CN105232041A - 人体体表电特性分布的测量装置、数据终端及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人体体表电特性分布的测量装置、数据终端及方法。测量装置包括：激励采集模块，用于产生激励人体体表被测部位的激励信号，将所述激励信号传导至所述被测部位，并采集所述被测部位在所述激励信号作用下的响应信号；信号处理模块，用于对所述响应信号和所述激励信号进行关于幅值和相位的处理，对处理后得到的幅值信息与相位信息进行编码，并输出编码结果，所述编码结果为人体体表的皮肤的阻抗数据；传输模块，用于将编码结果发送出去。本发明通过采集得到人体体表的阻抗数据，包括相位和幅值信息，以此作为皮肤和组织其他的电学特征值，避免采集多种参数所造成的系统复杂性和高昂的成本。

Description

人体体表电特性分布的测量装置、数据终端及方法

技术领域

本发明涉及生理信号采集处理技术领域，具体涉及一种人体体表电特性分布的测量装置、数据终端及方法。

背景技术

医学研究证明，人体体表电信号特征变化的产生与皮肤状况（包括皮肤健康状况，皮肤水分、油性状况等）、人体内脏器官的损伤或免疫系统疾病等诸多原因有关。通过观察和研究体表信号特征的变化可以反映人体皮肤和内脏器官以及相关疾病的变化情况，从而作为临床诊断和治疗的依据。通过对人体体表电特性（阻抗、介电常数、导纳等）的提取和处理，建立起获得信号与人体生理健康状态之间的联系，从而为大众了解和监测自身健康状态乃至在疾病早期阶段就及时发现病兆趋势并采取相应措施提供了一种便利的方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，本发明提供一种人体体表电特性分布的测量装置，包括：激励采集模块，用于产生激励人体体表被测部位的激励信号，将所述激励信号传导至所述被测部位，并采集所述被测部位在所述激励信号作用下的响应信号；信号处理模块，用于对所述响应信号和所述激励信号进行关于幅值和相位的处理，对处理后得到的幅值信息与相位信息进行编码，并输出编码结果，所述编码结果为人体体表的皮肤的阻抗数据；传输模块，用于将编码结果发送出去。

根据本发明的第二方面，本发明提供一种使用如上所述的测量装置的数据终端，包括：接收模块，用于接收来自所述测量装置的关于人体体表电特性的数据；特征值计算模块，用于利用生物组织电学模型对接收模块接收到的数据进行计算，得到关于人体体表电特性的特征值；输出模块，用于输出特征值计算模块得到的特征值。

根据本发明的第三方面，本发明提供一种使用如上所述测量装置或如上所述数据终端的方法。

本发明的有益效果是：通过采集得到人体体表的阻抗数据，包括相位和幅值信息，以此作为皮肤和组织其他的电学特征值，避免采集多种参数所造成的系统复杂性和高昂的成本。

附图说明

图1是本发明一种实施例的人体体表电特性的测量装置的结构示意图；

图2是本发明一种实施例中的直接数字频率合成单元的结构示意图；

图3是将本发明一种实施例的数据终端应用于判断健康状态的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以参考附图来描述用于实施本发明的最佳实施方案。

[实施例1]

依据本发明的一种具体实施方式，提出一种人体体表电特性分布的测量装置，包括激励采集模块、信号处理模块和传输模块。激励采集模块用于产生激励人体体表被测部位的激励信号，将激励信号传导至被测部位，并采集被测部位在激励信号作用下的响应信号；信号处理模块用于对响应信号和激励信号进行关于幅值和相位的处理，对处理后得到的幅值信息与相位信息进行编码，并输出编码结果；传输模块用于将编码结果发送出去。

激励采集模块包括激励源模块和电极模块。激励源模块包括数字频率合成单元、与数字频率合成单元相连的放大滤波单元、及与放大滤波单元相连的电压控制电流源单元，该放大滤波单元还与信号处理模块相连。电极模块包括激励电极与采集电极，激励电极与电压控制电流源单元相连，用于将激励信号传导至被测部位，采集电极与信号处理模块相连，用于采集被测部位在激励信号作用下的响应信号。

信号处理模块包括：前置放大单元、数字鉴相器单元、幅值检测单元和数据编码单元。前置放大电路分别与采集电极的输出端、幅值检测单元的输入端相连，用于将采集到的响应信号进行幅值放大；数字鉴相器单元分别与前置放大电路的输出端、激励源模块相连，用于输出激励信号和响应信号的相位信息；幅值检测单元用于将接收到的响应信号进行幅值检测以得到幅值信息；数据编码单元分别与幅值检测单元和数字鉴相器单元相连，用于对相位信息和幅值信息进行编码并输出编码结果。

优选地，该具体实施方式还可以包括供电模块和控制模块，供电模块用于为激励采集模块、信号处理模块、传输模块以及控制模块提供电能，控制模块用于分别控制激励源模块、信号处理模块和传输模块。

该具体实施方式的一种实例如图1所示，如图1所示，其人体体表电特性的测量装置包括激励采集模块（即电极模块1和激励源模块2）、供电模块3、信号处理模块4、控制模块408（以及传输模块5。

在电极模块1中，本实施例采用的是四电极测量法。对于生物组织阻抗的测量，通常有两种电极设置方法：双电极测量法和四电极测量法。双电极测量法是指：将交变电流通过一对电极引入被测生物组织，再通过同一对电极将其两端的电压测出。由于在双电极测量使用过程中，电极下面被测组织中的电流密度高于被测组织其它部位的电流密度，即电流分布不均，这样组织各个部分对阻抗的贡献就不同，从而使用测得的阻抗与实际阻抗有较大的误差。典型的四电极测量法是指：使用两对电极，一对电流电极作为激励电极将交变电流引入生物组织，另一对电压电极作为测量电极介于两电流电极之间，用于检测出被测部位的电位差。这种方法可以较好地精度同时可以消除电极和生物组织电解液之间的极化。

图示中，101与102为激励电极，作用是将激励源的信号加载至皮肤上；103和104为信号采集电极，作用是采集在激励信号作用下的皮肤响应信号。电极采用柔性PCB技术实现，利用两层铜柱实现，第一层铜柱的直径为50um-125um，高度为40um-50um；第二层铜柱的直径为25um-75um，高度为20um-30um，实现的电极形状近似锥体形状。电极之间的间距可以是125um，225um,325um,425um，525um。当然，其它实施例也可以根据实际需要采用其它数据或技术实现激励电极和采集电极。

激励源模块2提供加载到皮肤上的激励信号，包括直接数字频率合成单元（DDS）201、放大滤波202、电压控制电流源（VCCS）203。其中直接数字频率合成单元（DDS）201的一种具体实现如图2所示，包括相位累加器2011、幅度/相位转换器2012、数模转换器（DAC）2013、低通滤波器2014。其中K为输入频率控制字，f_c为输入时钟频率，L为输入字的位宽，W为相位累加器2011的输出位宽，D为幅度/相位转换器2012的输出位宽。对于L位的频率控制字K在每个时钟频率为f_c的时钟周期期间，输入到相位累加器2011进行线性累加，经累加器累加后输出的相位码传递给幅度/相位转换器2012，然后幅度/相位转换器2012将与输入相位所对应的幅度码输出给数模转换器2013，数模转换器2013产生一系列表示以时间脉冲速率抽样的模拟电压阶跃，最后经低通滤波器（LPF）2014平滑输出系统所需的正（余）弦波信号。一种具体实现中，直接数字频率合成单元模块（DDS）201可以产生0-1Vpp、频带覆盖100Hz~1MHz宽频域、频率分辨率为1Hz、波形可控制输出正弦方波或三角波或锯齿波、幅度和相位可调制的模拟电压信号，经过放大滤波202再经过VCCS203转换为电流信号，波形和信号频率保持不变。

供电模块3的作用为激励源模块2、信号处理模块4、控制模块408、传输模块5提供电能，输出电压包括模拟电压和数字电压，一种具体实现中可以采用干电池实现。当然，也可以将供电模块3以钮扣电池或其它方式分别集成到激励源模块2、信号处理模块4、控制模块408、传输模块5中。

信号处理模块4包括前置放大401、方波转换402和403、基于计数器的数字鉴相器（DPD）404、模数转换器（ADC）405、幅值检测406和数据编码407。该模块中前置放大401将采集的皮肤响应电压信号进行幅值放大，方波转换402和403将转换为方波的原始信号和响应信号传递到鉴相器404中输出相位信息；另一路经过前置放大的响应信号经过ADC405和幅值检测406得出幅值信息。数据编码407对来自于鉴相器404的相位信息和幅值检测406的幅值信息进行编码。

控制模块408负责控制数据的编码传输、DDS输出的激励信号（包括波形、幅值、频率）以及各个模块所需要的时钟等。一种具体实现中可以将控制模块408与信号处理模块4集成在一起。

传输模块5在本实施例中为采用基于蓝牙的无线传输模块5，该模块可以根据具体应用在保留数据通信功能的基础上进行裁剪，从而降低功耗和面积，节约成本。具体裁剪方式可参考相关的已知技术实现，此处不做详述。此外其它实施例中传输模块5可以用其它的有线或无线（例如红外、射频）传输方式。

本实施例的人体体表电特性分布的测量装置只采集了皮肤的阻抗数据，包括相位和幅值信息，以此作为皮肤和组织其他的电学特征值，避免采集多种参数所造成的系统复杂性和高昂的成本。在实际应用时，可以设计成体积小、重量轻的贴片式，直接贴至待测皮肤区域即可，使用起来方便、操作简单，克服已有技术中一些检测设备体积大、便携性差的缺点；此外，还可以将该测量装置设计成环状装置，该装置上均匀分布有多个测量点，可以同时对皮肤较大面积的区域进行测量，获得更加丰富的数据信息，可以提高分析的精度和准确度。

[实施例2]

依据本发明的一种实施方式，提出一种数据终端，其除了使用了基于实施例1的人体体表电特性分布的测量装置，还包括接收模块、特征值计算模块和输出模块。接收模块用于接收来自测量装置的关于人体体表电特性的数据；特征值计算模块用于利用生物组织电学模型对接收模块接收到的数据进行计算，得到关于人体体表电特性的特征值；输出模块用于输出特征值计算模块得到的特征值。

一种实例中，测量装置采用的是基于蓝牙的无线传输方式，故而在本实施中，接收模块也可以是采用基于蓝牙的无线传输方式。当然，如果测量装置中的传输模块采用的是其它无线传输或者是有线传输方式。

特征值计算模块中，根据人体体表电特性分布的测量装置得到的皮肤阻抗幅值和相位数据，利用Cole-Cole生物组织电学模型可以求出人体组织的阻抗、介电常数、导纳等电特性参数。具体Cole-Cole生物组织电学模型及其相关计算可参考已有的相关技术实现，在此不做详述。

一种具体示例中，该数据终端还可包括显示模块，用于显示输出模块输出的特征值，例如在显示屏上直接显示经过测量得到的体表电特性数值，或者还可以同时显示参考的人体电特性数值（对应部位）。另一种实现中，显示模块还可显示根据特征值绘制出的3D立体图像的人体电特性分布，其显示方式有两种，一种是在3D人体电特性分布图上显示，一种是以表格的形式附带给出。例如，将采集到的人体体表电特性数据按照从小到大的方式进行分组，不同的数据分组对应不同的色系，最终将不同数据对应的按色系分配到人体模型上。例如使用从黄色到红色的渐变的色系，体现了人体电特性的一个渐变过程。当然，在这之前，对人体的电特性数值进行了一个分类，对这个颜色的分类大概体现出了一个数据从小到大，颜色也随之渐变的过程。对于数据分组，是指一个范围内的数据对应一种色彩。绘制的软件可以是例如Poser软件或是其它方式，当然人体电特性分布图也可以是二维的。

又一种具体示例中，该数据终端还可包括发送模块，用于向测量装置发送用于请求获取关于人体体表电特性的信息，例如以指令的方式向测量装置的控制模块发送消息，包括测量开启、传输开启、功能配置，其中功能配置根据功能码对应配置DDS，配置功能包括DDS的输出频率、频点步进数值等；还包括测量模式的配置，如单次测量、多次测量、连续实时测量、间隔测量等。当然，测量装置的控制模块也可以是独立的主动的进行测量，然后在与数据终端建立通信后将测量结果传输出去。

另一种具体示例中，该数据终端还可包括建库模块，用于根据输出模块输出的特征值，建立疾病与特征值关联的数据库。该数据库的建立可以是通过大量实验，采用本发明实施例提供测量装置对不同类型的实验对象(健康人群和不同种疾病人群)进行测量得到的，数据库内容包括健康人、不同种疾病人群不同皮肤区域电特性参数值（阻抗、介电常数等）范围。通过分析这些实验数据可以知道特定人群（如某种疾病）与健康人群的皮肤电特性参数分布的特点；从而，可以建立起一种或多种疾病与特征值的联系。通过将某个测量对象的特征值与数据库中的值分布进行对比，对该特征值给出健康评估结果并反馈给被测对象。当然，以此建立的数据库不仅可以用来对被测对象的测量结果进行分析得出结论，还可以为其他研究提供宝贵的数据。显然，在数据库建立起来后，用户使用该装置进行测量时会得到自己的电特性参数值，通过与实验得到的结果进行比对，从而可以根据比对结果对该电特性参数值得知自身的健康评估结果。

利用本实施例的数据终端，可以得到一种基于人体体表电特性分布的人体健康状态评估方法，只采集皮肤的阻抗信息，通过这一数据分析出人体体表的其他电学参数，在大量的实验基础上分析出特定人群的体表信号分布特征值状况，以此作为判断被测者健康状况以及需要采取的相应措施的依据。如图3所示，首先是经过测量装置采集到人体皮肤的阻抗的幅值和相位信息，利用相应的算法计算出人体体表的导纳、介电常数等电特性参数，将计算得出的特征值与数据库的数据进行比对，如果该特征值符合特定人群皮肤特征值分布的话，则进一步判断属于哪一类的特定人群，并且肯定具体一类特定人群给出相应的建议措施；如果计算得出的特征值不符合特定人群皮肤特征值分布的话，则可以认定该被测者此时处于健康状况，继续保持。

利用本实施例，可以得到一种无创、方便使用、廉价的健康状况评估装置和方法，可以克服目前健康监测方法中的价格昂贵、程序琐碎不便捷等弊端，且可以供使用者随时随地了解自己的健康状况，同时所获得实验数据也可以为其他研究者研究相关领域提供宝贵的实验数据，并且可以具有较高的精度和准确度。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种人体体表电特性分布的测量装置，其特征在于，包括：

激励采集模块，用于产生激励人体体表被测部位的激励信号，将所述激励信号传导至所述被测部位，并采集所述被测部位在所述激励信号作用下的响应信号；

信号处理模块，用于对所述响应信号和所述激励信号进行关于幅值和相位的处理，对处理后得到的幅值信息与相位信息进行编码，并输出编码结果，所述编码结果为人体体表的皮肤的阻抗数据；

传输模块，用于将编码结果发送出去。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述激励采集模块包括激励源模块和电极模块；

所述激励源模块用于产生激励人体体表被测部位的激励信号，其包括数字频率合成单元、与所述数字频率合成单元相连的放大滤波单元、及与所述放大滤波单元相连的电压控制电流源单元，所述放大滤波单元还与所述信号处理模块相连；

所述电极模块用于将所述激励信号传导至所述被测部位、并采集所述被测部位在所述激励信号作用下的响应信号，其包括激励电极与采集电极，所述激励电极与所述电压控制电流源单元相连，用于将所述激励信号传导至所述被测部位，所述采集电极与所述信号处理模块相连，用于采集所述被测部位在所述激励信号作用下的响应信号。

3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述信号处理模块包括：前置放大单元、数字鉴相器单元、幅值检测单元和数据编码单元；

所述前置放大电路分别与所述采集电极的输出端、所述幅值检测单元的输入端相连，用于将采集到的响应信号进行幅值放大；

所述数字鉴相器单元分别与所述前置放大电路的输出端、所述激励源模块相连，用于输出所述激励信号和所述响应信号的相位信息；

所述幅值检测单元用于将接收到的响应信号进行幅值检测以得到幅值信息；

所述数据编码单元分别与所述幅值检测单元和所述数字鉴相器单元相连，用于对所述相位信息和所述幅值信息进行编码并输出编码结果。

4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，还包括控制模块，用于分别控制所述激励源模块、所述信号处理模块和所述传输模块。

5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述传输模块采用基于蓝牙的无线传输方式。

6.一种使用如权利要求1-5任一项所述的测量装置的数据终端，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收来自所述测量装置的关于人体体表电特性的数据；

特征值计算模块，用于利用生物组织电学模型对接收模块接收到的数据进行计算，得到关于人体体表电特性的特征值；

输出模块，用于输出特征值计算模块得到的特征值。

7.如权利要求6所述的数据终端，其特征在于，所述数据终端还包括：

发送模块，用于向所述测量装置发送用于请求获取关于人体体表电特性的信息。

8.如权利要求6所述的数据终端，其特征在于，所述数据终端还包括：

显示模块，用于显示输出模块输出的特征值，和/或显示根据所述特征值绘制出的人体体表电特性分布图。

9.如权利要求6所述的数据终端，其特征在于，所述数据终端还包括：

建库模块，用于根据输出模块输出的特征值，建立疾病与特征值关联的数据库。

10.一种使用如权利要求1-5任一项所述测量装置或如权利要求6-9任一项所述数据终端的方法。