CN100488449C - 控制电极间电阻率从而改善测得的电生物信号的质量 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电极阵列，用于测量对象生物组织中的电学活动，包括电极支撑，安装在电极支撑上的一组电极，以及具有给定的电阻率用于控制该组电极之间的电阻率的电极间导电介质。另外，一种控制电极阵列中电极间电阻率的方法，包括设置在该组电极间具有给定电阻率的电极间导电介质，以及通过此电极间导电介质互连该组电极由此控制电极间的电阻率。按此方式，在该组中至少一个电极与对象生物组织之间的电性接触较差时，通过电极间导电介质在此电极上产生对象生物组织中电学活动的评价，此评价为通过对象生物组织中的电学活动产生在该组中附近电极上的电势的平均值。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制电极间电阻率的方法并且涉及一种具有通过此方法控制的电极间电阻率的电极阵列。
背景技术
目前的技术使用电极测量对象的生物组织，例如肌肉中的电学活动。每个电极是暴露的或单独覆盖以导电介质，同时在电极之间保持尽可能最高的电阻率。
使用电极阵列从例如肌肉测量电学信号要求至少一个信号电极和一个参考电极，经导电介质与对象生物组织相接触，从而产生的经定义的肌肉相关电势。若电极处于导电性差的介质中，例如失去了与生物组织的接触并隔离在空气中，其将传送一个电容干扰占主导的未经定义的电势；电极则将起到近似于天线的作用。导电介质可以包括任何电解质或导电物质/材料。这种未经定义的电势仍会表现出比共态噪声水平更高的幅度，并且会被作为反应对象肌肉的电学活动的有效信号而误包括在信号处理中。
阵列的一个电极与对象生物组织之间导电性差的介质或缺少导电介质将导致平衡“半电池电势”的损失和该电极电势相对于阵列中保持与生物组织接触的另一电极上电势的变化；更加具体而言，DC电势将变化。另外，一个电极与生物组织接触的损失增加了电极阻抗并且还使得电极对于电容感应干扰更加敏感。结果，阵列各个电极的电势将根据这些电极保持或失去与对象生物组织的接触而不同。精确的测量要求消除DC分量或消除具有DC偏压的信道。偏压问题主要影响第一放大级，其使得在较大DC水平的情况下不得不产生有限的增益。
目前，通过利用网/基质覆盖用于测量对象生物组织中电学活动的电极阵列来改善信号质量的可行性占主导地位。
然而，尚无方法/技术已知或目前已用于控制电极阵列的电极间电阻率，用来改善测得的关于对象生物组织电学活动的信号的质量。电极阵列中电极间电阻率的控制使得通过消除由于电极与组织间较差的接触导致的伪信号影响/干扰而改善了信号质量。
发明内容
根据本发明，提供一种控制包括一组用于测量对象生物组织的电学活动的电极阵列中电极间电阻率的方法，包括设置在该组电极间具有给定电阻率的电极间导电介质，以及通过此电极间导电介质互连该组电极由此控制电极间的电阻率。
本发明还涉及一种电极阵列，用于测量对象生物组织中的电学活动，包括：
电极支撑；
安装在电极支撑上的一组电极；以及
具有给定的电阻率用于控制该组电极之间的电阻率的电极间导电介质。
另外，根据本发明，提供一种电极阵列，用于测量对象生物组织中的电学活动，包括：
具有远端部的导管；
安装在导管远端部上的一系列电极；以及
具有给定的电阻率用于控制该系列电极之间的电阻率的电极间导电介质。
按此方式，在该组中至少一个电极与对象生物组织之间的电性接触较差时，通过电极间导电介质在此电极上产生对象生物组织中电学活动的评价。此评价由通过对象生物组织中的电学活动产生在该组中附近电极上的电势的平均值构成。
根据非限制性的示范实施例，电极之间的电极间导电介质可以包括参考电极。
通过阅读以下参照附图仅以示例方式给出的对本发明示范实施例的非限制性介绍将使本发明的上述和其它目的、优点及特征变得更加明显易懂。
附图说明
图1为根据本发明的电极阵列的示例性实施例的导管形成部分的截面图，此截面图是沿图3的线1-1截取的；
图2为图1的导管的近端截面的侧视图；
图3为图1和2的导管的远处自由端截面的侧视图，其上安装一系列的电极；
图4为示出根据本发明的电极阵列的示例性实施例的电极的照片，其利用电极间导电介质掩埋；以及
图5为示出使用参考放大器和数字微分法从电极阵列获取的信号的图像，左侧为现有技术而右侧为根据本本发明的技术。
具体实施方式
现在将参照附图介绍根据本发明的电极阵列的非限制性示范实施例。
本发明的非限制性示范实施例将关于检测对象横隔膜的肌电图(EMG)活动的电极阵列应用来介绍。因此，在本示范实施例中，生物组织为对象横膈膜附近的组织。然而，应记住本发明不限于此特定应用，并且也可用于检测对象身体的肌电图或非肌电图的其它类型的电学活动。
电极阵列示范实施例的结构
电极阵列的示范实施例包括作为电极支撑的食道导管10(图1至3)。食道导管10将能够通过对象的食管插入电极阵列并在对象的横膈膜附近定位电极。
如图1的截面图中所示，食道导管10包括由聚氨酯(TecoflexTM)制成的管子11，其包括四个(4)纵向内腔12至15。聚氨酯管11的内腔包括：
用于为对象供食的较大直径内腔12(最终会增加额外的内腔用于排气)；
电引线通过其中的较小直径内腔13；以及
两个(2)用于在压力下供或排气的较小直径的压力内腔14和15。
图2示出了食道导管10的近端部16。如图2所示，压力内腔15开始于胃部压力接头17，而压力内腔14开始于食道压力接头18。穿过内腔13的电引线19开始(电性连接)于电接头20，用于连接信号处理设备。最后，供食接头21连接于较大直径内腔12。
图3示出了导管10的远自由端部22。
去除穿过内腔13的引线19的自由端部的绝缘层。每根引线19的未绝缘自由端部穿过从内腔13的内表面延伸至聚氨酯管11的外表面(导管10的外表面)的小孔，从而暴露出引线19的此未绝缘自由端部于导管10外侧。每根引线19的暴露的未绝缘自由端部随后缠绕在聚氨酯管11的外表面周围至少一圈，由此形成一系列电极23中的至少一个电极。
导管10包括一系列沿纵向隔开的小孔，每个从内腔13的内表面延伸至聚亚胺酯管11外表面。引线19的未绝缘的各自由端部穿过从内腔13的内表面延伸至聚氨酯管11的外表面各自的纵向隔开的孔，而引线19的暴露的未绝缘的自由端部缠绕在管11的外表面周围至少一圈，从而形成一系列沿纵向隔开的电极23。如图3所示，每对相互邻近的电极23之间的纵向间隔可以是固定的(固定的电极间距离)。
一系列电极23可以包括接地/参考电极。
电引线19可以由涂以Teflon的不锈钢制成；然而可以使用诸如银、金、铜的其它引线材料。另外，引线绝缘可以由任何其它适合的电绝缘材料制成。
在另一种电极设计中，多根引线(绝缘或非绝缘)19可以穿过导管10中独立的内腔。另外，电极23将利用通过聚氨酯管11壁的孔暴露电引线的每个裸露端部来获得。引线19将仍在电极23与第一放大器级(未示出)之间电性且独立地绝缘。
胃部的24和食道部的25可膨胀气囊沿纵向在导管10上隔开并位于一系列电极23的各个相对侧。气囊24和25由医用级聚氨酯制成，并通过Hydromed D3商标下销售的亲水医用级聚氨酯安装和固定于导管10。
诸如26的孔从压力内腔15内延伸至胃部气囊24内，从而使得能够通过压力内腔15和压力接头17膨胀和缩小此胃部气囊24。按相同的方式，诸如27的孔从压力内腔14内延伸至食道部气囊25内，从而使得能够通过压力内腔14和压力接头18膨胀和缩小此食道部气囊25。工作中，胃部24和食道部25气囊缩小从而插入和移出食道导管10。插入导管后，胃部24和食道部25气囊膨胀从而相对于例如对象的横膈膜固定地定位一系列电极23，从而进行目标横膈膜EMG活动的测量。
最后，诸如28的一系列沿纵向隔开的孔在胃部气囊24与导管10的自由端29之间从较大直径的内腔12的内表面延伸至聚氨酯管11的外表面。孔28将使得能够通过接头21(图2)、较大直径的内腔12(图1)和一系列纵向隔开的孔28(图3)为对象供食。
涂层
电极间导电介质可以由导电材料形成，诸如半导体、吸水材料、碳化材料、含液材料、电解质等。导电材料的选择部分地依赖于电极23是否将经历润湿或干燥环境。例如，若亲水和吸水材料适用于潮湿环境，而水凝胶更适合干燥环境。半导体聚合物和碳化的、按其它方式制成的导电材料在两种环境下都可以使用。
在本示范实施例中，导管10的聚氨酯管11以及电极23的外表面首先涂以第一层亲水医用级聚氨酯(HydroMedTM D3，含50％水)，从而将电极23固定在聚氨酯管11的外表面上。第二层亲水医用级聚氨酯(HydroMedTM640，含90％水)涂覆于第一层HydroMedTM D3，从而提供与周围介质的光滑界面。图4的照片示出了埋入此双涂层中的电极23，形成上述具有给定电阻率电极间导电介质，用于控制一些列电极23之间的电阻率。
本领域技术人员将理解，聚氨酯管11和电极23的外表面的涂层可以是由HydroMedTM D3(含50％水)和HydroMedTM 640(含90％水)以外的任何适合的医用级材料制成的单层涂层或多层涂层。
另外，上述接地/参考电极可以是电极23中之一，其可以集成在电极间导电介质中或，更加简单地，甚至通过此电极间导电介质形成。
图5示出了使用参考放大器和数字微分法从电极阵列获得的信号，左侧为现有技术(老技术)而右侧为根据本发明的技术(新技术)。
图5中，一系列电极23由对象横膈膜附近的组织围绕。根据现有技术(老技术)，在电极2至8(形成部分的系列电极23)未以电极间导电介质覆盖时，当经历不可控DC偏压时信道Ch4(电极4和5)和信道Ch5(电极5和6)必须关闭。利用本发明的技术(新技术)，电极4、5和6以电极间导电介质(由灰色区域示出)覆盖；按此方式，避免了DC偏压且沿电极阵列的所有信道都保持了信号。
电极阵列示范实施例的工作
在电极阵列的示范实施例中：
电极系列由具有第一电阻率的材料制成；
生物组织具有第二电阻率；
电极间导电介质由具有明显高于第一电阻率的第三电阻率的材料制成；此第三电阻率位于对象生物组织的第二电阻率附近的范围内。由于电极间导电介质不应起到短路作用，第三电阻率与对象生物组织的第二电阻率相比将不会太低；第三电阻率甚至可以比第二电阻率稍高。
在电极失去与患者组织的接触时，由高阻抗源产生了传导干扰。电极23之间合理的电导会在此干扰中中和。在一个或多个电极23与对象组织之间的接触较差，但至少一个电极23(和参考/接地电极，若未涂以电极间导电介质)表现出与对象组织良好接触时，电极间导电介质仍通过控制电极23间的电阻率提供失去接触的电极上的经定义的信号电势，其反映的是附近电极上的信号电势的平均值，而电容和/或电感干扰得到了控制。
换言之，工作中，在一系列中的至少一个电极23与对象生物组织之间的接触较差时，电极间导电介质形成了在此至少一个电极上产生生物组织中电学活动的评价的方法，此评价由通过对象生物组织中电学活动产生于一系列中的附近电极23上的电势的平均值构成。
按此方式，对于对象生物组织保持接触的和失去与此生物组织的廉洁的电极间电压变化最小。
优点
除其它以外，根据本发明的电极阵列的示范实施例表现出以下优点：
在失去一个或多个电极与对象组织之间的接触时电极阵列限制干扰；
其防止了未或较差接触患者组织的电极引入信号干扰而是以对关注区域/范围中的信号活动的评价替代干扰；
其使得可以测量非常低的信号频率；
其防止参考/接地的损失，因为电极间导电介质延伸到包括参考/接地电极在内的整个电极系列上；
其通过建立稳定的界面环境最小化了电感或其它属性的干扰；
涂层(电极间导电介质)封闭了边缘和突出部分，从而降低了组织发炎和/或损伤的风险。诸如亲水聚合物和水凝胶的光滑涂层材料降低了与组织的摩擦，且便于穿过例如食道设置电极阵列；以及
其使得可以增加第一差分放大器级的增益。
尽管本发明已经通过非限制性的示范实施理解在前面的说明中介绍，此示范实施例可以根据需要在所附权利要求的范围内而不脱离本发明的性质和实质地进行改动。
Claims (25)
1.一种电极阵列，包括：
电极支撑；
安装在电极支撑上的一组电极，用于测量对象生物组织中的电学活动；以及
具有给定的电阻系数用于在电学活动测量期间控制该电极组电极之间的电阻系数从而改善所述电学活动测量的电极间导电介质，所述电极间导电介质包括由第一层导电材料和第二层光滑导电材料形成的涂层，该第一层导电材料涂于电极组以及电极间的电极支撑，该第二层光滑导电材料涂于所述第一层导电材料，以提供与对象生物组织的光滑界面。
2.如权利要求1所限定的电极阵列，其中在该电极组中至少一个电极与对象生物组织之间的电性接触较差时，电极间导电介质形成了用于在所述至少一个电极上产生对象生物组织中电学活动的评价的方式，所述评价为通过对象生物组织中的电学活动产生在该电极组中附近电极上的电势的平均值。
3.如权利要求1所限定的电极阵列，其中电极间导电介质形成参考电极。
4.如权利要求1所限定的电极阵列，其中：
该组电极由具有第一电阻率的材料形成；以及
电极间导电介质具有明显高于第一电阻率的第三电阻率。
5.如权利要求4所限定的电极阵列，其中：
对象生物组织具有第二电阻率；以及
电极间导电介质的第三电阻率处于第二电阻率附近的范围内。
6.如权利要求1所限定的电极阵列，其中该涂层的导电材料从由半导体、吸水材料、亲水材料、碳化材料、含液材料、电解质构成的组中选取。
7.如权利要求1所限定的电极阵列，其中电极阵列为电极的线性阵列。
8.如权利要求1所限定的电极阵列，其中所述电极间导电介质包括多层涂层。
9.一种电极阵列，包括：
具有远端部的导管；
安装在导管远端部上的一系列电极，用于测量对象生物组织中的电学活动；以及
具有给定的电阻系数用于在电学活动测量期间控制该系列电极的电极之间的电阻系数从而改善所述电学活动测量的电极间导电介质，所述电极间导电介质包括由第一层导电材料和第二层光滑导电材料形成的涂层，该第一层导电材料涂于系列电极的电极中以及电极间的导管，该第二层光滑导电材料涂于所述第一层导电材料，以提供与对象生物组织的光滑界面。
10.如权利要求9所限定的电极阵列，其中在该系列电极中至少一个电极与对象生物组织之间的电性接触较差时，电极间导电介质形成了用于在所述至少一个电极上产生对象生物组织中电学活动的评价的方式，所述评价为通过对象生物组织中的电学活动产生在该系列电极中附近电极上的电势的平均值。
11.如权利要求9所限定的电极阵列，其中电极间导电介质形成参考电极。
12.如权利要求9所限定的电极阵列，其中：
该系列电极由具有第一电阻率的材料形成；以及
电极间导电介质具有明显高于第一电阻率的第三电阻率。
13.如权利要求12所限定的电极阵列，其中：
对象生物组织具有第二电阻率；以及
电极间导电介质的第三电阻率处于第二电阻率附近范围内。
14.如权利要求9所限定的电极阵列，其中该涂层的导电材料从由半导体、吸水材料、亲水材料、碳化材料、含液材料、电解质构成的组中选取。
15.如权利要求9所限定的电极阵列，其中该系列电极具有固定的电极间距离。
16.如权利要求9所限定的电极阵列，其中：
导管包括外表面和绝缘电引线穿过其中的内腔；
电引线包括各自的非绝缘远端部；
导管的远端部包括从内腔延伸至导管外表面的一系列孔；以及
每根电引线的非绝缘远端部延伸通过各自的一个所述孔并随后缠绕在导管的外表面周围至少一圈从而形成该系列电极中的一个。
17.如权利要求9所限定的电极阵列，还包括安装在导管上该系列电极相应相反侧上的两个压力气囊，其中导管包括压力内腔，压力气囊通过该压力内腔进行膨胀从而关于对象生物组织固定地定位该系列电极。
18.如权利要求9所限定的电极阵列，其中：
导管包括外表面和多个内腔；
电极阵列包括分别穿过导管内腔的多根电引线；以及
每根电引线包括暴露在导管外表面上的非绝缘远端部从而形成该系列电极中的一个电极，所述电引线的非绝缘远端部通过从对应内腔延伸至导管外表面的孔暴露。
19.如权利要求9所限定的电极阵列，其中
第一层采用涂于该系列电极和电极间导管外表面两者的亲水医用级聚氨酯制成。
20.一种控制包括一组用于测量对象生物组织的电学活动的安装在电极支撑上的电极组中的电极间电阻系数的方法，包括：
将具有给定电阻系数的电极间导电介质涂覆至所述电极组的电极和电极组的电极之间的电极支撑；以及
通过所述电极间导电介质互连该电极组的电极从而在电学活动测量期间控制所述电极间的电阻系数，由此改善所述电学活动测量；
其中，对具有给定电阻系数的电极间导电介质进行涂覆包括涂覆具有第一层导电材料和第二层光滑导电材料的涂层，该第一层导电材料涂于电极组的电极和电极之间的电极支撑，该第二层光滑导电材料涂于所述第一层导电材料，以提供与对象生物组织的光滑界面。
21.如权利要求20所限定的方法，还包括，在该电极组中至少一个电极与对象生物组织之间的电性接触较差时，通过电极间导电介质在所述至少一个电极上产生对象生物组织中电学活动的评价，所述评价为通过对象生物组织中的电学活动产生在该电极组中附近电极上的电势的平均值。
22.如权利要求20所限定的方法，还包括在电极间导电介质内包括参考电极。
23.如权利要求20所限定的方法，其中：
该组电极由具有第一电阻率的材料形成；以及
所述方法包括设置具有明显高于第一电阻率的第三电阻率的电极间导电介质。
24.如权利要求23所限定的方法，其中：
对象生物组织具有第二电阻率；以及
所述方法包括将第三电阻率设置在第二电阻率附近的范围内。
25.如权利要求20所限定的方法，其中涂覆涂层包括涂覆从由半导体、吸水材料、亲水材料、碳化材料、含液材料、电解质构成的组中选取的材料的涂层。
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