CN116350200A - 一种电生理信号与血液微循环信号同步检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电生理信号与血液微循环信号同步检测装置。该装置包括：柔性基底、信号采集电极、近红外光源、光学探头、信号处理模块，其中近红外光源、光学探头、信号采集电极构成一体化传感阵列，并且光学探头，信号采集电极的基座和柔性基底下表面位于同一水平线上，在使用状态下，该下表面紧贴皮肤，上表面通过信号传输线将同步采集的电生理信号和血液微循环信号输送至信号处理模块进行处理。本发明通过构建一体化同步采集装置，能够同时间、同位置获取电生理信号与血液微循环信号，实现全面、实时、准确的生理分析。
Description
技术领域
本发明涉及信号检测技术领域，更具体地，涉及一种电生理信号与血液微循环信号同步检测装置。
背景技术
运动功能是人体的基本功能之一。目前，脑卒中是导致运动功能障碍的病因之一。由于运动过程中人体的神经肌肉耦合规律尚不明晰，传统的运动训练康复疗法在运动功能康复治疗中效果欠佳。理解运动过程中神经肌肉的耦合规律，对于科学制定运动功能障碍患者的运动功能康复方案以及提升运动训练的康复效果十分必要。
人体运动时肌肉收缩，其体积发生变化，放置于肌肉表面的平板干电极容易位移，从而在所记录的电生理信号(Electromyography，EMG)中留下运动伪迹。对于传统的商业湿电极，由于导电凝胶的使用，在记录的过程中随着时间的推移，导电凝胶逐渐变干，影响记录信号的质量，且由于导电凝胶的使用，有可能造成皮肤过敏等问题。对于记录目标区域血液微循环信号的功能近红外光极，肌肉收缩造成其记录的血液微循环信号的运动伪迹更明显。微针阵列电极，是一种新型的干电极，通过合理设计微针参数，使得微针阵列刺穿角质层，到达人体皮肤的活性表皮层，但不触及真皮层，从而实现无创的电生理信号检测。而且因为微针穿透皮肤角质层，消除了角质层的高阻抗，且具有良好的附着性，削弱了肌肉收缩对其记录信号质量的影响，使微针阵列电极在动态环境下也具有优秀的信号记录性能。在现有技术中，电生理与血液微循环信号记录难以同步，且现有的商业湿电极难以实现长时间稳定的信号监测，从而无法定量研究人体运动过程中电生理与血液微循环信号的耦合关系。
神经血管单元(Neurovascular Unit，NVU)是观测神经-肌肉循环关系的重要研究单元，而电生理信号与血液微循环信号又是检测神经与血管活动的两种重要信号。无创采集这两类信号的所需要的设备是电极和功能近红外光探头。目前可以用于信号采集的电极主要分为两大类：湿电极与干电极，是否有导电凝胶的使用是这两类电极的区别，用于血液微循环信号采集的则是功能近红外光探头。
湿电极配合导电凝胶一起使用，导电凝胶显著降低了电极-皮肤接触面的阻抗，从而使得采集到的信号质量较高。但导电凝胶会随着时间的流逝而逐渐变干，导致电极-皮肤接触面阻抗发生改变，影响采集信号的质量，因此湿电极不适合长时间的信号采集。而且导电凝胶的使用可能导致使用者的皮肤过敏反应，造成皮肤损伤。
金属平板干电极无需使用导电凝胶，即时取用，但由于人体皮肤角质层的存在，使得电极-皮肤接触面阻抗很高，影响其所记录的信号质量。而且电极皮肤之间附着力不足，容易在运动过程中产生位移，从而在记录的信号中出现运动伪迹。
织物干电极无需使用导电凝胶，由导电织物制作而成，柔软透气，具有很好的皮肤贴附性。但其电极-皮肤接触面阻抗依旧比较大，且容易在运动时发生位移，出现运动伪迹，影响记录信号的质量。
对于功能近红外光探头，光源发射探头与接收探头被放置在皮肤表面，使用两种波段的近红外光进行照射，在人体中形成“香蕉形”光路，将收集到的光强信号经过信号处理，信号转化后得到对应检测区域的血氧中血红蛋白浓度指标，从而观测对应区域血液微循环的变化。但目前的功能近红外检测系统主要检测脑区血氧含量变化，大多使用场景为静态测量，运动过程对其采集的信号质量影响较大。
常规的肌电/脑电电极已比较成熟，但性能仍有不足。湿电极的阻抗随时间变化较大，受环境影响大，且可能导致皮肤过敏。干电极与皮肤接触不紧密，界面阻抗大。干湿电极均存在与皮肤相对位移的缺点。
近红外光具有较好的穿透力，因此近红外光谱(Near Infrared SpectrumInstrument，NIRS)技术可实现无创式的血氧和血流检测。NIRS技术在脑功能和肌肉功能的监测方面应用广泛，结构简单，成本低，受环境约束小。
神经肌肉电生理检测是评估神经肌肉功能情况，进行神经肌肉病理研究的重要根据。fNIRS(functional near-infrared spectroscopy，功能性近红外光谱技术)技术可以无创检测肌肉有氧代谢功能的损伤情况。将fNIRS检测的血氧指标与单纯的肌电功能评估指标结合起来，优势互补，形成更为精准的神经肌肉评估方法，促进神经血流耦合机制的研究，并用于相关疾病的评估。对于同一目标位置的生理电信号与血液微循环信号，目前的分时检测不能获得其同步动态变化信息。
综上，目前的金属平板干电极和织物干电极依旧存在电极-皮肤接触面阻抗高，运动伪迹等难以规避的问题，而湿电极又可能导致皮肤过敏受损，且不适合长时间的使用。并且，目前的功能近红外采集技术，由于其探头和固定探头的基座质地较硬，难以与皮肤完全贴合，导致运动中的伪迹很大，影响采集到的信号质量。
此外，目前的电极和功能近红外光技术可以分别实现电生理与血液微循环信号的采集。但这种检测手段是分开采集两类信号，难以同时间、同位置采集电生理与血液微循环信号。若将两类信号采集设备共同连接至第三方信号同步设备，可以实现两类信号的同时间获取，但这种方法所需硬件较多且连线复杂，操作麻烦，而且这种模式仅解决了同时间获取的问题，同位置获取这一难点依旧没有解决。总而言之，对于同一目标位置的生理电信号与血液微循环信号，目前的分时检测不能获得其同步动态变化信息。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种电生理信号与血液微循环信号同步检测装置。该装置包括：柔性基底、信号采集电极、近红外光源、光学探头、信号处理模块，其中近红外光源、光学探头、信号采集电极构成一体化传感阵列，并且光学探头，信号采集电极的基座和柔性基底下表面位于同一水平线上，在使用状态下，该下表面紧贴皮肤，上表面通过信号传输线将同步采集的电生理信号和血液微循环信号输送至信号处理模块进行处理。
在一个实施例中，所述信号采集电极包括干电极或湿电极。
在一个实施例中，所述信号采集电极是微针阵列干电极，且所述近红外光源和所述光学探头交错布置于所述微针阵列干电极的阵列中。
在一个实施例中，所述柔性基底的制作材料包括橡胶、硅胶、树脂或高分子材料。
在一个实施例中，所述微针阵列干电极的制作材料是光敏树脂和金属。
在一个实施例中，所述微针阵列干电极基于磁化牵引法制备。
在一个实施例中，所提供的装置还包括信号发送模块和上位机，并且所述柔性基底、所述信号采集电极、所述近红外光源和所述光学探头构成信号采集前端用于同时间、同位置采集电生理信号和血液微循环信号发送至所述信号处理模块进行处理，所述信号发送模块将处理后的信号发送至所述上位机，进行实时显示和后续的处理。
在一个实施例中，所述信号采集前端、所述信号处理模块与所述信号发送模块采用锂电池供电，并且所述信号处理模块、所述信号发送模块和所述锂电池集成为便携式盒状装置，通过绑带连接在受试者肢体部位或头部，以采集肌肉或脑部的电生理与血液微循环信号。
在一个实施例中，所述信号发送模块通过WIFI传输或蓝牙传输方式将信号发送到所述上位机。
与现有技术相比，本发明的优点在于，利用微针阵列电极等记录人体的电生理信号，使用柔性基底连接微针阵列电极与fNIRS探头，从而实现目标人体区域的同位置、同时间的电生理与血液微循环信号的稳定记录。本发明通过构建一体化同步采集装置，能够同时间、同位置获取肌电/肌氧/血流、脑电/脑氧/血流信息，进而实现全面、实时、准确的生理分析，并且本发明结构简洁，贴合皮肤，信号记录性能优异。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明一个实施例的电生理信号与血液微循环信号同步检测装置的示意图；
图2是根据本发明一个实施例的电生理信号与血液微循环信号同步采集系统的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参见图1所示，所提供的电生理信号与血液微循环信号同步检测装置包括柔性基底、近红外光源、光学探头(或称接收探头)和电极(或称信号采集电极)。
电极可以是干电极或湿电极等多种类型。在下文中，以优选的微针阵列电极为例进行说明。
柔性基底是指包裹微针阵列电极和近红外探头的柔性可拉伸基底，其制作材料包括但不限于橡胶，硅胶，树脂，高分子材料等材料。柔性基底的形状，颜色与厚度可根据需要自行定制，其上所安装的电极与近红外光探头数量也可根据需求自行定制。由于柔性基底具有良好的附着性，可紧贴人体皮肤进行信号采集。
在一个实施例中，电极、近红外光源、光学探头交错布置于柔性可拉伸基底(例如PP、PTFE、PDMS等)，构成一体化传感阵列。光源S发出的近红外信号，穿过皮下肌肉组织后，被探头D接收，以获取血氧和血流信息；电极则直接检测肌电或脑电信号。柔性可拉伸基底作为微针电极阵列的载体，其良好的柔韧性、拉伸性、与皮肤的贴合性，可保证微针电极与皮肤的紧密接触，获取高质量的生理电信号；另一方面，近红外光探头稳定地嵌入其中可保证通过光学方法有效检测血液微循环信息。
为了进一步提供信号测量的精确性，近红外光探头，微针阵列电极基座和柔性基底下表面在同一水平线上，使用时将该下表面紧贴皮肤并结合绑带固定，可实现稳定的人体信号采集，上表面通过信号传输线将采集的信号输送至信号处理单元等。并且，可以使用屏蔽线作为信号传输导线来减少信号间的电磁干扰。
在图1的示例中，采用微针阵列电极来提高采集信号质量，减少因电极皮肤之间相对位移、皮肤表面物理状态变化以及皮肤角质层等因素对信号的干扰。微针阵列电极能穿透皮肤角质层，在活性表皮层采集生理电信号，但不接触真皮层和皮下组织。既能够减少角质层的干扰而降低界面阻抗，保证电极与皮肤表面的稳定接触而减小相对位移带来的干扰，又不会导致疼痛、流血、发炎等皮肤伤害。
具体地，选用微针阵列电极具有以下优点：使用便捷，无需涂抹导电凝胶；电极-皮肤接触面阻抗低，能够获取高质量的电生理信号；电极嵌入皮肤，具有良好的附着性，不容易产生运动伪迹，在运动状态下也能获得高质量的电生理信号；可定制微针阵列参数，实现无创的电生理信号记录。
所使用的微针阵列电极可以采用磁化牵引法，3D打印技术，激光切割技术或微模具成型技术等制作。微针阵列电极是一种具有微针阵列结构的干电极，其制作材料包括但不限于光敏树脂，金属等各类材料。并且微针阵列的结构参数可根据受试者的皮肤状态自行定制。
例如，微针阵列电极基于磁化牵引法制备，主要包括以下步骤：将光敏树脂与铁粉的混合物置于磁场环境中，使用弹簧针蘸取混合液，滴于PCB电路板上，在磁场环境H1中拉出微针阵列形状，将拉出的微针阵列置于反方向的磁场H2中，室温静置24小时，至微针阵列完全成型；通过磁控溅射的方式在制作完成的微针阵列外表面依次溅射一层约5nm的钛膜和约100nm的金膜，使其具有导电性，至此微针阵列电极制作完成。这种磁化牵引法操作简单，电极材料容易获取且价格低廉。此外，本发明所采用的柔性可拉伸基底制作流程和工艺简单，可定制化程度较高，适合机器流水线生产。
利用本发明所提供的电生理信号与血液微循环信号同步检测装置可进一步实现为采集系统。例如，参见图2所示，该系统包括信号采集前端、信号处理模块(或称信号调理模块)和信号发送模块。信号采集前端包括柔性基底，微针阵列电极、近红外光源和光学探头。信号采集前端通过信号传输线连接至信号处理模块与信号发送模块，通过锂电池为整个系统供电。信号处理模块将信号采集前端获取到的信号处理后，通过信号发送模块输送至外部上位机，以进行实时显示和后续的处理。
例如，将信号采集前端采集的电生理与血液微循环信号，通过WIFI传输或蓝牙传输方式发送到外部上位机。上位机可以是专用的上位机、智能手机或其他的电子设备。
信号处理模块与信号发送模块等可做成便携式的小型模块，利用例如绑带连接在受试者肢体部位，实现便携式穿戴，从而完成运动态的信号采集。所使用的锂电池可以随时更换，方便长时间的信号采集与信号传输。例如，信号处理与发送模块可与锂电池集成为一个便携式盒状装置，可通过绑带固定于使用者身上，方便随身携带与运动状态的信号采集。
综上所述，相对于现有技术，本发明具有以下优势：
1)传统检测技术模态单一，难以做到同时间、同位置采集，且设计制作使用难度大，可延展性差，运动状态可靠性低。并且传统金属干电极的电极-皮肤接触面阻抗大，容易受运动影响产生运动伪迹，影响信号记录质量；传统湿电极容易造成皮肤过敏，不适合长时间使用。此外，传统的近红外光学探头难以顺应皮肤表面，易受运动影响。而本发明基于柔性可拉伸基底，使用微针阵列电极与近红外光探头作为信号采集元件，实现神经肌肉的电生理与血液微循环信号同时间，同位置采集。并且本发明使用的微针阵列电极具有体积小，微针参数可定制，可以实现无创的电生理信号采集，由于其嵌入部分皮肤，具有良好的附着性，受运动状态影响较小，可实现稳定的信号检测。基于柔性可拉伸基底，近红外光探头也可很好的贴附在皮肤表面，减少运动干扰，实现稳定的血液微循环信号采集。通过合理排布电极与近红外光探头位置，可实现更准确的电生理与血液微循环信号的同时间，同位置采集。
2)本发明所采用的磁化牵引法制得的微针阵列干电极，操作简单，制作效率高，可定制化程度高。制作完成的微针阵列电极相较于传统金属平板干电极具有良好的电极-皮肤接触面阻抗，且具有优秀的动态稳定性，适合运动状态的电生理信号记录。
3)本发明可实现可穿戴的人体生理信号采集系统，既可在四肢使用，用于收集肌肉处的电生理与血液微循环信号，也可用于头部，用于采集脑部电生理与血液微循环信号。
4)本发明使用微针阵列电极可以在一定程度上弥补现有商业干电极、湿电极的缺陷，最大限度发挥干电极在人体运动状态电生理信号采集的优势，并结合柔性基底和功能近红外光谱技术，设计了一体化传感结构，且不会互相干扰，可以保证两种信号的高质量采集。而在现有技术中，如果要同时间、同位置采集生理电信号与血液循环信号，需要在同一位置布置两类传感器，肌电和脑电信号通过电极检测，血氧和血流信号通过光学方法检测，且这两种手段不兼容。
经验证分析，本发明具有：更好的柔韧性，拉伸性，皮肤贴合性；更稳定的探头固定模式，提升信号采集质量，使得系统具有更强的抗干扰性能；更简洁的结构及更低廉的成本。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种电生理信号与血液微循环信号同步检测装置，包括：柔性基底、信号采集电极、近红外光源、光学探头、信号处理模块，其中近红外光源、光学探头、信号采集电极构成一体化传感阵列，并且光学探头，信号采集电极的基座和柔性基底下表面位于同一水平线上，在使用状态下，该下表面紧贴皮肤，上表面通过信号传输线将同步采集的电生理信号和血液微循环信号输送至信号处理模块进行处理。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号采集电极包括干电极或湿电极。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号采集电极是微针阵列干电极，且所述近红外光源和所述光学探头交错布置于所述微针阵列干电极的阵列中。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性基底的制作材料包括橡胶、硅胶、树脂或高分子材料。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号传输线是屏蔽线。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述微针阵列干电极的制作材料是光敏树脂和金属。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述微针阵列干电极基于磁化牵引法制备，包括以下步骤：
将光敏树脂与铁粉的混合物置于磁场环境中，使用弹簧针蘸取混合液，滴于PCB电路板上，在磁场环境H1中拉出微针阵列形状，将拉出的微针阵列置于反方向的磁场H2中，室温静置24小时，至微针阵列完全成型；
通过磁控溅射的方式在制作完成的微针阵列外表面依次溅射一层约5nm的钛膜和约100nm的金膜。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括信号发送模块和上位机，并且所述柔性基底、所述信号采集电极、所述近红外光源和所述光学探头构成信号采集前端用于同时间、同位置采集电生理信号和血液微循环信号发送至所述信号处理模块进行处理，所述信号发送模块将处理后的信号发送至所述上位机，进行实时显示和后续的处理。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述信号采集前端、所述信号处理模块与所述信号发送模块采用锂电池供电，并且所述信号处理模块、所述信号发送模块和所述锂电池集成为便携式盒状装置，通过绑带连接在受试者肢体部位或头部，以采集肌肉或脑部的电生理与血液微循环信号。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述信号发送模块通过WIFI传输或蓝牙传输方式将信号发送到所述上位机。
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