CN105249966A - 基于肌肉阻抗技术的电极及其制备方法、测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于肌肉阻抗技术的电极及其制备方法、测量系统和方法，所述电极基于微电极阵列，包括：电极底座；外圈电极，设置在所述电极底座的外圈，所述外圈电极包含若干电流电极对；内圈电极，设置在所述外圈电极与所述电极底座的中心之间，包含由所述外圈电极至中心依次设置的若干圈电极，每圈电极包含若干对电压电极；本发明可在满足基本测试的基础上，同时在空域范围内线性提取待测肌肉阻抗信息，并完成肌肉阻抗信息各向异性的检测，消除了表面电极多次测量、标记和粘贴的繁琐操作过程，具有便捷性和高可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及微加工和医疗器械领域，特别是涉及一种基于肌肉阻抗技术的电极及其制备方法、测量系统和方法。
背景技术
肌肉阻抗技术是生物电阻抗测量技术中的一种，其利用电流电极向被测肌肉组织区域施加高频、低强度交变电流，通过分析测量电极检测的肌肉组织电压信号，提取与肌肉成分改变，结构破坏，神经肌肉疾病等肌肉生理状态息息相关的阻抗特性及其变化规律，具有无创、廉价、安全、无毒无害、操作简便和信息丰富等特点，运用肌肉阻抗技术检测肌肉阻抗特性在疾病诊断，监测病情，药效评估，康复指导，个人护理等方面有着极大的应用潜力。
当前肌肉阻抗技术应用研究实验一般都选用分离的一次性黏性条状表面电极，无创检测，但其存在如下缺点：使用时必须将其固定好，测量过程复杂，耗时长，粘贴时间过长易引起皮肤红肿、瘙痒等过敏症状；表面电流电极无法穿透不导电的皮肤角质层，极大地增加了皮肤-电极接触阻抗，施加的微电流不能完全达到待测肌肉区域；并且，表面电极尺寸一般在厘米量级，只能测量大块肌肉阻抗，无法测量某些小块肌肉阻抗，更无法测量单肌肉纤维阻抗。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之主要目的在于提供一种基于肌肉阻抗技术的电极及其制备方法、测量系统和方法，在满足基本测试的基础上，同时在空域范围内线性提取待测肌肉阻抗信息，并完成了肌肉阻抗信息各向异性的检测，消除了表面电极多次测量、标记和粘贴的繁琐操作过程，具有便捷性和高可靠性。
为达上述及其它目的，本发明提出一种基于肌肉阻抗技术的电极，所述电极包括：
电极底座；
外圈电极，设置在所述电极底座的外圈，所述外圈电极包含若干电流电极对；
内圈电极，设置在所述外圈电极与所述电极底座的中心之间，包含由所述外圈电极至中心依次设置的若干圈电极，每圈电极包含若干对电压电极。
进一步地，每对外圈电流电极对与对应的内圈的电压电极对构成一列电极，各列电极每隔若干角度旋转铺排在所述电极底座上。
进一步地，各电极对的电极可包含一个或多个电极针形成的阵列。
进一步地，所述电极针的材料为硅，采用光刻和反应离子刻蚀制作该硅针电极。
进一步地，所述硅针针长为100-200um，所述硅针直径为40-60um。
进一步地，所述电极针的材料为不锈钢，采用激光微加工技术制备制作该不锈钢针电极。
为达到上述目的，本发明还提供一种基于肌肉阻抗技术的电极的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：清洗硅片后，溅射二氧化硅掩膜；
步骤2：各向异性深硅刻蚀得到柱状结构；
步骤3：各项同性RIE，去除掩膜，并得到针状结构；
步骤4：沉积ITO导电层；
步骤5：沉积二氧化硅绝缘层；
步骤6：旋涂厚光刻胶；
步骤7：刻蚀掉针尖二氧化硅，露出ITO导电层；
步骤8：去光刻胶，完成硅针电极阵列制备。
进一步地，所述硅针针长为100-200um，所述硅针直径为40-60um。
为达到上述目的，本发明还提供一种基于肌肉阻抗技术的测量系统，包括：
肌肉阻抗电极；
恒流源模块，包括信号发生器和微弱恒流源，该信号发生器用于产生正弦电压信号，该微弱恒流源用于将该信号发生器产生的正弦电压信号转换为微弱交变电流并通过选择开关阵列送至该肌肉阻抗电极的激励端；
选择开关阵列，在控制信号的控制下选择相应的电压测量电极对，并将提取的电压信号输出至放大模块；
放大模块，用于将采集到的电压信号进行放大，并送至采集模块；
采集模块，将放大模块输出的电压信号模数转换后传输至上位机，并将上位机发出的控制信号下发给该选择开关阵列和信号发生器；
直流电源模块，用于将交流电变换为各级电路所需直流电压。
进一步地，该放大模块包括前级放大电路和锁相放大电路，该前级放大电路用于将采集到的电压信号进行无失真放大，该锁相放大电路用于将电压信号与激励电流同频同相的载波信号相乘以提取电压信号的幅度和相位信息，并输出至采集模块。
为达到上述目的，本发明还提供一种基于肌肉阻抗技术的测量方法，包括如下步骤：
步骤1：选择测试部位，将肌肉阻抗电极置于该测试部位，并设定测量参数；
步骤2：利用微弱恒流源将信号发生器产生的正弦电压信号转换为微弱交变电流并通过选择开关阵列送至肌肉阻抗电极的激励端；
步骤3：该选择开关阵列在控制信号的控制下选择相应的电压测量电极对，并将提取的电压信号输出至放大模块；
步骤4：该放大模块先将采集到的电压信号进行无失真放大，然后将电压信号与激励电流同频同相的载波信号相乘以提取电压信号的幅度和相位信息，并输出至采集模块；
步骤5：该采集模块将放大模块输出的电压信号模数转换后传输至上位机。
与现有技术相比，本发明一种基于肌肉阻抗技术的电极及其制备方法、测量系统和方法可在满足基本测试的基础上，同时在空域范围内线性提取待测肌肉阻抗信息，并完成了肌肉阻抗信息各向异性的检测，消除了表面电极多次测量、标记和粘贴的繁琐操作过程，具有便捷性和高可靠性。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为本发明一种基于肌肉阻抗技术的电极的阵列结构示意图；
图2为本发明一种基于肌肉阻抗技术的电极的制备方法的步骤流程图；
图3为本发明较佳实施例中硅阵列电极的加工流程图；
图4为本发明一种基于肌肉阻抗技术的测量系统的系统结构图；
图5为本发明较佳实施例之微弱恒流源的原理框图；
图6为本发明较佳实施例之锁相放大电路的基本原理图；
图7为本发明一种基于肌肉阻抗技术的测量方法的步骤流程图；
图8-1、图8-2、图8-3分别为一名63岁肌萎缩性侧索硬化症ALS和一名63岁健康女性胫骨前肌的电阻(R)、电抗(X)、相位角(phase)的对比图；
图9为测量了12位正常人，6位肌萎缩病人的肱二头肌、肱三头肌、三角肌、胫骨前肌、股二头肌、腓肠肌的肌肉阻抗，正常肌肉和萎缩肌肉的平均值的统计条形图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种基于肌肉阻抗技术的电极的阵列结构示意图。如图1所示，本发明一种基于肌肉阻抗技术的电极，基于微电极阵列，其包括：
电极底座10，由绝缘材料构成，其形状较佳可为圆形，但不以此为限；
外圈电极，设置在该电极底座10的外圈，该外圈电极包含若干电流电极对1(1’)(称之为激励端)，由该外圈电极向被测肌肉区域施加微弱交流电流；
内圈电极，设置在外圈电极与该电极底座10的中心(或圆心)之间，该内圈电极可包含由该外圈电极至中心(或圆心)依次设置的若干圈电极，每圈电极包含若干对电压电极(称之为测量输出端)，在本发明较佳实施例中，内圈电极具体包含5圈电极，各圈电极依次包含若干2(2’)～6(6’)电压电极对。每对外圈电流电极对与对应的内圈电极对构成一列电极，各列电极每隔一定角度(如5°)旋转铺排在该电极底座10上。在此需说明的是，内圈电极并不以5圈电极为限。
在本发明中，各电极对的电极可包含一个或多个电极针，电极针的材料可为硅或不锈钢，可采用光刻和反应离子刻蚀(RIE)制作该硅针电极，硅针针长100～200um，硅针直径40～60um，可穿透皮肤角质层，到达表皮层，实现无创、无痛检测脂肪层对肌肉阻抗特性的影响实验。且使用时不需要涂抹导电膏，皮肤不会出现红肿、瘙痒等过敏反应，适合于长期监测；对于不锈钢针，可采用激光微加工技术制备，激光具备高峰值功率和功率密度，非线性吸收，作用时间极短等优点，烧蚀材料作用区域极小，甚至达到超衍射加工效果，加工表面平整光滑，加工精度高，可控性强，完全满足微电极阵列的加工需求，在本发明较佳实施例中，不锈钢微电极强度大，针长10mm左右，能够穿透皮肤-脂肪层直接接触待检测肌肉区域，实现直接MIT技术提取微弱的肌肉阻抗信息。
在本发明较佳实施例中，使用时，可根据需要选用某些角度针列，如0°，±30°，±60°，±90°，±120°，±150°，180°，测量负角度阻抗时无需拔插电极，因为肌肉阻抗技术是一种交流阻抗，施加的交流电流激励信号无所谓的正负方向。本发明之肌肉阻抗技术微电极阵列在满足基本测试的基础上，同时在空域范围内线性提取待测肌肉阻抗信息，并完成了肌肉阻抗信息各向异性的检测(由于圆圈性排布是测各向异性的，同一条直线上多对电压电极是测线性的，组合在一起则实现空域测量，整个肌肉平面的信息都可以提取)，消除了表面电极多次测量、标记和粘贴的繁琐操作过程，具有便捷性和高可靠性。
图2为本发明一种基于肌肉阻抗技术的电极的制备方法的步骤流程图，图3为本发明较佳实施例中硅阵列电极的加工流程图。如图2及图3所示，本发明一种基于肌肉阻抗技术的电极的制备方法，采用光刻和反应离子刻蚀(RIE)制作硅针电极，其包括如下步骤：
步骤201，选择一硅片301，清洗硅片301后，于该硅片301之一面溅射二氧化硅302掩膜(图3(a))；
步骤202，各向异性深硅刻蚀得到柱状结构303(图3(b))；
步骤203，各项同性RIE，去除掩膜，并得到针状结构304(图3(c))；
步骤204，沉积ITO(氧化铟锡)导电层305(图3(d))；
步骤205，沉积二氧化硅绝缘层306(图3(e))；
步骤206，旋涂厚光刻胶307(图3(f))；
步骤207，刻蚀掉针尖二氧化硅，露出ITO导电层(图3(g))；
步骤208，去光刻胶(图3(h))，完成硅针电极阵列制备(图3(i))。
本发明较佳实施例中，制成的硅针针长100～200um，硅针直径40～60um，可穿透皮肤角质层，到达表皮层，实现微创、无痛检测脂肪层对肌肉阻抗特性的影响实验。且使用时不需要涂抹导电膏，皮肤不会出现红肿、瘙痒等过敏反应，适合于长期监测。
图4为本发明之基于肌肉阻抗技术的测量系统的系统结构图。如图4所示，本发明之基于肌肉阻抗技术的测量系统，包括：肌肉阻抗电极50、恒流源模块51、选择开关阵列52、直流电源模块53、放大模块54和采集模块55。
其中，直流电源模块53用于将交流电变换为各级电路所需直流电压，其包含过流保护、EMI滤波、环形变压器、整流电路和稳压滤波等，此为现有技术，在此不予赘述；恒流源模块51包括信号发生器510和微弱恒流源511两部分，信号发生器510用于产生正弦电压信号，微弱恒流源511用于将信号发生器510产生的正弦电压信号转换为微弱交变电流并通过选择开关阵列52送至肌肉阻抗电极50的激励端；选择开关阵列52在控制信号的控制下选择相应的电压测量电极对，并将提取的电压信号输出至放大模块54；放大模块54包括前级放大电路540和锁相放大电路541两部分，前级放大电路540用于将采集到的感应电压信号进行无失真放大，锁相放大541(实际为一个混频器)用于将感应电压信号与激励电流同频同相的载波信号相乘以提取感应电压信号的幅度和相位信息，并输出至采集模块55；采集模块55包括GPIB采集卡550和上位机551，GPIB采集卡550用于采集放大模块54输出的模拟信号数字化并上传给上位机551，上位机551通过GPIB采集卡550下发控制信号给选择开关阵列和信号发生器等电路，并接收GPIB采集卡采集的数字信号进行计算、存储和显示等处理。
本发明中，微弱恒流源551用于将信号发生器产生的正弦电压信号转换为微弱交变电流注入到被测肌肉区域，要求输出阻抗小，并在宽频范围内(0～2MHz)产生恒定的微弱交变电流信号(＜1mA)，该微弱恒流源原理框图如图5所示，其包括电阻R、R0-R4以及两比较器。
设R1＝R2＝R3＝R4
又因uo2＝up2
则 (6-1)
(6-2)
代入上式可得uo1＝up2+ui(6-3)
根据虚断原则有
由式(6-4)可知：当R0(限流电阻)一定时，输出电流与输入信号具有一定的线性关系，与负载(在一定范围内变化)无关。若输入信号Ui一定时，输出电流I0恒定。
虽然人体肌肉组织复阻抗的实部R和虚部X均包含着丰富的生理和病理信息，但电抗X信息很微弱，大约是电阻R信息的十分之一，如何在强噪声背景下准确提取微弱阻抗信息是关键技术之一。锁相放大技术是一种对交变信号进行相敏检波的放大技术，其基本原理如图6所示，被测量信号(感应电压信号)和参考信号(激励电流)相乘，经过低通滤波器后只留下和同频率的参考信号的误差信号，相当于一个模拟傅立叶变换器，锁相放大电路输出的直流电压(误差信号)正比于输入信号中某一特定频率(参数输入频率)的信号幅值。而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。因此，锁相放大技术抗干扰性强，检测灵敏度高，是微弱信号检测的一种有效方法。本发明采用锁相放大电路提取微弱阻抗信号，可在强噪声背景下准确提取微弱阻抗信息。
图7为本发明一种基于肌肉阻抗技术的测量方法的步骤流程图。如图7所示，本发明一种基于肌肉阻抗技术的测量方法，包括如下步骤：
步骤701，选择测试部位，将肌肉阻抗电极置于该测试部位，并设定测量参数，包括电极角度、测量频率、重复测量次数等；
步骤702，利用微弱恒流源将信号发生器产生的正弦电压信号转换为微弱交变电流并通过选择开关阵列送至肌肉阻抗电极的激励端；
步骤703，该选择开关阵列在控制信号的控制下选择相应的电压测量电极对，并将提取的电压信号输出至放大模块；
步骤704，放大模块先将采集到的电压信号进行无失真放大，然后将感应电压信号与激励电流同频同相的载波信号相乘以提取感应电压信号的幅度和相位信息，并输出至采集模块；
步骤705，采集模块将放大模块输出的电压信号模数转换后传输至上位机，利用上位机对采集的数字信号进行计算、存储和显示等处理，以便使用者根据获得的数据进行疾病判断及诊断。
以下通过两个案例来说明本发明之测量系统可较好地用于神经肌肉疾病诊断：
案例一：图8-1、图8-2、图8-3分别为一名63岁肌萎缩性侧索硬化症ALS和一名63岁健康女性胫骨前肌的R、X、phase的对比图。
从图明显看出患有肌萎缩性侧索硬化症ALS的病患的肌肉阻抗之电阻分量和电抗分量均明显高于正常人，电阻分量随着激励信号频率升高而升高，而电抗分量则在100-200KHz激励信号频率下差异最明显，相位也较普通人有较明显差异。
案例二：图9为测量了12位正常人，6位肌萎缩病人的肱二头肌、肱三头肌、三角肌、胫骨前肌、股二头肌、腓肠肌的肌肉阻抗，正常肌肉和萎缩肌肉的平均值的统计条形图。可见肌肉阻抗之电阻分量R相差不大，但肌肉阻抗之电抗分量X和相位(phase)差异显著，p＜0.001，其中，P值(Pvalue)就是当原假设为真时所得到的样本观察结果或更极端结果出现的概率。如果P值很小，说明原假设情况的发生的概率很小，而如果出现了，根据小概率原理，我们就有理由拒绝原假设，P值越小，我们拒绝原假设的理由越充分。总之，P值越小，表明结果越显著。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (10)
1.一种基于肌肉阻抗技术的电极，其特征在于，所述肌肉阻抗电极包括：
电极底座；
外圈电极，设置在所述电极底座的外圈，所述外圈电极包含若干电流电极对；
内圈电极，设置在所述外圈电极与所述电极底座的中心之间，包含由所述外圈电极至中心依次设置的若干圈电极，每圈电极包含若干对电压电极。
2.如权利要求1所述的基于肌肉阻抗技术的电极，其特征在于：每对外圈电流电极对与对应的内圈的电压电极对构成一列电极，各列电极每隔若干角度旋转铺排在所述电极底座上。
3.如权利要求2所述的基于肌肉阻抗技术的电极，其特征在于：各电极对的电极可包含一个或多个电极针形成的阵列。
4.如权利要求3所述的基于肌肉阻抗技术的电极，其特征在于：所述电极针的材料为硅，采用光刻和反应离子刻蚀制作该硅针电极。
5.如权利要求4所述的基于肌肉阻抗技术的电极，其特征在于：所述硅针针长为100～200um，所述硅针直径为40～60um。
6.如权利要求3所述的基于肌肉阻抗技术的电极，其特征在于：所述电极针的材料为不锈钢，采用激光微加工技术制备制作该不锈钢针电极。
7.一种基于肌肉阻抗技术的电极的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，清洗硅片后，溅射二氧化硅掩膜；
步骤二，各向异性深硅刻蚀得到柱状结构；
步骤三，各项同性RIE，去除掩膜，并得到针状结构；
步骤四，沉积ITO导电层；
步骤五，沉积二氧化硅绝缘层；
步骤六，旋涂厚光刻胶；
步骤七，刻蚀掉针尖二氧化硅，露出ITO导电层；
步骤八，去光刻胶，完成硅针电极阵列制备。
8.一种基于肌肉阻抗技术的测量系统，包括：
肌肉阻抗电极；
恒流源模块，包括信号发生器和微弱恒流源，该信号发生器用于产生正弦电压信号，该微弱恒流源用于将该信号发生器产生的正弦电压信号转换为微弱交变电流并通过选择开关阵列送至该肌肉阻抗电极的激励端；
选择开关阵列，在控制信号的控制下选择相应的电压测量电极对，并将提取的电压信号输出至放大模块；
放大模块，用于将采集到的电压信号进行放大，并送至采集模块；
采集模块，将放大模块输出的电压信号模数转换后传输至上位机，并将上位机发出的控制信号下发给该选择开关阵列和信号发生器；
直流电源模块，用于将交流电变换为各级电路所需直流电压。
9.如权利要求8所述的基于肌肉阻抗技术的测量系统，其特征在于：该放大模块包括前级放大电路和锁相放大电路，该前级放大电路用于将采集到的电压信号进行无失真放大，该锁相放大电路用于将电压信号与激励电流同频同相的载波信号相乘以提取电压信号的幅度和相位信息，并输出至采集模块。
10.一种基于肌肉阻抗技术的测量方法，包括如下步骤：
步骤一，选择测试部位，将肌肉阻抗电极置于该测试部位，并设定测量参数；
步骤二，利用微弱恒流源将信号发生器产生的正弦电压信号转换为微弱交变电流并通过选择开关阵列送至肌肉阻抗电极的激励端；
步骤三，该选择开关阵列在控制信号的控制下选择相应的电压测量电极对，并将提取的电压信号输出至放大模块；
步骤四，该放大模块先将采集到的感应电压信号进行无失真放大，然后将电压信号与激励电流同频同相的载波信号相乘以提取电压信号的幅度和相位信息，并输出至采集模块；
步骤五，该采集模块将放大模块输出的电压信号模数转换后传输至上位机。
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|---|---|---|---|---|
| CN109328032A (zh) * | 2017-05-19 | 2019-02-12 | 深圳市得道健康管理有限公司 | 微针电极、经络检测设备及其定制方法 |
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2015
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Cited By (2)
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| CN109328032A (zh) * | 2017-05-19 | 2019-02-12 | 深圳市得道健康管理有限公司 | 微针电极、经络检测设备及其定制方法 |
| CN109328032B (zh) * | 2017-05-19 | 2022-12-13 | 深圳市大富智慧健康科技有限公司 | 微针电极、经络检测设备及其定制方法 |
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