CN105361882A - 生物谐和度检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物谐和度检测装置及检测方法，所述检测装置包括检测回路,用于测量N个生物体阻抗信号，所述检测回路包括激励电压源，激励电压源发送激励电压依次通过发射电极、生物体、接收电极和采样电阻后接地；信号采集、预处理模块，连接至采样电阻的非接地端，对测量到的N个信号进行采集并预处理；控制模块，控制检测回路的测量和信号采集、预处理模块的启停；微处理器，连接控制模块并对采集到的N个测量信号数据进行统计分析，得到生物谐和度。本装置依据谐和度的测量理论设计开发，适用于不同体型、体质人群谐和度的测量，表征人体亚健康、慢性病、急性病等特征，该装置集成度高、体积小，可以广泛应用于检测仪器、智能手机、智能手表、健康穿戴等各种健康监护设备。

Description

生物谐和度检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及亚健康检测，具体涉及一种生物谐和度检测装置及检测方法。
背景技术
现代医学认为，许多疾病都有一个从“功能性紊乱”到“器质性病变”的缓慢积累和逐步发展的过程。在健康人与病人之间有一个“亚健康”状态。“治未病”是传统中医的一大特色，把问题及早解决在“功能性紊乱”的阶段。西医基本无法识别“功能性紊乱”，而需要“治未病”的阶段，都是要等到问题已发展到了“器质性病变”阶段，再来寻找病变的位置，评估其严重程度，结果将出现不可逆转的损伤。面对庞大的应用需求市场，需要发明一种全新的定性定量地方法来检测人体“未病”状态和身心的谐和程度的技术。
“谐和度”（degreeofcoherence）是生命系统中的一种物理量，是生命物理学中的一个重要的生命参数，就是定量的计算出一个人实际的身心健康状态与理想状态之间的距离，在一个金字塔坐标系中表示，张长琳专家在2013年发表的《人体的耗散结构，看不见的彩虹》书中有详细介绍。总之，生物谐和度可以用于评价人体的亚健康状态，是亚健康状态的重要指标。而目前尚没有一种用于检测生物谐和度的检测装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物谐和度的检测装置，用来测量生物体例如人体的谐和度，评价人体健康状况。
本发明采用的技术方案为：一种生物谐和度检测装置，包括检测回路,用于测量N个生物体阻抗信号，所述检测回路包括激励电压源，激励电压源发送激励电压依次通过发射电极、生物体、接收电极和采样电阻后接地；信号采集、预处理模块，连接至采样电阻的非接地端，对测量到的N个信号进行采集并预处理；控制模块，控制检测回路的测量和信号采集、预处理模块的启停；微处理器，连接控制模块并对采集到的N个测量信号数据进行统计分析，得到生物谐和度。所述激励电压源产生激励电压的大小可通过控制模块来调节。
优选地，所述采样电阻的阻值有多个档位，由控制模块对其进行档位控制。
优选地，还包括显示模块，连接微处理器，将微处理器得出的生物谐和度进行图形化的显示。
优选地，所述发射电极和接收电极分别是N个探针电极和公共电极，所述N个探针电极是等间隔规则排布的阵列探针；在所述激励电压源与N个探针电极之间设置有N选1模拟开关，所述N选1模拟开关的通断由控制模块控制，激励电压源通过N选1模拟开关的通断向N个探针电极依次发送N次相同的激励电压。
优选地，所述发射电极和接收电极分别是公共电极和N个探针电极，所述N个探针电极是等间隔规则排布的阵列探针；在所述N个探针电极与采样电阻之间设置有N选1模拟开关，所述N选1模拟开关的通断由控制模块控制，激励电压源通过N选1模拟开关的通断向公共电极依次发送N次相同的激励电压。
优选地，所述信号采集、预处理模块包括放大缓冲器和模拟数字转换器ADC，放大缓冲器与采样电阻的非接地端电性连接，对采样电阻两端的N个电压信号进行采集、放大和转换预处理步骤，与放大缓冲器连接的模拟数字转换器ADC，将N个电压信号转换成N个数字电压信号后输入微处理器；所述控制模块控制放大缓冲器和模拟数字转换器ADC的启停。
本发明的另一目的是提供一种利用上述装置实现的生物谐和度检测方法，所述方法包括如下步骤：
步骤a:启动生物谐和度检测装置，将检测回路中的发送电极和接收电极与生物体表面接触；
步骤b:控制模块控制激励电压源向发送电极依次发送N个相同的激励电压，N个相同的激励电压通过人体产生N个电流后由接收电极接收，
步骤c:N个电流流过接收电极和采样电阻后接地，在采样电阻两端产生N个采样电压，由信号采集、预处理模块对N个采样电压进行采集和预处理；
步骤d:微处理器内部运行程序判断步骤c中采集到的N个采样电压中的有效数据量N有效是否达到统计分析的最低限量Nmin，所述Nmin≦N；若是，则由微处理器对采集到的有效数据进行统计分析，得到生物谐和度；若否，则改变激励电压值，重复步骤b、c，直到测得的N有效≥Nmin，由微处理器对有效数据进行统计分析，得到生物谐和度；
优选地，还包括步骤e:将步骤d中得到的生物谐和度进行图形化显示。
优选地，所述发送电极和接收电极分别是N个探针电极和公共电极，或者分别是公共电极和N个探针电极；N个探针电极配有N选1模拟开关，控制模块通过控制N选1模拟开关的通断实现依次发送N个相同的激励电压。
优选地，步骤c中的信号采集、预处理模块包括放大缓冲器和模拟数字转换器，所述预处理包括放大和转换步骤。
本发明创新性地提供一种用于测量生物谐和度的检测装置和基于该装置的检测方法，利用阵列式的探针电极和接收电极实现生物体阻抗或容抗的测量采集，再根据相关的谐和度算法得出生物谐和度，从而表征人体亚健康、慢性病、急性病等特征，该装置及测量方法通过自适应的电压激励办法和采样电阻值的调节，适用于不同体型、体质人群甚至其他生物体谐和度的测量；另外，该装置集成度高、体积小，可以广泛应用于检测仪器、智能手机、智能手表、健康穿戴等多种健康监护设备。
附图说明
图1是本发明实施例1中生物谐和度检测装置示意图；
图2是本发明实施例1中检测回路的等效电路图；
图3是本发明实施例2中生物谐和度检测装置示意图；
图4是本发明实施例2中检测回路的等效电路图；
图5是本发明生物谐和度检测方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1：参见图1，一种生物谐和度检测装置，包括检测回路,用于测量N个生物体阻抗信号，所述检测回路包括激励电压源，激励电压源发送激励电压依次通过发射电极、生物体、接收电极和采样电阻后接地；信号采集、预处理模块，连接至采样电阻16的非接地端，对测量到的N个信号进行采集并预处理；控制模块30，控制检测回路的测量和信号采集、预处理模块的启停；微处理器40，连接控制模块30并对采集到的N个测量信号数据进行统计分析，得到生物谐和度；显示模块41，连接微处理器40，将微处理器得出的生物谐和度进行图形化的显示。
本发明的关键在于：当测量生物体阻抗时，所述激励电压源11产生激励电压的大小可通过控制模块30来调节。具体是：在检测装置工作时，每次测量都是基于相同的电压激励，将全部点测量完毕后，进行有效数据量的判断，若不满足统计分析的最低限量，则通过控制模块调整激励电压，再次测量，直到测量的有效数据量达到统计计算的最低限量，此时的激励电压就是合适的激励电压。这种为了适应不同的用户皮肤阻抗环境的激励办法称为自适应的电压激励办法。
具体地，所述发射电极和接收电极分别是128个阵列矩阵式探针电极13和公共电极15，所述128个探针电极13的排布遵守等间隔规则排布，即阵列式排布，可有效消除测量中数据之间的耦合性不一致的因素。在满足上述前提条件下，128个探针电极的整体外形可以是圆形、环形、椭圆形、矩形、多边形等等，并不局限于某种具体的形状；公共电极需要保证一定的接触面积，优选在1平方厘米到3平方厘米内，其外形也不局限于某种具体形状。在本发明中，探针电极的探针数量不宜过少或者过多，过少则采集到的数据样本不足以满足生物谐和度的计算，过多则会导致测试周期加长，对于总体样本的贡献意义不大并会限制产品小型化和便携化的发展，优选在100至200之间。在实际使用中，发送探针电极和公共电极同人体的皮肤直接接触，需要选择亲肤性好、接触阻抗低的探针材料，例如镀镍、金、银、钨等抗氧化材料。
所述激励电压源11与128个探针电极13之间设置有128选1模拟开关12，所述128选1模拟开关的通断由控制模块30控制，激励电压源通过128选1模拟开关的通断向128个探针电极依次发送128次相同的激励电压，也就是采用相同的激励电压驱动全部探针，所述激励电压可以是0~5V的直流电压。
所述采样电阻16的阻值一般处于100K-1M欧姆之间。作为优选的方案，采样电阻16的阻值还可以设计成不同档位，由控制模块30对其进行档位控制，目的是针对不同生物体的被测阻抗，选择与之比较匹配的采样电阻，让接收公共电极信号在接收、采集的最佳输入范围内。
所述信号采集、预处理模块包括放大缓冲器21和模拟数字转换器ADC（22），放大缓冲器与采样电阻的非接地端电性连接，对采样电阻16两端的128个采样电压信号进行采集、放大的处理步骤，与放大缓冲器21连接的模拟数字转换器ADC（22），将128个采样电压信号转换成128个数字电压信号后输入数据处理模块；所述控制模块控制放大缓冲器21和模拟数字转换器ADC（22）的启停。
进一步地，将上述实施例的检测装置中的控制模块、激励电压源、128选1模拟开关、采样电阻、放大缓冲器、模拟数字转换器等核心装置集成IC化。在系统中只需要在微处理器和集成IC化的核心装置之间进行简单的总线通信，就可以完成装置的工作控制、信号采集等，然后在微处理器内部进行谐和度的算法计算，产生结果。核心装置集成IC化能够降低产品体积，提高测量精度，有利于谐和度检测装置应用于便携式可穿戴产品上。
参见图5，与上述检测装置对应的生物谐和度检测方法是：
步骤a:启动生物谐和度检测装置，将检测回路中的128个矩阵探针电极和公共电极与生物体表面接触。在实际使用时建议保持皮肤湿润，使电极紧密接触体表，可在检测部位涂抹医学电极接触用的耦合性液体。
步骤b:控制模块30通过控制128选1模拟开关的通断向128个矩阵探针电极依次发送128个相同的激励电压，128个相同的激励电压通过生物体产生128个电流后由公共电极接收。在本步骤中，对于每个矩阵点激励的等待时间不需要过长，理论上说激励、采集的速度越快越好，不需要等采样电阻上电压完全消退后进行下个点的采集，因为在下一个发送探针上施加激励电压后，激励电压会完全覆盖之前采样电阻上的残留电压，不构成任何影响。谐和度测量同EIT阻抗精确测量的区别在于：谐和度的数据采集不期望得到生物体各部位阻抗的精确值，主要寻求测量数据之间的统计关系。
步骤c:128个电流流过公共电极和采样电阻后接地，在采样电阻两端产生128个采样电压，由信号采集、预处理模块对128个采样电压进行采集和预处理，所述预处理包括放大和转换。在本步骤中，通过测量采样电阻上的电压，根据已知的采样电阻的阻值、激励电压的值，得到生物体体表多点的离散的电阻、电导等信息，实现生物体体表不同区域阻抗的采集，然后将这些数据用于谐和度的计算。
步骤d:微处理器内部运行程序判断步骤c中采集到的N个采样电压中的有效数据量N有效是否达到统计分析的最低限量Nmin，所述Nmin≦128；若是，则由微处理器对采集到的有效数据进行统计分析，得到生物谐和度；若否，则改变激励电压值，重复步骤b、c，直到测得的N有效≥Nmin，由微处理器对有效数据进行统计分析，得到生物谐和度。本步骤中自适应的电压激励办法能够实现适应不同用户皮肤阻抗环境的目标。
步骤e:将步骤d中得到的生物谐和度进行图形化显示。
本发明的检测装置和方法完全符合张长琳教授的谐和度测量理论。在张长琳教授书中，生物谐和度检测主要分为三个部分：1）原始信号采集和处理；2）基于采集数据的谐和度算法；3）谐和度测量结果的呈现。其中，原始信号采集和处理流程，主要实现在人体内电磁场的耗散结构上采集全身的整体信息，也就是全身的内电场信息，而人体的电导与内电场的强度成正比，为了实现体表测量，我们选择测量人体体表电导率；另外，张教授指出，生物谐和度测量是基于概率统计分布的基础，所以必须满足一定量的统计样本，因此我们选择阵列探针电极和公共电极的组合，由于测量生物体阻抗信息，阵列探针电极和公共电极可以灵活放置于发送或接收侧，不影响测量结果。在此基础上，为了适应不同的用户皮肤阻抗环境，我们采用自适应的电压激励办法和多档位选择的采样电阻，这是对谐和度测量理论的实践优化，使本发明可以应用于除人体之外的其他种类生物体上；另一方面，为了提高装置集成度、减小装置体积、提高测量精度，将上述检测装置中的控制模块、激励电压源、128选1模拟开关、采样电阻、放大缓冲器、模拟数字转换器等核心装置集成IC化。
实施例2：参见图3和图4，与实施例1的区别在于：所述发射电极和接收电极分别是公共电极15和N个探针电极13，所述N个探针电极是等间隔规则排布的阵列探针；在所述N个探针电极13与采样电阻16之间设置有N选1模拟开关，所述N选1模拟开关的通断由控制模块30控制，激励电压源11通过N选1模拟开关的通断向公共电极依次发送N次相同的激励电压。
上述两个实施例中的装置都等效于通过激励电压激励了生物体的等效电阻和采样电阻的串联，然后采集采样电阻上的对地电压降，可间接等效于生物体电阻、电导等关键信息，因此对测量结果不会产生影响。
对应于该检测装置的生物谐和度检测方法是：
步骤a:启动生物谐和度检测装置，将检测回路中的128个矩阵探针电极和公共电极与生物体表面接触；在实际使用时建议保持皮肤湿润，使电极接触紧密体表，可在检测部位涂抹医学电极接触用的耦合性液体。
步骤b:控制模块30通过控制128选1模拟开关的通断向公共电极依次发送128个相同的激励电压，128个相同的激励电压通过生物体产生128个电流后由接收。
步骤c:128个电流流过N个探针阵列电极和采样电阻后接地，在采样电阻两端产生128个采样电压，由信号采集、预处理模块对128个采样电压进行采集和预处理，所述预处理包括放大和转换。
步骤d:微处理器内部运行程序判断步骤c中采集到的128个采样电压中的有效数据量N有效是否达到统计分析的最低限量Nmin，所述Nmin≦128；若是，则由微处理器对采集到的有效数据进行统计分析，得到生物谐和度；若否，则改变激励电压值，重复步骤b、c，直到测得的N有效≥Nmin，由微处理器对有效数据进行统计分析，得到生物谐和度。本步骤中自适应的电压激励办法能够实现适应不同用户皮肤阻抗环境的目标。
步骤e:将步骤d中得到的生物谐和度进行图形化显示。
本发明创新性地提供一种用于测量生物谐和度的检测装置和基于该装置的检测方法，利用阵列式的探针电极和接收电极实现生物体阻抗或容抗的测量采集，再根据相关的谐和度算法得出生物谐和度，从而表征人体亚健康、慢性病、急性病等特征，该装置及测量方法通过自适应的电压激励办法和采样电阻值的调节，适用于不同体型、体质人群甚至其他生物体谐和度的测量；另外，该装置集成度高、体积小，可以广泛应用于检测仪器、智能手机、智能手表、健康穿戴等多种健康监护设备。
总之，以上仅为本发明较佳的实施例，并非用于限定本发明的保护范围，在本发明的精神范围之内，对本发明所做的等同变换或修改均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物谐和度检测装置，包括检测回路,用于测量N个生物体阻抗信号，所述检测回路包括激励电压源，激励电压源发送激励电压依次通过发射电极、生物体、接收电极和采样电阻后接地；信号采集、预处理模块，连接至采样电阻的非接地端，对测量到的N个信号进行采集并预处理；控制模块，控制检测回路的测量和信号采集、预处理模块的启停；微处理器，连接控制模块并对采集到的N个测量信号数据进行统计分析，得到生物谐和度，其特征在于：所述激励电压源产生激励电压的大小可通过控制模块来调节。
2.根据权利要求1所述的一种生物谐和度测量装置，其特征在于：所述采样电阻的阻值有多个档位，由控制模块对其进行档位控制。
3.根据权利要求1或2所述的一种生物谐和度检测装置，其特征在于：还包括显示模块，连接微处理器，将微处理器得出的生物谐和度进行图形化的显示。
4.根据权利要求1或2所述的一种生物谐和度检测装置，其特征在于：所述发射电极和接收电极分别是N个探针电极和公共电极，所述N个探针电极是等间隔规则排布的阵列探针；在所述激励电压源与N个探针电极之间设置有N选1模拟开关，所述N选1模拟开关的通断由控制模块控制，激励电压源通过N选1模拟开关的通断向N个探针电极依次发送N次相同的激励电压。
5.根据权利要求1或2所述的一种生物谐和度检测装置，其特征在于：所述发射电极和接收电极分别是公共电极和N个探针电极，所述N个探针电极是等间隔规则排布的阵列探针；在所述N个探针电极与采样电阻之间设置有N选1模拟开关，所述N选1模拟开关的通断由控制模块控制，激励电压源通过N选1模拟开关的通断向公共电极依次发送N次相同的激励电压。
6.根据权利要求1或2所述的一种生物谐和度检测装置，其特征在于：所述信号采集、预处理模块包括放大缓冲器和模拟数字转换器ADC，放大缓冲器与采样电阻的非接地端电性连接，对采样电阻两端的N个电压信号进行采集、放大和转换预处理步骤，与放大缓冲器连接的模拟数字转换器ADC，将N个电压信号转换成N个数字电压信号后输入微处理器；所述控制模块控制放大缓冲器和模拟数字转换器ADC的启停。
7.一种利用权利要求1所述装置实现的生物谐和度检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤a:启动生物谐和度检测装置，将检测回路中的发送电极和接收电极与生物体表面接触；
步骤b:控制模块控制激励电压源向发送电极依次发送N个相同的激励电压，N个相同的激励电压通过生物体产生N个电流后由接收电极接收；
步骤c:N个电流流过接收电极和采样电阻后接地，在采样电阻两端产生N个采样电压，由信号采集、预处理模块对N个采样电压进行采集和预处理；
步骤d:微处理器内部运行程序判断步骤c中采集到的N个采样电压中的有效数据量N有效是否达到程序设定的统计分析的最低限量Nmin，所述Nmin≦N；若是，则由微处理器对采集到的有效数据进行统计分析，得到生物谐和度；若否，则改变激励电压值，重复步骤b、c，直到测得的N有效≥Nmin，由微处理器对有效数据进行统计分析，得到生物谐和度。
8.根据权利要求7所述的一种生物谐和度检测方法，其特征在于：还包括步骤e:将步骤d中得到的生物谐和度进行图形化显示。
9.根据权利要求7或8所述的一种生物谐和度检测方法，其特征在于：所述发送电极和接收电极分别是N个探针电极和公共电极，或者分别是公共电极和N个探针电极；N个探针电极配有N选1模拟开关，控制模块通过控制N选1模拟开关的通断实现依次发送N个相同的激励电压。
10.根据权利要求7或8所述的一种生物谐和度检测方法，其特征在于：步骤c中的信号采集、预处理模块包括放大缓冲器和模拟数字转换器，所述预处理包括放大和转换步骤。
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