CN112205986B - 一种精确定位盆底肌的可延展电极阵列及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精确定位盆底肌的可延展电极阵列及其设计方法，包括：(1)获取盆底肌的三维肌肉解剖图，根据三维肌肉解剖图划分肌肉并确定肌肉纤维走向，针对每块肌肉，沿肌肉纤维走向确定多个用于标记每块肌肉的三维坐标点；(2)将所有三维坐标点投影到弹性腔体形状展开的二维平面后，二维平面中每个二维坐标点作为设置电极片的位置；(3)对弹性腔体的力学性能进行模拟，确定电极片的可延展电极线沿盆底肌的肌肉纤维方向排布时的变形率；(4)依据设计结果在弹性腔体上安装电极片和可延展电极线，形成可延展电极阵列。这样设计能够使每块电极片在膨胀前后均定位盆底肌，提升盆底肌的肌电信号采集的准确性。
Description
技术领域
本发明属于生物医学领域，具体涉及一种精确定位盆底肌的可延展电极阵列及其设计方法。
背景技术
肌电信号为人体电生理信号的一种，能够反应机体的生理和病理信息，在临床诊断、认知研究、驱动机械假肢等领域均有重要作用。高密度的可延展电极阵列能够提供良好的生物适应性及信号还原度。在表面肌电采集中，沿肌肉纤维方向排布的差分电极接法相较于单电极接法，拥有信号质量高的特点，对后续的信号分析有很大的帮助。而由于采集位置的特殊性，高密度肌电采集系统中，电极阵列需要与人体表面接触，需要有良好的生物适应性及信号抗干扰能力。
女性盆底肌群肌肉组成复杂、各肌肉功能状态不一致，具有复杂的解剖结构，是盆底疾病和盆底保健的独特挑战之一。盆底肌电生理检查法是诊断盆底肌肉功能状态异常的最科学最准确的手段之一，但是目前盆底肌电电极结构无法精准对应特定盆底肌肉的功能状态。
为兼顾生物适应性及高密度检测人体肌电信号的功能，应用柔性电子技术的充气气囊电极是一种精确的测量方案，如申请公布号为CN110123278A的发明专利申请公开了一种可延展的高密度盆底康复电极。在采集过程中，由于每个人的生理构造不尽相同，会发生一些导致测量结果不精准的情况：(1)每位患者生理状况不同，特定大小的电极阵列气囊的电极分布位置很容易产生偏移，在气囊膨胀的过程中容易偏离原有肌肉测量位点，无法做到完美的大众适配性。(2)现有电极阵列及其差分对选择概念较为模糊，差分对电极无法保证沿肌肉纤维方向放置，造成测量信号的误差。(3)盆底肌重叠情况较为普遍，重点区域容易叠加多块肌肉，现有电极阵列无法达到复用分析功能，造成信号无法深入分析。(4)气囊的膨胀容易使电极表面应力改变，影响其电气特性稳定性，影响测量结果。现有的盆底电极没有全面地考虑到这些问题。
现有的高密度阵列盆底电极大致分为两种，一种为硬质腔体单电极接法的电极，制作及采集上更为简便，但是由于其材料为硬质材料及通道数少，影响信号的精确度以及后续的诊断，无法应用于精准定位的评估场景中。另一种为高密度柔性材料的差分气囊电极，相较于第一种电极，该电极能保证传感电极与人体的紧密贴合，确保采集到的表面肌电信号信噪比，但是其电极阵列设计仍为简单的临近电极差分对或单电极设计，未按肌肉纤维划分差分对，且未考虑到延展过程中的变形对电极特性产生的影响。
因此，设计一种能精确分析特性盆底肌肉走向，并确保电极在膨胀状态下电气特性稳定的电极结构，成为一个亟待解决的问题。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的是提供一种精确定位盆底肌的可延展电极阵列及其设计方法，根据对盆底肌的分解和分析结果设计可延展电极阵列及其可延展电极线的排布方式，以使每块电极片在膨胀前后均定位盆底肌，提升盆底肌的肌电信号采集的准确性。
为实现上述发明目的，本发明提供的一种精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法，包括以下步骤：
(1)获取盆底肌的三维肌肉解剖图，根据三维肌肉解剖图划分肌肉并确定肌肉纤维走向，针对每块肌肉，沿肌肉纤维走向确定多个用于标记每块肌肉的三维坐标点；
(2)将所有三维坐标点投影到弹性腔体形状展开的二维平面后，二维平面中每个二维坐标点作为设置电极片的位置；
(3)对弹性腔体的力学性能进行模拟，确定电极片的可延展电极线沿盆底肌的肌肉纤维方向排布时的变形率；
(4)依据设计的电极片的位置、可延展电极线排线走向以及变形率，在弹性腔体上安装电极片和可延展电极线，形成精确定位盆底肌的可延展电极阵列。
优选地，在沿肌肉纤维走向确定多个用于标记每块肌肉的三维坐标点时，至少在肌肉的中心位置确定一个三维坐标点，在沿肌肉纤维走向距离中心位置的1～4厘米处确定另外一个三维坐标点，这两个三维坐标点对应设置的电极片组成一个差分电极对。
优选地，为每个电极片及其可延展电极线设置区分标记。例如可以对每个电极片及连接其上的可延展电极线进行颜色区分或者进行编号，该区分标记将电极片及其可延展电极线与盆底肌对应形成映射关系，根据该映射关系可以得到每个电极片对应的盆底肌，在应用时，根据电极片采集的肌电信号和该映射关系就能准确地获得每块盆底肌的肌电信号。
优选地，根据对弹性腔体的力学性能的模拟结果，设计相邻两个电极片之间的可延展电极线以正弦曲线形状或U形状排布，具有0～50％的变形率。可延展电极线以正弦曲线形状或U形状等特殊形状进行排布，可以为可延展电极线提供足够大的延展空间，这样在可延展弹性腔体膨胀时，可延展电极线能够实现随着可延展弹性腔体膨胀产生0～50％变形率。
优选地，根据对弹性腔体的力学性能的模拟结果发现，弹性腔体在膨胀时，由深度到浅部膨胀比例不一样，越靠近把手的浅部膨胀的比例越小，同样为了使得弹性腔体膨胀时，可延展电极线并不限制电极阵列随弹性腔体膨胀而移动。本发明中，设计每串上的相邻两个电极片之间的可延展电极线，沿可延展盆底电极的深部到浅部方向上，电极片之间的可延展电极线的最小延伸长度依次递减，其中，最小延伸长度小于等于可延展电极线对应的盆底肌的最大长度。
优选地，设计所述电极片为花朵状，电极片的半径为1mm～20mm，花瓣数量为2～20瓣。
根据对弹性腔体的力学性能的模拟结果发现，由于腔体膨胀在轴向及纵向上的不同，在不改变电极排布及可延展电极线连接关系的情况下，花朵状电极应旋转角度使绝大多数可延展电极线引出后方向为轴向，避免纵向方向上的高应力影响导线电气稳定性，设计每串上的相邻两个电极片之间的可延展电极线的两端连接到花朵状电极片的花瓣上，在不影响电极片分布及连接的情况下，保持可延展电极线方向与气囊应力较小的方向保持一致。
优选地，所述可延展电极阵列的结构设计为包含第一绝缘层、第二绝缘层、设置在第二绝缘层上的第一导电层、设置在第二绝缘层另一侧的第二导电层以及设置在第二导电层另一侧的第三绝缘层，第一、第二、第三绝缘层为不可拉伸的聚合物材料，厚度为1μm～1mm，第二绝缘层上设有用于引导可延展电极线的通孔，第一、第二导电层用于传导电信号，第一导电层包含电极片导电部分及可延展电极线导电部分，第二导电层包含可延展电极线导电部分，第一导电层和第二导电层材料为铜、金、银、铝、钛中的一种金属或者至少2种金属组成的合金，厚度为10nm～2mm。
优选地，在所述可延展电极阵列的第一导电层的电极片导电部分上设计用于耦合肌电信号的耦合层，所述耦合层为导电凝胶、氯化银凝胶、导电碳黑中的一种或至少2种的混合材料。
一种精确定位盆底肌的可延展电极阵列，所述精确定位盆底肌的可延展电极阵列上述精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法设计得到。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：
本发明提供的设计方法中，通过对对盆底肌的分解和分析结果设计可延展电极阵列及其可延展电极线的排布方式，以使每块电极片在膨胀前后均定位盆底肌，提升盆底肌的肌电信号采集的准确性。
设计的可延展电极阵列中，可延展电极线独立传输肌电信号，汇聚排布，且预料延展范围，能够保证在弹性腔体膨胀适用不同尺寸的盆底肌时，相邻两个电极片仍然能够精确定位盆底肌，以精确采集肌电信号。
设计的可延展电极阵列中，每个电极片及其连接的可延展电极线具有区分标记，该区分标记能够标记每个电极片对应的盆底肌，能够根据电极片采集的肌电信号和区别标记能够准确获得盆底肌的肌电信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是实施例提供的精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法的流程图；
图2是实施例提供的耻骨直肠肌示意图；
图3是实施例提供的可延展电极阵列的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
图1是实施例提供的精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法的流程图。如图1所示，设计方法包括以下步骤：
S101，获取盆底肌的三维肌肉解剖图，根据三维肌肉解剖图划分肌肉并确定肌肉纤维走向，针对每块肌肉，沿肌肉纤维走向确定多个用于标记每块肌肉的三维坐标点。
图2给出了三维肌肉解剖图中的耻骨直肠肌，并给出了如图箭头所示的肌肉纤维走向。本实施例中，在沿肌肉纤维走向确定多个用于标记每块肌肉的三维坐标点时，至少在肌肉的中心位置确定一个三维坐标点，在沿肌肉纤维走向距离中心位置的1～4厘米处确定另外一个三维坐标点，这两个三维坐标点对应设置的电极片组成一个差分电极对。
S102，将所有三维坐标点投影到弹性腔体形状展开的二维平面后，二维平面中每个二维坐标点作为设置电极片的位置。
S103，对弹性腔体的力学性能进行模拟，确定电极片的可延展电极线沿盆底肌的肌肉纤维方向排布时的变形率。
本实施例中，根据对弹性腔体的力学性能的模拟结果，设计相邻两个电极片之间的可延展电极线以正弦曲线形状或U形状排布，具有0～50％的变形率。同时设计每串上的相邻两个电极片之间的可延展电极线，沿可延展盆底电极的深部到浅部方向上，电极片之间的可延展电极线的最小延伸长度依次递减，其中，最小延伸长度小于等于可延展电极线对应的盆底肌的最大长度。
S104，依据设计的电极片的位置、可延展电极线排线走向以及变形率，在弹性腔体上安装电极片和可延展电极线，形成精确定位盆底肌的可延展电极阵列。
上述设计方法中，还为每个电极片及其可延展电极线设置区分标记，该区分标记可以对每个电极片及连接其上的可延展电极线进行颜色区分或者进行编号，该区分标记将电极片及其可延展电极线与盆底肌对应形成映射关系，根据该映射关系可以得到每个电极片对应的盆底肌，在应用时，根据电极片采集的肌电信号和该映射关系就能准确地获得每块盆底肌的肌电信号。
上述设计方法中，将每个电极片设计为花朵状，极片的半径为2.5mm，该半径是指花瓣顶部所在圆的最大半径，花瓣数量为4瓣。同时设计每串上的相邻两个电极片之间的可延展电极线的两端连接到花朵状电极片的花瓣上，在不影响电极片分布及连接的情况下，保持可延展电极线方向与气囊应力较小的方向保持一致。
如图3所示，可延展电极阵列包括第一绝缘层301、第一导电层电极片导电部分302、第一导电层可延展导线导电部分303、耦合层304，第二绝缘层305，通孔306，第二导电层307和第三绝缘层308其中，第一绝缘层301用来隔离第一导电层可延展导线导电部分303，其材料为聚酰亚胺，厚度为0.2mm，第一导电层电极片部分302与第一导电层可延展导线导电部分303设置在第二绝缘层305一侧上用来导电，第一导电层电极片部分302材料为镀金铜，其厚度为0.4mm；第一导电层可延展导线导电部分303材料为铜，其厚度为0.256mm；第二绝缘层305材料为聚酰亚胺，厚度为0.2mm；第二绝缘层上305还设有通孔306，第一导电层可延展导线导电部分303可通过通孔306与第二导电层307连接并汇聚引出，也可直接于第一导电层汇聚引出；在同层汇聚的可延展导线导电部分数量大于1时，采用并排并列方式分布及汇聚；第二导电层307的材料为金属铜，厚度为0.135mm，相邻两个电极片之间的可延展电极线以正弦曲线形状排布；耦合层304设置在第一导电层电极片导电部分302上，直接作用于肌肤，用于耦合肌电信号，其材料为导电水凝胶，厚度为0.2mm；第三绝缘层308设置在第二导电层307的另一侧，为聚酰亚胺材料，厚度为0.15mm，用来隔离第二导电层；采用这样的电极片结构可以使各电极片连接的可延展电极线之间相互之间不影响，进而使每个电极片采集的肌电信号互不影响。双层布线减小整体线宽，可以有利变形时应变释放。
上述设计方法根据对盆底肌的分解和分析结果设计可延展电极阵列及其可延展电极线的排布方式，以使每块电极片在膨胀前后均定位盆底肌，提升盆底肌的肌电信号采集的准确性。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取盆底肌的三维肌肉解剖图，根据三维肌肉解剖图划分肌肉并确定肌肉纤维走向，针对每块肌肉，沿肌肉纤维走向确定多个用于标记每块肌肉的三维坐标点；
(2)将所有三维坐标点投影到弹性腔体形状展开的二维平面后，二维平面中每个二维坐标点作为设置电极片的位置；
(3)对弹性腔体的力学性能进行模拟，确定电极片的可延展电极线沿盆底肌的肌肉纤维方向排布时的变形率；
(4)依据设计的电极片的位置、可延展电极线排线走向以及变形率，在弹性腔体上安装电极片和可延展电极线，形成精确定位盆底肌的可延展电极阵列；
在沿肌肉纤维走向确定多个用于标记每块肌肉的三维坐标点时，至少在肌肉的中心位置确定一个三维坐标点，在沿肌肉纤维走向距离中心位置的1～4厘米处确定另外一个三维坐标点，这两个三维坐标点对应设置的电极片组成一个差分电极对。
2.如权利要求1所述的精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法，其特征在于，为每个电极片及其可延展电极线设置区分标记。
3.如权利要求1所述的精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法，其特征在于，根据对弹性腔体的力学性能的模拟结果，设计相邻两个电极片之间的可延展电极线以正弦曲线形状或U形状排布，具有0～50％的变形率。
4.如权利要求1所述的精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法，其特征在于，根据对弹性腔体的力学性能的模拟结果，设计每串上的相邻两个电极片之间的可延展电极线，沿可延展盆底电极的深部到浅部方向上，电极片之间的可延展电极线的最小延伸长度依次递减，其中，最小延伸长度小于等于可延展电极线对应的盆底肌的最大长度。
5.如权利要求1所述的精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法，其特征在于，设计所述电极片为花朵状，电极片的半径为1mm～20mm，花瓣数量为2～20瓣。
6.如权利要求1所述的精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法，其特征在于，根据对弹性腔体的力学性能的模拟结果，设计每串上的相邻两个电极片之间的可延展电极线的两端连接到花朵状电极片的花瓣上，在不影响电极片分布及连接的情况下，保持可延展电极线方向与气囊应力较小的方向保持一致。
7.如权利要求1所述的精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法，其特征在于，所述可延展电极阵列的结构设计为包含第一绝缘层、第二绝缘层、设置在第二绝缘层上的第一导电层、设置在第二绝缘层另一侧的第二导电层以及设置在第二导电层另一侧的第三绝缘层，第一、第二、第三绝缘层为不可拉伸的聚合物材料，厚度为1μm～1mm，第二绝缘层上设有用于引导可延展电极线的通孔，第一、第二导电层用于传导电信号，第一导电层包含电极片导电部分及可延展电极线导电部分，第二导电层包含可延展电极线导电部分，第一导电层和第二导电层材料为铜、金、银、铝、钛中的一种金属或者至少2种金属组成的合金，厚度为10nm～2mm。
8.如权利要求1所述的精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法，其特征在于，在所述可延展电极阵列的第一导电层的电极片导电部分上设计用于耦合肌电信号的耦合层，所述耦合层为导电凝胶、氯化银凝胶、导电碳黑中的一种或至少2种的混合材料。
9.一种精确定位盆底肌的可延展电极阵列，其特征在于，所述精确定位盆底肌的可延展电极阵列通过权利要求1～8任一项所述的精确定位盆底肌的可延展电极阵列的设计方法设计得到。
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