CN113273989B - 一种生物电阻抗测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物电阻抗测量装置，包括电极钳、活动电极和固定电极，所述电极钳的端部固定设置有固定电极，所述活动电极与所述电极钳活动连接。实现设计小型化并作用于生物电阻抗测量，通过对电极钳上集成的活动电极进行位置控制，实现生物电阻抗的综合测量，实现手术过程中对隐藏在表面下的非均质组织进行测量和成像；一种生物电阻抗测量方法，用于一种生物电阻抗测量装置，包括以下步骤：活动电极和固定电极同时接触生物组织，弱电流从活动电极注入生物组织，并从固定电极流出，得到注入电极在生物组织附近的电流密度；通过电流密度得到生物组织附近的电势；计算两个电极的接触点的电势差，去除干扰；通过电势差得到待测材料的电阻率。

Description

一种生物电阻抗测量装置与方法

技术领域

本发明涉及精密仪器领域，更具体地，涉及一种生物电阻抗测量装置与方法。

背景技术

借助生物传感器对目标组织类型进行精准判断可以大大提高诊断以及手术的效率。例如在微创手术中，医生往往需要判断肿瘤的位置以及切除的边界，而该过程中可以用来判断组织类型的信息非常有限。特别是当相邻的不同组织颜色接近，或目标组织隐藏在另一种组织的下面时，对该组织的检测判断往往非常困难。另外，由于空间的限制，手术设备要求小型化与高集成度，这使得在设备本身集成传感器的方法也很困难。

在使用生物电阻抗传感技术进行组织检测判断的现有方法往往需引入新的探头，并不适用空间有限的手术场景。在电极钳或相关设备集成电极以实现生物电阻抗检测的方法往往需要集成多个电极，导致很难将手术钳或相关设备小型化，特别是在带有腕部的多自由度手术钳上，已有的技术并无提及如何使用少数电极实现深层组织检测并成像的方法。

现有的技术中，美国发明专利US10631922B2公开了“内窥镜组织识别仪”，公开日为2020年04月28日，一种用于识别和治疗组织的方法，包括提供一种包括电极组件的电外科治疗设备，测量靶组织的一个或多个电特性值，将目标组织的测得的电特性值与已知组织类型的电特性值进行比较，识别目标组织的组织类型，将电外科治疗设备的能量输送构造调整为目标组织的类型，电外科治疗设备被激活以治疗目标组织。该方案中，描述了一种可以用于组织识别的集成多个电极的手术钳，电极相对位置固定，测量不同深度的组织的能力有限，钳子上的多个电极需要多根线连接至末端，因此，该设计难以实现小型化，难以加入腕部机构的设计。

发明内容

本发明为解决现有的手术钳的电极相对位置固定，钳子上的多个电极需要多根线连接，无法实现小型化的技术缺陷，提供了一种生物电阻抗测量装置与方法。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种生物电阻抗测量装置，包括电极钳、活动电极和固定电极，所述电极钳的端部固定设置有固定电极，所述活动电极与所述电极钳活动连接。

上述方案中，实现设计小型化并作用于生物电阻抗测量，通过对电极钳上集成的活动电极进行位置控制，实现生物电阻抗的综合测量，实现手术过程中对隐藏在表面下的非均质组织进行测量和成像。

优选的，还包括旋转臂，所述活动电极固定设置在所述旋转臂一端，所述旋转臂另一端与所述电极钳铰接或转轴连接，所述电极钳的两个端部均固定设置有固定电极。

优选的，还包括线性驱动机构，所述活动电极固定设置在所述线性驱动机构上，所述线性驱动机构滑动设置在所述电极钳的一侧，所述电极钳上设置有线性驱动机构的一侧的端部固定设置有固定电极。

优选的，所述线性驱动机构包括齿轮、齿条、活动件和固定套，所述齿轮设置在活动件下部，齿条与齿轮啮合连接，所述齿条固定设置在所述固定套上，所述固定套套接在所述电极钳的一侧，所述固定电极固定设置在所述固定套端部，所述活动电极固定设置在所述活动件上。

一种生物电阻抗测量方法，用于一种生物电阻抗测量装置，包括以下步骤：

S1：活动电极和固定电极同时接触生物组织，弱电流从活动电极注入生物组织，并从固定电极流出，得到注入电极在生物组织附近的电流密度；

S2：通过电流密度得到生物组织附近的电势；

S3：计算两个电极的接触点的电势差，去除干扰；

S4：通过电势差得到待测材料的电阻率。

优选的，在步骤S1中，电流I从两个电极注入组织，电流将从一个电极的注入点均匀散射开，离注入点为r的假想半球面上的电流密度为

优选的，在步骤S2中，根据麦克斯韦定理,离注入点为r的假想半球面上的电势可为：

其中ρ为组织的电阻率，r₀为电极的等价半径。

优选的，在步骤S3中，通过测量组织表面上两点，设置为M和N，并计算两点的电势差：

x和Δx分别代表|AM|和|MN|的距离；

优选的，在步骤S4中，待测材料的电阻率为：

优选的，当所测量组织存在第二层不同材料时，M点处的电势将由两部分构成，即由电流注入点引入的部分

以及由ρ₁和ρ₂形成的分界面所反射的部分，反射系数

每次反射时，反射部分的电势可通过叠加得到

其中n为反射次数，M处的电势由下式计算：

同理得到N点的电势，M点和N点的电势差为：

对结果进行简化：

根据上式，对第二层材料的电阻率以及深度进行计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种生物电阻抗测量装置与方法，实现设计小型化并作用于生物电阻抗测量，通过对电极钳上集成的活动电极进行位置控制，实现生物电阻抗的综合测量，实现手术过程中对隐藏在表面下的非均质组织进行测量和成像。

附图说明

图1为本发明的设置有旋转臂的装置结构图；

图2为本发明的设置有线性驱动机构的装置结构图；

图3为本发明的方法流程图；

图4为本发明的单种材料的测量示意图；

图5为本发明的两种材料的测量示意图；

附图标记说明：1、电极钳；2、活动电极；3、固定电极；4、旋转臂；5、线性驱动机构。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1所示，一种生物电阻抗测量装置，包括电极钳1、活动电极2和固定电极3，所述电极钳1的端部固定设置有固定电极3，所述活动电极2与所述电极钳1活动连接。

上述方案中，实现设计小型化并作用于生物电阻抗测量，通过对电极钳1上集成的活动电极2进行位置控制，实现生物电阻抗的综合测量，实现手术过程中对隐藏在表面下的非均质组织进行测量和成像。

优选的，还包括旋转臂4，所述活动电极2固定设置在所述旋转臂4一端，所述旋转臂4另一端与所述电极钳1铰接或转轴连接，所述电极钳1的两个端部均固定设置有固定电极3。

实施例2

如图2所示，一种生物电阻抗测量装置，包括电极钳1、活动电极2和固定电极3，所述电极钳1的端部固定设置有固定电极3，所述活动电极2与所述电极钳1活动连接。

上述方案中，实现设计小型化并作用于生物电阻抗测量，通过对电极钳1上集成的活动电极2进行位置控制，实现生物电阻抗的综合测量，实现手术过程中对隐藏在表面下的非均质组织进行测量和成像。

优选的，还包括线性驱动机构5，所述活动电极2固定设置在所述线性驱动机构5上，所述线性驱动机构5滑动设置在所述电极钳1的一侧，所述电极钳1上设置有线性驱动机构5的一侧的端部固定设置有固定电极3。

优选的，所述线性驱动机构5包括齿轮、齿条、活动件和固定套，所述齿轮设置在活动件下部，齿条与齿轮啮合连接，所述齿条固定设置在所述固定套上，所述固定套套接在所述电极钳1的一侧，所述固定电极3固定设置在所述固定套端部，所述活动电极2固定设置在所述活动件上。

实施例3

如图3所示，一种生物电阻抗测量方法，用于一种生物电阻抗测量装置，包括以下步骤：

S1：活动电极2和固定电极3同时接触生物组织，弱电流从活动电极2注入生物组织，并从固定电极3流出，得到注入电极在生物组织附近的电流密度；

S2：通过电流密度得到生物组织附近的电势；

S3：计算两个电极的接触点的电势差，去除干扰；

S4：通过电势差得到待测材料的电阻率。

优选的，在步骤S1中，电流I从两个电极注入组织，电流将从一个电极的注入点均匀散射开，离注入点为r的假想半球面上的电流密度为

优选的，在步骤S2中，根据麦克斯韦定理,离注入点为r的假想半球面上的电势可为

其中ρ为组织的电阻率，r₀为电极的等价半径。

优选的，在步骤S3中，通过测量组织表面上两点M和N，并计算两点的电势差：

x和Δx分别代表|AM|和|MN|的距离；

优选的，在步骤S4中，待测材料的电阻率为：

实施例4

如图4所示,电流I从电极对A和B注入组织。假设电极B距离测量位置非常远并且组织为匀质材料，电流将从A点均匀散射开。则离A为r的假想半球面上一点P的电流密度为

根据麦克斯韦定理,P点上的电势可以计算为

其中ρ为组织的电阻率，r₀为电极的等价半径。由于r₀无法实际测量,采用电势差来去除其干扰。即通过测量组织表面上两点M和N，并计算两点的电势差

这里的x和Δx分别代表|AM|和|MN|的距离。待测材料的电阻率可推算为

当测量材料为匀质时，值ρ_a理论上为定值，不受x的变化而变化。

实施例5

如图5所示，当所测量组织存在第二层不同材料时，M点处的电势将由两部分构成，即由A点引入的部分

以及由ρ₁和ρ₂形成的分界面所反射的部分。这里我们定义反射系数

每次反射时，能量的衰减与k及传播的距离有关。则反射部分的电势可通过叠加得到

其中n为反射次数。所以，M处的电势可以由下式计算：

同理，N点的电势也可以算出，并进一步我们可以得到M点和N点的电势差：

对结果进行简化：

根据上式，可以对第二层材料的电阻率以及深度进行估计。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种生物电阻抗测量方法，用于一种生物电阻抗测量装置，所述生物电阻抗测量装置包括电极钳(1)、活动电极(2)和固定电极(3)，所述电极钳(1)的端部固定设置有固定电极(3)，所述活动电极(2)与所述电极钳(1)活动连接；所述生物电阻抗测量装置还包括旋转臂(4)，所述活动电极(2)固定设置在所述旋转臂(4)一端，所述旋转臂(4)另一端与所述电极钳(1)铰接或转轴连接，所述电极钳(1)的两个端部均固定设置有固定电极(3)；所述生物电阻抗测量装置还包括线性驱动机构(5)，所述活动电极(2)固定设置在所述线性驱动机构(5)上，所述线性驱动机构(5)滑动设置在所述电极钳(1)的一侧，所述电极钳(1)上设置有线性驱动机构(5)的一侧的端部固定设置有固定电极(3)；所述线性驱动机构(5)包括齿轮、齿条、活动件和固定套，所述齿轮设置在活动件下部，齿条与齿轮啮合连接，所述齿条固定设置在所述固定套上，所述固定套套接在所述电极钳(1)的一侧，所述固定电极(3)固定设置在所述固定套端部，所述活动电极(2)固定设置在所述活动件上；其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：活动电极(2)和固定电极(3)同时接触生物组织，弱电流从活动电极(2)注入生物组织，并从固定电极(3)流出，得到注入电极在生物组织附近的电流密度；S2：通过电流密度得到生物组织附近的电势；S3：计算两个电极的接触点的电势差，去除干扰；S4：通过电势差得到待测材料的电阻抗；

在步骤S1中，弱电流将从注入点均匀散射开，离注入点为r的假想半球面上的电流密度为

在步骤S2中，根据麦克斯韦定理,离注入点为r的假想半球面上的电势可为

其中ρ为组织的电阻抗，r0为电极的等价半径；

在步骤S3中，通过测量组织表面上两点，设置为M和N，并计算两点的电势差：

x和Δx分别代表|AM|和|MN|的距离，A表示电极对中的电极A，|AM|表示A点到M点的距离；

在步骤S4中，待测材料的电阻抗为：

当所测量组织存在第二层不同材料时，M点处的电势将由两部分构成，即由电流注入点引入的部分

以及由ρ1和ρ2形成的分界面所反射的部分，反射系数

每次反射时，反射部分的电势可通过叠加得到

其中n为反射次数，h为表示为电极A与组织交互边界的距离，M处的电势由下式计算：

同理得到N点的电势，M点和N点的电势差为：

对结果进行简化：

根据上式，对第二层材料的电阻抗以及深度进行计算。

Images