CN107693001A - 一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法，所述拉普拉斯电极的设计方法包括：确定待测胃电信号的幅值、带宽、体表深度范围，以及测量误差所要求的精度；根据上述要求，选择环电极宽度、环电极与中央电极间距，计算环电极的有效半径、中央电极的半径、环电极的外圆半径、以及内圆半径；应用误差最小原则和电位比最大原则对环电极的各个参数进行优化调整，从而设计出用于胃电信号采集的同心双环结构拉普拉斯电极。本发明可有效地提高胃电信号的精度和信噪比，为胃动力研究提供了一种无创的、可穿戴的检测工具，获得可观的社会效益和经济效益。

Description

一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法

技术领域

本发明涉及拉普拉斯电极领域，尤其涉及一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法。

背景技术

体表胃电图(EGG)是研究胃动力学特性和功能性胃疾病诊断的重要依据，而从人体直接采集的胃电信号都含有干扰成分，不能直接应用于临床诊断或科学研究。

目前采集胃电信号的方法主要有以下3种：

1、浆膜法，通过手术将电极缝在胃的浆膜表面进行测量，一般用于动物实验，仅在特殊情况下用于人体。

2、黏膜法，通过导管将电极吸附在胃内腔的黏膜层，但电极很容易脱落，无法吸附较长的时间。黏膜法和浆膜法获得的信号质量较好，但是会对人体带来伤害，所以不适合用于人体，尤其是健康人群的胃电信号采集。

3、体表法，它利用皮肤表面电极进行胃电的测量，操作简单、无创、适合长时间监测。可以用于人体信号检测，且不会造成伤害，位于上腹部的皮肤电极在提取胃电信号的同时，会引进心电、腹部肌电、呼吸伪迹、运动伪迹等干扰，加上人体的呼吸和心电这些信号与胃电信号的性质接近，不好进行滤波，所以难以获得良好的胃电信号。

发明内容

本发明提供了一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法，本发明可有效地提高胃电信号的精度和信噪比，为胃动力研究提供了一种无创的、可穿戴的检测工具，获得可观的社会效益和经济效益，详见下文描述：

一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法，所述拉普拉斯电极的设计方法包括：

确定待测胃电信号的幅值、带宽、体表深度范围，以及测量误差所要求的精度；

根据上述要求，选择环电极宽度、环电极与中央电极间距，计算环电极的有效半径、中央电极的半径、环电极的外圆半径、以及内圆半径；

应用误差最小原则和电位比最大原则对环电极的各个参数进行优化调整，从而设计出用于胃电信号采集的同心双环结构拉普拉斯电极。

其中，应用误差最小原则对环电极的各个参数进行优化调整具体为：

若误差在体表深度范围内最大，且误差不大于体表深度范围最大值，则电极参数是合理的，否则电极参数需要重新设计。

其中，应用电位比最大原则对环电极的各个参数进行优化调整具体为：

若电位比在体表深度范围内最小，且电位比不小于体表深度范围最小值，则电极参数是合理的，否则电极参数需要重新设计。

进一步地，在设计中应保持中央电极的面积与环电极的圆环的面积相等，以使放大器两输入端的源阻抗相同，从而提高放大器共模抑制比：

其中，r_d为中央电极的半径；r_o为参考电极的外圆半径；r_i为参考电极的内圆半径。

进一步地，电极参数需要重新设计具体为：

进一步地，电极参数需要重新设计具体为：

式中，为待检测的生物电体表电位的有效值，SNR≥1；e_n为前置放大器的固有噪声；b为有效半径；L_smin为Laplacian电位最小值；K_min为对应K值的最小值。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、通过确定待测胃电信号的幅值、带宽、体表深度范围和测量误差精度，选择环电极宽度、电极间距，计算出要求的电极参数，然后应用RE(误差)最小原则和K值(电位比)最大原则对参数进行优化调整，从而设计出用于胃电信号采集的同心双环结构拉普拉斯电极，准确、客观地进行胃电信号检测；

2、在采集胃电信号时采用Laplacian电极，可以有效地抑制干扰，从而得到质量更好的EGG信号，也为生物电采集系统的通用化、可穿戴化打下了良好的基础。

附图说明

图1为拉普拉斯电极的示意图；

图2为Laplacian电极的示意图；

其中，(a)为Laplacian电极是理想化的状态示意图；(b)为实际状态下Laplacian电极是环状电极的示意图。

图3为多导联体表EGG的扇形电极定位方法；

图4为一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法的流程图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：中央电极； 2：参考电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

体表Laplacian电位标测图(Body surface laplacian map,BSLM)技术被广泛应用于有关生物电空间分布的研究。BSLM所测得的信号，随偶极子到体表的距离的4次方而迅速衰减，这使得它的作用相当于一个滤波器，对离电极近的生物电偶极子的活动附加以较大的权值，而将深层的生物电源的作用滤掉。

因此，它能够比较精确地反映局部生物电活动的细节，有效地抑制躯干容积导体平滑效应的影响，受躯干容积导体的不均匀性、胸腔组织电导率不均匀性、胸腔模型不规则性等方面的影响要小得多，具有临床的可操作性。

基于此，本发明实施例将体表Laplacian值技术应用于胃电信号的采集和分析，提出一种对Laplacian电极参数设计及优化的新方法。

实施例1

一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法，参见图1、图2和图3，该拉普拉斯电极的设计方法包括以下步骤：

101：确定待测胃电信号的幅值、带宽、体表深度范围Zmin、Zmax，以及测量误差所要求的精度REmax；

102：选择环电极宽度w、环电极与中央电极1间距a，计算环电极的有效半径b、中央电极1的半径r_d，环电极的外圆半径r_o，内圆半径r_i等电极参数；

103：应用RE(误差)最小原则和K值(电位比)最大原则对环电极的各个参数进行优化调整，从而设计出用于胃电信号采集的同心双环结构拉普拉斯电极。

综上所述，通过上述步骤101-步骤103的设计，得到了可用于胃电信号采集的拉普拉斯电极，该电极有效地抑制干扰，从而得到质量更好的EGG信号，也为生物电采集系统的通用化、可穿戴化打下了良好的基础。

实施例2

下面结合具体的实例、计算公式、图3和图4对实施例1中的用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法进行进一步地介绍，详见下文描述：

201：Laplacian电极和Laplacian电位；

在实际应用中的Laplacian电位可以通过取某点的体表电位与其临域内体表电位的平均值，然后求两者之差来获得：

式中，表示某一点的体表电位，则表示该点的临域内电位的平均值。两者的差乘以一个常数4/b²即可得到近似的Laplacian电位的值。一般取Ls的单位为mV/cm²。式中的b在不同的测量方法中有不同的含义。例如，如图1所示，参考电极2以半径r呈环形围绕在中央电极1的周围时，式(1)中的b则为参考电极2所分布的圆的半径r。

当参考电极2数量n趋于无穷、排列足够紧密的时候，可以认为它已经褪化成为一个围绕在中央电极1周围的封闭的圆环。此时，应该是该环路径上所有电位的积分平均。根据调和场的理论，该积分的结果应该是与积分路径无关的，因此一般可以将积分路径取为圆。如图2(a)所示，这种同心环的结构，即所谓的Laplacian电极。采用这种特殊的Laplacian电极测量Laplacian电位的方法，称为直接测量法。

图2(a)所示的Laplacian电极是一种理想化的状态，它的中央电极1被认为是一个点，而外周圆环宽度为0，圆环的半径为b。在实际中应用的Laplacian电极通常是由一个中心圆片和一个(或多个)与之同心的环状电极组成，这种结构称为同心双极电极(CentricBipolar Electrodes，CBE)。

其中，最简单的一种情况是除中心圆片外，只有一个环状电极，如图2(b)所示。本发明实施例以双环电极为例，三环或四环同心等情况类似。对于CBE，通过测量中央电极1和参考电极2之间的差再乘以一个常数，即可得到Laplacian电位的近似值。以此更有效地抑制共模噪声，提高信噪比。

202：Laplacian电极尺寸参数的设计；

其中，CBE的尺寸参数包括：Laplacian电极的有效半径b、中央电极1的半径r_d，参考电极2的外圆半径r_o，内圆半径r_i，参考电极2的圆环宽度w以及中央电极1与参考电极2间的距离a等。这些参数的选取，将直接关系到测量结果的有效性和准确性。其中：

r_o＝r_i+w (2)

此外，由于与Laplacian电极连接的前置放大器一般采用差动输入的方式，因此，在设计中应该保持中央电极1的面积与圆环的面积相等，以使放大器两输入端的源阻抗相同，从而提高放大器共模抑制比。于是有

203：Laplacian电极参数的选取应遵循以下两个原则。

1)RE(误差)最小原则；

假设偶极子P＝(Px,Py,Pz)位于坐标r＝(x,y,z)处。为便于计算，假设偶极子P是射线状的，且沿着z轴正方向放置，即偶极子模型可以简化为P＝(0,0,Pz)，r＝(0,0,z)。真实CBE电极的Laplacian值和理论上推导的值之间的相对误差RE满足：

假设与b相比，z的取值很大，因此RE展开后，所有z²以上的项均可以忽略不计。为使RE为0或最小，有效半径b的取值必须满足以下关系：

比较式(3)和式(5)可得出：

b＝r_i (6)

在以往的设计中，通常认为b应该是r_o和r_i的中值，即b＝(r_o+r_i)/2。但由式(6)发现，把圆环的内径r_i作为有效半径b来计算，会大大减小测量结果的误差。

另外，由式(2)、(3)和(6)可推导出：

其中，b>r_d，假设b＝r_d+a，在b＝r_i的情况下，a就是参考电极2与中央电极1之间绝缘层的宽度。将b代入式(7)，即可得到：

式(2)、(6)、(7)、(8)对于实际设计电极的尺寸都具有指导意义。

2)K值(电位比)最大原则

当Laplacian电极与采样电路相连的时候，采样电路的性能对采样结果的影响也是不容忽视的。定义Laplacian电位Ls和体表电位的比值为K，称之为电位比，K实际上反映了中心点临域内平均体表电位相对于中心点变化的比例。由式(1)可以得到：

由此可得：

当值和Laplacian电极尺寸确定后，该Laplacian电极所能检测到的Laplacian电位有一个最小的极限，这个最小值Lsmin与所用的前置放大器的固有噪e_n以及所希望达到的信噪比SNR有关：

式中，为待检测的生物电体表电位的有效值，SNR应该≥1，否则，有用信号将淹没在固有噪声里，信号的检测是没有意义的。

式(12)、(13)隐含表明，对同样的放大器，适当增加b值，是有利于提高信噪比的。Laplacian电极的有效半径b增加α倍，对同样的K_min，信噪比SNR可以提高α²倍，同时探测深度z_max也有所增加。但这一切，都是以牺牲测量精度为代价的。此时的Laplacian电极是否可用，取决于误差增长是否还控制在可以忍受的范围内。

204：Laplacian电极的设计步骤；

当Laplacian电极的尺寸固定的时候，偶极子越深(即z越大)，误差RE越小。但在实际应用中，z的值至少不应该超过人体的“厚度”。在z值有限的情况下，b较小，则误差较小。此外，b值较小，也便于Laplacian电极与皮肤表面充分地接触，接触面更近似于平面。但若b过小，则可能给Laplacian电极的固定带来一定的困难。当b和z都固定的时候，w较小，则误差较小。这可以解释为，当b固定的时候，w越小，则中心点的半径rd越小，且圆环越细，Laplacian电极更接近图2(a)中理想CBE的样子。在实际应用中，w的减小则受到制作工艺水平的限制。

此外，如果被检测的生物电信号过于微弱的话，可以考虑适当地增大b，也就是Laplacian电极的尺寸，以换取较高的信噪比SNR。但在这种情形下，测量的精度会大大降低。建议在增加b的同时，尽量减小w和r_d以使精度恢复到希望的水平。

根据以上讨论，本发明实施例总结了一种在实际应用中设计Laplacian电极的方法。

1)首先，确定待测生物电信号的幅值、带宽，以及该生物电信号源距离体表的深度范围Zmin和Zmax。并确定测量误差所要求的精度，即RE所能容忍的最大值REmax；

2)根据工艺上能够达到的水平，尽可能较小地选择环电极的宽度w，并选择适当的环电极与中央电极1间的距离a；

3)由式(8)得到r_d，由式(6)及(7)得到r_i和b，由式(2)得到r_o；

4)根据被测生物电信号的幅值或有效值及放大器的噪声参数由式(13)计算K的最小值Kmin；

5)将Zmin代入式(4)，由前述可知，此时得到的RE应该是Zmin和Zmax范围内最大的(因为RE是随z的增加而减小的)。如果此时的RE不大于设计要求的REmax，则认为是合理的，否则电极参数需要重新设计。

6)将Zmax代入式(11)，由前述可知，此时得到的K应该是Zmin和Zmax范围内最小的(K也是随z的增加而减小的)。同样K应该不小于Kmin。而且K/Kmin越大越好。

7)如果步骤5)和步骤6)不能得到满足，应该对电极的各个参数进行调整，直到满足步骤5)和步骤6)为止。

205：多导胃电检测中电极的摆放；

在采集多通道的EGG信号时需要在腹部有限的空间摆放多导的电极，本发明实施例提出了一种简易的扇形电极定位法。以8导联为例，如图4所示，以剑突为圆心，以剑突至脐的距离的一半为半径做1/4圆，将各组电极的正极均匀分布在这一弧线上。再将弧的半径增加1～2cm做同心弧，各组中的负极位于该同心弧与正极相应的位置上。接地电极位于右下腹部。

综上所述，通过上述步骤201-步骤205的设计，得到了可用于胃电信号采集的拉普拉斯电极，该电极有效地抑制干扰，从而得到质量更好的EGG信号，也为生物电采集系统的通用化、可穿戴化打下了良好的基础。

实施例3

下面结合具体的实验数据，表1对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

应用以上准则，本发明实施例设计了两组应用于胃电(EGG)检测的有源Laplacian电极，其尺寸参数如表1所示。使用Laplacian电极与普通电极对比进行实验，探究Laplacian电极空间滤波效果。

表1胃电Laplacian电极的参数

实验结果发现，由普通电极采集得到的胃电信号较尖锐，这是由于信号中的心电成分没有滤除干净造成的。相比而言，使用Laplacian电极测量的误差在7.3％左右，而且采集的信号中，心电成分的幅值仅为普通电极采集的心电幅值的65％-70％，心电噪声特别是心电成分中较高频的成分得到了较好的抑制，信噪比SNR可达到6左右，得以提高，所得的胃电信号也较为平滑，更符合胃肠平滑肌运动实际的情形。

综上所述，本发明实施例为胃动力研究提供了一种无创的、可穿戴的检测工具，也为临床和科研等领域胃电信号检测提供基本的技术参考，具有重要的研究意义和医用价值、商业价值。最佳实施方案拟采用专利转让、技术合作或产品开发。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法，其特征在于，所述拉普拉斯电极的设计方法包括：

确定待测胃电信号的幅值、带宽、体表深度范围，以及测量误差所要求的精度；

根据上述要求，选择环电极宽度、环电极与中央电极间距，计算环电极的有效半径、中央电极的半径、环电极的外圆半径、以及内圆半径；

应用误差最小原则和电位比最大原则对环电极的各个参数进行优化调整，从而设计出用于胃电信号采集的同心双环结构拉普拉斯电极。

2.根据权利要求1所述的一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法，其特征在于，应用误差最小原则对环电极的各个参数进行优化调整具体为：

若误差在体表深度范围内最大，且误差不大于体表深度范围最大值，则电极参数是合理的，否则电极参数需要重新设计。

3.根据权利要求1所述的一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法，其特征在于，应用电位比最大原则对环电极的各个参数进行优化调整具体为：

若电位比在体表深度范围内最小，且电位比不小于体表深度范围最小值，则电极参数是合理的，否则电极参数需要重新设计。

4.根据权利要求1所述的一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法，其特征在于，

在设计中应保持中央电极的面积与环电极的圆环的面积相等，以使放大器两输入端的源阻抗相同，从而提高放大器共模抑制比：

<mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mi>r</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>=</mo> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mi>r</mi> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow>

其中，r_d为中央电极的半径；r_o为参考电极的外圆半径；r_i为参考电极的内圆半径。

5.根据权利要求2所述的一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法，其特征在于，电极参数需要重新设计具体为：

<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>w</mi> <mo>+</mo> <msqrt> <mrow> <mn>2</mn> <mi>w</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>w</mi> <mo>+</mo> <mi>a</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> <mo>)</mo> </mrow> <mi>w</mi> <mo>&amp;ap;</mo> <mn>2.41</mn> <mi>w</mi> </mrow>

其中，W为参考电极2的圆环宽度；a为中央电极与参考电极间的距离。

6.根据权利要求2所述的一种用于胃电信号采集的拉普拉斯电极的设计方法，其特征在于，电极参数需要重新设计具体为：

<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>min</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>4</mn> <msup> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mi>S</mi> <mi>N</mi> <mi>R</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>n</mi> </msub> </mrow>

式中，为待检测的生物电体表电位的有效值，SNR≥1；e_n为前置放大器的固有噪声；b为有效半径；L_smin为Laplacian电位最小值；K_min为对应K值的最小值。