一种人体电生理参数测定装置及方法与流程

本发明涉及一种人体参数测量装置，尤其是涉及一种人体电生理参数测定装置及方法。

背景技术：

人体电生理模型的分析和参数测定可以为健康状况的评估甚至疾病诊断提供重要的信息。人体电生理模型是不均匀的电阻和电容分布式参数模型，目前人体电生理参数的测定几乎全部是通过外加不同形式的电信号对人体电阻或阻抗进行测定，但测定方法缺乏对人体电生理模型的研究和分析，存在很大的盲目性，电阻或阻抗测量结果受人体电容的影响而不够准确。也有极个别对人体电容的测定，其实只是测定人体触摸到电路板上某个金属区域时引起对地电容的变化，并不是对真正的人体电容的测定。总之，现有技术对人体电生理模型参数的测定，一方面不够全面，忽略了人体的等效电容，另一方面在电阻的测量中因缺乏对电生理模型的认识忽略电容影响而使得测量结果不准确。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高准确度的人体电生理参数测定装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种人体电生理参数测定装置，包括四个金属电极板和主控制器，所述的主控制器包括MCU控制核心、USB接口、电源转换电路和四路电极测控回路，所述的电源转换电路分别与USB接口、MCU控制核心和电极测控回路连接，所述的电极测控回路与金属电极板一一对应连接，并分别与MCU控制核心连接，所述的MCU控制核心与USB接口连接，所述的电源转换电路将USB接口提供的5V电源转换为不同大小的稳定电压，所述的电极测控回路接受MCU控制核心控制，令金属电极板连接设定电压或连接电阻后接地，并将金属电极板的电压信号发送给MCU控制核心，所述的MCU控制核心计算人体电生理参数并发送给USB接口。所述的设定电压为安全直流电压，其值可以在2～4V之间任意选定。

所述的电极测控回路包括ADC信号调理支路、DAC驱动器支路、数字电位器支路、高电阻支路和接地支路，所述的ADC信号调理支路将金属电极板与MCU控制核心连接，所述的DAC驱动器支路、数字电位器支路、高电阻支路和接地支路分别通过多路开关连接至金属电极板，分别令金属电极板连接设定电压、令金属电极板变阻接地、高阻接地和直接接地。

所述的高电阻支路的阻值大于10MΩ。

所述的ADC信号调理支路包括信号调理芯片和ADC芯片，所述的信号调理芯片分别与金属电极板和ADC芯片的输入端连接，所述的ADC芯片的输出端与MCU控制核心连接。

所述的DAC驱动器支路包括DAC芯片和驱动器，所述的驱动器分别与DAC芯片的输出端和多路开关连接，所述的DAC芯片的输入端与MCU控制核心连接。

一种使用所述的装置进行人体电生理参数测定的方法，该方法将人体电生理模型等效为五个阻容单元，分别对应四肢和躯干，每个阻容单元包括电阻R_s、电阻R_p和电容C，其中电阻R_p与电容C并联，然后与电阻R_s串联，测量时，将各金属电极板与左手、右手、左脚、右脚一一对应接触，分别对四肢阻容单元采用相同原理进行参数测定，其中，对左上肢阻容单元的测定过程包括：MCU控制核心通过电极测控回路令左手电极连接设定的安全直流电压、左手电极的对偶电极即右手电极变阻接地、左手电极的近端被动电极即左脚电极高阻接地、左手电极的远端被动电极即右脚电极高阻接地，使人体与测定装置形成一个电气网络，然后MCU控制核心同时对四个金属电极板上的电压进行连续采样，得到电压信号波形，由电压信号波形数据和各金属电极板的接地电阻值计算出左上肢阻容单元的参数。

所述的电阻R_s计算式为：

其中，u_A为阳极电压波形，即被测阻容单元连接的金属电极板电压波形，(0)表示波形的第1个采样点，u_P1为近端被动电极电压波形，u_C为阴极电压波形，即对偶电极电压波形，R_C为阴极接地电阻，

所述的电阻R_p计算式为：

其中，(N)表示波形的最后一个采样点，

所述的电容C计算式为：

其中，i_CX为电容C上的电流波形，(n)表示波形的第n+1个采样点，T_S为采样间隔，u_CX为电容C上的电压波形。

所述的电容C上的电压波形u_CX计算式为：

所述的电容C上的电流波形i_CX计算式为：

所述的波形采样时间为10s～30s。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)装置使用USB接口供电和向外传输数据，内部带有电源转换电路，用于给电极测控回路和MCU控制核心供电，结构简单，不需使用其它电源；USB提供的电压安全可靠。

(2)通过MCU控制核心和四个电极测控回路实现对四个金属电极板的单独控制和测量，对人体电生理参数的测定更为全面。

(3)电极测控回路包括五个支路，其中四个支路通过多路选择开关与MCU控制核心连接，使金属电极板具有四种不同的电路连接状态，用于四次阻容单元参数测定中所起的不同作用；另一个支路保持接通，使MCU控制核心持续获得电极板的电压。

(4)数字电位器支路使金属电极板能变阻接地，目的是为了在每次测定过程中调整加在人体的电压，使其保持一个相对比较固定的值，即各阻容单元参数测定保持在同等条件下，提高整体测定结果的可靠性。

(5)本发明设计的人体电生理参数测定方法，是建立在研究和分析超低直流电压下人体电生理模型的基础上，除了测定人体电阻外还测定了模型中的等效电容，对人体电生理参数的测定更为全面；模型消除了人体等效电容对人体电阻测定的影响，所以对人体电生理参数的测定更为准确。

(6)每次测定过程，电压波形采样时间持续10s～30s，考虑了电容效应的持续时间，减少了时间浪费。

附图说明

图1为人体电生理模型及其与本实施例金属电极板连接关系示意图；

图2为本实施例测定装置的结构示意图；

图3为本实施例主控制器的结构示意图；

附图标记：

1为MCU控制核心；2为USB接口；3为电源转换电路；4为电极测控回路；41为ADC信号调理支路；42为DAC驱动器支路；43为数字电位器支路；44为高电阻支路；45为接地支路；46为多路开关；51、52、53、54分别为金属电极板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例通过四肢测定超低安全直流电压下人体电生理模型中的等效电阻和电容。通过四肢测定时，人体电生理模型等效为如图1所示的五个阻容单元，其中R_s1和R_s2为等效串联电阻，R_p为等效并联电阻，C为等效电容。四个与四肢对应的阻容单元被对应连接金属电极板51、52、53、54。

本实施例的人体电生理参数测定装置，由四块金属电极板51、52、53、54和主控制器组成。如图3所示，金属电极板通过导线接入主控制器中的电极测控回路4。

如图2所示，主控制器由USB接口2、电源转换电路3、四个电极测控回路4、以及MCU控制核心1组成，如图2所示。主控制器中的MCU控制核心1与USB接口2连接。

四块金属电极板4，其中二块为手电极，检测时被测对象双手手心面向电极板平放于电极表面且紧密接触；另外二块为脚电极板，被测对象赤脚站立于电极板之上。为防止长期测试过程中反复接触汗液而被腐蚀，电极板通常采用不锈钢材料制成。

电源转换电路3将USB接口2提供的5V电源转换为主控制器其他各部分所需的稳定电压，如MCU控制核心1所需的3.3V，电极测控回路4所需的5V和±9V等。

四个电极测控回路4具有完全相同的结构，以其中一个为例，其内部组成以及与MCU控制核心1的连接关系如图3所示。电极测控回路4主要由ADC信号调理支路41、DAC驱动器支路42、数字电位器支路43、高电阻支路44、接地支路45和多路开关46组成，其功能是通过多路选择器实现电极状态切换并测量电极电压信号。多路选择开关使得电极具有4个可选连接：DAC和驱动器、数字电位器、高阻接地、直接接地，对应于电极的四种状态：电压输出状态，变阻接地状态、高阻接地状态、直接接地状态。无论电极处于哪种状态，电极测控回路4的电压测量功能始终处于有效状态。

MCU控制核心1是主控制器的控制核心，控制并实现整个测定过程。以左手电极的测定过程为例，测定时主控制器通过电极测控回路4控制左手电极为电压输出状态，输出一个安全直流电压(比如取3.0V)，通过左手电极加至人体左手，此时左手电极称为阳极。而右手作为对偶电极称为阴极，被控制为变阻接地状态；左脚电极称为近端被动电极，右脚电极称为远端被动电极，均被控制为高阻接地状态(通常取10MΩ～20MΩ)。

阴极被置为变阻接地状态的目的是为了在每次测定过程中调整加在人体的电压，使其保持一个相对比较固定的值。

此时人体与外接电阻形成一个电气网络，MCU控制核心1同时连续地采集四个电极上的电压信号波形。由电压信号波形数据和电极的接地电阻值可以获得各电极的电流信号波形。

由于电容效应，测试开始后各电极的电流逐渐减小并相对地稳定在一个水平，对绝大多数人而言这一过程大约持续10～30秒，所以对其中任何一个电极加电压时都需连续采集30秒的数据，然后根据电路定律解析以下三个电生理参数：R_s、R_p、C，其中R_s＝R_s1+R_s2。

测试过程具体如下：

1.阴极变阻调节:

阳极输出电压30秒后，调节阴极数字电位器电阻值使得加在人体左右手之间的电压约为2V，然后将该电阻值固定下来。完成后，主控制器将4个电极全部置于直接接地状态10秒以上，使得人体等效电容完全放电。

2.等效参数测定

再次在阳极输出直流电压持续30秒，并同时采集4个电极的电压波形。然后按下述(1)～(5)式依次计算阳极对应肢体(在本步骤中对应左手)等效的阻容单元的参数R_s、R_p、C。也可以按照(1)～(5)式的导出方法推出阴极对应肢体的电生理参数的计算式，被动电极对应肢体的电生理参数无法在这一步骤中计算。

左手测定完毕之后，主控制器将4个电极全部置于直接接地状态10秒以上，使得人体等效电容完全放电，然后再按同样的方法开始对右手、左脚、右脚进行测定，最后分别计算，可以得到模型中所有的等效参数值。

四肢测定顺序对结果没有影响，左手测定结果中阳极对应的电生理参数应与右手测定结果中阴极对应的电生理参数接近，同样的情况也会出现在左右脚测定的结果中。

最后主控制器通过USB接口2将计算得到的R_s、R_p和C等电生理参数传至外界处理，整个测定过程需要依次对人体左手、右手、左脚、右脚分别进行测试，并分别处理数据计算等效模型中不同部分的电生理参数。

以阳极为例说明计算方法。在最初加电压的瞬间，电容处于未充电状态，所以有：

其中，u_A为阳极电压波形，即被测阻容单元连接的金属电极板电压波形，(0)表示波形的第1个采样点，u_P1为近端被动电极电压波形，u_C为阴极电压波形，即对偶电极电压波形，R_C为阴极接地电阻，

在30秒数据的末尾，电容基本处于满充状态，此时有：

其中，(N)表示波形的最后一个采样点。

由(1)、(2)二式即可得到R_S、R_P。

最后为计算等效电容C，须首先计算等效电容上的电压波形u_CX和电流波形i_CX：

其中，(n)表示波形的第n+1个采样点。，

由等效电容上的基本关系可以得到在离散采样的情况下电容的计算式：

其中，T_S为采样间隔。

实际应用中，还可以将人体电生理模型由五个阻容单元简化为一个阻容单元，测定过程由四个步骤简化为一个步骤，三项参数的计算方法与(1)～(5)式完全相同。

实施例2

一种人体电生理参数测定装置，还包括上位机，USB接口2与上位机连接，因此USB接口2既是上位机为主控制器提供电源的接口，也是主控制器与上位机的数据通讯通道，因此整个装置无须再配置其他外部电源，使用方便。

其余与实施例1相同。