CN102781315B - 非侵入性分析骨组织的结构和化学成分并能消除周围组织的影响的方法和装置 - Google Patents

非侵入性分析骨组织的结构和化学成分并能消除周围组织的影响的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种非侵入性分析骨组织的结构和化学成分并能消除周围组织的影响的方法和装置。该方法在于使用接触被分析的骨骼(优选长骨)周围的组织放置的至少四个电极(1、2、3、4、5、6、7、8)的系统，使用屏蔽电极(7、8)建立屏蔽电位分布。测量电流注入电极(1、2)迫使测量电流穿过被分析的骨骼的内部。同时，屏蔽电极(7、8)使穿过被分析的骨骼周围的组织的测量电流几乎降低到零。然后，测量电流注入电极(1、2)的测量电流和电位，以及测量电流注入电极(1、2)与测量电流之间的相位差。基于测得的电气值，评价骨组织的结构和化学成分。

Description

非侵入性分析骨组织的结构和化学成分并能消除周围组织的影响的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种分析骨组织的结构和化学成分并能消除周围组织的影响的方法和装置，尤其是使用生物阻抗测量法分析长骨的海绵状部分的结构和化学成分。
背景技术
分析骨骼的结构和化学成分的已知技术在于采用X射线或分析超声回波扫描。利用X射线的技术的区别特点是特异性很好，并且在双能X射线光密度测量(吸光测量)法的情况下，灵敏度达到95％的水平，但是该方法比较耗时，并且麻烦/不方便。该方法包括把患者暴露在X射线的有害影响下并且需要使用昂贵的大型设备。超声波方法基于骨骼的机械性能的测量，并不能精确反映结构和化学成分，因而是不可靠的。
英国专利GB2449226描述了一种分析骨骼结构的方法，该方法涉及使用设有两个测量电极的装置的生物阻抗光谱的测量。该方法在于：使用发生器生成至少一个确定波形的标准信号，通过周围组织、皮肤和肌肉把该信号施加到骨组织，然后使用相同的电极，把电响应引导到测量系统，所述电响应为流经被分析的组织的电流引起的电位差。该系统生成了与骨组织结构有关的数据。
该装置由两个连接至发生器的电极和用计算机生成输出数据监测测量电路的电响应的系统组成，所述发生器可变换并任意选择标准交变电流信号。两个电极同时用于提供电流和监测与骨组织密度有关的响应。该方法能够进行快捷、非侵入并无损伤的生物阻抗测量。然而，该方法不能提供从生物阻抗信号单独识别描述骨组织尤其是海绵状部分组织的电参数的信息的可能性，而这些组织正是上述解决方案的发明人试图分析的对象。该方法不能识别出绝大多数的测量电流流经骨骼周围的组织，即，肌肉、脂肪组织和皮肤，这种情况下，这些周围的组织从诊断的角度来看无关紧要。另外，该方法没有补偿以高阻抗为特征的外骨表面的屏蔽效应，这种屏蔽效应可能会显著降低流经内骨结构的测量电流。
发明内容
本发明的一个方法包括至少四个电极的系统，所述电极置于覆盖被分析的骨骼(优选长骨)周围的软组织的皮肤上，屏蔽电极建立了屏蔽势场，测量电流注入电极迫使测量电流穿过被分析的骨骼。同时，屏蔽电极使穿过被分析的骨骼周围的软组织的测量电流几乎降低到零。测量电流、电位响应以及电位响应和测量电流之间的相位差在注入电极测量。接着，基于测得的电参数测定骨骼的结构和化学成分。
有利地，使用注入电极把穿过周围组织的测量交变电流引导到被分析的骨骼，同时，在屏蔽电极建立被分析的骨骼周围的组织内部的交变屏蔽电位，然后，在测量电流注入电极，测量由于测量电流的流动产生的电位，并评价测得的电位差，维持屏蔽电位的值，并将其动态调整到与测量电流注入电极测得的电位成比例的水平。
同样有利地，测量期间，注入的测量电流频率至少变化一次，同时，对于每个注入的测量电流频率，测量测量电流注入电极的测量电流和电位。
有利地，用附加电极测量由测量电流产生的电位，而使用探查电极在测量点测量被分析的骨骼周围的组织内部的实时屏蔽电位。另外，在屏蔽电极处屏蔽电位屏蔽建立的方式和/或测量电流提供给测量电流注入电极的方式是这样的，使得每个附加电极的电位与最靠近其放置的探查电极的电位成比例，同时，每个附加电极靠近不同的注入电极放置，每个探查电极靠近不同的屏蔽电极放置。已经发现，每个附加电极的电位等于最靠近其的探查电极的电位是极其有利的。
本发明的装置包括使计算机和设有键盘和显示器的微处理器控制系统通信的接口，所述微处理器控制系统并联连接至具有相敏检测器的高灵敏度前置放大器组件和实现动态屏蔽的系统，以及至少两个电极连接至实现动态屏蔽的系统。
有利地，实现动态屏蔽的系统连接至用于测量由于测量电流产生的电位的两个电极、两个探查电极和两个屏蔽电极。
有利地，探查电极和置于探查电极之间的屏蔽电极均置于测量电极子系统的第一对电极和第二对电极之间，所述第一对电极包括测量电流注入电极和用于测量由于测量电流产生的电位的电极，所述第二对电极包括测量电流注入电极和用于测量由于测量电流产生的电位的电极。
已经发现，极其有利的是，第一测量电流注入电极置于抱持受试者邻近鹰嘴的腕部的夹具上，第二测量电流注入电极置于护肘上，测量由于测量电流产生的电位的第一电极置于抱持腕部的夹具上的电极的对面，测量由于测量电流产生的电位的第二电极置于抱持邻近肘部的手臂的夹具上，而测量探查点的电位的电极以及建立屏蔽电位的注入电流的电极置于抱持前臂中部的带子上，并且电极的形状为环形或部分开口的环形。
有利地，第一测量电流注入电极置于抱持受试者邻近鹰嘴的腕部的夹具上，第二测量电流注入电极置于护肘上，而屏蔽电极置于抱持前臂中部的带子上，并且电极的形状为环形或部分开口的环形。
有利地，电极为肢体夹电极，第二测量电流注入电极为装置外壳的组成部分。
可以理解，本发明的方法可利用包括两个电极组的测量系统消除被分析的骨骼周围的组织的影响，所述两个电极组为一组测量电极和一组屏蔽电极。使用置于皮肤之上的测量电极组将测量电流注入到被分析的系统，该测量电极组同时被用来测量注入电流引起的电位差，该被分析的系统包括被不同类型组织包围的骨组织。
附加的屏蔽电极组包括至少两个电极，其在组织中产生附加的电位以减少通过被分析的骨组织周围的组织的电流。使用可提供最佳测量条件的电子反馈系统动态控制该附加电极，最佳测量条件是指使流过从诊断的角度来看无关紧要的组织的寄生电流最小化。动态屏蔽迫使测量电流流过骨骼的海绵状部分，以测定其电参数。
事实上，表面骨骼层的高阻抗使得用两个电极的方法不可能精确测量内骨部分的生物电参数，使用动态屏蔽时，有效地阻止了屏蔽电流对测量结果的不利影响。另外，本发明用于测定骨组织结构和化学成分的方法能快速并准确地测定结构和化学成分，尤其是海绵状骨的矿化程度，这对骨质疏松和骨骼减少的诊断意义重大。与其他现在使用的方法相比，本发明的方法能消除骨组织周围的组织对测量结果的影响。
也可以理解，本发明提供了生产包括电极系统的便携式装置的可能，所述电极系统可置于受试者的身体以及小型电池供电的测量装置之上，所述测量装置可通过有线或无线连接提供电绝缘的方式连接至个人计算机。
附图说明
下面将参考附图，对实施本发明的方法和装置的例子进行描述，其中：
图1显示了用于测定被分析的骨骼的结构和化学成分的装置的示意图；
图2显示了前臂上的电极分布；
图3至图5显示了使用8个电极进行分析的骨骼的截面示意图：
图3显示了被分析的骨骼的密度，
图4显示了测量电流和屏蔽电位产生的电流的方向，
图5显示了测量电流和屏蔽电位产生的电流的密度。
附图中的符号
1、测量电流注入电极
2、测量电流注入电极
3、测量由于测量电流产生的电位的电极
4、测量由于测量电流产生的电位的电极
5、探查电极
6、探查电极
7、屏蔽电极
8、屏蔽电极
9、与附加的计算机协作的接口
10、用相敏检测器连接的高灵敏度前置放大器组件
11、实现动态屏蔽的系统
12、设有键盘和显示器的微处理器控制系统
13、产生测量电流的组件
Ip-测量电流
Ie-屏蔽电流
HB-硬骨
SB-海绵状骨
具体实施方式
实施例1
能消除周围组织的影响的非侵入性分析骨组织的结构和化学成分的方法，在于生成了交变的测量电流Ip，该电流通过测量电流注入电极1、2提供给被分析的骨骼周围的组织；同时，在屏蔽电极7、8建立交变屏蔽电位，迫使测量电流Ip流过被分析的骨骼。动态调整屏蔽电位的值，将其维持在与在测量电流注入电极1、2测得的电位成比例的水平。测量期间，该注入的测量电流频率在250Hz至250kHz的范围内以相同的间隔至少改变九次。测量十个注入测量电流频率每一个频率下的测量电流注入电极1、2的电位、测量电流Ip的值以及测量电流注入电极1、2与测量电流Ip之间的相位差。基于测得的电气值，评价骨组织的结构和化学成分。
实施例2
按照实施例1实施能消除周围组织的影响的非侵入性分析骨组织的结构和化学成分的方法，不同之处在于，用测得测量电流3、4产生的电位的电极测量由于测量电流Ip而产生的电位，同时，用探查电极5、6测量探查点的电位。注入的电信号频率改变七次。测量八个注入测量电流Ip频率每一个频率下测得测量电流3、4产生的电位的电极的电位、测量电流Ip的值以及测得测量电流3、4产生的电位的电极与测量电流Ip之间的相位差。基于测得的电气值，评价骨组织的结构和化学成分。
实施例3
非侵入性分析骨组织的结构和化学成分的装置包括设有键盘和显示器12的微处理器控制系统，所述显示器12连接至与计算机9通信的接口。所述设有键盘和显示器12的微处理器控制系统连接至测量电流生成组件13，所述组件13连接至两个测量电流注入电极1、2。具有相敏检测器10的高灵敏度前置放大器组件和屏蔽包括快速前置放大器以及快速输出放大器的实现动态屏蔽的系统11并联连接至与计算机9通信的接口和设有键盘和显示器12的微处理器控制系统。两个屏蔽电极7、8连接至实现动态屏蔽的系统11。
实施例4
与实施例3相同的非侵入性分析骨组织的结构和化学成分的装置，不同之处在于，用于测量由于测量电流3、4产生的电位的两个附加电极以及两个探查电极5、6连接至实现动态屏蔽的系统11。构成屏蔽电极子系统的探查电极5、6和屏蔽电极7、8置于测量电极子系统的第一对电极和第二对电极之间屏蔽，所述第一对电极包括测量电流注入电极1和用于测量由测量电流3产生的电位的电极，所述第二对电极包括测量电流注入电极2和用于测量由测量电流4产生的电位的电极。在所述屏蔽电极子系统中，屏蔽电极7、8置于探查电极7、8之间。
实施例5
与实施例4相同的非侵入性分析骨组织的结构和化学成分的装置，不同之处在于，测量电流注入电极1置于抱持邻近鹰嘴的腕部的夹具上，测量电流注入电极2置于护肘上，用于测量由测量电流3产生的电位的电极置于该抱持腕部的夹具上的电极1的对面，用于测量由测量电流4产生的电位的电极置于抱持邻近肘部的手臂的夹具上，而探查电极5、6以及屏蔽电极7、8置于抱持前臂中部的带子上。电极7、8的形状为部分开口的环形。
实施例6
与实施例3相同的非侵入性分析骨组织的结构和化学成分的装置，不同之处在于，测量电流注入电极1置于抱持邻近鹰嘴的腕部的夹具上，测量电流注入电极2置于作为装置外壳的组成部分的护肘上。屏蔽电极7、8的形状为部分开口的环形，并且电极1、7、8为肢体夹电极。
系统以这样的方式操作：用两个子系统的电极1、2、7、8接触被分析的骨组织的周围的组织测得测量电流Ip和测量电流注入电极1、2的电位以及测量电流注入电极1、2和测量电流Ip之间的相位差，所述两个子系统具有测量和屏蔽电极的功能。使用一对测量电流注入电极1和2注入测量电流Ip，使用一对电极测量由于测量电流3和4产生的电位，以及测量流经被分析的骨组织周围的组织的测量电流Ip产生的电位差。使用一对探查电极5和6测量建立的探查点的电位，并且使用一对屏蔽电极7和8注入建立屏蔽电位的电流。建立屏蔽电极7和8的位置使其置于测量反电位的测量电流3、4产生的电位的电极组之间。包含快速放大器的实现动态屏蔽的系统11用来获得组织中测量电流Ip的假定路径。
为了分析，选择骨骼其中硬骨HB包围填有骨髓的海绵状骨SB，优选长骨，在覆盖肌肉的皮肤上放置所有电极，包括探查电极5、6和屏蔽电极7、8的相互配置，所述探查电极5、6和屏蔽电极7、8在测量电流注入电极1、2以及测量反电位的测量电流3、4的电位的电极之间。
另外，以这样的方式选择骨骼使得：硬骨HB层的绝缘作用使得使用屏蔽电极7、8分析海绵状骨SB的组织时没有负面的影响，屏蔽。优选地，人体用来分析的最好的区域为前臂，其中，探查电极5、6和屏蔽电极7、8在前臂中部的形状为夹紧环，而测量电流电极1、2和测得测量电流3、4的电位的电极分别置于靠近腕部和肘部的邻近鹰嘴的皮肤上。
图4中箭头和线的方向对应流经被分析的组织的测量电流Ip和屏蔽电位产生的电流Ie的被分析的流动方向。箭头和线的方向和电流密度Ip、Ie(图5)清楚地显示了屏蔽电位迫使测量电流Ip流经被分析的骨组织，忽略其周围的组织；而由于外层的绝缘性质，屏蔽电位的电流Ie没有渗透其内部。图5中的灰色阴影标记了电流密度的值；较浅的阴影对应高的值，而较深的阴影对应低的值。
本发明的装置的灵敏度定义为：当被分析的骨组织的电参数变化了10％时，观察到的测得的电气相对变化值，所述灵敏度如表所示。
正如上表所示，本发明的分析骨组织的结构和化学成分的装置消除了周围组织的影响，其特征在于，具有甚至超出已知装置敏感度百倍的高敏感度。

Claims (15)

1.一种非侵入性分析骨组织的结构和化学成分并能消除周围组织的影响的方法，其中使用一组接触被分析的骨骼周围的组织放置的至少四个电极(1、2、3、4、5、6、7、8)，该方法包括：使用测量电流注入电极(1、2)迫使测量电流(Ip)穿过被分析的骨骼的内部，同时使用屏蔽电极(7、8)建立屏蔽电位以使得所述屏蔽电位将穿过被分析的骨骼周围的组织的测量电流(Ip)降低到实质为零；然后，测量所述测量电流(Ip)，测量测量电流注入电极(1、2)的电位，以及测量所述测量电流注入电极(1、2)的电位与所述测量电流(Ip)之间的相位差；接着基于测得的电流、电位以及相位差，评价骨组织的结构和化学成分；
其中所述方法包括，使用测量电流注入电极(1、2)把交变的测量电流(Ip)通过骨骼周围的组织间接提供给被分析的骨骼，同时，在屏蔽电极(7、8)建立被分析的骨骼周围的组织内部的交变屏蔽电位，然后，在测量电流注入电极(1、2)测量由测量电流(Ip)产生的电位并且评价各测得的电位之间的电位差，同时将所述屏蔽电位的值动态调整到与所述测得的电位成比例的水平。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在测量期间，改变所述测量电流(Ip)的频率至少一次，并且，对于每个电流频率，测量测量电流注入电极(1、2)的测量电流(Ip)以及电位。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：使用附加电极(3、4)测量由测量电流(Ip)产生的电位，而使用探查电极(5、6)在测量点测量被分析的骨骼周围的组织内部的实时屏蔽电位。
4.根据权利要求3所述的方法，包括：在所述屏蔽电极(7、8)上提供所述屏蔽电位，使得每个附加电极(3、4)的电位与最近的探查电极(5、6)的电位成比例，并且，每个附加电极(3、4)靠近不同的测量电流注入电极(1、2)放置，每个探查电极(5、6)靠近不同的屏蔽电极(7、8)放置。
5.根据权利要求3所述的方法，包括：向所述测量电流注入电极(1、2)提供所述测量电流(Ip)，使得每个附加电极(3、4)的电位与最近的探查电极(5、6)的电位成比例，并且，每个附加电极(3、4)靠近不同的测量电流注入电极(1、2)放置，每个探查电极(5、6)靠近不同的屏蔽电极(7、8)放置。
6.根据权利要求3所述的方法，包括：在所述屏蔽电极(7、8)上提供所述屏蔽电位和向所述测量电流注入电极(1、2)提供所述测量电流(Ip)，使得每个附加电极(3、4)的电位与最近的探查电极(5、6)的电位成比例，并且，每个附加电极(3、4)靠近不同的测量电流注入电极(1、2)放置，每个探查电极(5、6)靠近不同的屏蔽电极(7、8)放置。
7.根据权利要求4所述的方法，其中提供所述屏蔽电位使得每个附加电极(3、4)的电位等于最近的探查电极(5、6)的电位。
8.根据权利要求5所述的方法，其中提供所述测量电流(Ip)使得每个附加电极(3、4)的电位等于最近的探查电极(5、6)的电位。
9.根据权利要求6所述的方法，其中提供所述屏蔽电位和所述测量电流(Ip)使得每个附加电极(3、4)的电位等于最近的探查电极(5、6)的电位。
10.一种非侵入性分析骨组织的结构和化学成分并能消除周围组织的影响的装置，在其外壳中包括：微处理器控制系统，连接至与计算机通信的接口；与所述微处理器控制系统连接的测量电流生成组件；与所述测量电流生成组件连接的一对测量电流注入电极(1、2)；与屏蔽电位系统(11)连接的一对屏蔽电极(7、8)，其中所述屏蔽电位系统(11)用于向所述屏蔽电极(7、8)提供屏蔽电位，以使得所述屏蔽电位将穿过被分析的骨骼周围的组织的测量电流(Ip)降低到实质为零；以及包括连接至所述微处理器控制系统的设有相敏检测器(10)的高灵敏度前置放大器组件，其中所述相敏检测器(10)用于测量所述测量电流(Ip)，测量所述测量电流注入电极(1、2)的电位，以及测量所述测量电流注入电极(1、2)的电位与所述测量电流(Ip)之间的相位差。
11.根据权利要求10所述的装置，还包括连接至所述屏蔽电位系统的两个探查电极(5、6)。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述探查电极(5、6)和位于所述探查电极(5、6)之间的屏蔽电极(7、8)置于测量电极子系统的第一对电极子系统和第二对电极子系统之间，所述第一对电极子系统包括第一测量电流注入电极(1)和用于测量由测量电流(3)产生的电位的第一电极，所述第二对电极子系统包括第二测量电流注入电极(2)和用于测量由测量电流(4)产生的电位的第二电极。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一测量电流注入电极(1)置于抱持被分析的受试者邻近鹰嘴的腕部的夹具上，所述第二测量电流注入电极(2)置于护肘上，测量由测量电流(3)产生的电位的第一电极置于抱持腕部的夹具上的电极(1)的对面，测量由测量电流(4)产生的电位的第二电极置于抱持邻近肘部的手臂的夹具上，而测量探查点的电位的探查电极(5、6)以及建立屏蔽电位的屏蔽电极(7、8)置于抱持前臂中部的带子上，并且所述屏蔽电极(7、8)的形状为环形或部分开口的环形。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述第一测量电流注入电极(1)置于抱持被分析的受试者邻近鹰嘴的腕部的夹具上，所述第二测量电流注入电极(2)置于护肘上，而所述屏蔽电极(7、8)置于抱持前臂中部的带子上，并且所述屏蔽电极(7、8)的形状为环形或部分开口的环形。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其中所述第一测量电流注入电极(1)、所述第一电极(3)、所述第二电极(4)、所述探查电极(5、6)以及所述屏蔽电极(7、8)为肢体夹电极，并且所述第二测量电流注入电极(2)为装置外壳的组成部分。
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