CN103876738A - 基于频谱特性的生物阻抗测量探针、测量系统及方法 - Google Patents

基于频谱特性的生物阻抗测量探针、测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物阻抗测量领域，具体公开了一种基于频谱特性的生物阻抗测量探针、测量系统及方法。该测量探针包括基板和嵌入所述基板的至少六个电极，所述六个电极为第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极和第六电极，其中第一电极与第四电极或/和第二电极与第五电极或/和第三电极与第六电极相对设置，且在任意相对设置电极间激励，所述电极在基板上呈圆周阵列分布且至少有两个呈轴对称的电极对。因此本发明探针具有信号采集稳定、结构简单的特点。另外，本发明还提供了基于频谱特性的生物阻抗测量系统及方法，从而有效减少探针与测量组织间接触阻抗的影响，也提高了判断是否位于人或动物体组织交界处的准确性。

Description

基于频谱特性的生物阻抗测量探针、测量系统及方法
技术领域
本发明涉及生物阻抗测量领域，尤其是涉及一种基于频谱特性的生物阻抗测量探针、测量系统及方法。
背景技术
生物组织的阻抗频率特性，也被称为阻抗频谱（Impedance spectroscopy）特性，主要是指生物组织电阻抗中，阻性和容性成分的值随着加载电信号的频率不同会发生较显著地变化。由于生物阻抗与测量频率密切相关，在音频范围内，其阻抗随频率的变化特性与其细胞形态结构、细胞的排列方式、细胞间质含量及电解质浓度密切相关。因而获取这一频段的组织或器官的电阻抗特性在了解组织的状态、评估器官功能、病变组织识别等方面均有重要地应用价值，并且在健康状态评估、疾病的早期诊断、药物疗效监测与危重疾病监测等领域也有着诱人的发展前景。
现代技术已实现将安全电流通过电极流过生物组织，用于实现测量病人组织阻抗检测或监控某些病理或生理状况，其中生物组织可为乳腺、宫颈等组织。例如：当通过设有电极的探针进行宫颈癌筛查时，在阻抗谱中能很好地分辨出两种主要的正常组织：鳞状上皮组织和柱状组织。由于癌变前组织的阻抗谱位于正常鳞状上皮组织和柱状组织的阻抗谱之间，因而如果将探针放置在这两种组织交界处的子宫腔附近时，所测阻抗可能看起来像癌变前组织。由此，探针放置的位置是影响测量的重要因素，如：探针放置的位置不当可导致错误的阳性结果。随着医疗技术的发展，越来越要求能设计一种信号采集更稳定、采集方式多样以及利于后续分析的测量探针。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种信号采集稳定、结构简单以及基于频谱特性的生物阻抗测量探针，包括基板和嵌入所述基板的至少六个电极，所述六个电极为第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极和第六电极，其中第一电极与第四电极或/和第二电极与第五电极或/和第三电极与第六电极相对设置，且在任意相对设置电极间激励，所述电极在基板上呈圆周阵列分布且至少有两个呈轴对称的电极对。
优选地，所述电极的表面均分别与所述基板面齐平，且相邻电极间间距相等。
优选地，所述相对设置的电极间的圆周角为180°。
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种信号采集稳定、避免接触阻抗的影响的基于频谱特性的生物阻抗测量探针的测量系统，所述测量系统包括：
探针，所述探针包括基板和嵌入所述基板的至少六个电极，所述六个电极为第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极和第六电极，所述电极在基板上呈圆周阵列分布且至少有两个呈轴对称的电极对；
用于相对设置的第一电极与第四电极间、第二电极与第五电极间以及第三电极与第六电极间激励的N个不同频点fi的激励源，其中i=1、2、3……N；
用于测量第二电极与第三电极间第一电参数D1i和第五电极与第六电极间第二电参数D2i、第三电极与第四电极间第三电参数D3i和第一电极与第六电极间第四电参数D4i、第四电极与第五电极间第五电参数D5i和第一电极与第二电极间第六电参数D6i的信号采集电路；
控制所述至少六个电极与激励源、信号采集电路通断的多选开关系统；
用于将三组电参数为D1i和D2i、D3i和D4i、D5i和D6i记录、存储以及逻辑判断后统计分析成生物阻抗谱曲线的频谱分析仪。
优选地，所述电极的表面均分别与所述基板面齐平，且相邻电极间间距相等。
优选地，所述相对设置的电极间的圆周角为180°。
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种信号采集稳定、避免接触阻抗的影响的基于频谱特性的生物阻抗测量探针的测量系统的测量方法，该测量方法具体步骤如下：
S1：将测量探针放置于生物组织，且相互之间面接触；
S2：在测试频率范围为fm～fn间选取N个频点，并选取频点为fi∈[fm,fn]的激励源，其中i=1、2、3……N，fm<fn；
S3：当i=1时fi=f1，通过多选开关系统控制频点为f1的激励源分别依次在相对设置的第一电极与第四电极间、第二电极与第五电极间以及第三电极与第六电极间激励；
S4：通过信号采集电路分别相对应的采集第二电极与第三电极间第一电参数D1i和第五电极与第六电极间第二电参数D2i，第三电极与第四电极间第三电参数D3i和第一电极与第六电极间第四电参数D4i，第四电极与第五电极间第五电参数D5i和第一电极与第二电极间第六电参数D6i；
S5：存储并记录所得三组电参数，且分别为D1i和D2i，D3i和D4i，D5i和D6i；
S6：当i≤N时，i=i+1并重复步骤S3至步骤S5；
S7：将所测量所得的N个第一电参数D1i和N个第二电参数D2i、N个第三电参数D3i和N个第四电参数D4i以及N个第五电参数D5i和N个第六电参数D6i分别通过经统计分析得到三对生物阻抗谱曲线；
S8：运用加权法对三对生物阻抗谱曲线分析并确定是否不同类生物组织。
优选地，在N个不同频点fi下对第一电极与第四电极间激励时，测得第二电极与第三电极间N个第一电参数D1i经统计分析得到曲线a，也测得第五电极与第六电极间N个第二电参数D2i经统计分析得到曲线b，从而曲线a和曲线b构成第一对生物阻抗谱曲线。
优选地，在N个不同频点fi下对第二电极与第五电极间激励时，测得第三电极与第四电极间N个第三电参数D3i经统计分析得到曲线c，也测得第一电极与第六电极间N个第四电参数D4i经统计分析得到曲线d，从而曲线c和曲线d构成第二对生物阻抗谱曲线。
优选地，在N个不同频点fi下对第三电极与第六电极间激励时，测得第四电极与第五电极间N个第五电参数D5i经统计分析得到曲线e，也测得第一电极与第二电极间N个第六电参数D6i经统计分析得到曲线f，从而曲线e和曲线f构成第三对生物阻抗谱曲线。
采用上述结构后，本发明所具有的优点是：
1、本发明所述探针中的电极的表面与所述基板面齐平，保证探针中每个电极采集数据的一致性，使得信号采集更准确、稳定；
2、本发明所述探针通过设置至少包括六个电极，所述六个电极分别在基板上呈等间距圆周阵列分布，从而使采集模式多样，利于每种采集模式间采集数据的相互比对分析；
3、本发明所述系统和方法解决了当激励和/或测量电极对分跨不同生物体组织时造成的测量失误，不需转动或移动测量探针即可判断所测生物体是否是同一生物体，使信号采集更稳定、操作更简单，测量结果更准确；
4、本发明所述系统和方法是针对在一定范围频率之间通过对数形式选择多个频点，其中对某一频点可采用三种不同测量模式，测量出六组阻抗数据，利于不同类生物组织的区分及数据分析；
5、本发明所述的系统和方法能减少探针与不同生物组织交界处的接触阻抗，并经统计分析得到生物阻抗谱曲线及结合加权法来确定探针与不同生物组织交界处的各种情况，适用范围广、操作难度降低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一实施例所述探针的结构示意图。
图2是本发明一实施例所述探针与不同类组织交界处处于Q1状态示意图；
图3是本发明一实施例所述探针与不同类组织交界处处于Q2状态示意图；
图4是本发明一实施例所述探针与不同类组织交界处处于Q3状态示意图；
图5是本发明另一实施例所述测量系统的结构示意图；
图6是本发明又另一实施例所述测量方法的流程示意图；
图7是图2经过本发明所述测量方法所得不同类生物组织的三对生物阻抗谱曲线示意图；
图8是图3经过本发明所述测量方法所得不同类生物组织的三对生物阻抗谱曲线示意图；
图9是图4经过本发明所述测量方法所得不同类生物组织的三对生物阻抗谱曲线示意图；
图10是经过本发明所述测量方法所得又另一不同类生物组织的三对生物阻抗谱曲线示意图；
图11是本发明所述测量方法对同类生物组织的三对生物阻抗谱曲线示意图；
图12是本发明所述测量方法对另一同类生物组织的三对生物阻抗谱曲线示意图。
附图标记：
10-探探针，11-基板，12-第一电极，13-第二电极，14-第三电极，15-第四电极，16-第五电极，17-第六电极；20-多选开关系统；30-激励源；40-信号采集电路；50-频谱分析仪；Q1-不同类组织交界处位于或靠近探针的中心位置；Q2-不同类组织交界处远离探针的中心或边界位置；Q3-不同类组织交界处位于或靠近探针的边界位置；a、b、c、d、e、f-均为生物阻抗谱曲线。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种基于频谱特性的生物阻抗测量探针10，包括基板11和嵌入所述基板11的至少六个电极，所述六个电极为第一电极12、第二电极13、第三电极14、第四电极15、第五电极16和第六电极17，其中第一电极12与第四电极15、第二电极13与第五电极16、第三电极14与第六电极17分别相对设置，且在任意相对设置电极间激励，所述电极在基板11上呈圆周阵列分布且至少有两个呈轴对称的电极对。
为了使所述探针10与测量组织充分接触以及采集数据的准确性，所述电极的表面均分别与所述基板11面齐平，且相邻电极间间距相等。在本实施例中相对设置的电极间的圆周角为180°，以便于更好地采集数据。
如图2、图3和图4所示，本发明所述探针与不同类生物组织交界处接触一般可归纳为Q1、Q2和Q3三种情况。而通过本发明所述探针10可以在相对设置的第一电极12与第四电极15间、第二电极13与第五电极16间或第三电极14与第六电极17间激励，使操作者能通过所述探针10在某个频点激励源的激励下采集到三组数据。而通过激励源给探针不同的频点，则会得到不同的三组数据，便于分析得出测量组织的生物阻抗谱曲线图，从而更加准确地确认人或动物体的不同类生物组织的交界，也便于对病理生物组织进行诊断。
因此，本发明所述探针与传统的四电极探针相比，虽然采集速度相差不多，但是采集手段多样，且对于采集测量组织的数据更全面，能较大地降低实际临床中环境条件、操作过程等的干扰因素的影响，实时得出被测量组织交界处。
结合图1和图5所示，本发明又提供了一种基于频谱特性的生物阻抗测量探针的测量系统，所述测量系统包括：
探针10，所述探针10包括基板11和嵌入所述基板11的至少六个电极，所述六个电极为第一电极12、第二电极13、第三电极14、第四电极15、第五电极16和第六电极17，所述电极在基板11上呈圆周阵列分布且至少有两个呈轴对称的电极对；
用于相对设置的第一电极12与第四电极15间、第二电极13与第五电极16间以及第三电极14与第六电极17间激励的N个不同频点fi的激励源，其中i=1、2、3……N；
用于测量第二电极13与第三电极14间第一电参数D1i和第五电极16与第六电极17间第二电参数D2i、第三电极14与第四电极15间第三电参数D3i和第一电极12与第六电极17间第四电参数D4i、第四电极15与第五电极16间第五电参数D5i和第一电极12与第二电极13间第六电参数D6i的信号采集电路；
控制所述至少六个电极与激励源30、信号采集电路40通断的多选开关系统20；
用于将三组电参数为D1i和D2i、D3i和D4i、D5i和D6i记录、存储以及逻辑判断后统计分析成生物阻抗谱曲线的频谱分析仪50。其中记录、存储所得的三组电参数D1i和D2i、D3i和D4i、D5i和D6i具体如后表1所示。
为了使所述探针与测量组织充分接触以及采集数据的准确性，所述电极的表面均分别与所述基板面齐平，且相邻电极间间距相等。在本实施例中相对设置的电极间的圆周角为180°，以便于更好地采集数据。
本发明所述基于六电极测量探针的测量系统通过在相对设置的电极间激励，得到三组电参数数据；另外通过激励源给探针不同的频点，得到多个三组电参数数据，通过频谱分析仪分析得出测量组织的生物阻抗谱曲线图，从而更加准确地确认人或动物体的不同类生物组织的交界，也便于对病理生物组织进行诊断。也通过多组采集数据相互比较或参照，以避免因因组织上的凹凸不平、酸碱性不同等产生的接触阻抗的影响。
因此，本发明所述测量系统采集手段多样，且对于采集测量组织的数据更全面，能较大地降低实际临床中环境条件、操作过程等的干扰因素的影响，实时得出被测量组织交界处。
如图6所示，本发明又再提供了一种基于频谱特性的生物阻抗测量探针的测量系统的测量方法，具体步骤如下：
S1：将测量探针放10置于生物组织上，且相互之间面接触；
S2：在测试频率范围为fm～fn间选取N个频点，并选取频点为fi∈[fm,fn]的激励源30，其中i=1、2、3……N，fm<fn；
S3：当i=1时fi=f1，通过多选开关系统20控制频点为f1的激励源30分别依次在相对设置的第一电极12与第四电极15间、第二电极13与第五电极16间以及第三电极14与第六电极17间激励；
S4：通过信号采集电路分别相对应的采集第二电极13与第三电极14间第一电参数D1i和第五电极16与第六电极17间第二电参数D2i，第三电极14与第四电极15间第三电参数D3i和第一电极12与第六电极17间第四电参数D4i，第四电极15与第五电极16间第五电参数D5i和第一电极12与第二电极13间第六电参数D6i；
S5：存储并记录所得三组电参数，且分别为D1i和D2i，D3i和D4i，D5i和D6i；
S6：当i≤N时，i=i+1并重复步骤S3至步骤S5，从而得到统计如下表1所示的采集数据。
表1为N个不同频点fi的激励源激励三种采集模式所得的三组电参数（D1i和D2i，D3i和D4i，D5i和D6i）的采集数据统计表
Figure BDA0000486758900000081
S7：将所测量所得的N个第一电参数D1i和N个第二电参数D2i、N个第三电参数D3i和N个第四电参数D4i以及N个第五电参数D5i和N个第六电参数D6i分别通过经统计分析得到三对生物阻抗谱曲线。
其中N个不同频点fi下，在相对设置的电极间激励的三种采集方式如下：
当第一电极12与第四电极15间激励时，测得第二电极13与第三电极14间N个第一电参数D1i经统计分析得到曲线a，也测得第五电极16与第六电极17间N个第二电参数D2i经统计分析得到曲线b，从而曲线a和曲线b构成第一对生物阻抗谱曲线；
当第二电极13与第五电极16间激励时，测得第三电极14与第四电极15间N个第三电参数D3i经统计分析得到曲线c，也测得第一电极12与第六电极17间N个第四电参数D4i经统计分析得到曲线d，从而曲线c和曲线d构成第二对生物阻抗谱曲线；
当第三电极14与第六电极17间激励时，测得第四电极15与第五电极16间N个第五电参数D5i经统计分析得到曲线e，也测得第一电极12与第二电极13间N个第六电参数D6i经统计分析得到曲线f，从而曲线e和曲线f构成第三对生物阻抗谱曲线。
S8：运用加权法对三对生物阻抗谱曲线分析并确定测量探针是否处于不同类生物组织交界处。
结合图2所示，当所述测量探针与不同类生物组织接触处于Q1状态时，经过上述方法所得数据经统计分析得到三对生物阻抗谱曲线如图7所示。其中曲线a和曲线b的形状及变化趋势互不相同，曲线c和曲线d的形状及变化趋势互不相同，曲线e和曲线f的形状及变化趋势互不相同，从而可以得出不同类生物组织交界处位于或靠近于所述测量探针的中心位置。
结合图3所示，当所述测量探针与不同类生物组织接触处于Q2状态时，经过上述方法所得数据经统计分析得到三对生物阻抗谱曲线如图8所示。其中曲线a和曲线b的形状及变化趋势相同，曲线c和曲线d的形状及变化趋势互不相同，曲线e和曲线f的形状及变化趋势互不相同，从而可以得出不同类生物组织交界处远离所述测量探针的中心或边界位置。
结合图4所示，当所述测量探针与不同类生物组织接触处于Q3状态时，经过上述方法所得数据经统计分析得到三对生物阻抗谱曲线如图9所示。其中曲线a和曲线b的形状及变化趋势互不相同，曲线c和曲线d的形状及变化趋势互不相同，曲线e和曲线f的形状及变化趋势互不相同，但是曲线a、b和曲线e、f的两对生物阻抗谱曲线的形状及变化趋势是相同的，从而可以得出不同类生物组织交界处位于或靠近于所述测量探针的边界位置。
如图11所示，本发明所述测量探针放置于同类生物组织上，该曲线a、b、c、d、e和f的生物阻抗谱曲线的形状和变化趋势均应当相同。
虽然上述图7、8和9所示情况也均为理想状态，而实际上还是会存在一些差异，但是其形状及变化趋势的基本会一致的。因此，本发明可采用加权法对三对生物阻抗谱曲线进行分析，除此之外还可采用其他分析方法，具体分析如下：
当三对生物阻抗谱曲线中至少有两对的生物阻抗谱曲线不相同，也即是权重不小50%时，能确定所述测量探针位于人或动物体不同类生物组织交界处。例如：曲线a和曲线b的形状及变化趋势基本相同，而曲线c和曲线b的形状及变化趋势不相同，曲线e和曲线d的形状及变化趋势不相同。或者曲线a和曲线b、曲线c和曲线b、曲线e和曲线d的形状及变化趋势不相同。
当三对生物阻抗谱曲线中至少有两对的生物阻抗谱曲线相同时，也即是权重不小于50%时，能确定所述测量探针位于人或动物体同类生物组织交界处。例如：曲线a和曲线b的形状及变化趋势不相同，而曲线c和曲线b的形状及变化趋势基本相同，曲线e和曲线d的形状及变化趋势基本相同。或者曲线a和曲线b、曲线c和曲线b、曲线e和曲线d的形状及变化趋势基本相同。
由此，通过本发明所提供的方法可知，图7、8、9和10所示为所述探针放置于人或动物体不同类组织交界处；而图11和图12所示为所述探针放置于人或动物体同类组织交界处。本发明所提供的方法不仅采集信号更加准确而且能有效地减少探针与组织接触的接触阻抗的影响，而且有利于准确确认探针是否放置于不同类生物组织交界处。
上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于频谱特性的生物阻抗测量探针，其特征在于，包括基板和嵌入所述基板的至少六个电极，所述六个电极为第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极和第六电极，其中第一电极与第四电极或/和第二电极与第五电极或/和第三电极与第六电极相对设置，且在任意相对设置电极间激励，所述电极在基板上呈圆周阵列分布且至少有两个呈轴对称的电极对。
2.根据权利要求1所述的生物阻抗测量探针，其特征在于，所述电极的表面均分别与所述基板面齐平，且相邻电极间间距相等。
3.根据权利要求1所述的生物阻抗测量探针，其特征在于，所述相对设置的电极间的圆周角为180°。
4.一种基于频谱特性的生物阻抗测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：
探针，所述探针包括基板和嵌入所述基板的至少六个电极，所述六个电极为第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极和第六电极，所述电极在基板上呈圆周阵列分布且至少有两个呈轴对称的电极对；
用于相对设置的第一电极与第四电极间、第二电极与第五电极间以及第三电极与第六电极间激励的N个不同频点fi的激励源，其中i=1、2、3……N；
用于测量第二电极与第三电极间第一电参数D1i和第五电极与第六电极间第二电参数D2i、第三电极与第四电极间第三电参数D3i和第一电极与第六电极间第四电参数D4i、第四电极与第五电极间第五电参数D5i和第一电极与第二电极间第六电参数D6i的信号采集电路；
控制所述至少六个电极与激励源、信号采集电路通断的多选开关系统；
用于将三组电参数为D1i和D2i、D3i和D4i、D5i和D6i记录、存储以及逻辑判断后统计分析成生物阻抗谱曲线的频谱分析仪。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述电极的表面均分别与所述基板面齐平，且相邻电极间间距相等。
6.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述相对设置的电极间的圆周角为180°。
7.一种基于频谱特性的生物阻抗测量探针的测量方法，其特征在于，所述测量探针包括嵌入基板的至少六个电极，所述六个电极为第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极和第六电极，所述电极在基板上呈圆周阵列分布且至少有两个呈轴对称的电极对，其测量方法具体步骤如下：
S1：将测量探针放置于生物组织上，且相互之间面接触；
S2：在测试频率范围为fm～fn间选取N个频点，并选取频点为fi∈[fm,fn]的激励源，其中i=1、2、3……N，fm<fn；
S3：当i=1时fi=f1，通过多选开关系统控制频点为f1的激励源分别依次在相对设置的第一电极与第四电极间、第二电极与第五电极间以及第三电极与第六电极间激励；
S4：通过信号采集电路分别相对应的采集第二电极与第三电极间第一电参数D1i和第五电极与第六电极间第二电参数D2i，第三电极与第四电极间第三电参数D3i和第一电极与第六电极间第四电参数D4i，第四电极与第五电极间第五电参数D5i和第一电极与第二电极间第六电参数D6i；
S5：存储并记录所得三组电参数，且分别为D1i和D2i，D3i和D4i，D5i和D6i；
S6：当i≤N时，i=i+1并重复步骤S3至步骤S5；
S7：将所测量所得的N个第一电参数D1i和N个第二电参数D2i、N个第三电参数D3i和N个第四电参数D4i以及N个第五电参数D5i和N个第六电参数D6i分别通过曲线拟合的方法得到三对生物阻抗谱曲线；
S8：运用加权法对三对生物阻抗谱曲线分析并确定是否不同类生物组织。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，在N个不同频点fi下对第一电极与第四电极间激励时，测得第二电极与第三电极间N个第一电参数D1i经统计分析得到曲线a，也测得第五电极与第六电极间N个第二电参数D2i经统计分析得到曲线b，从而曲线a和曲线b构成第一对生物阻抗谱曲线。
9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，在N个不同频点fi下对第二电极与第五电极间激励时，测得第三电极与第四电极间N个第三电参数D3i经统计分析得到曲线c，也测得第一电极与第六电极间N个第四电参数D4i经统计分析得到曲线d，从而曲线c和曲线d构成第二对生物阻抗谱曲线。
10.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，在N个不同频点fi下对第三电极与第六电极间激励时，测得第四电极与第五电极间N个第五电参数D5i经统计分析得到曲线e，也测得第一电极与第二电极间N个第六电参数D6i经统计分析得到曲线f，从而曲线e和曲线f构成第三对生物阻抗谱曲线。
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