CN104434096A - 人体胸腔电阻层析传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电阻抗层析技术数据采集系统设计和制作领域，具体涉及一种人体胸腔电阻层析传感器，包括用于套在人体胸腔外面的外套，多个电极，多个空心滑杆和设置在外套外面的电磁屏蔽罩，其中，在外套上开设有多个滑槽，空心滑杆的一端固定有电极，另一端的尺寸与滑槽相配合，可以在滑槽里滑动。外套的主体由绝缘材料制成，滑槽壁是导电的，空心滑杆由均匀导体材料制成，连接电极的导线从空心滑杆中部穿出，从每个滑槽壁各引出一根导线。利用本发明的传感器，可以在线快速、准确的进行电极位置确定，实现不同的被测人群及其不同的呼吸动态过程的高精度的测量。

Description

人体胸腔电阻层析传感器

技术领域  本发明涉及一种医用电阻抗层析成像(electrical impedance tomography,EIT)系统采用的传感器。

背景技术  电阻抗层析成像(EIT)技术，是以生物体内电阻抗的分布或变化为成像目标的一种新型的无损伤的生物医学检测与成像技术。利用EIT技术，可以显示生物体内组织的阻抗分布图像、生物体组织的阻抗随频率变化的图像、生物体器官生理活动(如呼吸、心脏搏动)时的阻抗变化图像。EIT技术是非侵入检测和功能成像技术，具有安全、可视化等特点，在研究生物体生理功能和疾病诊断方面有着重要的临床价值。与传统的基于射线(x射线，pet)的医学可视化检测手段相比，它具有安全、简便、无创、廉价的优势，可以对生物体进行长期、实时监护。特别是一幅EIT成像的数据采集能达到每秒500幅左右，远远高于当前使用的医学检测方法大约3-10分钟才能完成一幅图像的速度。因此基于EIT开发出床旁监护和实时的医疗检测技术，对疾病的早期预防、诊断和治疗具有十分重大的意义和应用前景，受到世界上各国研究者的广泛关注。

然而，当前在EIT做人体胸腔二维物场测量中，所有检测和测量电极(通常为16或32个)必须固定在待检查的人体胸腔表面的某个横截面。这些电极一般都是逐个粘贴到人体胸腔表面皮肤的，然后通过几何测量或者其它测距传感器等手段测量出各个电极的位置，从而由电极位置确定这个被测物场(人体胸腔)边界，使得EIT成像和可视化成为可能。对于人体胸腔而言，这种测量存在三个问题。首先，为了保证所有电极都均匀分布在同一截面上，需要多次测量和反复调整，很难保证所有电极均匀分布在同一截面上。其次,随着人体呼吸过程中人体胸腔表面动态变化，胸腔电极确定的检测物场的尺寸和形状也随之而变，因此，现有的测量方法根本无法适应测量点的动态变化,从而不可能进行实时动态的数据采集；而且电极的反复调整还容易导致电极和导线之间连接点的损坏，电极的磨损，电极与皮肤之间粘贴不牢固等问题。这些问题给电极的使用寿命和被测信号的准确性带来了不利影响。最后，当前数据采集使用相邻激励和相邻测量方式,导致获得的独立测量数远少于成像过程的像素数(例如，16电极仅仅有104个独立测量数)；引起严重的欠定问题。上述问题已经成为EIT应用于医学可视化的主要障碍。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种内置随动滑动杆的电阻层析传感器，针对任意被测人群不同的胸腔轮廓，以及动态呼吸过程改变的胸腔形状，测量时只需把电极黏贴在皮肤表面，而不需要做任何其它重复调整，该数据采集系统可以实时、准确的确定电极的空间位置，从而准确确定人体胸腔成像的物场，为EIT检测提供必备和有效的条件。本发明的技术方案如下：

一种人体胸腔电阻层析传感器，包括用于套在人体胸腔外面的外套，多个电极，多个空心滑杆和设置在外套外面的电磁屏蔽罩，其中，在外套上开设有多个滑槽，空心滑杆的一端固定有电极，另一端的尺寸与滑槽相配合，可以在滑槽里滑动；外套的主体由绝缘材料制成，滑槽壁是导电的，空心滑杆由均匀导体材料制成，连接电极的导线从空心滑杆中部穿出，从每个滑槽壁各引出一根导线。

作为优选实施方式，所述的外套为椭圆形外套，滑槽壁垂直于椭圆形外套，并尽量按照以椭圆中心为圆心的圆的等中心角均匀分布，进而使得位于各个滑杆端部的电极尽量均匀分布在同一截面上；电极的位置按照下列方法确定：将与电极相连的导线和从与此电极相应的滑槽壁引出的导线接在电源的两端，由于滑杆是均匀导体制成，根据所测得的电阻大小，求得滑杆伸入外套内部的长度，继而得到此电极的位置。

本发明的特点是，在不改变传统EIT成像数据测量原理的基础上，对于不同的被测人群和人体胸腔动态呼吸过程，能够自适应地确定出电极的位置(坐标)，解决当前EIT传感器不能实时确定边界的难题。

附图说明

图1传感器侧视图

图2传感器俯视图

图3传感器结构示意图

图4用于滑杆的探入深度测量的电流回路

图5物场对象测量回路。

具体实施方式

下面首先结合附图1～3对本发明的结构与技术原理予以说明。本发明的传感器由以下组件构成:圆形电极(1)；空心滑杆(2)；椭圆形外套(3)；滑槽(4)；电极连接线(5)；滑槽连接线(6)；可以调节高度的支撑三角架(7)；电磁屏蔽外罩(8)。具体说明如下:

①32个圆形电极组成一个电极阵列，每个电极之间按照等中心角原则分布，每个电极反面上有伸出圆形螺丝口圆环，圆环中心固定并引出一导线穿过空心滑杆与电源相连，而电极通过螺丝口圆环的滑杆与对应螺丝口接触拧紧紧密连接，二者组成一个连接整体。32个滑杆及滑槽按照等中心角均匀分布，进而保证32个电极均匀分布在同一截面上。滑槽由导电材料制成固定在椭圆形外套上并垂直于其内外表面。滑杆可以沿着滑槽做方向垂直于椭圆形外套的内外表面的运动。滑杆与滑槽之间涂有既能导电又能润滑的材料，以降低两者之间的接触电阻和滑动阻力。

②椭圆形外套既充当传感器所有电极的支撑固定装置，又充当被检测物场(胸腔)的固定参考边界(胸腔外表面)。任意选定坐标系，每个椭圆形外套上固定滑槽的中心位置(坐标)是已知的。电极的制作和传统的固定电极制作没有区别，都是选择适合黏贴在人体表面的导体材料制作而成，电极形状为圆形导电片；对于不同的人体胸腔轮廓和动态的呼吸过程，黏贴在胸腔皮肤表面的电极将带动滑杆相对于椭圆形外套将有不同移动(探入)长度。通过计算这个移动(探入)长度并与对应滑槽的位置比较,就可以计算出每个电极的位置(坐标)。

③滑杆的探入深度按照一个电流回路测量。滑杆由导电性良好的均匀导体材料制成，其长度根据实际需要而定，横截面周长要和圆形外套上的滑道孔径相匹配；滑杆与滑槽之间涂有液质导电材料以保证足够小的接触电阻和的足够小的光滑度；每个电极通过置于滑杆中空心的导线与电源的正极相连；而电源的负极通过导线与滑槽壁相连，滑槽壁再通过导电的滑杆与电极相连，形成一个如图4所示的电流回路。

连接导线和滑槽的电阻比滑动杆本身电阻小的多；因此上述电流回路的电阻大小由探入椭圆形外套部分的滑杆长度确定。对于每个滑杆，电阻率ρ和横截面积S都是不变的，因此，回路的电阻R完全由滑杆探入部分的长度L决定；即在测出R值后，长度L的大小根据以下欧姆定律计算：

L＝SRρ^-1

通过测量滑动杆位于椭圆形外套里面的阻值R变化即可得到电极的位置(坐标)。

④当电极位置测量完成后，所有电源负极与滑槽断路；而每一个电源负极按照一定次序和排列与另一个电极的引出引线相连，形成如图5所示的物场对象测量回路:

从而得到检测物场中被检测对象的测量数据。以上被测物场电极位置(坐标)测量和检测物场被检测对象的测量数据获取交替进行，由于这个过程都可以在毫秒数量级完成，因此完全能够适合胸腔边界动态实时变化。

⑤椭圆形电磁屏蔽外套位于传感器的最外层，由普通多层硅钢片制成，外罩的纵向长度应该大于电极直径的5倍，能够可有效地屏蔽外界的电磁干扰，保证测量信号的稳定性，进而提高数据采集系统的信噪比。包括椭圆形外套和电极在内的测量设备固定在一个可调节高度的三角形支架上，高度可调节的三脚架与通常使用的三脚架没有什么区别；但是椭圆外套的大小原则上要能够容纳所有人的胸腔。因此椭圆形外套的长短轴要比正常人胸部轮廓最大长度和厚度大出20％以适合所有人群，而材质选用易于加工并且重量轻的无机材料。

⑥全激励全测量模式。对于N个电极按照间隔的电极数不同，所有电极对分别有N种激励方式和N种测量方式，按照互易性原理，总共有包括现在相邻激励和相邻测量在内的(N/2)×(N/2)种不同的测量方式。本传感器利用所有这些不同的全激励全测量模式对被检测物场进行激励和测量，从而使得被检测对象对应的测量数据增加一个数量级以上，以最大程度克服EIT成像的欠定问题从而提高EIT成像的空间分辨率。

以下结合实施例对本发明的新型传感器的具体实施和操作方式进行说明。

调节三角支架的高度，使得被检查人体胸腔位置与椭圆形外套所在的水平面一致，通过手动移动滑杆位置与胸腔表面连接。闭合电源通过选通开关实现传感器位置测量和被检测对象测量数据两个过程交替进行的自适应模式。

一、位置测量。对于包含N个电极的传感器采用串行方式实施，首先通过电源对1号电极施加电流激励，可以获得测量回路的电流强度，从而计算出电阻R的大小，进而由欧姆定律计算出探入滑杆的长度；通过与滑动杆全部探入和全部在外侧时两个极端情况先验的电阻值比较，就可以得出滑杆的输入长度，再与滑槽的已知位置坐标相比较，就可以计算出1号电极的位置坐标；重复这个过程分别施加激励到2号，3号，…，N号电极，则最终得到所有N个电极的位置坐标。

二、对象测量。对于包含N个电极的传感器采用全激励和全测量模式。以下把相邻激励、间隔1个电极激励、间隔2个电极激励，….，间隔(N/2-1)个电极激励依次记为:激励1，激励2，激励3，…,激励(N/2-1)；相应地，把相邻测量、间隔1个电极测量、间隔2个电极测量，….，间隔(N/2-1)个电极测量依次记为:测量1，测量2，测量3，…,测量(N/2-1)；因此，(N/2)×(N/2)个全激励和全测量模式工作如下：

(1)激励1和测量1模式。1-2号电极组成电极对进行电流激励，然后在3-4号，5-6号，…，(N-1)-N号电极对测量被检测对象引起的电位变化；重复这个过程，依次用3-4号，5-6号，…，(N-1)-N号电极作为激励电极对，其它电极作为测量电极对，测量被检测对象引起的电位变化。

(2)激励1和测量2模式。1-2号电极组成电极对进行电流激励，然后在3-5号，4-6号，…，((N-2)-N)号电极对测量被检测对象引起的电位变化；重复这个过程，依次用3-4号，5-6号，…，((N-1)-N)号电极作为激励电极对，其它间隔一个的两个电极作为测量电极对，测量被检测对象引起的电位变化。

(3)激励1和测量3模式。1-2号电极组成电极对实施电流激励，然后在3-6号，4-7号，…，((N-3)-N)号电极对测量被检测对象引起的电位变化；重复这个过程，依次用3-4号，5-6号，…，(N-1)-N号电极作为激励电极对，其它间隔两个的电极作为测量电极对，测量被检测对象引起的电位变化。

…………………………………………………..

(4)激励(N/2-1)和测量(N/2-1)模式。1-(N/2-1),2-(N/2)号,3-(N/2+1),…,(N/2-1)-(N)电极组成电极对实施电流激励，然后在3-(2+N/2)号，4-(3+N/2)6号，…，((N+N/2))号电极对测量被检测对象引起的电位变化；重复这个过程，依次用2-(N/2)号,3-(N/2+1),…,(N/2-1)-(N)号电极作为激励电极对，其它间隔一个的两个电极作为测量电极对，测量被检测对象引起的电位变化。以上过程完成后，总共获得2345个独立测量数。

三、模式切换与控制。通过一个选通电路，分别实现位置测量与对象测量之间的切换，以及不同测量模式之间的切换。当选通电路使得电源连接到同一个电极形成电流回路时，实现传感器的位置测量；当电源负极与滑槽断路，而与其它任意一个其他电极相连时，就可以实现全激励全测量模式。通过时钟开关，当所有(N/2)×(N/2)个全激励和全测量完成后，把数据传输给数据存储和分析系统，完成一幅EIT成像的数据测量。

Claims (3)

1.一种人体胸腔电阻层析传感器，包括用于套在人体胸腔外面的外套，多个电极，多个空心滑杆和设置在外套外面的电磁屏蔽罩，其中，在外套上开设有多个滑槽，空心滑杆的一端固定有电极，另一端的尺寸与滑槽相配合，可以在滑槽里滑动。外套的主体由绝缘材料制成，滑槽壁是导电的，空心滑杆由均匀导体材料制成，连接电极的导线从空心滑杆中部穿出，从每个滑槽壁各引出一根导线。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述的外套为椭圆形外套，滑槽壁垂直于椭圆形外套，并尽量按照以椭圆中心为圆心的圆的等中心角均匀分布，进而使得位于各个滑杆端部的电极尽量均匀分布在同一截面上。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，电极的位置按照下列方法确定：将与电极相连的导线和从与此电极相应的滑槽壁引出的导线接在电源的两端，由于滑杆是均匀导体制成，根据所测得的电阻大小，求得滑杆伸入外套内部的长度，继而得到此电极的位置。