一种用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置及测量方法，属于生物电阻抗成像技术与应用领域。该装置包括上位机、主控单元、激励电流信号生成单元、边界电压信号测量单元、激励通道、测量通道及接触阻抗测量模块。本发明专利技术在原有成像电极的基础上，引入一个远端参考电极，接触阻抗测量时，通过电极通道控制单元依次将多个成像电极切换进入接触阻抗测量电路，通过电极通道控制单元可以实现实时同步测量边界电压数据与接触阻抗数据。该方法可以准确测量得到接触阻抗在以下两个维度的信息：1、多路接触阻抗的空间一致性；2、单路接触阻抗的时间稳定性。相比现有测量方法，操作简便，可实时测量。

Device and measuring method for real-time measuring multi-channel electrode / scalp contact impedance

The invention discloses a device and a measuring method for real-time measuring multi-channel electrode/scalp contact impedance, belonging to the bioelectrical impedance imaging technology and application field. The device comprises a host computer, a main control unit, an excitation current signal generating unit, a boundary voltage signal measuring unit, an excitation channel, a measuring channel and a contact impedance measuring module. On the basis of the original imaging electrode, the invention introduces a remote reference electrode. When measuring the contact impedance, the imaging electrode is successively switched into the contact impedance measuring circuit by the electrode channel control unit, and the boundary voltage data and the contact impedance data can be synchronously measured in real time by the electrode channel control unit. . This method can accurately measure the contact impedance in the following two dimensions: 1. spatial consistency of multi-channel contact impedance; 2. time stability of single-channel contact impedance. Compared with the existing measurement methods, it is easy to operate and can be measured in real time.

【技术实现步骤摘要】
一种用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置及测量方法
本专利技术属于生物电阻抗成像领域，具体涉及一种用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置及测量方法。
技术介绍
颅脑电阻抗成像技术是一种新型的颅脑功能成像技术，具有无创、无辐射、成像快速、可长时间连续成像等优势。其基本原理是：利用贴放于头皮表面的电极依次向颅脑注入定量安全的交流电流信号，同时测量各相关电极上的响应电压信号，并通过特定的图像重建算法，重构得到能够反应颅脑内部电阻抗分布的图像。颅脑电阻抗成像系统包含多个成像电极，通常采用16个电极或32个电极，并且所有成像电极在施加电流激励和提取响应电压信号两种功能间复用。相比于其他的单纯生物电信号提取场合(如脑电图仪、脑机接口等)，颅脑电阻抗成像受电极/头皮接触阻抗的影响程度更为复杂。在前期实验室研究中，通常将电极刺入麻醉后的动物头皮内或固定在颅骨上，可以有效抑制头皮/接触阻抗的影响。但在临床应用中，电极贴附于头皮表面，电极/头皮接触阻抗较大，且远大于颅脑组织传输阻抗；在长时间连续成像时，随着导电膏效能减退及患者体动，电极/头皮接触阻抗随时间产生波动。相关研究证明，当多个成像电极的接触阻抗之间存在较大差异时，通过影响信号采集系统的性能引起测量误差；在长时间连续采集过程中，当接触阻抗随着时间的波动性较大时，在差分成像过程引入成像误差。目前，关于颅脑电阻抗成像中电极/头皮接触阻抗影响的研究多停留在仿真研究阶段，暂时缺乏可以实时获取多路接触阻抗空间一致性及时间稳定性的手段。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置及测量方法，该装置利用电阻抗成像数据采集间隙，能够快速、实时获取多个成像电极对应的接触阻抗信息，为研究分析电极/头皮接触阻抗对成像的影响及相应抑制方法奠定基础。本专利技术是通过以下技术方案来实现：本专利技术公开的一种用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置，包括上位机、主控单元、激励电流信号生成单元、边界电压信号测量单元、激励通道、测量通道及接触阻抗测量模块；所述接触阻抗测量模块由电极单元、电极通道控制单元、接触阻抗信号测量单元及激励电流信号测量单元组成；其中：电极单元，包含一组成像电极和一个参考电极，成像电极用于获取电阻抗成像数据，参考电极用于辅助测量各个成像电极的接触阻抗；电极通道控制单元，用于通过控制激励通道和测量通道的切换，实现边界电压测量和接触阻抗测量两种模式的交替操作，两种模式的时间间隔在1s以内；接触阻抗信号测量单元，用于将接触阻抗信号(成像电极与参考电极之间的响应电压信号)处理后传输至主控单元；处理指的是进行滤波、放大、信号调理等处理，然后进行A/D转换；激励电流信号测量单元，用于将激励电流信号(取样电阻两端的电压信号)处理后传输至主控单元；处理指的是进行滤波、放大、信号调理等处理，然后进行A/D转换；上位机通过数据接口与主控单元交互，用于给主控单元发送控制指令，主控单元将采集的数据上传给上位机；主控单元，首先通过控制激励电流信号生成单元产生交流正弦电流信号，然后通过电极通道控制单元设置激励通道和测量通道，最后通过控制边界电压信号测量单元、激励电流信号测量单元及接触阻抗信号测量单元完成数据采集。优选地，所述成像电极，兼具电流激励和电压测量两种功能，贴放于待测头皮表面，通常均匀分布于颅脑的某一特定断面；优选地，所述参考电极，共有两种备选方案：一种是一次性医用单极针电极，针头采用斜面小角度磨刃结构；另一种是自粘性表面电极，结构类似于一次性心电电极，但Ag/AgCl镀层面积远大于普通心电电极，可贴放于颅脑顶部；以上两种电极均采购于正规医疗器械公司，安全性有所保障。优选地，所述电极通道控制单元，包括多个控制成像电极通道切换的多路模拟开关器件和多个控制参考电极通道导通/关断的单刀单掷开关器件。进一步优选地，采用四个多选1模拟开关器件控制多个成像电极，以MUX1和MUX2分别控制正向激励通道和负向激励通道，MUX3和MUX4分别控制正向测量通道和负向测量通道；采用两个单刀单掷开关器件SPST1和SPST2控制参考电极；在边界电压信号测量模式下，SPST1和SPST2断开，MUX1、MUX2、MUX3和MUX4的使能管脚置高电平，通过控制MUX1、MUX2、MUX3和MUX4的选通，设置激励通道和测量通道；在接触阻抗信号测量模式下，SPST1和SPST2导通，MUX1和MUX3的使能管脚置高电平，MUX2和MUX4的使能管脚置低电平，通过控制MUX1和MUX3的选通，设置激励通道和测量通道。优选地，所述接触阻抗信号测量单元，由滤波电路、固定增益信号放大电路、程控增益信号放大电路和A/D转换电路组成，用于测量“二电极法”对应的电压信号；所述激励电流信号测量单元，由取样电阻、滤波电路、固定增益信号放大电路、程控增益信号放大电路和A/D转换电路组成，用于测量“二电极法”对应的电流信号。进一步优选地，取样电阻，具有高精度、低温漂特性；滤波电路，由二阶有源低通滤波器和二阶有源高通滤波器组成；固定增益信号放大电路，为第一级放大电路，由精密电阻与运算放大器组成；程控增益信号放大电路，为第二级放大电路，由可编程增益放大器件组成，可以动态调整其增益范围，以满足幅度在较宽动态范围内的信号放大需求；A/D转换电路，由高速高精度的模数转换器和其外周电路构成，作为信号测量单元的后级电路。本专利技术还公开了基于上述测量装置的测量方法，包括以下步骤：1)布置电极按颅脑电阻成像的常规方法安放一组成像电极并固定，然后选取与每个成像电极之间距离近似相同的位置放置一个参考电极；2)边界电压数据采集通过电极通道控制单元，断开参考电极通路，并依次切换一组内的若干个成像电极，完成一帧边界电压数据采集，边界压电数据用于成像，即为成像数据；3)接触阻抗数据与激励电流数据采集接触阻抗数据采集：通过电极通道控制单元，导通参考电极通路，按顺序依次选通成像电极通道；采用二电极法，在参考电极与所选通成像电极之间注入激励电流信号，并测量两电极之间的电压信号，记作Ui，其中i＝1,2,…,N为电极编号，N为成像电极的个数；激励电流数据采集：通过测量取样电阻上的电压信号，间接测量激励电流信号，记作U取样；4)重复步骤2)和步骤3)，进入下一帧数据采集周期，直至上位机发送“终止采集”指令。优选地，步骤1)中布置参考电极时，根据需要选择，若采取一次性医用单极针电极，消毒处理后刺入头皮下并固定，若采用一次性定制参考电极，将其帖放在头皮表面并固定；优选地，步骤3)中，当成像电极i选通时的实际激励电流为：Ii＝U取样/R取样；则采用二电极法所测量的阻抗值为：Zi＝Ui/Ii＝Ui/(U取样/R取样)＝Ui*R取样/U取样；Zi的实质是被测成像电极的接触阻抗Zci、成像电极与参考电极之间的传输阻抗Zti和参考电极的接触阻抗Zcf三者之和，即：Zi＝Zci+Zti+Zcf；定义ΔZm,n如下：其中，m,n＝1,2,...,N且m≠n；Zcm-Zcn为成像电极m和成像电极n的接触阻抗之差，记作ΔZcm,n；Ztm-Ztn为成像电极m和成像电极n分别与参考电极之间的传输阻抗之差，记作ΔZtm,n；Zcfm-Zcfn为两次测量时参考电极接触阻抗的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置，其特征在于，包括上位机、主控单元、激励电流信号生成单元、边界电压信号测量单元、激励通道、测量通道及接触阻抗测量模块；所述接触阻抗测量模块由电极单元、电极通道控制单元、接触阻抗信号测量单元及激励电流信号测量单元组成；其中：电极单元，包含一组成像电极和一个参考电极，成像电极用于获取电阻抗成像数据，参考电极用于辅助测量各个成像电极的接触阻抗；电极通道控制单元，用于通过控制激励通道和测量通道的切换，实现边界电压测量和接触阻抗测量两种模式的交替操作；接触阻抗信号测量单元，用于将成像电极与参考电极之间的响应电压信号处理后传输至主控单元；激励电流信号测量单元，用于将取样电阻两端的电压信号处理后传输至主控单元；上位机通过数据接口与主控单元交互，用于给主控单元发送控制指令，主控单元将采集的数据上传给上位机；主控单元，首先通过控制激励电流信号生成单元产生交流正弦电流信号，然后通过电极通道控制单元设置激励通道和测量通道，最后通过控制边界电压信号测量单元、激励电流信号测量单元及接触阻抗信号测量单元完成数据采集。

【技术特征摘要】
1.一种用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置，其特征在于，包括上位机、主控单元、激励电流信号生成单元、边界电压信号测量单元、激励通道、测量通道及接触阻抗测量模块；所述接触阻抗测量模块由电极单元、电极通道控制单元、接触阻抗信号测量单元及激励电流信号测量单元组成；其中：电极单元，包含一组成像电极和一个参考电极，成像电极用于获取电阻抗成像数据，参考电极用于辅助测量各个成像电极的接触阻抗；电极通道控制单元，用于通过控制激励通道和测量通道的切换，实现边界电压测量和接触阻抗测量两种模式的交替操作；接触阻抗信号测量单元，用于将成像电极与参考电极之间的响应电压信号处理后传输至主控单元；激励电流信号测量单元，用于将取样电阻两端的电压信号处理后传输至主控单元；上位机通过数据接口与主控单元交互，用于给主控单元发送控制指令，主控单元将采集的数据上传给上位机；主控单元，首先通过控制激励电流信号生成单元产生交流正弦电流信号，然后通过电极通道控制单元设置激励通道和测量通道，最后通过控制边界电压信号测量单元、激励电流信号测量单元及接触阻抗信号测量单元完成数据采集。2.根据权利要求1所述的用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置，其特征在于，成像电极兼具电流激励和电压测量功能，一组成像电极均贴放于待测者头皮表面。3.根据权利要求1所述的用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置，其特征在于，参考电极选用一次性医用单极针电极或自粘性表面电极。4.根据权利要求1所述的用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置，其特征在于，所述电极通道控制单元，包括多个控制成像电极通道切换的多路模拟开关器件和多个控制参考电极通道导通/关断的单刀单掷开关器件。5.根据权利要求4所述的用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置，其特征在于，采用四个多选1模拟开关器件控制多个成像电极，以MUX1和MUX2分别控制正向激励通道和负向激励通道，MUX3和MUX4分别控制正向测量通道和负向测量通道；采用两个单刀单掷开关器件SPST1和SPST2控制参考电极；在边界电压信号测量模式下，SPST1和SPST2断开，MUX1、MUX2、MUX3和MUX4的使能管脚置高电平，通过控制MUX1、MUX2、MUX3和MUX4的选通，设置激励通道和测量通道；在接触阻抗信号测量模式下，SPST1和SPST2导通，MUX1和MUX3的使能管脚置高电平，MUX2和MUX4的使能管脚置低电平，通过控制MUX1和MUX3的选通，设置激励通道和测量通道。6.根据权利要求1所述的用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置，其特征在于，接触阻抗信号测量单元，由滤波电路、固定增益信号放大电路、程控增益信号放大电路和A/D转换电路组成，用于测量二电极法对应的电压信号；激励电流信号测量单元，由取样电阻、滤波电路、固定增益信号放大电路、程控增益信号放大电路和A/D转换电路组成，用于测量二电极法对应的电压信号。7.根据权利要求6所述的用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置，其特征在于，所述滤波电路，由二阶有源低通滤波器和二阶有源高通滤波器组成；所述固定增益信号放...

【专利技术属性】
技术研发人员：付峰，马航，张戈，刘学超，李昊庭，夏军营，刘本源，史学涛，董秀珍，
申请(专利权)人：中国人民解放军第四军医大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61