更為全面。

(3)電極測控回路包括五個支路，其中四個支路通過多路選擇開關(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)測定中所起的不同作用；另一個支路保持接通，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定過程中調(diào)整加在人體的電壓，使其保持一個相對比較固定的值，即各阻容單元參數(shù)測定保持在同等條件下，提高整體測定結(jié)果的可靠性。

(5)本發(fā)明設(shè)計的人體電生理參數(shù)測定方法，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，除了測定人體電阻外還測定了模型中的等效電容，對人體電生理參數(shù)的測定更為全面；模型消除了人體等效電容對人體電阻測定的影響，所以對人體電生理參數(shù)的測定更為準(zhǔn)確。

(6)每次測定過程，電壓波形采樣時間持續(xù)10s～30s，考慮了電容效應(yīng)的持續(xù)時間，減少了時間浪費(fèi)。

附圖說明

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為電極測控回路；41為ADC信號調(diào)理支路；42為DAC驅(qū)動器支路；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)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。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)施例通過四肢測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。通過四肢測定時，人體電生理模型等效為如圖1所示的五個阻容單元，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。四個與四肢對應(yīng)的阻容單元被對應(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，金屬電極板通過導(dǎo)線接入主控制器中的電極測控回路4。

如圖2所示，主控制器由USB接口2、電源轉(zhuǎn)換電路3、四個電極測控回路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，檢測時被測對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，被測對象赤腳站立于電極板之上。為防止長期測試過程中反復(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，電極測控回路4所需的5V和±9V等。

四個電極測控回路4具有完全相同的結(jié)構(gòu)，以其中一個為例，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。電極測控回路4主要由ADC信號調(diào)理支路41、DAC驅(qū)動器支路42、數(shù)字電位器支路43、高電阻支路44、接地支路45和多路開關(guān)46組成，其功能是通過多路選擇器實(shí)現(xiàn)電極狀態(tài)切換并測量電極電壓信號。多路選擇開關(guān)使得電極具有4個可選連接：DAC和驅(qū)動器、數(shù)字電位器、高阻接地、直接接地，對應(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)。無論電極處于哪種狀態(tài)，電極測控回路4的電壓測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)整個測定過程。以左手電極的測定過程為例，測定時主控制器通過電極測控回路4控制左手電極為電壓輸出狀態(tài)，輸出一個安全直流電壓(比如取3.0V)，通過左手電極加至人體左手，此時左手電極稱為陽極。而右手作為對偶電極稱為陰極，被控制為變阻接地狀態(tài)；左腳電極稱為近端被動電極，右腳電極稱為遠(yuǎn)端被動電極，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定過程中調(diào)整加在人體的電壓，使其保持一個相對比較固定的值。

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

由于電容效應(yīng)，測試開始后各電極的電流逐漸減小并相對地穩(wěn)定在一個水平，對絕大多數(shù)人而言這一過程大約持續(xù)10～30秒，所以對其中任何一個電極加電壓時都需連續(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電生理參數(shù)：R_s、R_p、C，其中R_s＝R_s1+R_s2。

測試過程具體如下：

1.陰極變阻調(diào)節(jié):

陽極輸出電壓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。完成后，主控制器將4個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)測定

再次在陽極輸出直流電壓持續(xù)30秒，并同時采集4個電極的電壓波形。然后按下述(1)～(5)式依次計算陽極對應(yīng)肢體(在本步驟中對應(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)出方法推出陰極對應(yīng)肢體的電生理參數(shù)的計算式，被動電極對應(yīng)肢體的電生理參數(shù)無法在這一步驟中計算。

左手測定完畢之后，主控制器將4個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始對右手、左腳、右腳進(jìn)行測定，最后分別計算，可以得到模型中所有的等效參數(shù)值。

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

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

以陽極為例說明計算方法。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為陽極電壓波形，即被測阻容單元連接的金屬電極板電壓波形，(0)表示波形的第1個采樣點(diǎn)，u_P1為近端被動電極電壓波形，u_C為陰極電壓波形，即對偶電極電壓波形，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)，此時有：

其中，(N)表示波形的最后一個采樣點(diǎn)。

由(1)、(2)二式即可得到R_S、R_P。

最后為計算等效電容C，須首先計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阻容單元簡化為一個阻容單元，測定過程由四個步驟簡化為一個步驟，三項(xiàng)參數(shù)的計算方法與(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，因此整個裝置無須再配置其他外部電源，使用方便。

其余與實(shí)施例1相同。