CN112155547A - 一种生物组织识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医用设备领域，具体涉及一种生物组织识别系统，包括：检测模块，用于检测所述生物组织的电学参数；分析模块，用于获取所述检测模块的位移参数、所述生物组织的力学参数，并接收所述电学参数；还用于根据上述参数识别所述生物组织的类型；所述位移参数为所述检测模块发生的位移量，所述生物组织的力学参数为所述生物组织所承受力或对外施加力中的至少之一。通过检测模块检测生物组织的力学参数、电学参数以及检测模块发生的位移，分析模块根据检测模块检测得到的相关参数进行分析、判断，从而完成生物组织的识别。

Description

一种生物组织识别系统

技术领域

本发明涉及医用设备领域，具体涉及一种生物组织识别系统。

背景技术

生物组织是由多细胞种类构成的，由于生物组织本身的复杂性，对其进行识别具有重大意义。最近这些年，生物电阻抗测量技术正吸引着各国学者的研究，在国内生物电阻抗测量技术主要以应用为研究重点。生物电阻抗检测是通过利用生物组织和器官的电特性及其变化规律得到和人体生理和病理状况有关的医学信息的技术。在国外的某些高等研究中出现了单纯利用组织刚度进行识别的方法，但也还只是处于提出阶段，且刚度诊断存在一定的误差，容易引起误诊。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种生物组织识别系统。

为实现以上目的，本发明提供一种生物组织识别系统，包括：检测模块，用于检测所述生物组织的电学参数；分析模块，用于获取所述检测模块的位移参数、所述生物组织的力学参数，并接收所述电学参数；还用于根据上述参数识别所述生物组织的类型；所述位移参数为所述检测模块发生的位移量，所述生物组织的力学参数为所述生物组织所承受力或对外施加力中的至少之一。

通过本发明的生物组织识别系统，检测模块与生物组织接触，检测生物组织的电学参数，分析模块根据检测模块检测得到的相关参数以及获取检测模块发生的位移参数和力学参数进行分析、判断，完成生物组织的类型识别。

在上述技术方案中，所述力学参数包括所述生物组织所受压力参数和对所述检测模块产生的拉力参数。

在该技术方案中，通过对生物组织所受压力、对检测模块产生的拉力、生物组织的电学参数和检测模块产生的位移，分析模块可以完成对生物组织的分析，并识别生物组织的类型。

在上述技术方案中，所述电学参数包括所述生物组织的电阻抗。

在该技术方案中，在该技术方案中，根据生物组织的电阻抗可以获得细胞内电阻、细胞外电阻和细胞膜电容，与力学参数和位移参数结合，可以识别生物组织是否为正常的组织。

在上述技术方案中，所述分析模块还用于：根据所述压力参数和所述位移参数，计算所述生物组织的刚度，根据刚度大小完成生物组织的刚度分析。

在该技术方案中，通过分析生物组织的压力参数和位移参数可以获得生物组织的刚度信息。

在上述技术方案中，所述分析模块包括：下位机和上位机，所述下位机用于接收所述位移参数，与获取所述力学参数和所述电学参数，并进行打包和发送；所述上位机用于：接收并解包所述下位机发送的所述力学参数、所述电学参数以及所述位移；根据解包后的所述力学参数、所述电学参数以及所述位移参数分析所述生物组织，识别所述生物组织的类型。

在该技术方案中，上位机和下位机的设置可以实现对生物组织的力学参数、电学参数以及检测模块发生的位移这三个数据的同时读取，进而实现程序的并行运行，最后完成数据的实时处理。

在上述技术方案中，所述分析模块还包括支持向量机模型，所述分析模块，用于接收所述位移参数、所述力学参数和所述电学参数，并根据上述参数识别所述生物组织的类型，具体为：所述支持向量机模型用于接收来自所述位移参数、力学参数和电学参数，并根据上述参数识别所述生物组织的类型。

在该技术方案中，支持向量机模型预先完成数据的训练，通过生物组织的力学参数、电学参数和位移参数完成对生物组织类型的分类，进而完成识别。

在上述技术方案中，所述分析模块用于发送第一位移信号；所述检测模块用于接收所述分析模块发送的第一位移信号；根据第一位移信号移动所述位移量。

在该技术方案中，检测模块发生位移时，对生物组织产生的压力可以不断发生变化，同时受到压力的生物组织的电阻抗也会不断发生变化，据此可以完成多个压力下生物组织的电阻抗的检测，获得多组数据。

在上述技术方案中，所述分析模块用于发送恒力信号；所述检测模块用于接收所述恒力信号。

在该技术方案中，检测模块输出大小稳定的力可以获得稳定的电阻抗测量。

在上述技术方案中，所述获取所述检测模块的位移参数具体为：根据所述分析模块的所述第一位移信号获取所述位移参数。

在该技术方案中，分析模块根据第一位移信号的内容直接获得检测模块的位移参数，不需要再检测检测模块的位移量以获得位移参数。

在上述技术方案中，所述分析模块用于显示所述生物组织的类型。

在该技术方案中，在该技术方案中，分析模块显示生物组织的类型可以帮助使用者识别生物组织的类型。

本发明提供一种生物组织识别系统，通过检测模块检测生物组织的力学参数、电学参数以及检测模块发生的位移，分析模块根据检测模块检测得到的相关参数进行分析、判断，从而完成生物组织的识别。

附图说明

图1示出根据本发明的一个实施例的生物组织识别系统的结构示意图；

图2示出根据本发明的一个实施例的生物组织识别系统的PID控制流程图；

图3示出根据本发明的一个实施例的生物组织识别系统的显示模块的显示界面；

图4示出根据本发明的一个实施例的生物组织识别系统的检测探头的剖视图；

图5示出根据本发明的一个实施例的生物组织识别系统的带气压传感器的检测探头的剖视图；

图6示出根据本发明的一个实施例的生物组织识别系统的依靠步进电机进行恒力输出的检测探头的剖视图；

图7示出根据本发明的一个实施例的生物组织识别系统的检测探头应用于垂直移动平台的结构示意图；

图8示出根据本发明的一个实施例的生物组织识别系统的甲醇钠探头应用于机械臂的结构示意图；

上述附图中的附图标记与标记名称的对应关系为：

附图标记	标记名称	附图标记	标记名称
				1	力学分析框	9	吸附式探头
2	电学分析框	10	步进电机
				3	类型判断框	11	滚珠丝杠
4	力传感器	12	检测探头
				5	检测探头前端	13	垂直移动平台
6	硬质金属杆	14	检测探头
				7	气压传感器	15	机械臂
8	中空金属杆	16	检测探头

具体实施方式

为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

不同生物组织其力学特性，如刚度、粘性，与电学特性，如电阻抗、细胞内电阻等，会有所不同，生物组织的生物电特性和力学特性会受到来自外界的影响，发生相应的变化，如病变的组织，其生物电特性，如电阻抗、细胞内电阻、细胞外电阻以及细胞膜电容都会发生相应的改变，导致病变组织的上述参数与正常的组织会有差别。同样的，生物组织的力学特性如刚度会由于生物组织本身发生变化而发生改变。

首先，对本申请实施例中涉及的相关名词术语进行介绍和说明：

上位机是指可以直接发出操控命令的计算机；下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机。

成对分类方法(one-against-one pairwise classification)，其做法是在任意两类样本之间设计一个SVM(Support Vector Machine,支持向量机)，因此k个类别的样本就需要设计k(k-1)/2个SVM。当对一个未知样本进行分类时，最后得票最多的类别即为该未知样本的类别。

凸优化，或叫做凸最优化，凸最小化，是数学最优化的一个子领域，研究定义于凸集中的凸函数最小化的问题。

对偶化，在约束最优化问题中，常常利用拉格朗日对偶性将原始问题转换为对偶问题，通过解对偶问题而得到原始问题的解。

KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件，是在满足一些有规则的条件下，一个非线性规划(Nonlinear Programming)问题能有最优化解法的一个必要和充分条件。

下面参照图1至图8描述根据本发明的一些实施例。

如图1所示，一种生物组织识别系统，包括：检测模块，用于检测所述生物组织的电学参数和力学参数；分析模块，用于获取所述检测模块的位移参数，并接收所述电学参数和所述力学参数；还用于根据上述参数识别所述生物组织的类型；所述位移参数为所述检测模块发生的位移量，所述生物组织的力学参数为所述生物组织所承受力或对外施加力中的至少之一。

具体的，检测模块检测的位移参数可以为检测模块本身发生的位移，可以为人工推动检测模块而发生的位移，可以为分析模块向检测模块发出第一位移信号使检测模块发生的位移；检测模块检测的力学参数可以为检测模块本身产生的力，可以为人工推动检测模块而产生的力，也可以为分析模块向检测模块发出的恒力信号，使检测模块输出的力。

具体的，可以通过多种途径来获取上述参数。首先，检测模块会检测生物组织的电学参数。而对于人工推动检测模块而发生的位移的方式来说，也可通过检测模块来检测位移参数和生物组织的力学参数。而对于分析模块向检测模块发出第一位移信号使检测模块发生的位移，或者分析模块向检测模块发出的恒力信号，则可以直接将分析模块发出的第一位移信号、恒力信号这样的指令信号作为对应的位移参数和力学参数；当然，也可以利用检测模块来进行位移参数和力学参数的检测，在本申请中不做限定。

可选的，可采用探头或者其它的能够实现上述功能的任意形式的检测模块。如图4示出一种检测探头，检测探头前端5设置有电极，检测探头前端5与硬质金属杆6与分析模块的力传感器4进行连接，检测时将检测探头前端5按压在生物组织上，进行生物组织的电学参数的检测，同时硬质金属杆6可以将检测探头前端5所受压力传递到分析模块的力传感器4上，完成力学参数的检测；图5示出一种气压传感器的检测探头，其中，吸附式探头9上设置有电极，吸附式探头9与中空金属杆8一端连接，通过抽走中空金属杆8和吸附式探头9中的空气可以将吸附式探头9固定在生物组织上，可以测得特定压力下的生物组织的电学参数，同时可以将气压传感器7设置在中空金属杆8的另一端，从而测得当前条件下的压力信号；图6示出一种依靠步进电机进行恒力输出的检测探头，检测探头12经滚珠丝杠11与步进电机10连接，滚珠丝杠11将步进电机10的转动转化为直线运动，且滚珠丝杠11带动检测探头12发生沿滚珠丝杠11长度方向的移动，同时提供稳定的按压力。检测探头也可以与其他部件结合，如图7所示，检测探头14可以安装在垂直移动平台13上，利用垂直移动平台13提供稳定的位移和压力；如图8所示，检测探头15可以安装在机械臂16上，通过机械臂来完成生物组织的相关参数的检测。

具体的，生物组织的力学参数可以完成生物组织类型的刚度分析。生物组织的力学参数包括材料刚度和粘弹性，其中，根据公式k＝P/δ获得生物组织的刚度k，P为生物组织受到的压力，δ为生物组织产生的形变量，检测模块与生物组织接触，并对生物组织施加压力，生物组织往往会发生形变，具体体现在检测模块的位移上，可以通过步进电机控制检测模块的位移，据此获得生物组织受到的压力和产生的形变，生物组织的刚度有阈值，刚度大于阈值的组织判断为硬组织，刚度小于阈值的组织为软组织，从而完成对生物组织类型的刚度分析。粘弹性可以通过检测探头与生物组织接触后产生的位移与时间比值乘上当前的压力获得。

具体的，生物组织的电学参数可以完成生物组织的类型分析。检测模块与生物组织接触时，检测模块与生物组织构成回路，对生物组织注入多种频率的激励信号，从而检测得出生物组织的细胞内电阻、细胞外电阻和细胞膜电容，将上述参数至少其中之一与正常组织的相对应参数进行比较，对于差别较大的生物组织可以分类为非正常组织。

具体的，通过控制检测模块的位移可以实现生物组织的力学参数与电学参数的快速检测。示例性的，分析模块发送第一位移信号，检测模块接收上述第一位移信号，第一位移信号内容可以是周期性位移，如正弦位移、余弦位移等，检测模块根据第一位移信号内容发生位移，与生物组织接触，到达极限位置，返回至发生位移时的位置，在这个过程中，检测模块发生位移时的速度变化可以是不固定的，对生物组织产生的压力也可以是不固定的，检测模块每经过一个时间变化量、一个位移变化量或一个压力的变化量，对生物组织进行一次电学参数的检测。上述操作实现了在一次周期性位移，即一次第一位移内，提供多个压力条件，并在各压力条件下完成生物组织的电学参数检测。第一位移的类型仅为示例，不做限定。

具体的，通过控制检测模块输出稳定的压力作用在生物组织上，可以实现对生物组织的在不同恒力下的生物电特性的变化。具体的，在控制检测模块输出稳定的力时，可以通过PID(Proportional Integral Derivative)控制实现：以力信号作为反馈，位移作为输出，速度作为定量，以进行位移与力控制，保证生物组织检测时的环境是恒力一定的。如图2所示，向下位机输入一个恒力信号，使检测模块对生物组织产生一个压力，由于存在误差，实际压力值大于或小于期望的压力值，即恒力信号对应的压力值，下位机捕捉误差值，并通过输出第一位移信号，使检测模块发生相应的第一位移，实现误差值的减小，由于产生的误差值一般较小，在恒力条件下检测模块近似是一个静止的状态，在该条件下完成生物组织的电学参数的检测，多次执行上述操作，可以获得多组压力下的阻抗数据，用于后续的生物组织的类型识别。

具体的，分析模块包括上位机与下位机，上位机可以为计算机、显示屏等向下位机和检测模块发出操控命令的设备，用于分析和识别生物组织的类型，下位机可以为单片机和可编程逻辑控制器等可以直接控制检测模块和获取检测模块状况的设备，上位机与下位机一般应用自定义通讯协议。在获得生物组织的力学特性、电学特性以及检测探头发生的位移后，下位机对三个数据的浮点数进行拆解，变成可识别解包数据进行储存，最后，将数据包装在格式包之内，发送到上位机。下位机与上位机也可以完成联合数据装包与解包。示例性的，以单片机为例，单片机系统可以进行伪逻辑的并行，兼顾不同传感器的传输速度，提升了数据传输与处理速度；单片机首先并行接收来自检测探头的三个信号，分别进行数据解包后，包装统一进行数据包装，而自定义传输协议，与上位机的解包协议相通，将三个信号所蕴含的数据拆解成12个无符号十六进制数后以帧头帧尾分别包装，在上位机端先进行数据一次静态存储，而二次就可以根据特定的帧头帧尾进行识别，识别到后将包装进行解包，通过浮点数拆解与融合原理，将12位无符号十六进制数据进行解包，从而实现了对上述三个数据的同时读取，进而实现数据的实时处理。上位机根据解析后的所述力学特性、所述电学特性以及所述位移分析所述生物组织，识别和显示所述生物组织的类型。

通过分析模块可以完成生物组织的类型识别。具体的，通过控制检测模块的位移或控制检测模块对生物组织产生的稳定的压力这两种手段来获取生物组织的力学参数，包括生物组织所受到的压力，生物组织对检测模块产生的拉力；检测生物组织的电学参数，包括多个频率下的电阻抗、细胞内电阻、细胞外电阻和细胞膜电容；检测模块发生的位移，取上述力学参数、电学参数和检测模块发生的位移中的一项或多项，为标签设置预设条件，如生物组织是否发炎，是否发生癌变，组成训练集，采用one-against-one pairwiseclassification(成对分类方法)，生成多个1对1的分类器，并进行凸优化处理，再对偶化，利用KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件求解获得分类决策函数，据此完成支持向量机(Support Vector Machine，SVM)模型的构建和训练。当分析模块完成生物组织的电学参数、力学参数和位移参数检测之后，将相关数据输入至SVM模型之中，模型中各个分类器对该输入数据进行投票，以得票最多的结果作为生物组织的类型的识别结果。具体SVM模型的训练方法和识别方法仅为示例，不做限定。

具体的，分析模块显示生物组织的类型。如图3所示，分析模块具有显示界面，显示界面中分别在力学分析框1中显示生物组织的刚度信号，即刚度值，其下方显示根据刚度对组织类型的初步分析结果，该界面显示为软组织；在电学分析框2显示阻抗电信号，即生物组织的电阻抗值，阻抗电信号下方显示根据生物组织的电阻抗值的初步分析结果，在综合判断框3中显示SVM模型根据生物组织的电学参数、力学参数以及检测模块发生的位移进行结合的判断结果，该界面显示为正常组织。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种生物组织识别系统，其特征在于，包括：

检测模块，用于检测所述生物组织的电学参数；

分析模块，用于获取所述检测模块的位移参数、所述生物组织的力学参数，并接收所述电学参数；还用于根据上述参数识别所述生物组织的类型；所述位移参数为所述检测模块发生的位移量，所述生物组织的力学参数为所述生物组织所承受力或对外施加力中的至少之一。

2.根据权利要求1所述的生物组织识别系统，其特征在于，所述力学参数包括所述生物组织所受压力参数和对所述检测模块产生的拉力参数。

3.根据权利要求1所述的生物组织识别系统，其特征在于，所述电学参数包括所述生物组织的电阻抗。

4.根据权利要求2所述的生物组织识别系统，其特征在于，所述分析模块还用于：根据所述压力参数和所述位移参数，计算所述生物组织的刚度，根据刚度大小完成生物组织的刚度分析。

5.根据权利要求1所述的生物组织识别系统，其特征在于，所述分析模块包括：下位机和上位机，所述下位机用于接收所述位移参数，与获取所述力学参数和所述电学参数，并进行打包和发送；所述上位机用于：接收并解包所述下位机发送的所述力学参数、所述电学参数以及所述位移；根据解包后的所述力学参数、所述电学参数以及所述位移参数分析所述生物组织，识别所述生物组织的类型。

6.根据权利要求1-5任一项所述的生物组织识别系统，其特征在于，所述分析模块还包括支持向量机模型，所述分析模块，用于获取所述位移参数、并接收所述电学参数和所述力学参数，并根据上述参数识别所述生物组织的类型，具体为：

所述支持向量机模型用于接收所述位移参数、电学参数和力学参数，并根据上述参数识别所述生物组织的类型。

7.根据权利要求1所述的生物组织识别系统，其特征在于，所述分析模块用于发送第一位移信号；所述检测模块用于接收所述分析模块发送的第一位移信号；根据第一位移信号移动所述位移量。

8.根据权利要求1所述的生物组织识别系统，其特征在于，所述分析模块用于发送恒力信号；所述检测模块用于接收所述恒力信号。

9.根据权利要求7所述的生物组织识别系统，其特征在于，所述获取所述检测模块的位移参数具体为：

根据所述分析模块的所述第一位移信号获取所述位移参数。

10.根据权利要求1-5任一项所述的生物组织识别系统，其特征在于，所述分析模块用于显示所述生物组织的类型。

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