CN105547127B - 用于人体胸腔数据采集的位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于人体胸腔数据采集的位移传感器，包括金属圆筒(1‑2)，在其内表面覆盖有电介质材料(1‑7)，内部设置有金属棒(1‑6)，在金属棒(1‑6)的一侧连接有空心非金属棒(1‑1)，其另一侧连接有非金属棒(1‑5)；非金属棒(1‑5)、金属棒(1‑6)和空心非金属棒(1‑1)的外径相同并与内壁覆盖有电介质材料(1‑7)的金属圆筒(1‑2)的内径相匹配，能够在其内自由滑动；连接检测器件(1‑9)的两根信号线(1‑8)，一根通过空心非金属棒(1‑1)与金属棒(1‑6)相连，另一根与金属圆筒(1‑2)相连。本发明可应用于胸腔轮廓的实时采集。

Description

用于人体胸腔数据采集的位移传感器
技术领域
本发明属于生物电阻抗层析成像技术领域，具体涉及一种用于人体胸腔数据采集的位移传感器。
背景技术
电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography,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，其通过检测电极间的电压差来探测待测物体内部的阻抗分布，从而在结构上和功能上反映各生物组织的生物特性。EIT技术是一种新型的过程检测技术，已经在基于医学影像的诊断技术中展现了巨大的应用前景。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、胃肠蠕动)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EIT系统的数据采集速度可以达到每秒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、治疗及医疗普查都具有十分重大的意义和诱人的应用前景，受到世界上各国研究者的广泛关注。
然而，目前对于胸腔检测的电阻抗层析成像系统研究，大都集中在边界电压测量精度的提高和图像重建算法的改善上。但是，“软场效应”从原理上决定电阻抗层析成像不可能达到“硬场成像”的精度。要把EIT应用于现实的床旁监护，仍然有一系列问题需要解决。其中首要问题是解决动态测量问题，即被检测场域的形状和尺寸大小都是动态变化的，而已有的EIT主要应用在工业参数检测和可视化，其被测场域的形状和尺寸大小都是不变的。其次，在EIT后续的图像重建过程中，测量模型大都假定被测物场是圆域的情况下建立的，而大多数情况下，被测物场并不是标准的圆形，比如人体胸腔在呼吸过程中，胸腔的边界是一个近似椭圆而并非圆形的轮廓，并且处于不停的变化之中。因此，将现有的EIT数据采集装置直接用于人体胸腔的检测已不合时宜。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种用于人体胸腔电阻抗层析成像胸腔轮廓数据采集的位移传感器，将其应用于胸腔轮廓的实时采集，以获得更新场域模型所需要的空间位置信息。本发明的技术方案如下：
一种用于人体胸腔数据采集的位移传感器，包括金属圆筒，在金属圆筒内表面覆盖有电介质材料，在金属圆筒内部设置有金属棒，在金属棒的一侧连接有空心非金属棒，其另一侧连接有非金属棒；在非金属棒的另一端开设有用于容纳心电电极的卡槽；非金属棒、金属棒和空心非金属棒的外径相同并与内壁覆盖有电介质材料的金属圆筒的内径相匹配，能够在其内自由滑动；
空心非金属棒的空心处设置有导线过孔，连接检测器件的两根信号线，一根通过空心非金属棒的导线过孔与金属棒相连，另一根与金属圆筒相连，通过对电容变化量的测量，获得位移的相对变化信息。
作为优选实施方式，所述的位移传感器，电介质材料为聚四氟乙烯。金属棒的两端做成螺栓结构，在靠近金属棒的一端，非金属棒和空心非金属棒沿轴线方向制作相应尺寸的螺纹，以使二者均能与位于中间位置的金属棒牢固相连，通过这种结构还可以实现对位移传感器的微调；空心非金属棒和非金属棒选用有机玻璃；金属棒、金属圆筒选用不锈钢材料。
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，从人体胸腔数据采集出发，提出新的位移传感器，该传感器能够实时检测出人体胸腔的边界位置信息，从而确定其轮廓。
附图说明
图1为采用了本发明的传感器的用于人体胸腔轮廓测量的数据采集装置的整体架构；
图2为本发明的位移传感器的轴向剖视图；
图3为数据采集装置的支架的结构图；
图4为数据采集装置的支撑面板的俯视图。
图中：1、位移传感器2、支架3、支撑面板4、承重梁
1-1、空心非金属棒1-2、金属圆筒1-3、压盖1-4、卡槽1-5、非金属棒1-6、金属棒1-7、电介质材料1-8、信号线1-9、检测器件1-10、导线过孔
2-1、支撑柱2-2、螺栓2-3、底座
3-1、支撑面3-2、紧固件3-3、连接缝隙3-4、孔洞3-5、过孔。
具体实施方式
结合附图对本发明的传感器及其应用场景进行说明：
采用了本发明的用于人体胸腔电阻抗层析成像的胸腔轮廓数据采集装置，如图1所示，该数据采集装置包括位移传感器1、支架2、支撑面板3和承重梁4等几部分。所述位移传感器1设置于支撑面板3上，通过支撑面板3上若干数量的过孔3-5，可以任意调整其与人体胸腔的夹角及位置，调整完毕后，用螺钉穿过过孔3-5把位移传感器1固定在支撑面板3上。位移传感器1用于实时测量人体胸腔的位置信息，其靠近人体胸腔的一端可以卡扣心电导联线的圆形按扣，通过调整位移传感器1就能够实现对心电电极位置分布的布置。所述支架2有四支，用于支撑位于上面的承重梁4，并能调整数据采集装置于合适高度，特别是将位移传感器1和支撑面板3调整到合适的高度，以实现对身高不同人群的测量。所述支撑面板3设置于承重梁4上，用于支撑位移传感器1和调整人体胸腔位置区域的大小，以实现对胖瘦不一人群的测量。所述承重梁4位于支撑面板3和支架2之间，具有承载重量和稳定装置的作用。
本发明的位移传感器1结构是，如图2所示，该传感器包括空心非金属棒1-1、金属圆筒1-2、压盖1-3、卡槽1-4、非金属棒1-5、金属棒1-6、电介质材料1-7、信号线1-8、检测器件1-9和导线过孔1-10等几部分。空心非金属棒1-1、非金属棒1-5及卡槽1-4的材质选用有机玻璃，金属棒1-6、金属圆筒1-2及压盖1-3采用不锈钢材料，电介质材料1-7选用固体材料中摩擦系数最低的聚四氟乙烯(摩擦系数为0.04)，信号线1-8选用具有良好屏蔽性能的信号传输导线，检测器件1-9具有较高的灵敏度和稳定性。空心非金属棒1-1和金属棒1-6、非金属棒1-5和金属棒1-6之间通过螺栓结构连接，三者的直径相同。金属棒1-6的两端做成螺栓结构，在靠近金属棒1-6的一端，非金属棒1-5和空心非金属棒1-1沿轴线方向制作相应尺寸的螺纹，以使二者均能与位于中间位置的金属棒1-6牢固相连。通过这种结构还可以实现对位移传感器1的微调。在测量的过程中，要求金属棒1-6的长度不能完全填充金属圆筒1-1，否则，位移传感器1的电容值将不再变化，即处于饱和状态；为了降低初始位置的测量误差，也不能使金属棒1-6与金属圆筒1-1的正对面积从零开始。信号线1-8的一端通过处于空心非金属棒1-1轴心位置的导线过孔1-10与金属棒1-6相连，另一端与处于外部的金属圆筒1-2相连，通过下一级的检测电路/仪表实现对电容变化量的测量，从而反应出位移的变化。压盖1-3用于固定位移传感器1的内外电极和电介质材料1-7，并通过压盖1-3能够方便地实现电介质材料1-7的安装与更换。非金属棒1-5和卡槽1-4之间通过胶粘接在一起，卡槽1-4内径设为15mm，用于卡扣心电导联线(标准)的圆形按扣，圆形按扣用于卡扣心电电极，通过调整位移传感器1的位置及其与人体胸腔的夹角，可以使心电电极能够均匀的分布在人体胸腔表面。卡槽与圆形按扣之间的紧密卡扣关系，使得人体胸腔在呼吸的过程中，能够带动作为位移传感器1内电极的金属棒1-6随着人体的呼吸做出相应的运动。在这种往返的运动中，位移传感器1的内电极与外电极的正对面积发生改变，电容值也发生相应变化，最终反映在空间位置的变换上，这种空间位置信息正是更新场域模型所需要的。
如图3所示，支架2由支撑柱2-1、螺栓2-2和底座2-3等三部分组成。其中，支撑柱2-1用于支撑位于其上部的承重梁4，其下端纵轴线位置的内壁具有一定长度的螺纹，用于连接位于底座上的螺栓2-2；螺栓2-2用于调整支架2的高度，其上端旋入支撑柱2-1的内部，下端与底座2-3连为一体；底座2-3设置于地面，起到支撑整套装置的作用，并保证支架2的稳定性。对于具有不同身高的被测人群，可以通过调整四个支架2的高度使得人体胸腔处在合适的测量位置。如果在测量时间较长的情况下，被测人可以选择坐下接受胸腔检测，以减轻被测人的不适感，并降低由于长时间站立所带来人体机能反应对测量结果造成的不利影响。
如图4为图1中支撑面板3的俯视图，本发明的支撑面板3由四个支撑面组成，支撑面3-1与支撑面3-1之间通过紧固件固3-2定在一起。每个面上都打有若干数量的过孔3-5，四个支撑面3-1通过紧固件3-2连接在一起后，这些圆形过孔就会组成三个类似同心椭圆形状，螺钉通过这些圆形过孔来固定位移传感器1。为了实现对不同人群胸腔的测量，需要调节四个支撑面3-1之间的距离，使得被测人体胸腔处在合适的测量位置。

Claims (4)

1.一种用于人体胸腔数据采集的位移传感器，其特征在于，包括金属圆筒(1-2)，在金属圆筒(1-2)内表面覆盖有电介质材料(1-7)，在金属圆筒(1-2)内部设置有金属棒(1-6)，在金属棒(1-6)的一侧连接有空心非金属棒(1-1)，其另一侧连接有非金属棒(1-5)；在非金属棒(1-5)的另一端开设有用于容纳心电电极的卡槽(1-4)；非金属棒(1-5)、金属棒(1-6)和空心非金属棒(1-1)的外径相同并与内壁覆盖有电介质材料(1-7)的金属圆筒(1-2)的内径相匹配，能够在其内自由滑动；
空心非金属棒(1-1)的空心处设置有导线过孔(1-10)，连接检测器件(1-9)的两根信号线(1-8)，一根通过空心非金属棒(1-1)的导线过孔(1-10)与金属棒(1-6)相连，另一根与金属圆筒(1-2)相连，通过对电容变化量的测量，获得位移的相对变化信息；
金属棒(1-6)的两端做成螺栓结构，在靠近金属棒(1-6)的一端，非金属棒(1-5)和空心非金属棒(1-1)沿轴线方向制作相应尺寸的螺纹，以使二者均能与位于中间位置的金属棒(1-6)牢固相连，通过这种结构实现对位移传感器的微调。
2.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，电介质材料(1-7)为聚四氟乙烯。
3.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，空心非金属棒(1-1)和非金属棒(1-5)选用有机玻璃。
4.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，金属棒(1-6)、金属圆筒(1-2)选用不锈钢材料。
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