CN115005795A - 一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性三维成像装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性三维成像装置与方法。其方法为，首先根据腧穴区域的测量需求，设计传感器，在此基础上建立腧穴区域皮肤电阻抗的三维数理模型；再通过信号控制与数据采集部分进行针灸过程中测量值与背景值之间的差量测量，获取治疗针刺激下皮肤不同高度层的电压相对变化值；然后根据不同高度层的电压相对变化的测量数组，由图像重建算法进行成像，实现腧穴区域皮肤电阻抗的三维成像。其成像装置主要包括传感器、信号控制与数据采集部分，图像重建部分。本发明不会对针灸过程产生电信号干扰，可获取皮肤电阻抗的三维信息，有利于降低个体差异对一般性规律分析的影响。

Description

一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性三维成像装置与方法

技术领域

本发明属于中医针灸及其医学成像应用领域，具体涉及一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性三维成像装置与方法。

背景技术

针灸是传统医学的重要组成部分。作为传统医学外治的常见疗法，针灸具有协调阴阳、扶正祛邪和疏通经络等作用，在临床上的应用范围极其广泛，临床实验表明针灸有效适用病症近200种。近代大量研究成果已经初步证实人体的体表经络、腧穴部位皮肤的电阻与非经穴部位存在差异性，且随着对应脏腑功能及人体生理病理特性的改变而改变，这种差异表现为经络的定量化研究和检测提供了重要依据。其中，针刺手法是针灸治疗的关键技术，其各类针刺手法、针刺频率及针刺强度都对人体有影响，直接决定了疾病的预后转归，对针刺手法的量化研究极大地推动了针灸临床的发展。

对经穴区域皮肤电阻抗的测量是针灸最早的科学化研究方向，该方面研究有望揭示传统针灸作用规律及机理，量化针灸治疗效果。目前大部分仪器的主要的测量方法有电桥法、双电极法、四环电极法和四电极法。其中四环电极测量系统常用于生物组织的离体测量，极少用在活体生物阻抗测量中。电桥测量法利用电桥平衡的原理来测量生物组织的阻抗，但由于其调节难度大等原因在现代的阻抗测量系统中已不多见；双电极电阻探测仪干扰因素较多，测量结果的稳定性差。最早出现的德国“福尔电针”和日本的“良导络诊”均是基于双电极法。我国学者基于四电极法研制了交流四电极测定仪，可以检测皮下浅层(2mm)区域的电阻值。四电极电阻探测仪可测得相对稳定的电阻值，成为生物组织电特性检测的主要方法。然而单测量电极移动扫描的方法需要人工定位，不仅检测效率低且测量结果受主观因素影响大，造成了测量结果的可重复性和可靠性不足。随着软硬件系统的进步，近年来对经穴电阻抗的测量向着多通道及可视化的方向发展。叶晓红等基于四电极测量方法研制了64路阵列测量系统，并对各个测量通道上测量的电阻抗值以灰度图的形式显示，将皮肤阻抗的检测由“点”扩展为“面”。从测量原理上看，仍然是传统四电极法在数量上的扩展。

随着对针灸科学化研究的深入，人们认识到不同手法(如留针法、针刺补法和针刺泻法等)在针刺过程中，腧穴点电特性会发生不同的变化，这一发现对于探究传统针灸不同针法的作用规律及治病机理意义重大。但现有的单穴电特性测量仪基于四电极法的测量原理，每次仅能获取单一测量点的数据，反映的是腧穴区域皮肤的平均视电阻率，不具有空间分辨力，且一般为静态测量，难以实时跟踪针灸过程腧穴区域皮肤电阻抗的动态变化。

电阻抗成像是一种新型医学电磁成像方法，根据人体内不同组织在不同的生理、病理状态下具有不同的电阻抗，通过电极给人体施加小的安全驱动电流/电压，在体外测量响应电压/电流信号来重建人体内部的电阻抗分布或其变化的图像。作为一种功能成像方法，电阻抗成像的安全、无创、成本低、实时性好等优势，使其具有应用于针灸过程中腧穴区域皮肤电阻抗成像的潜力。然而，电阻抗成像在测量过程中需要通过电极注入激励电流，这种外加的电信号可能会对针灸过程本身产生的电信号产生干扰，不利于在线分析。因此，探索一种可实现针灸治疗过程中具有一定空间分辨力的腧穴电特性三维成像装置与方法，对于分析不同针刺手法的作用规律和机制、量化传统针灸治疗效果评价体系均具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有腧穴电特性测量仪单点测量、不具有空间分辨力的不足，提出一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性三维成像装置与方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性成像装置，包括传感器、信号控制与数据采集部分、数据线、图像重建部分、治疗针和治疗针电源；所述的信号控制与数据采集部分与传感器连接，信号控制与数据采集部分的输出端通过数据线连接图像重建部分；针灸过程中，治疗针通过治疗针电源获得电流信号，所述电流信号作为成像装置的激励信号；所述传感器包含多个传感针组成的电极阵列，所述传感针上设置有探测点和绝缘膜；多个传感针等距排布固定在一硬质的绝缘材料制成的框架上，并位于同一高度。

进一步地，所述信号控制与数据采集部分包含电源模块、时序信号发生模块、与多个传感针一一对应的多个电压测量模块、数据采集模块和控制模块；所述电源模块用于提供元器件的工作电源；所述电压测量模块的输入端连接电源模块，输出端连接数据采集模块，所述电压测量模块的输出端连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端再连接滤波器的输入端；所述时序信号发生模块的输入端连接控制模块，输出端连接数据采集模块的输入端；数据采集模块的输入端连接电压测量模块、时序信号发生模块和控制模块，输出端连接图像重建部分；控制模块的输出端连接时序信号发生模块、数据采集模块和图像重建部分，用于控制时序信号的产生和数据的采集及传输过程。

进一步地，在传感针上的不同高度层设定探测点，所述探测点通过电镀的工艺在探测点处镀金获得，用于传递探测点处皮肤的电信号；通过涂绝缘层工艺，在针灸针表层其余部分涂上绝缘膜，以达到激励和检测信号聚焦的效果。

进一步地，各个传感针上布置的探测点的数量一致，且均位于同一高度；所述传感针的电极在针灸治疗过程中刺入皮肤，通过测量探测点的电压以反映针灸治疗过程中皮肤电阻抗的变化。

进一步地，所述图像重建部分的输入端连接所述信号控制与数据采集部分中的数据采集模块的输出端，用于接收各个传感针的电极上检测的电压信号，并通过成像算法进行图像重建。

本发明还提供一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性成像装置的成像方法，包括如下步骤：

(1)根据腧穴区域的测量需求，设计传感器中电极阵列的数量、传感针的探测点位置，在此基础上建立腧穴区域皮肤电阻抗的三维数理模型；

(2)通过信号控制与数据采集部分进行针灸过程中测量值与背景值之间的差量测量，获取治疗针刺激下的皮肤不同高度层的电压相对变化值；其中，以不施针状态下传感针测量的皮肤电压值为背景值，施针后传感针测量的皮肤电压值作为测量值；

(3)根据不同高度层的电压相对变化值的测量数组，由图像重建部分通过等势线滤波反投影算法进行成像，实现腧穴区域皮肤电阻抗的三维成像。

有益效果：

本发明的腧穴电特性成像方法是基于皮肤电阻抗成像原理，与传统电阻抗成像方法最大的不同在于，本发明巧妙利用针灸过程治疗针上施加的电流，将其作为探测所需的激励电流，以刺入表层皮肤的传感针作为检测电极阵列，根据传感针上不同高度的探测点，获取三维皮层组织在不同深度的电压信息，构建数理模型，并通过成像算法实现对针灸过程中皮肤电阻抗变化的图像重建。该方法的优势在于：(1)探测过程中除治疗针上的电流，无需引入其他激励电流信号，不会对针灸过程产生电信号干扰；(2)根据传感针上位于不同高度层的探测点，可获取皮肤电阻抗的三维信息；(3)探测对象为皮肤电阻抗的变化量，这种差量测量方式有利于降低个体差异对一般性规律分析的影响。

附图说明

图1本发明腧穴区域皮肤电特性成像装置示意图；

图2本发明传感器的传感针电极示意图；

图3本发明传感器电极阵列示意图；

图4本发明信号控制与数据采集部分示意图；

图5为沿着等位线反投影的投影区。

具体实施方式

为了使本发明的目的、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详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的腧穴区域皮肤电特性成像装置主要包括传感器1，信号控制与数据采集部分2，数据线3，图像重建部分4，治疗针5和治疗针电源6。所述的信号控制与数据采集部分2与传感器1连接，信号控制与数据采集部分2的输出端通过数据线3连接图像重建部分4。针灸过程中，治疗针5通过治疗针电源6获得电流信号，这个信号作为成像装置的激励信号。

所述传感器1包含多个传感针9组成的电极阵列，传感针9的电极如图2所示，包括传感针9的探测点7和传感针9的绝缘膜8。所述传感针9是在传统针灸针的基础上，采用涂层和电镀的方法，在针灸针上的不同高度层设定探测点7，通过电镀的工艺在探测点7处镀金，用于传递探测点处皮肤的电信号。通过涂绝缘层工艺，在针灸针表层其余部分涂上绝缘膜8，以达到激励和检测信号聚焦的效果。

所述传感器1如图3所示，包含多个传感针9，传感针9等距排布固定在一硬质的绝缘材料(如PVC)制成的框架10上，并位于同一高度，以确保各个传感针9在整个测量周期内相对位置保持固定。各个传感针9上布置的探测点7的数量一致，且均位于同一高度。所述传感器的传感针9的电极在针灸治疗过程中刺入皮肤，通过测量探测点7的电压以反映针灸治疗过程中皮肤电阻抗的变化，传感器1的传感针9的电极上的同一高度平面探测点所围成的平面为传感器1的测量截面11，测量对象为该测量截面皮肤的电阻抗值。

所述信号控制与数据采集部分2如图4所示，包含电源模块、时序信号发生模块、与传感针9一一对应的多个电压测量模块、数据采集模块和控制模块。电源模块用于提供元器件的工作电源。电压测量模块的输入端连接电源模块，输出端连接数据采集模块，通过数据线连接到对应的传感针9上，测量此时传感针9的探测点7上的电压。电压测量模块的输出端连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端再连接滤波器的输入端。电压测量模块采集的两种模式的电压信号经放大、滤波，在滤波电路的输出端输出该信号通道最终的电压信号U。时序信号发生模块发出时钟信号，脉冲触发。时序信号发生模块的输入端连接控制模块，输出端连接数据采集模块的输入端。数据采集模块的输入端连接电压测量模块、时序信号发生模块和控制模块，输出端连接图像重建部分，用于与成像装置之间的数据通讯。控制模块的输出端连接时序信号发生模块、数据采集模块和图像重建部分，用于控制时序信号的产生和数据的采集及传输过程。

所述图像重建部分的输入端连接信号控制与数据采集部分2中数据采集模块的输出端，用于接收各个传感针9的电极上检测的电压信号，并通过成像算法进行图像重建。由于针灸过程中，腧穴区域皮肤电阻抗变化满足微小扰动条件，所述图像重建部分采用线性近似的实时成像算法——基于等势线滤波反投影(filtered back projection，简称FBP)算法。FBP算法是利用两个不同时刻的电压测量数据，通过图像重建技术得到两个时刻的电阻抗分布差值，从而重构出差分图像。这样处理使得测量数据的系统误差与噪声在相减时得到消除，因此算法对数据采集系统要求不高，成像速度较快，可以做到实时成像。

FBP算法的主要原理是：对于均匀电导率分布而言，可以在区域Ω中确定等势线。电流偶极子与各测量电极之间存在一系列等势线。根据边界上两个相邻测量电极上的电位，将电位处于两个电位之间的单元像素归于一个投影区，即相邻等势线之间的区域就是一个投影区。这样将成像区域剖分为多个反投影区，如图5所示。

当区域电导率从σ扰动变化到σ+△σ时，两个测量电极的电势差变化仅与通过两个测量电极的两条等势线间的电导率变化有关。对此电势差变化经过滤波，再反投影处理，相关区域的重建电导率图像即可通过将所有独立注入模式下的反投影迭加获得。

在数学上，上述过程可以表示为：

δσ＝BFδU

上式中F和B分别为滤波算子和反投影算子，滤波算子F的计算公式为：

F＝(B^TJB)^-1B^TB

所述传感器1以不施针状态下传感针9测量的皮肤电压值为背景值，施针后传感针9测量的皮肤电压值作为测量值，测量值减去背景值即为皮肤电压的差量测量值，根据传感针上不同高度层的差量测量值，通过FBP算法可反演得到皮肤的三维电阻抗分布。

本发明的腧穴电特性成像装置在一次测量过程中可以得到N×M个测量电压数组，其中N代表传感器中传感针的个数，M代表传感针上布置的探测点个数。测量时，传感器的每一个探测点连接与其对应的信号控制与数据采集部分中的电压测量模块输入端连接；信号控制与数据采集部分可实现N×M个信号采集通道的同步数据采集，同时将采集的电压信号进行放大、滤波等调理后，将数据传输给图像重建部分。

本发明的腧穴电特性成像方法的主要步骤如下：

1)根据腧穴区域的测量需求，设计传感器，包括传感器中电极阵列的数量、传感针的探测点位置等，在此基础上建立腧穴区域皮肤电阻抗的三维数理模型；

2)通过信号控制与数据采集部分进行针灸过程中测量值与背景值之间的差量测量，获取治疗针刺激下皮肤不同高度层的电压相对变化值；

3)根据不同高度层的电压相对变化的测量数组，由图像重建部分通过FBP算法进行成像，实现腧穴区域皮肤电阻抗的三维成像。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性三维成像装置，其特征在于：包括传感器、信号控制与数据采集部分、数据线、图像重建部分、治疗针和治疗针电源；所述的信号控制与数据采集部分与传感器连接，信号控制与数据采集部分的输出端通过数据线连接图像重建部分；针灸过程中，治疗针通过治疗针电源获得电流信号，所述电流信号作为成像装置的激励信号；所述传感器包含多个传感针组成的电极阵列，所述传感针上设置有探测点和绝缘膜；多个传感针等距排布固定在一硬质的绝缘材料制成的框架上，并位于同一高度。

2.根据权利要求1所述的一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性三维成像装置，其特征在于：所述信号控制与数据采集部分包含电源模块、时序信号发生模块、与多个传感针一一对应的多个电压测量模块、数据采集模块和控制模块；所述电源模块用于提供元器件的工作电源；所述电压测量模块的输入端连接电源模块，输出端连接数据采集模块，所述电压测量模块的输出端连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端再连接滤波器的输入端；所述时序信号发生模块的输入端连接控制模块，输出端连接数据采集模块的输入端；数据采集模块的输入端连接电压测量模块、时序信号发生模块和控制模块，输出端连接图像重建部分；控制模块的输出端连接时序信号发生模块、数据采集模块和图像重建部分，用于控制时序信号的产生和数据的采集及传输过程。

3.根据权利要求1所述的一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性三维成像装置，其特征在于：在传感针上的不同高度层设定探测点，所述探测点通过电镀的工艺在探测点处镀金获得，用于传递探测点处皮肤的电信号；通过涂绝缘层的工艺后，针灸针表层其余部分涂上绝缘膜，以达到激励和检测信号聚焦的效果。

4.根据权利要求1所述的一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性三维成像装置，其特征在于：各个传感针上布置的探测点的数量一致，且均位于同一高度；所述传感针的电极在针灸治疗过程中刺入皮肤，通过测量探测点的电压以反映针灸治疗过程中皮肤电阻抗的变化。

5.根据权利要求1所述的一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性三维成像装置，其特征在于：所述图像重建部分的输入端连接所述信号控制与数据采集部分中的数据采集模块的输出端，用于接收各个传感针的电极上检测的电压信号，并通过成像算法进行图像重建。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种针灸过程中的腧穴区域皮肤电特性三维成像装置的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据腧穴区域的测量需求，设计传感器中电极阵列的数量、传感针的探测点位置，在此基础上建立腧穴区域皮肤电阻抗的三维数理模型；

(2)通过信号控制与数据采集部分进行针灸过程中测量值与背景值之间的差量测量，获取治疗针刺激下的皮肤不同高度层的电压相对变化值；其中，以不施针状态下传感针测量的皮肤电压值为背景值，施针后传感针测量的皮肤电压值作为测量值；

(3)根据不同高度层的电压相对变化值的测量数组，由图像重建部分通过等势线滤波反投影算法进行成像，实现腧穴区域皮肤电阻抗的三维成像。

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