人體胸腔電阻層析傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于電阻抗層析技術(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作領(lǐng)域，具體涉及一種人體胸腔電阻層析傳感器，包括用于套在人體胸腔外面的外套，多個(gè)電極，多個(gè)空心滑桿和設(shè)置在外套外面的電磁屏蔽罩，其中，在外套上開(kāi)設(shè)有多個(gè)滑槽，空心滑桿的一端固定有電極，另一端的尺寸與滑槽相配合，可以在滑槽里滑動(dòng)。外套的主體由絕緣材料制成，滑槽壁是導(dǎo)電的，空心滑桿由均勻?qū)w材料制成，連接電極的導(dǎo)線(xiàn)從空心滑桿中部穿出，從每個(gè)滑槽壁各引出一根導(dǎo)線(xiàn)。利用本發(fā)明的傳感器，可以在線(xiàn)快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行電極位置確定，實(shí)現(xiàn)不同的被測(cè)人群及其不同的呼吸動(dòng)態(tài)過(guò)程的高精度的測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】人體胸腔電阻層析傳感器
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】本發(fā)明涉及一種醫(yī)用電阻抗層析成像(electrical impedancetomography, EIT)系統(tǒng)采用的傳感器。
[0002]【背景技術(shù)】電阻抗層析成像(EIT)技術(shù)，是以生物體內(nèi)電阻抗的分布或變化為成像目標(biāo)的一種新型的無(wú)損傷的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)與成像技術(shù)。利用EIT技術(shù)，可以顯示生物體內(nèi)組織的阻抗分布圖像、生物體組織的阻抗隨頻率變化的圖像、生物體器官生理活動(dòng)(如呼吸、心臟搏動(dòng))時(shí)的阻抗變化圖像。EIT技術(shù)是非侵入檢測(cè)和功能成像技術(shù)，具有安全、可視化等特點(diǎn)，在研宄生物體生理功能和疾病診斷方面有著重要的臨床價(jià)值。與傳統(tǒng)的基于射線(xiàn)(X射線(xiàn)，pet)的醫(yī)學(xué)可視化檢測(cè)手段相比，它具有安全、簡(jiǎn)便、無(wú)創(chuàng)、廉價(jià)的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)生物體進(jìn)行長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。特別是一幅EIT成像的數(shù)據(jù)采集能達(dá)到每秒500幅左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前使用的醫(yī)學(xué)檢測(cè)方法大約3-10分鐘才能完成一幅圖像的速度。因此基于EIT開(kāi)發(fā)出床旁監(jiān)護(hù)和實(shí)時(shí)的醫(yī)療檢測(cè)技術(shù)，對(duì)疾病的早期預(yù)防、診斷和治療具有十分重大的意義和應(yīng)用前景，受到世界上各國(guó)研宄者的廣泛關(guān)注。
[0003]然而，當(dāng)前在EIT做人體胸腔二維物場(chǎng)測(cè)量中，所有檢測(cè)和測(cè)量電極(通常為16或32個(gè))必須固定在待檢查的人體胸腔表面的某個(gè)橫截面。這些電極一般都是逐個(gè)粘貼到人體胸腔表面皮膚的，然后通過(guò)幾何測(cè)量或者其它測(cè)距傳感器等手段測(cè)量出各個(gè)電極的位置，從而由電極位置確定這個(gè)被測(cè)物場(chǎng)(人體胸腔)邊界，使得EIT成像和可視化成為可能。對(duì)于人體胸腔而言，這種測(cè)量存在三個(gè)問(wèn)題。首先，為了保證所有電極都均勻分布在同一截面上，需要多次測(cè)量和反復(fù)調(diào)整，很難保證所有電極均勻分布在同一截面上。其次，隨著人體呼吸過(guò)程中人體胸腔表面動(dòng)態(tài)變化，胸腔電極確定的檢測(cè)物場(chǎng)的尺寸和形狀也隨之而變，因此，現(xiàn)有的測(cè)量方法根本無(wú)法適應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化，從而不可能進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)采集；而且電極的反復(fù)調(diào)整還容易導(dǎo)致電極和導(dǎo)線(xiàn)之間連接點(diǎn)的損壞，電極的磨損，電極與皮膚之間粘貼不牢固等問(wèn)題。這些問(wèn)題給電極的使用壽命和被測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性帶來(lái)了不利影響。最后，當(dāng)前數(shù)據(jù)采集使用相鄰激勵(lì)和相鄰測(cè)量方式，導(dǎo)致獲得的獨(dú)立測(cè)量數(shù)遠(yuǎn)少于成像過(guò)程的像素?cái)?shù)(例如，16電極僅僅有104個(gè)獨(dú)立測(cè)量數(shù))；引起嚴(yán)重的欠定問(wèn)題。上述問(wèn)題已經(jīng)成為EIT應(yīng)用于醫(yī)學(xué)可視化的主要障礙。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種內(nèi)置隨動(dòng)滑動(dòng)桿的電阻層析傳感器，針對(duì)任意被測(cè)人群不同的胸腔輪廓，以及動(dòng)態(tài)呼吸過(guò)程改變的胸腔形狀，測(cè)量時(shí)只需把電極黏貼在皮膚表面，而不需要做任何其它重復(fù)調(diào)整，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的確定電極的空間位置，從而準(zhǔn)確確定人體胸腔成像的物場(chǎng)，為EIT檢測(cè)提供必備和有效的條件。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005]一種人體胸腔電阻層析傳感器，包括用于套在人體胸腔外面的外套，多個(gè)電極，多個(gè)空心滑桿和設(shè)置在外套外面的電磁屏蔽罩，其中，在外套上開(kāi)設(shè)有多個(gè)滑槽，空心滑桿的一端固定有電極，另一端的尺寸與滑槽相配合，可以在滑槽里滑動(dòng)；外套的主體由絕緣材料制成，滑槽壁是導(dǎo)電的，空心滑桿由均勻?qū)w材料制成，連接電極的導(dǎo)線(xiàn)從空心滑桿中部穿出，從每個(gè)滑槽壁各引出一根導(dǎo)線(xiàn)。
[0006]作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述的外套為橢圓形外套，滑槽壁垂直于橢圓形外套，并盡量按照以橢圓中心為圓心的圓的等中心角均勻分布，進(jìn)而使得位于各個(gè)滑桿端部的電極盡量均勻分布在同一截面上；電極的位置按照下列方法確定:將與電極相連的導(dǎo)線(xiàn)和從與此電極相應(yīng)的滑槽壁引出的導(dǎo)線(xiàn)接在電源的兩端，由于滑桿是均勻?qū)w制成，根據(jù)所測(cè)得的電阻大小，求得滑桿伸入外套內(nèi)部的長(zhǎng)度，繼而得到此電極的位置。
[0007]本發(fā)明的特點(diǎn)是，在不改變傳統(tǒng)EIT成像數(shù)據(jù)測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，對(duì)于不同的被測(cè)人群和人體胸腔動(dòng)態(tài)呼吸過(guò)程，能夠自適應(yīng)地確定出電極的位置(坐標(biāo))，解決當(dāng)前EIT傳感器不能實(shí)時(shí)確定邊界的難題。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1傳感器側(cè)視圖
[0009]圖2傳感器俯視圖
[0010]圖3傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
[0011]圖4用于滑桿的探入深度測(cè)量的電流回路
[0012]圖5物場(chǎng)對(duì)象測(cè)量回路。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面首先結(jié)合附圖1?3對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與技術(shù)原理予以說(shuō)明。本發(fā)明的傳感器由以下組件構(gòu)成:圓形電極⑴；空心滑桿⑵；橢圓形外套⑶；滑槽⑷；電極連接線(xiàn)
(5);滑槽連接線(xiàn)(6);可以調(diào)節(jié)高度的支撐三角架(7);電磁屏蔽外罩⑶。具體說(shuō)明如下:
[0014]①32個(gè)圓形電極組成一個(gè)電極陣列，每個(gè)電極之間按照等中心角原則分布，每個(gè)電極反面上有伸出圓形螺絲口圓環(huán)，圓環(huán)中心固定并引出一導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)空心滑桿與電源相連，而電極通過(guò)螺絲口圓環(huán)的滑桿與對(duì)應(yīng)螺絲口接觸擰緊緊密連接，二者組成一個(gè)連接整體。32個(gè)滑桿及滑槽按照等中心角均勻分布，進(jìn)而保證32個(gè)電極均勻分布在同一截面上。滑槽由導(dǎo)電材料制成固定在橢圓形外套上并垂直于其內(nèi)外表面。滑桿可以沿著滑槽做方向垂直于橢圓形外套的內(nèi)外表面的運(yùn)動(dòng)。滑桿與滑槽之間涂有既能導(dǎo)電又能潤(rùn)滑的材料，以降低兩者之間的接觸電阻和滑動(dòng)阻力。
[0015]②橢圓形外套既充當(dāng)傳感器所有電極的支撐固定裝置，又充當(dāng)被檢測(cè)物場(chǎng)(胸腔)的固定參考邊界(胸腔外表面)。任意選定坐標(biāo)系，每個(gè)橢圓形外套上固定滑槽的中心位置(坐標(biāo))是已知的。電極的制作和傳統(tǒng)的固定電極制作沒(méi)有區(qū)別，都是選擇適合黏貼在人體表面的導(dǎo)體材料制作而成，電極形狀為圓形導(dǎo)電片；對(duì)于不同的人體胸腔輪廓和動(dòng)態(tài)的呼吸過(guò)程，黏貼在胸腔皮膚表面的電極將帶動(dòng)滑桿相對(duì)于橢圓形外套將有不同移動(dòng)(探入)長(zhǎng)度。通過(guò)計(jì)算這個(gè)移動(dòng)(探入)長(zhǎng)度并與對(duì)應(yīng)滑槽的位置比較，就可以計(jì)算出每個(gè)電極的位置(坐標(biāo))。
[0016]③滑桿的探入深度按照一個(gè)電流回路測(cè)量?；瑮U由導(dǎo)電性良好的均勻?qū)w材料制成，其長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際需要而定，橫截面周長(zhǎng)要和圓形外套上的滑道孔徑相匹配；滑桿與滑槽之間涂有液質(zhì)導(dǎo)電材料以保證足夠小的接觸電阻和的足夠小的光滑度；每個(gè)電極通過(guò)置于滑桿中空心的導(dǎo)線(xiàn)與電源的正極相連；而電源的負(fù)極通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與滑槽壁相連，滑槽壁再通過(guò)導(dǎo)電的滑桿與電極相連，形成一個(gè)如圖4所示的電流回路。
[0017]連接導(dǎo)線(xiàn)和滑槽的電阻比滑動(dòng)桿本身電阻小的多；因此上述電流回路的電阻大小由探入橢圓形外套部分的滑桿長(zhǎng)度確定。對(duì)于每個(gè)滑桿，電阻率P和橫截面積S都是不變的，因此，回路的電阻R完全由滑桿探入部分的長(zhǎng)度L決定；即在測(cè)出R值后，長(zhǎng)度L的大小根據(jù)以下歐姆定律計(jì)算:
[0018]L = SRp-1
[0019]通過(guò)測(cè)量滑動(dòng)桿位于橢圓形外套里面的阻值R變化即可得到電極的位置(坐標(biāo))。
[0020]④當(dāng)電極位置測(cè)量完成后，所有電源負(fù)極與滑槽斷路；而每一個(gè)電源負(fù)極按照一定次序和排列與另一個(gè)電極的引出引線(xiàn)相連，形成如圖5所示的物場(chǎng)對(duì)象測(cè)量回路:
[0021]從而得到檢測(cè)物場(chǎng)中被檢測(cè)對(duì)象的測(cè)量數(shù)據(jù)。以上被測(cè)物場(chǎng)電極位置(坐標(biāo))測(cè)量和檢測(cè)物場(chǎng)被檢測(cè)對(duì)象的測(cè)量數(shù)據(jù)獲取交替進(jìn)行，由于這個(gè)過(guò)程都可以在毫秒數(shù)量級(jí)完成，因此完全能夠適合胸腔邊界動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變化。
[0022]⑤橢圓形電磁屏蔽外套位于傳感器的最外層，由普通多層硅鋼片制成，外罩的縱向長(zhǎng)度應(yīng)該大于電極直徑的5倍，能夠可有效地屏蔽外界的電磁干擾，保證測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信噪比。包括橢圓形外套和電極在內(nèi)的測(cè)量設(shè)備固定在一個(gè)可調(diào)節(jié)高度的三角形支架上，高度可調(diào)節(jié)的三腳架與通常使用的三腳架沒(méi)有什么區(qū)別；但是橢圓外套的大小原則上要能夠容納所有人的胸腔。因此橢圓形外套的長(zhǎng)短軸要比正常人胸部輪廓最大長(zhǎng)度和厚度大出20%以適合所有人群，而材質(zhì)選用易于加工并且重量輕的無(wú)機(jī)材料。
[0023]⑥全激勵(lì)全測(cè)量模式。對(duì)于N個(gè)電極按照間隔的電極數(shù)不同，所有電極對(duì)分別有N種激勵(lì)方式和N種測(cè)量方式，按照互易性原理，總共有包括現(xiàn)在相鄰激勵(lì)和相鄰測(cè)量在內(nèi)的(N/2)X(N/2)種不同的測(cè)量方式。本傳感器利用所有這些不同的全激勵(lì)全測(cè)量模式對(duì)被檢測(cè)物場(chǎng)進(jìn)行激勵(lì)和測(cè)量，從而使得被檢測(cè)對(duì)象對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，以最大程度克服EIT成像的欠定問(wèn)題從而提高EIT成像的空間分辨率。
[0024]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的新型傳感器的具體實(shí)施和操作方式進(jìn)行說(shuō)明。
[0025]調(diào)節(jié)三角支架的高度，使得被檢查人體胸腔位置與橢圓形外套所在的水平面一致，通過(guò)手動(dòng)移動(dòng)滑桿位置與胸腔表面連接。閉合電源通過(guò)選通開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)傳感器位置測(cè)量和被檢測(cè)對(duì)象測(cè)量數(shù)據(jù)兩個(gè)過(guò)程交替進(jìn)行的自適應(yīng)模式。
[0026]一、位置測(cè)量。對(duì)于包含N個(gè)電極的傳感器采用串行方式實(shí)施，首先通過(guò)電源對(duì)I號(hào)電極施加電流激勵(lì)，可以獲得測(cè)量回路的電流強(qiáng)度，從而計(jì)算出電阻R的大小，進(jìn)而由歐姆定律計(jì)算出探入滑桿的長(zhǎng)度；通過(guò)與滑動(dòng)桿全部探入和全部在外側(cè)時(shí)兩個(gè)極端情況先驗(yàn)的電阻值比較，就可以得出滑桿的輸入長(zhǎng)度，再與滑槽的已知位置坐標(biāo)相比較，就可以計(jì)算出I號(hào)電極的位置坐標(biāo)；重復(fù)這個(gè)過(guò)程分別施加激勵(lì)到2號(hào)，3號(hào)，…，N號(hào)電極，則最終得到所有N個(gè)電極的位置坐標(biāo)。
[0027]二、對(duì)象測(cè)量。對(duì)于包含N個(gè)電極的傳感器采用全激勵(lì)和全測(cè)量模式。以下把相鄰激勵(lì)、間隔I個(gè)電極激勵(lì)、間隔2個(gè)電極激勵(lì)，….，間隔(N/2-1)個(gè)電極激勵(lì)依次記為:激勵(lì)1，激勵(lì)2，激勵(lì)3，…，激勵(lì)(N/2-1);相應(yīng)地，把相鄰測(cè)量、間隔I個(gè)電極測(cè)量、間隔2個(gè)電極測(cè)量，….，間隔(N/2-1)個(gè)電極測(cè)量依次記為:測(cè)量1，測(cè)量2，測(cè)量3，…，測(cè)量(N/2-1);因此，(N/2) X (N/2)個(gè)全激勵(lì)和全測(cè)量模式工作如下:
[0028](I)激勵(lì)I(lǐng)和測(cè)量I模式。1-2號(hào)電極組成電極對(duì)進(jìn)行電流激勵(lì)，然后在3-4號(hào)，5-6號(hào)，…，(N-1)-N號(hào)電極對(duì)測(cè)量被檢測(cè)對(duì)象引起的電位變化；重復(fù)這個(gè)過(guò)程，依次用3-4號(hào)，5-6號(hào)，…，(N-1)-N號(hào)電極作為激勵(lì)電極對(duì)，其它電極作為測(cè)量電極對(duì)，測(cè)量被檢測(cè)對(duì)象引起的電位變化。
[0029](2)激勵(lì)I(lǐng)和測(cè)量2模式。1-2號(hào)電極組成電極對(duì)進(jìn)行電流激勵(lì)，然后在3_5號(hào)，4-6號(hào)，…，((N-2)-N)號(hào)電極對(duì)測(cè)量被檢測(cè)對(duì)象引起的電位變化；重復(fù)這個(gè)過(guò)程，依次用
3-4號(hào)，5-6號(hào)，…，((N-1)-N)號(hào)電極作為激勵(lì)電極對(duì)，其它間隔一個(gè)的兩個(gè)電極作為測(cè)量電極對(duì)，測(cè)量被檢測(cè)對(duì)象引起的電位變化。
[0030](3)激勵(lì)I(lǐng)和測(cè)量3模式。1-2號(hào)電極組成電極對(duì)實(shí)施電流激勵(lì)，然后在3-6號(hào)，
4-7號(hào)，…，((N-3)-N)號(hào)電極對(duì)測(cè)量被檢測(cè)對(duì)象引起的電位變化；重復(fù)這個(gè)過(guò)程，依次用3-4號(hào)，5-6號(hào)，…，(N-1)-N號(hào)電極作為激勵(lì)電極對(duì)，其它間隔兩個(gè)的電極作為測(cè)量電極對(duì)，測(cè)量被檢測(cè)對(duì)象引起的電位變化。
[0031].........................................................
[0032](4)激勵(lì)(N/2-1)和測(cè)量(N/2-1)模式。1-(N/2-1)，2_ (N/2)號(hào)，3_(Ν/2+1)，...，(N/2-1)-(N)電極組成電極對(duì)實(shí)施電流激勵(lì)，然后在3-(2+N/2)號(hào)，4-(3+N/2)6號(hào)，…，((N+N/2))號(hào)電極對(duì)測(cè)量被檢測(cè)對(duì)象引起的電位變化；重復(fù)這個(gè)過(guò)程，依次用2-(N/2)號(hào)，3-(N/2+l)，...，(N/2-1)-(N)號(hào)電極作為激勵(lì)電極對(duì)，其它間隔一個(gè)的兩個(gè)電極作為測(cè)量電極對(duì)，測(cè)量被檢測(cè)對(duì)象引起的電位變化。以上過(guò)程完成后，總共獲得2345個(gè)獨(dú)立測(cè)量數(shù)。
[0033]三、模式切換與控制。通過(guò)一個(gè)選通電路，分別實(shí)現(xiàn)位置測(cè)量與對(duì)象測(cè)量之間的切換，以及不同測(cè)量模式之間的切換。當(dāng)選通電路使得電源連接到同一個(gè)電極形成電流回路時(shí)，實(shí)現(xiàn)傳感器的位置測(cè)量；當(dāng)電源負(fù)極與滑槽斷路，而與其它任意一個(gè)其他電極相連時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)全激勵(lì)全測(cè)量模式。通過(guò)時(shí)鐘開(kāi)關(guān)，當(dāng)所有(N/2) X (N/2)個(gè)全激勵(lì)和全測(cè)量完成后，把數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析系統(tǒng)，完成一幅EIT成像的數(shù)據(jù)測(cè)量。
【權(quán)利要求】
1.一種人體胸腔電阻層析傳感器，包括用于套在人體胸腔外面的外套，多個(gè)電極，多個(gè)空心滑桿和設(shè)置在外套外面的電磁屏蔽罩，其中，在外套上開(kāi)設(shè)有多個(gè)滑槽，空心滑桿的一端固定有電極，另一端的尺寸與滑槽相配合，可以在滑槽里滑動(dòng)。外套的主體由絕緣材料制成，滑槽壁是導(dǎo)電的，空心滑桿由均勻?qū)w材料制成，連接電極的導(dǎo)線(xiàn)從空心滑桿中部穿出，從每個(gè)滑槽壁各引出一根導(dǎo)線(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述的外套為橢圓形外套，滑槽壁垂直于橢圓形外套，并盡量按照以橢圓中心為圓心的圓的等中心角均勻分布，進(jìn)而使得位于各個(gè)滑桿端部的電極盡量均勻分布在同一截面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，電極的位置按照下列方法確定:將與電極相連的導(dǎo)線(xiàn)和從與此電極相應(yīng)的滑槽壁引出的導(dǎo)線(xiàn)接在電源的兩端，由于滑桿是均勻?qū)w制成，根據(jù)所測(cè)得的電阻大小，求得滑桿伸入外套內(nèi)部的長(zhǎng)度，繼而得到此電極的位置。
【文檔編號(hào)】A61B5/053GK104434096SQ201410625202
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月8日
【發(fā)明者】岳士弘, 王建培 申請(qǐng)人:天津大學(xué)