CN101889866A - 用于生物特征识别的手掌生物电阻抗频谱测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生物特征识别的手掌生物电阻抗频谱测量装置，包括单片机，单片机分别与复位及时钟系统、RS232串口、键盘、阻抗分析芯片、LCD显示器、电源转换芯片、继电器控制电路连接，电源转换芯片、继电器控制电路之间设置有5V的电源；阻抗分析芯片与二/四电极转换电路连接，二/四电极转换电路和继电器控制电路分别与手掌电极切换电路连接；手掌电极切换电路的电路是，其中四个继电器J1-J4的输出端分别与H_C，H_V连接，另外四个继电器的输出端分别与L_V、L_C连接。本发明的手掌生物电阻抗频谱的测量装置，利用八个继电器的开合实现十个回路的四电极法测量，获取样本数据，应用于生物特征识别。

Description

用于生物特征识别的手掌生物电阻抗频谱测量装置

技术领域

本发明属于医疗电子仪器以及生物特征识别技术领域，具体涉及一种用于生物特征识别的手掌生物电阻抗频谱测量装置。

背景技术

生物特征识别(Biometric)是指通过计算机利用人体固有的生理特征(如人脸、虹膜、指纹等)或行为特征(例如笔迹、步态等)鉴别个人身份。生物特征识别与传统的密码、证件等认证方式比较，具有依附于人体、不易伪造、不易模仿等优势，已经成为发达国家普遍重视并大力发展的关键技术和产业。

用于生物识别的生理特征有指纹、掌纹、手形、人脸、虹膜、视网膜、脉搏、耳廓等，行为特征有签字、声音、步态等。基于这些特征，人们已经发展了指纹识别、手形识别、人脸识别、虹膜识别、签名识别、声音识别、步态识别及多种生物特征混合识别等诸多识别技术，其中虹膜识别和指纹识别被公认为最可靠的两种生物识别技术。

但是，当前各种生物特征识别技术都存在一些缺点。例如，上述大部分的生物特征如人脸、指纹、虹膜、掌纹、手形、静脉等都是通过光学传感器如CCD或CMOS形成图像信号，需要光照条件才能采集；静脉图像需要主动的红外光源才可以得到细节清晰的个性特征，虹膜识别需要昂贵的聚焦摄像头，成本均较高；指纹识别存在利用假指或断指来钻空子的可能；视网膜识别所用的激光透视可能有损眼睛健康；人脸识别错误率很高，且存在假面的伪造可能；声音识别可以被录音欺骗，签名识别也有被模仿的隐患，等等。此外，活体检测功能一直是生物识别系统的薄弱环节，已经有研究人员使用伪造的指纹和人脸攻破了现有的系统，引发了有些用户对生物识别技术的信任危机，所以活体检测技术将是生物识别系统进入高端安全应用的最大瓶颈。总体来说，现有的生物识别技术在采集成本、易用性、无创性和可靠性之间不能兼顾，制约了该项技术的普及应用。

生物电阻抗频谱(Bioimpedance Spectroscopy，BIS)是近二十年以来随着测量技术的进步而发展起来的一种以多频率、复阻抗测量为基础的生物组织监测技术，是生物电阻抗研究领域的一个新的重要分支。由于BIS技术反映了微观上细胞层次的电特性，因此从它诞生开始就一直被定位于疾病诊断的重要手段。BIS技术可以在疾病的潜伏期或功能代偿期发现异常，提供疾病的前瞻性信息，被认为是疾病早期诊断的主要手段之一，基于BIS技术的疾病诊断研究在近几年得到了蓬勃的发展。

BIS技术的疾病诊断机理是生物组织的阻抗性质及其随频率变化的规律可以从细胞层次上反映人体组织的生理状态及变化，因此长期以来，生物医学工程领域的研究者们主要专注于研究同一生物组织产生病变前后其电阻抗频谱的变化规律，而不同健康个体的生物电阻抗频谱特性差异一直被忽略。事实上，研究同时也发现，不同个体生物组织的细胞具有不同的时间常数，并且对不同的频率具有不同的表现，根据不同组织的电阻率以及它们的频率特性，就可以甄别不同的组织，进而识别不同的个体。因此生物组织的BIS特性也表征了一种可以区别个体差异的生物特征。

人体手掌是由无数细胞构成的一个微观巨系统，手掌表皮、肌肉、骨骼以及血管分布在内部形成了无数个导电通路，整体上构成了一个复杂无比的阻抗网络。不同个体的手掌大小、肌肉厚薄、手指粗细、手指间的距离、内部肌肉骨骼以及血管分布等个性特征千差万别，这些因素决定了每个手掌内部结构的独一无二性，因此手掌内在的BIS特性独一无二；另外，由于手指尖乳突纹分布、表皮角质层结构因人而异，手指与电极的接触阻抗可以反映人与人之间指纹特性的差异性，因此手掌外在的BIS特性也会因人而异。由此可见，对手掌进行BIS测量，分析手掌内在的阻抗性质及其随频率变化的规律，就可以获得丰富而稳定的生物鉴别特征。

综上所述，手掌的BIS数据代表了一种独特的生物特征，通过合适的方法对手掌进行BIS测量，并通过合理的数据处理，建立手掌BIS数据的校准、特征表达、特征提取及特征匹配识别方法，完全有可能实现基于手掌BIS测量的生物特征识别，从而建立一种全新的生物特征识别方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于生物特征识别的手掌生物电阻抗频谱测量装置，通过对手掌进行生物电阻抗频谱测量，得到样本数据，用于生物特征识别。

本发明所采用的技术方案是，一种用于生物特征识别的手掌生物电阻抗频谱测量装置，包括单片机，单片机分别与复位及时钟系统、RS232串口、键盘、阻抗分析芯片、LCD显示器、电源转换芯片、继电器控制电路连接，电源转换芯片与继电器控制电路之间设置有5V的电源；阻抗分析芯片与二/四电极转换电路连接，二/四电极转换电路和继电器控制电路分别与手掌电极切换电路连接。

本发明的有益效果是，通过对单个手掌五个手指两两之间构成的十个手指回路进行BIS测量，来获得生物识别所需的样本数据，不同于现有的基于表面图像特征采集的生物识别方法，从根本上杜绝了伪造仿冒的可能性。同时该测量装置还具有成本低廉、安全无创、简单方便、无需光照条件等优点，能够作为指纹、掌纹等生物特征识别的重要补充，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明装置的结构框图；

图2是本发明装置中的四电极法测量原理示意图；

图3是本发明装置中的二/四电极转换电路图；

图4是本发明装置中的手掌电极切换电路图；

图5是本发明装置五个手指两两之间构成的十个测量回路示意图；

图6是本发明装置中的继电器控制电路图；

图7是本发明装置的工作原理框图；

图8是本发明装置进行阻抗测定的精度测试图；

图9是本发明装置对不同人体手掌电阻抗测量的结果显示图。

图中，1.单片机，2.复位及时钟系统，3.RS232串口，4.键盘，5.阻抗分析芯片，6.LCD显示器，7.电源转换芯片，8.电源，9.继电器控制电路，10.二/四电极转换电路，11.手掌电极切换电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的用于生物特征识别的手掌生物电阻抗频谱测量装置结构是，包括一个低功耗的单片机1，单片机1分别与复位及时钟系统2、RS232串口3、键盘4、阻抗分析芯片5、LCD显示器6、电源转换芯片7、继电器控制电路9连接，电源转换芯片7、继电器控制电路9之间设置有5V的电源8；阻抗分析芯片5与二/四电极转换电路10连接，二/四电极转换电路10和继电器控制电路9分别与手掌电极切换电路11连接，手掌电极切换电路11与人手的五个手指连接。

单片机1、复位及时钟系统2、RS232串口3(串行通信)、键盘4、阻抗分析芯片5、LCD显示器6、3.3V的电源转换芯片7构成主控单元。

本发明的电源转换芯片7用于将外接的电源8由5V转换为3.3V，最大限度的提高阻抗分析芯片5的测量精度。

其中，单片机1可选用型号STC89LE516AD；阻抗分析芯片5可选用型号AD5933；电源转换芯片7可选用型号LM1117。

如图2，为生物电阻抗的四电极法测量原理。由于阻抗分析芯片5本身只提供二电极法测量，即从VOUT输出激励信号，从VIN接收响应信号。但是，生物电阻抗测量更适合用四电极法测量以克服皮肤接触阻抗的影响。为此，本发明采用基于改进Holland电路的二/四电极转换电路，使测量前端实现了四电极法测量，即采用一对激励电极提供激励电流，另一对测量电极来获取人体手掌上的压降。

如图3，本发明基于改进Holland电路的二/四电极转换电路10的结构是，阻抗分析芯片5的输出端Vout通过电阻R2与运放器U2A的反相端连接，运放器U2A的反相端通过并联的电阻R1、电容C1与运放器U2A的输出端连接，运放器U2A的输出端通过电阻R3、电阻R4反馈后与运放器U2A的同相端连接，U2A的同相端还通过电阻R6与3.3V电源电压连接，电阻R6与3.3V电源电压的接点还分别通过电容C6、电容C7接地运放器；U2A的输出端通过电阻R3后与运放器运放器U2B的反相端连接，从运放器运放器U2B的反相输入端和输出端各引出一个电极H_C和L_C作为激励电极，运放器U2B的一个接出端与3.3V电源电压连接，同时该接出端还分别通过电容C6、电容C7接地，运放器U2B的另一个接出端直接接地；运放器U2B的同相输入端通过电阻R5与3.3V电源电压连接，运放器U2B的同相输入端还通过并联的电阻R7、电容C4、电容C5接地，由此，运放器U2B的同相输入端经电阻R5和电阻R7分压得到VDD/2的电压；生物阻抗组织上压降信号通过测量电极H_V、L_V分别与仪表放大器U1的Vin-和Vin+连接，通过放大后将输出信号送到阻抗分析芯片5的Vin端口。

其中，运放器U2A及运放器U2B可选用型号OPA2335；仪表放大器U1可选用型号INA332。

图3中所有的器件均为单电源3.3V工作，改进的Holland电路采用两个OPA2335(运放器U2A、U2B)实现，它将阻抗分析芯片5发出的激励电压信号Vout转换为交流的恒流信号VIn。与现有的Holland电路有所不同的是，本发明利用另一个运放器U2B(OPA2335)将恒流源信号的电平抬升了VDD/2，转换后的多频率恒流源信号经过手掌，测量电极所测得的在手掌上产生的电压通过仪表放大器INA332，送至后端作AD转换处理。

图4中的手掌电极切换电路11用来对手掌五个手指A、B、C、D、E之间所构成的测量回路进行切换。图5为五个手指A、B、C、D、E两两之间所构成的10个测量回路，每个测量回路测量一次可获得从低频到高频若干个频率点的BIS数据。

图4中，本发明的手掌电极切换电路11包括五对电极(即EA1-EA2、EB1-EB2、EC1-EC2、ED1-ED2、EE1-EE2)，每一对电极为一个太极圆盘形状，分别对应手掌的一个手指。手掌电极切换电路11的电路连接关系是，包括与大拇指起数连续的四个手指相连接(即EA1-EA2、EB1-EB2、EC1-EC2、ED1-ED2)的四个继电器J1-J4，J1-J4的输出端分别与H_C，H_V连接；还包括与食指起数连续的四个手指相连接的(即EB1-EB2、EC1-EC2、ED1-ED2、EE1-EE2)四个继电器J5-J8，四个继电器J5-J8的输出端分别与L_V、L_C连接。继电器J1-J8均采用双刀双掷继电器，用来对取样手掌五个手指A、B、C、D、E两两之间所构成的10个测量回路进行切换，每个测量回路均可通过继电器开关使两个手指所对应的四个电极与二/四电极转换电路的H_C，L_C，H_V，L_V相连，从而实现了手指测量回路的四电极法测量。

图6为继电器控制电路9的连接结构是，通过两个大电流达林顿管芯片U3、U4(型号ULN2003A)分别驱动手掌电极切换电路11中的八个继电器。两个达林顿管芯片的输入端与单片机1的八个I/O串口P1.0-P1.7分别连接，两个达林顿管芯片的八个输出端分别与八个继电器连接，因此，单片机1的每个I/O串口可以单独控制一个继电器的通断。

本发明采用了单片机1、键盘和LCD液晶配合操作及显示，预先设置好起始频率、扫描点数和频率增量，由单片机1来发送各种控制命令，通过I2C信号来控制阻抗分析芯片5完成相应的操作。单片机1采用的是51内核的STC89LE516AD芯片，阻抗分析芯片5通过四电极法模拟前端并使用片内DSP计算出入体手掌的特性阻抗，单片机1通过I2C接口将其取回并作分析之后送LCD显示器6显示，最终完成对人体手掌阻抗模值和相位的扫频测量和分析，以达到生物特征识别的目的。另外本发明还采用跳线选择不同的反馈增益电阻，来实现多个区间段的阻抗信息的测量。

为了对手掌五个手指A、B、C、D、E两两之间所构成的10个回路进行测量，必须轮流切换八个继电器的开合，使两个手指的所对应的四个电极与二/四电极转换电路的H_C，L_C，H_V，L_V相连，实现了手指测量回路的四电极法测量，每个回路测量一次可获得从低频到高频若干个频率点的生物电阻抗频谱数据。八个继电器的切换方法和次序如表1所示：

表1  为实现10个回路测量所采取的继电器J1-J8的切换方法

测量实例：如图4所示，为了实现A、B手指之间的A-B回路阻抗的测量，根据表1，必须同时闭合继电器J1和J5。继电器J1的两个触点短路使H_C，H_V与电极对EA1和EA2相连，继电器J5的两个触点短路使L_C，L_V与电极对EB1和EB2相连，从而实现了手指A、B回路之间的四电极法测量。

图7所示为本发明的控制流程图，系统启动之后，进行初始化，等待通过键盘来设定测量参数，经确定之后，通过单片机1将参数命令写入阻抗分析芯片5的相应寄存器内，阻抗分析芯片5根据设定进行相应的阻抗测量，测量结果经过单片机1分析计算，最后通过I/O接口送液晶LCD进行显示。

图8为本发明装置进行阻抗测量的精度的测试，如图所示，在频率设定为10-100KHz范围内，反馈增益电阻1000欧姆，校准电阻1000欧姆的条件下，分别对1.997Kohm、4.665Kohm和9.977Kohm的电阻进行了测试，误差如图所示，基本上保持在0.5％以内，说明本装置具有很好的测试精度。

图9为本发明装置对不同人体手掌的阻抗测量随频率变化的曲线，实验中频率变化范围为10-100KHz，频率增量设为1KHz，分别对三个测试人员的手掌拇指与食指之间(A和B之间)的回路阻抗进行了测量，从图可以看出不同个体的阻抗频谱数据差异明显。本发明为今后的生物识别提供了可靠的测量装置和测量方法。

本发明用于生物特征识别的手掌生物电阻抗频谱测量装置，采用了高集成度的阻抗分析芯片，并使用信号放大电路和改进的Holland电路，进行压流转换，采用四电极法进行阻抗测量，测量精度高于阻抗分析芯片常规应用中的二电极法。集成阻抗分析芯片和相关的调理电路的应用不仅使设备的成本得到了有效的控制，而且在测试结果的精度上有良好的表现。使用外接的电池供电使得本发明体积小、不需要外接电源，容易便携等优点，跳线可以测量多个区间段的阻抗信息。为小型化、便携式生物特征识别仪器的研制提供了一种新的思路和很好的构建框架。

Claims (4)

1.一种用于生物特征识别的手掌生物电阻抗频谱测量装置，其特征在于，包括单片机(1)，单片机(1)分别与复位及时钟系统(2)、RS232串口(3)、键盘(4)、阻抗分析芯片(5)、LCD显示器(6)、电源转换芯片(7)、继电器控制电路(9)连接，电源转换芯片(7)与继电器控制电路(9)之间设置有5V的电源(8)；阻抗分析芯片(5)与二/四电极转换电路(10)连接，二/四电极转换电路(10)和继电器控制电路(9)分别与手掌电极切换电路(11)连接。

2.根据权利要求1所述的手掌生物电阻抗频谱测量装置，其特征在于，所述二/四电极转换电路(10)的结构是，阻抗分析芯片(5)的输出端通过电阻R2与运放器U2A的反相端连接，运放器U2A的反相端通过并联的电阻R1、电容C1与运放器U2A的输出端连接，运放器U2A的输出端通过电阻R3、电阻R4反馈后与运放器U2A的同相端连接，运放器U2A的同相端还通过电阻R6与3.3V电源电压连接，电阻R6与3.3V电源电压的接点还分别通过电容C6、电容C7接地；运放器U2A的输出端通过电阻R3后与运放器U2B的反相端连接，从运放器U2B的反相输入端和输出端各引出一个电极H_C和L_C作为激励电极，运放器U2B的一个接出端与3.3V电源电压连接，同时该接出端还分别通过电容C6、电容C7接地，运放器U2B的另一个接出端直接接地；运放器U2B的同相输入端通过电阻R5与3.3V电源电压连接，运放器U2B的同相输入端还通过并联的电阻R7、电容C4、电容C5接地；生物阻抗组织上压降信号通过测量电极H_V、L_V分别与仪表放大器U1的Vin-和Vin+连接。

3.根据权利要求1所述的手掌生物电阻抗频谱测量装置，其特征在于，所述手掌电极切换电路(11)包括五对电极，每一对电极为一个太极圆盘形状，该圆盘形状与手指的指端形状相适应；

手掌电极切换电路(11)的电路是，包括与大拇指起数连续的四个手指相连接的四个继电器J1-J4，继电器J1-J4的输出端分别与H_C，H_V连接；还包括与食指起数连续的四个手指相连接的四个继电器J5-J8，继电器J5-J8的输出端分别与L_V、L_C连接；

继电器J1-J8均采用双刀双掷继电器。

4.根据权利要求1所述的手掌生物电阻抗频谱测量装置，其特征在于，继电器控制电路(9)包括两个达林顿管芯片U3、U4，两个达林顿管芯片U3、U4的共八个输入端与单片机(1)的I/O串口P1.0-P1.7分别连接，两个达林顿管芯片U3、U4的共八个输出端分别与八个继电器J1-J8连接。

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