CN1365264A - 采用电极组来表征在两个任意表面之间的接触分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于采用通过设在接触表面中的电极组测量出的电信号来表征两个任意表面之间接触的空间分布和其随着时间的变化的方法。

Description

采用电极组来表征在两个任意表面之间的接触分布的方法

发明背景

(a)发明领域

本发明涉及一种采用由设在接触表面中的电极组测量出的电信号来表征两个任意表面之间接触的空间分布及其随时间的变化的方法。

(b)现有技术的说明

在材料机械性能的研究中，表征两个表面之间接触的方法起着非常重要的作用。存在几种表征两个表面之间的接触和压力分布的方法。已经研制出一种压力和接触传感器系统用来测量牙齿堵塞(US4856993，WO8902727和EP0379524)。还曾经研制出一种灵活的触觉传感器用来测量基脚和垫片的压力分布(US5033291，WO9109289和EP0457900)。在这些系统中，两组电极由一层薄压敏电阻涂层隔开并且电子地检测出电阻的变化以确定表面接触的时限、力和位置。其它装置采用了设置在压电薄膜(US4216403，US5341687和US5054323)或导电弹性体(US4163204)上的两个相对表面上的两个或多个电极以表征压力分布。还已研制出一种采用了类似技术的指纹传感器(US4394773)。

测量两个表面之间接触的一个普通方法利用了在接触的两个表面之间的复写纸材料。该接触也可以用一种压敏复写纸来表征(US4630079)。这些定性方法用作表面之间压力分布的最初的说明，但是没有提供任何该接触随时间变化的说明。

还已经研制出在无须研究接触随时间的变化或测量压力分布的情况下测量两个表面之间的接触的方法。例如，研制出用来确定生物医学器具和组织，如在摘除手术期间的导管和组织之间的接触的方法。在该情况中，测量了导管上的电极和病人身上的另一个电极之间的电压(WO9843547A2)。其它技术采用了测量电极的全部接触阻抗的变化速率(WO9909899A1)或测量电极的两个不同部分中的电流的相位角(WO9844856)以测量出生物医学电极和皮肤之间接触的损失。

还采用了一些技术来研究表面的外形，如精确的小型力传感器，该传感器基于探针和表面之间的合成吸引力和/或排斥力来产生导致其电特性改变的应变仪材料的变形(US5092163)。在该情况中，电极不与表面接触。

因此，非常需要提供一种能够直接而且精确地表征两个表面之间的接触时间，并且间接地表征所施加的变形和表面的机械响应的方法。

发明概述

本发明的一个目的在于提供一种采用来自暴露在接触表面上的电极的多个电信号来精确地确定两个表面之间的接触时间的方法。

本发明的另一个目的在于采用表示接触分布的时间变化的电信号来估计出随着时间施加在所测试材料上的位移的幅度和速度以及在接触和加压期间包含这些电极的表面的角度取向。

本发明的另一个目的在于使得能够借助于两个表面之间接触的瞬时变化和特性来表征材料的机械响应。

本发明的另一个目的在于提供具有多维电极组的各种表面结构以精确地评估接触分布，所施加的位移和材料的机械响应。

根据本发明，提供了一种采用位于接触表面中的电极组来表征两个表面之间的接触分布随着时间变化的新方法。通过将电极设置在任意表面上的限定位置处并且在第二任意表面的加压期间测量随着时间而产生出的电信号，可以精确地表征出接触的变化，因此提供了关于材料的机械响应的基本信息。该方法与现有方法的不同之处在于以下两个主要方面。首先，不是用压敏涂层的相对侧面上的两个电极来检测电阻，而是采用接触表面上的电极组并且测量在第二任意表面加压期间的电位。第二不同之处为测量的类型。不是测量压力，而是测量在所测试材料的接触和加压期间产生出的差分或绝对电位。可以采用这种信息来评估施加在该材料上的位移以及包含电极的表面在接触和加压期间相对于该材料的角度取向。另外，材料的机械响应直接由其顺应包含这些电极的表面的能力来表示。

两个接触表面之间力的产生主要取决于接触的时间变化，并且随着时间的接触变化的知识对于说明力信号是必要的。另一个实施例是在压力产生的电场的测量中，其中接触信息是重要的。典型的实施例是在包含微小电极的探针借助于在暴露的微小电极处产生出的电位与所要表征的物质接触并压缩该物质的时候。当用手施加这种压力从而缺乏关于所施加的位移类型方面的精确信息时，即使当在手动应用的情况中控制不好时，接触分布随着时间的变化也能够提供关于所施加的位移类型的信息。这种信息可以是探针相对于时间的位移或速度及其相对于所测试的物质的角度取向的形式。随着时间变化的接触分布的精确测量还可以产生一种新的材料分析类型，该分析在其最普通的形式中可以被认为表征一种“表面顺应性”。

附图简介

已经大体上描述了本发明的特征，现在参照以其优选实施方案的方式显示出的附图，其中：

图1A、1B和1C显示出本发明方法所采用的具有电极组的不同表面几何形状；

图2显示出在包含电极的半圆锥形表面(图1B)与放在盐溶液中的关节软骨试样接触时，用本发明的方法测量出的典型差分电信号和负载；

图3显示出在用手动装置使包含电极的半圆锥形表面(图1B)与放在盐溶液中的关节软骨试样接触时，用本发明的方法测量出的典型差分电信号和负载；

图4显示出在包含电极的半圆锥形表面(图1B)与任意非生物弹性材料，在本例中为橡皮接触时，用本发明的方法测量出的典型差分电信号和负载；

图5A显示出在包含电极的半球形表面(图1C)与放在盐溶液中的关节软骨试样接触时，用本发明的方法测量出的典型的绝对电信号和负载；

图5B显示出信号开始之间的时间差，从而通过叠加图5A的绝对电信号阐明了在包含电极的表面和软骨表面之间接触的瞬时变化以及包含电极的表面的角度取向；

图6A显示出在用手动装置使包含电极的半球形表面(图1C)与放在盐溶液中的关节软骨试样接触时，用本发明的方法检测出的典型的绝对电信号和负载；

图6B显示出信号开始之间的时间差，从而通过叠加图6A的电信号阐明了在包含电极的表面和软骨表面之间接触的瞬时变化以及包含电极的表面的角度取向；

图7显示出在半球形表面(图1C)与弹性材料接触时，用本发明的方法测量出的典型的绝对电信号和负载；

图8显示出在使包含电极的半球形表面(图1C)首先与放在盐溶液中的关节软骨试样接触，然后通过沿相反方向移动与该表面分离时，用本发明的方法测量出的典型的绝对电信号和负载；

图9显示出在用包含电极的半圆锥形表面(图1B)对放在盐溶液中的健康和变性的关节软骨外植物的加压期间，用本发明的方法检测出的典型差分电信号和负载。

发明详述

两个任意表面之间的接触可以由通过位于其中一个表面上的电极所检测出的电信号来表征。而且，包含电极的表面能够与任何材料表面接触。图1A-图1C显示出可以用来表征两个表面之间接触的电极的许多表面几何形状和结构的特定实施例。电极的几何形状、尺寸、间隔和材料类型可以根据应用而改变。

在两个任意表面接触期间，在两个相邻电极之间(差分测量)或在每个电极和共同的参考物之间(绝对测量)可以测量出电信号。共同参照物可以是设在测试槽中并且接地的参考电极或者是接触或不接触第二表面的电极组中的特定电极。在差分测量或用电极组之外的另一个电极作为参考物的绝对测量的情况中可以显著地减少电信号中的噪音含量。图2、3、4和9显示出差分测量的实施例。图5A、5B、6A、6B、7和8显示出相对于设置在测试槽中并且接地的参考电极的绝对测量的实施例。

除了间隔600μm的两对电极(电极3和电极4以及电极8和电极9)之外，还用间隔300μm直径50μm的11个铂电极线性电极组来测量电信号。图2、4、5A、5B、7、8和9显示出在应力松弛测试期间所测量出的电信号。为了精确地控制接触和变形的幅度和速度并且为了测量施加在该表面上的力，采用了一种机械测试系统。包含电极或柱子的表面与测压元件相连，组织固定在装满盐溶液并且安装在启动器平台上的测试室中，并且通过启动器施加位移。在典型的应力松弛测试中，首先使包含电极的柱子与组织接触(在位置相对时间的曲线图上的位置0)。然后，将两个表面以已知的距离分开，并且以固定的速度进行加压步骤。图3、图6A和图6B表示在用包含与测压元件相连的电极的柱子对材料进行手动加压期间所测量出的电信号。

图2显示出在对放在盐溶液中的关节软骨试样进行应力松弛测试期间测量出的差分电信号。关节软骨是由固定的负电荷组成的生物组织。在软骨的加压期间，出现在流体中的流动正离子相对于固定负电荷的位移，从而产生出电信号或流动电位。在该应力松弛测试期间，用包含电极的半圆锥形柱子在1秒内将软骨表面压缩500μm。半圆锥形表面的示意图显示出每个差分通道的位置，该差分通道代表相邻电极之间的电位差(用于11个电极的10条通道)。首先，在两个表面接触时(在位置相对于时间的曲线图上的位置0)，观察到压力的增加。负载在位移结束时最大，并且在组织松弛期间开始下降以达到平衡。为每条通道测量出的电信号都能观察到类似的特性。还应指出的是，在平表面上的四条差分通道(通道4，5，6和7)的幅度比位于圆锥形表面上的通道幅度更低，并且用1秒时的接触峰值来表征。由于相邻电极之间的压力差更高，所以位于圆锥形表面上的通道由更高的电位幅度来表征。实际上，在加压期间，柱子的平表面首先接触到组织，从而施加更高的变形，这样压力在那个表面上是最大的。然而，即使该压力最大，但是因为压力是均匀的，所以位于平表面上的两个相邻电极之间的压力差很小。对于位于圆锥形区域中的电极来说，压力是降低的，在周边处压力最小，这样压力差更高(Soulhat J等人，J Biomech Eng 121：340，1999)。可以推算出每对电极接触到组织的时间。对于通道3、2和1而言，电位分别在1秒、1.2秒和1.4秒时开始增加。对于对称的通道8、9和10来说观察到了类似的结果。因为电极对隔开600μm而不是300μm，通道3和8由更高的幅度来表征。另外，因为在加压期间流体流动的方向相反，所以位于平表面的每个侧面上的对称通道其符号相反(相对于通道10、9和8的通道1、2和3)。实际上，由半圆锥形柱子施加在组织上的压力在柱子的周边处最小，在中央处增加到最大值，然后从中央到周边再次降低。由于用线性电极组在一个方向上测量电位，所以平表面的每个侧面上的对称通道具有相反的符号。

图3显示出在通过手动装置使半圆锥形表面与放在盐溶液中的软骨试样接触时测量出的差分电信号的另一个实施例。如图2所示，测量出的电信号的形状与组织的机械负载响应类似。在这个特定实施例中，由于柱子在手动加压期间的角度取向的缘故，通道9和10的幅度非常低。图2和3的结果显示出，在接触和加压期间从电信号和负载中可以获得补充信息。

图4显示出在具有电极的半圆锥形柱子与弹性材料接触时测量出的差分电信号的实施例。进行该测试是为了说明可以表征除生物组织之外的材料的接触分布。由于弹性材料没有固定的离子化的带电组，所以与生物组织例如软骨相比，在加压期间不存在流动离子相对于固定电荷的位移。在干燥条件下进行该测试而没有浸泡在盐溶液中。还有，通过高通滤波消除电信号偏差。图4的结果显示出相对于平表面上的通道4或5而言，位于包含电极的表面的圆锥形部分上的通道2和1的电位开始增加得更晚。通道1和2上的箭头表示构成通道的相邻电极对的两个电极中的一个的接触时间。这些结果表明采用本发明的方法表征任意试样材料上的接触分布的可行性。

图5A表示在对盐溶液中的关节软骨试样进行应力松弛测试期间所测量出的绝对电信号。在该测试期间，用包含电极的半球形柱子在15秒内将软骨表面压缩300μm。半球形表面的示意图显示出代表每个电极和设在测试槽中并且接地的参考电极之间电位差的每个绝对通道的位置(用于11个电极的11条通道)。如图2中所示，负载开始在接触处增加到最大值，然后松弛以达到平衡。电信号的形状与组织的机械负载响应类似。通道6(电极6和在槽中接地的参考电极之间的电位差)由最高幅度来表征。实际上，电极6是接触到组织的第一个电极。电极6还在施加了最大变形并且压力最大的地方接触软骨。其它通道的幅度从中央(通道6)到周边(通道1或11)对称地降低。因为信号是相对于接地的参考电极测量出的，所以所有通道的电信号都是负的并且同相，并且软骨由固定的负电荷组成。实际上，在加压期间，流动正离子相对于固定的负电荷沿着参考电极的方向移动，并且所测量出的电信号是负的。

图5B显示出在半球形柱子的两个对称侧面中的一个上测量出的电信号的叠加。再次可以观察到信号幅度从周边(通道11)到中央(通道6)增加。还可以清楚地看出信号之间的时间延迟。该时间延迟是两个信号开始之间的时间差，即它们从与0点不同的位置开始或开始时是负数。通过知道半球形表面的准确几何形状和每个电极的位置以及每个信号开始之间的时间延迟，可以精确地推算出在加压期间接触的瞬时变化和有关压缩幅度以及包含电极的表面相对于其它表面的速度和角度取向的信息。在包含电极的表面与其它表面不垂直的情况中，电位信号超前(更短的时间延迟)并且对于首先接触到组织的半球形表面区域上的通道而言其幅度更高。

图6A显示了在手动加压期间半球形柱子与放在盐溶液中的软骨试样接触所测量出的绝对电信号。这些电信号的形状又几乎与软骨的机械负载响应相同。幅度在中央(通道6)处较高并且从中央到周边对称地降低。

图6B显示出在半球形柱子的一个侧面上测量出的绝对电信号的叠加。再次观察到信号幅度从周边(通道1)到中央(通道6)的增加。还可以观察到电信号开始之间的时间延迟。图6B中所示的时间延迟比图5B中的那些更难看到，因为手动加压速度更快。但是在此可以通过采用较高的数据采集率来推算出柱子在加压期间的幅度、速度和角度取向。

图7表示在具有半球形柱子的弹性材料的加压期间所测量出的绝对电信号。该测试是在干燥条件下进行的而没有浸泡在盐溶液中。另外，通过高通滤波来消除电信号偏差。首先，电放大系统在柱子和弹性材料之间接触之后即出现饱和现象。但是，可以清楚看出电信号中的时间延迟从中央到周边是增加的。图8显示出在用半球形柱子对软骨加压期间所测量出的通道6的绝对电信号。在该情况中，在加压之后柱子迅速地松开。在该表面的松开期间获得了额外的电信息。还有，可以看出在松开期间在37秒的时刻处通道6中很小的向上峰值。电信号的形式再次类似于组织在加压期间的机械负载响应。

如图所示，绝对电信号(图5A、5B、6A、6B、7和8)可以比差分电信号(图2、3、4和9)更容易反映出接触随着时间的变化。实际上，由于在位于该表面的不同位置并且在不同时间接触组织的两个相邻电极之间测量出电信号，所以对于差分测量来说接触更不明显。但是，在这两种情况中，可以精确地确定出两个表面之间的接触时间以及接触随着时间的变化。接触随着时间的变化根据包含电极的表面给出了有关材料性能的信息。还有，利用表面上电极的正确位置，可以很容易推断出包含电极的表面在接触和加压期间的幅度、速度和角度取向。

根据要测试的材料类型，可以使所测量的电信号在由计算机获取之前通过调节前置放大器、放大器和滤波器。在所有情况中，在这些电极和材料之间的接触阻抗与前置放大器的输入阻抗相比必须是可以忽略的。还有，偏流必须最小以避免电极极化。为了使接触阻抗最小化，可以在超声波槽中将电极涂布上氢氯铂酸溶液。

通过参照以下实施例将可以更容易地理解本发明，这些实施例用来说明本发明而不是限制其范围。

实施例1

图2、3、5A、5B、6A、6B和8显示出在软骨表面上测量出的电信号直接与组织的机械特性相关。实际上，从机械负载响应的形状及在关节软骨的接触和加压期间测量出的电位中可以获得类似的信息。从机械观点上看，关节软骨是一种由固相和液相组成的材料。液相(水)位于组织的微小孔隙中。孔隙的尺寸在5nm左右。当对软骨进行压缩时，间隙液流过孔隙基质，从而产生出巨大的压力，该压力阻止压缩和水分损失。因此软骨显示了一种特有的粘弹性能，从而在负载或变形的条件下，关节软骨具有与时间相关的机械性能。流动电位直接与软骨的压缩期间产生的压力相关。还有，在加压期间的流体速度与流动电位梯度相关。例如，在图5A中，我们观察到通道6(在电极6和接地的参考电极之间测量出的流动电位)由更高的流动电位幅度表征，该电位幅度直接与由半球形柱子施加的最大压力相关。

通过将多维电极组结合到关节窥镜探针中，在关节内部的软骨表面上可以直接测量出流动电位。但是，为了精确地确定软骨的机电特性，需要压缩的幅度或施加在软骨上的变形和速度。通过选择包含电极的表面的几何形状以及这些电极之间的距离并且通过精确地测量出每个电极的接触时间，可以估算出施加在软骨上的位移(精确的估算取决于所测试材料的机械响应的知识)以及包含电极的该表面在加压期间的角度取向。这些信息在医疗设备的范围中，对借助压力产生的电位的空间映像来诊断软骨变性是有用的。

软骨的细胞外基质主要由夹在胶原质网络中被称为蛋白多糖的固定的带有负电的分子组成。在软骨的加压期间，在流体中的流动正离子会相对于固定的带有负电的蛋白多糖移动，从而产生出流动电位。骨关节炎是一种由缺乏蛋白多糖并且缺乏胶原质网络的完整性而引起的软骨变性。在软骨表面上测量出的流动电位直接与蛋白多糖的含量和胶原质网络的完整性相关，从而骨关节炎是由流动电位幅度的减小引起的。因此关节探针可以用来精确地确定组织的健康或变性状况并且用于测试再生和其它的组织处理方法。图9显示出在用半圆锥形柱子加压期间在正常的和退化的软骨外植物上测量出的差分电位(通道3)的实施例。在该情况中，用生物化学降解试剂处理健康的软骨外植物以引发蛋白多糖损失和胶原质网络分解。周期性地测量出流动电位以研究降解的变化。可以看出，流动电位对退化特别敏感。还有，流动电位和负载对于正常的和退化的软骨而言具有几乎相同的特性。

在关节窥镜检测期间，矫形外科医师将用手在软骨上施加很小的压力。该过程将重复几次以确保结果的再现性。矫形外科医师可以不必精确地控制施加在软骨上的位移。还有，包含电极的表面一点也不与软骨表面完全平行。利用平面的、半圆锥形的或半球形的表面和多维电极组，可以分析电信号以便精确地确定出每个电极与组织的接触时间，从而表示出所施加的相对位移和两个表面的角度取向。采用包含电极的球形表面以及允许包含电极的表面任意取向的信号分析可以克服类似问题。

Claims (19)

1.一种采用电极组对两个任意表面之间接触的瞬时和空间变化进行表征的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将包含电极组的表面压靠在试样表面上，从而使得所述电极产生出对应于试样表面的信号；

b)从所述电极获得信号；

c)用处理装置处理从电极中接收到的所述信号；

d)分析并解释从所述信号处理中接收到的数据，以表征试样表面和含有电极组的表面之间接触的时间和空间变化，其中从电极中接收到的信号之间在时间上的偏差表现出试样表面和包含电极组的表面之间接触的时间和空间变化。

2.如权利要求1所述的方法，其中电极组是多维的。

3.如权利要求1所述的方法，其中电极组设在包含这些电极组的表面上以形成直线形、圆圈或曲线形式。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述直线形为三角形、矩形、五边形、六边形、七边形或八边形格子。

5.如权利要求1所述的方法，其中试样表面和包含电极组的表面具有从由全部或部分平表面、回转表面、不规则表面或两种或多种表面的组合所构成的组中选出的几何形状。

6.如权利要求5所述的方法，其中回转表面从由由圆锥形、球形、抛物线形、圆柱形和椭圆形构成的组中选出。

7.如权利要求1所述的方法，其中电极组包括至少三个电极，所述至少三个电极限定了两个尺寸。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述电极由从由贵金属、银、金、钯、铂、铑、钌、铱、锇、铜、铝和钨组成的组中选出的金属制成，或者从银/氯化银、不锈钢和铂/铱或者上述金属的任意组合物中选出的几种金属的合金制成。

9.如权利要求1所述的方法，其中电极由金属线制成。

10.如权利要求1所述的方法，其中电极的直径在亚微米到毫米的范围内。

11.如权利要求1所述的方法，其中处理装置紧挨着所述电极，用来降低噪音拾取和颤噪效应。

12.如权利要求1所述的方法，其中对包含电极组的表面进行处理以降低电接触阻抗。

13.如权利要求1所述的方法，其中处理装置包括具有高输入阻抗和低偏流的电压跟随器，用来使所测量的电压的共模抑制最大化。

14.如权利要求1所述的方法，其中以相邻电极之间电位差的差分方式或以相对于固定的电极组或设在测试槽中并接地的参考电极的绝对方式测量电位。

15.如权利要求1所述的方法，其中通过与具有稳定的噪音特性，无任何腐蚀效应和绝缘性能的电容耦合的无接点电极来测量这些信号。

16.如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15所述方法的用途，用于表示包含电极组的表面相对于试样表面的相对位移和取向中的至少一个。

17.如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15所述方法的用途，用于表征材料的机械响应或“表面顺应性”。

18.一种用于采用通过将所测试的组织压靠在包含暴露电极的探针表面上而感应的电位来检测包括组织的成分、结构、功能、健康或疾病状态在内的组织状况的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将至少两个点的电极组压靠在组织表面上；

b)将所述电极和组织一起压缩以便感应出流动电位；

c)测量每个所述电极的电位；

d)分析这些电位以获得接触的空间和瞬时变化并且获得所述组织的流动电位映象；并且

e)解释所述电位以确定该组织的状况。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述组织为软骨。

Images