用于估计介质的物理参数的系统及方法技术方案

一种用于估计包括至少一种电解质的介质(M)的区域的至少一个物理参数的系统(1)，该系统包含：至少两个电极(2)，即至少一个工作电极和一个对电极；电流发生器(3)，其被配置为将电流的电脉冲列递送到电极(2)，每个电脉冲具有脉冲持续时间；计算机可读存储器(4)，其包含作为时间的函数的工作电极与对电极之间的电位的至少一个预定义分析模型，该至少一个预定义分析模型至少接收电流和脉冲持续时间作为输入并且包含待估计的介质(M)的至少一个物理参数；采集单元(5)，其包含被配置为采集并放大由电极记录的电位的信号放大器；以及处理器(6)，其包含刺激模块(61)，该刺激模块被配置为控制电流发生器(3)以在刺激持续时间期间递送双相电荷平衡电流；采集模块(62)，其被配置为触发在包含在刺激持续时间中的时间窗口期间对作为时间的函数的电位变化的采集；以及计算模块(63)，其被配置为接收所采集的作为时间的函数的介质(M)的区域的电位变化，使用预定义分析模型来拟合所采集的电位变化，并输出从预定义分析模型进行的拟合中获得的物理参数的值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于估计介质的物理参数的系统及方法
本专利技术属于对介质的物理参数的测量的领域，尤其属于对生物介质的物理参数的测量的领域。特别地，本专利技术涉及一种用于使用局部脉冲电刺激来对生物介质电导率进行生物物理建模的方法。
技术介绍
出于诊断目的对生物组织电阻抗的估计已经在医学领域如肿瘤学中引起了兴趣。健康细胞保持高浓度的钾和低浓度的钠，而癌细胞的一个特征就是其较低的细胞膜电位。实际上，在受伤细胞或癌细胞中，钠和水流入细胞，降低了胞内介质中钾和其他离子的浓度，导致阻抗降低。若干研究表明，健康细胞相比肿瘤细胞具有较高的电导率，这是因为癌细胞由于结构上的异常而具有不同的电特性和代谢特性。除肿瘤学外，在肌肉疾病领域中也已经执行了电导率测量，以试图基于电导率来区分健康组织与患病组织。许多研究都报道了电导率在肿瘤学和肌肉疾病领域中的潜在临床价值。相比而言，只有很少的尝试对电导率用于表征神经障碍例如癫痫的脑组织的潜在临床/诊断价值进行评估。癫痫是一种慢性神经障碍，其影响了占总人口约1％的人口，并且其特征在于大脑回路中的兴奋过程与抑制过程之间的平衡发生了改变。其被定义为干扰了诸如语言或运动功能的反复、慢性的发作。约占癫痫患者的30％的药物难治性患者能够考虑对致癫痫区域进行切除手术。在这种背景下，术前计划频繁地涉及侵入性记录例如立体三维脑电图(SEEG)，其包括在大量大脑区域(通常为150-250个触点)中植入记录电生理信号的多个电极，目的是识别致癫痫区。最近的研究测量了生物电阻抗和电导率以作为致癫痫脑组织的可能指标。迄今为止，测量生物组织中的电导率的主要方法包括借助于与生物组织接触的至少两个电极来施加预定义频率的电流，并且测量所述生物组织中的电位。现有的对脑组织电导率的侵入性测量的一个主要限制是缺乏对在电极-脑组织界面处发生的生物物理过程以及对电场与脑组织本身之间的相互作用机制的考虑。当电极被颅内植入到脑组织中，并且在电极与脑组织之间的界面处存在脑脊液或神经胶质增生时，这种界面效应可能会特别重要。因此，必须考虑在界面处发生的物理过程，以提供对电导率的精确估计。在其他领域，诸如园艺产品、食品材料或水中，还需要对物理参数进行快速且可靠地估计，例如以使得能够检测加工条件或食品质量。在这种背景下，本申请描述了一种能够提供对介质的区域的物理参数并且尤其是电导率进行快速且可靠地估计的系统和方法。可以实施这种系统和方法以评估生物组织的物理参数，尤其是以识别由于生物组织中、尤其是确定为癫痫(病理性过度兴奋)的脑组织中的病理生理过程而引起的电导率的潜在变化。更一般地，可以应用这种系统和方法以评估介质的物理参数，该介质可以是例如生物组织、园艺产品、食物材料或水。
技术实现思路
本专利技术涉及一种用于估计介质的区域的至少一个物理参数的系统，该介质包含至少一种电解质，所述系统包含：-至少两个电极，其被配置为与介质的区域接触；-电流发生器，其被配置为将电流的电脉冲列递送到电极，每个电脉冲具有脉冲持续时间；-计算机可读存储器，其包含作为时间的函数的电位的至少一个预定义分析模型，该至少一个预定义分析模型至少接收电流和脉冲持续时间作为输入并且包含介质的至少一个物理参数；-采集单元，其包含被配置为采集并放大由电极记录的电位的信号放大器；以及-处理器，其包含：·刺激模块，其被配置为控制电流发生器，以在刺激持续时间期间递送至少一个电脉冲；·采集模块，其被配置为触发在时间窗口期间对作为时间的函数的电位变化的采集，所述时间窗口包含在刺激持续时间中；以及·计算模块，其被配置为接收所采集的作为时间的函数的电位变化，使用从计算机可读存储器中检索到的预定义分析模型来对所采集的作为时间的函数的电位变化进行拟合，并且输出从预定义分析模型进行的拟合中获得的物理参数的值。根据一个实施例，物理参数与介质的、电极拟位于其中的区域的电阻相关联。根据一个实施例，电极是双极圆柱形电极或板电极。根据一个实施例，介质是生物组织，尤其是脑组织。根据一个实施例，电极被配置用于插入所述生物组织的区域中。根据一个实施例，刺激模块控制电流发生器，以便递送具有使信号放大器不饱和的电流的电脉冲。根据一个实施例，每个电脉冲都是双相电荷平衡电脉冲。根据一个实施例，刺激模块控制电流发生器，以递送双相电荷平衡电流。使用双相电荷平衡电流将电荷注入介质的用处在于避免电荷积累，该电荷积累会修改或损坏介质。这个特征对于在生物体内使用用于分析生物组织的系统特别有用，因为使用单相刺激会在几分钟量级的时间段内非常迅速地引起对组织的损坏(即细胞死亡)。根据一个实施例，双相电荷平衡电脉冲具有方波波形。根据一个实施例，以高于8kHz的采样频率来测量所采集的电位变化。根据一个实施例，计算模块被配置为接收电极的几何形状规格，并且使用电极的几何形状规格和介质的区域的电阻来计算介质的区域的电导率。根据一个实施例，将系统配置为将物理参数的值与至少一个预定义阈值进行比较。根据一个实施例，一种用于估计包含至少一种电解质的介质的区域的至少一个物理参数的系统，该系统包含：-至少两个电极，其被配置为与介质的区域接触，所述至少两个电极为至少一个工作电极和至少一个对电极；-电流发生器，其被配置为将电流的电脉冲列递送到电极，每个电脉冲具有脉冲持续时间；-计算机可读存储器，其包含作为时间的函数的、工作电极与对电极之间的电位的至少一个预定义分析模型，该至少一个预定义分析模型至少接收电流和脉冲持续时间作为输入并且包含待估计的介质的至少一个物理参数；-采集单元，其包含被配置为采集并放大由电极记录的电位的信号放大器；以及-处理器，其包含：·刺激模块，其被配置为控制电流发生器，以在刺激持续时间期间递送包含电脉冲的双相电荷平衡电流；·采集模块，其被配置为触发在时间窗口期间对作为时间的函数的电位变化的采集，所述时间窗口包含在刺激持续时间中；以及·计算模块，其被配置接收所采集的作为时间的函数的、工作电极与对电极之间的、介质的区域的电位变化，使用从计算机可读存储器检索到的预定义分析模型来对所采集的作为时间的函数的电位变化进行拟合，并且输出从预定义分析模型进行的拟合中获得的物理参数的值。根据一个实施例，预定义分析模型是通过将由电极生成的电场的解析模型与在电极-介质界面处生成的双层模型进行耦合来获得的，所述耦合考虑了来自电极-电解质界面的贡献。这种方法的优点在于，基于所记录的脑组织对脉冲刺激响应来提供脑组织电导率的显式解析表达式。通过考虑来自电极-电解质界面的贡献，本专利技术的基于模型的方法提出了对脑组织电导率的快速且可靠的估计。该方法优于标准生物阻抗测量，因为它提供了脑组织电导率的绝对的(而不是相对的)变化。本专利技术还涉及一种用于局部估计介质的区域的至少一个物理参数的方法，该方法包含以下步骤：-在时间窗口中接收作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于估计介质(M)的区域的至少一个物理参数(P)的系统(1)，所述介质包含至少一种电解质，所述系统包含：/n-至少两个电极(2)，其被配置为与所述介质(M)的区域接触，所述至少两个电极为至少一个工作电极和至少一个对电极；/n-电流发生器(3)，其被配置为将电流(I)的电脉冲列递送到所述电极(2)，每个电脉冲具有脉冲持续时间(T)；/n-计算机可读存储器(4)，其包含作为时间的函数的、工作电极与对电极之间的电位的至少一个预定义分析模型(M(t))，所述至少一个预定义分析模型至少接收所述电流(I)和所述脉冲持续时间(T)作为输入并且包含待估计的介质(M)的至少一个物理参数(P)；/n-采集单元(5)，其包含被配置为采集并放大由所述电极记录的电位的信号放大器；以及/n-处理器(6)，其包含：/n·刺激模块(61)，其被配置为控制所述电流发生器(3)，以在刺激持续时间(Ts)期间递送包含电脉冲的双相电荷平衡电流；/n·采集模块(62)，其被配置为触发在包含在所述刺激持续时间(Ts)中的时间窗口(Tm)期间对作为时间的函数的电位变化(ΔV(t))的采集；以及/n·计算模块(63)，其被配置为接收所采集的作为时间的函数的、工作电极与对电极之间的、介质(M)的区域的电位变化(ΔV(t))，使用从所述计算机可读存储器检索到的预定义分析模型(M(t))来对所采集的作为时间的函数的电位变化(ΔV(t))进行拟合，并且输出从所述预定义分析模型(M(t))进行的拟合中获得的物理参数(P)的值。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180622 EP 18305801.51.一种用于估计介质(M)的区域的至少一个物理参数(P)的系统(1)，所述介质包含至少一种电解质，所述系统包含：
-至少两个电极(2)，其被配置为与所述介质(M)的区域接触，所述至少两个电极为至少一个工作电极和至少一个对电极；
-电流发生器(3)，其被配置为将电流(I)的电脉冲列递送到所述电极(2)，每个电脉冲具有脉冲持续时间(T)；
-计算机可读存储器(4)，其包含作为时间的函数的、工作电极与对电极之间的电位的至少一个预定义分析模型(M(t))，所述至少一个预定义分析模型至少接收所述电流(I)和所述脉冲持续时间(T)作为输入并且包含待估计的介质(M)的至少一个物理参数(P)；
-采集单元(5)，其包含被配置为采集并放大由所述电极记录的电位的信号放大器；以及
-处理器(6)，其包含：
·刺激模块(61)，其被配置为控制所述电流发生器(3)，以在刺激持续时间(Ts)期间递送包含电脉冲的双相电荷平衡电流；
·采集模块(62)，其被配置为触发在包含在所述刺激持续时间(Ts)中的时间窗口(Tm)期间对作为时间的函数的电位变化(ΔV(t))的采集；以及
·计算模块(63)，其被配置为接收所采集的作为时间的函数的、工作电极与对电极之间的、介质(M)的区域的电位变化(ΔV(t))，使用从所述计算机可读存储器检索到的预定义分析模型(M(t))来对所采集的作为时间的函数的电位变化(ΔV(t))进行拟合，并且输出从所述预定义分析模型(M(t))进行的拟合中获得的物理参数(P)的值。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少两个电极(2)是双极圆柱形电极或板电极。


3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述介质(M)是生物组织，并且所述电极(2)被配置用于插入所述生物组织的区域中。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述刺激模块(61)控制所述电流发生器(3)，以便递送具有使所述信号放大器不饱和的电流(I)的电脉冲。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述预定义分析模型(M(t))是通过将由所述电极(2)生成的电场的解析模型与在电极-介质界面处生成的双层模型进行耦合来获得的，所述耦合考虑了来自所述电极-电解质界面的贡献。


6.一种用于局部估计介质(M)的区域的至少一个物理参数的方法，所述介质包含至少一种电解质，所述方法包含以下步骤：
-在时间窗口(Tm)中接收(REC)作为时间的函数的电位变化(ΔV(t))的测量结果，在所述时间窗口期间，被配置为与所述介质(M)的区域接触的至少两个电极(2)将双相电荷平衡电脉冲递送至所述介质(M)的区域，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱利安·莫多洛，安德烈斯·卡尔瓦洛，法布里斯·文德林，帕斯卡尔·邦盖，
申请(专利权)人：雷恩第一大学，国立卫生研究所，
类型：发明
国别省市：法国;FR