人體胸腔電阻層析傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電阻抗層析技術數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計和制作領域，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，多個電極，多個空心滑桿和設置在外套外面的電磁屏蔽罩，其中，在外套上開設有多個滑槽，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。外套的主體由絕緣材料制成，滑槽壁是導電的，空心滑桿由均勻導體材料制成，連接電極的導線從空心滑桿中部穿出，從每個滑槽壁各引出一根導線。利用本發(fā)明的傳感器，可以在線快速、準確的進行電極位置確定，實現(xiàn)不同的被測人群及其不同的呼吸動態(tài)過程的高精度的測量。
【專利說明】人體胸腔電阻層析傳感器
[0001]【技術領域】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】電阻抗層析成像(EIT)技術，是以生物體內電阻抗的分布或變化為成像目標的一種新型的無損傷的生物醫(yī)學檢測與成像技術。利用EIT技術，可以顯示生物體內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(如呼吸、心臟搏動)時的阻抗變化圖像。EIT技術是非侵入檢測和功能成像技術，具有安全、可視化等特點，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值。與傳統(tǒng)的基于射線(X射線，pet)的醫(yī)學可視化檢測手段相比，它具有安全、簡便、無創(chuàng)、廉價的優(yōu)勢，可以對生物體進行長期、實時監(jiān)護。特別是一幅EIT成像的數(shù)據(jù)采集能達到每秒500幅左右，遠遠高于當前使用的醫(yī)學檢測方法大約3-10分鐘才能完成一幅圖像的速度。因此基于EIT開發(fā)出床旁監(jiān)護和實時的醫(yī)療檢測技術，對疾病的早期預防、診斷和治療具有十分重大的意義和應用前景，受到世界上各國研宄者的廣泛關注。
[0003]然而，當前在EIT做人體胸腔二維物場測量中，所有檢測和測量電極(通常為16或32個)必須固定在待檢查的人體胸腔表面的某個橫截面。這些電極一般都是逐個粘貼到人體胸腔表面皮膚的，然后通過幾何測量或者其它測距傳感器等手段測量出各個電極的位置，從而由電極位置確定這個被測物場(人體胸腔)邊界，使得EIT成像和可視化成為可能。對于人體胸腔而言，這種測量存在三個問題。首先，為了保證所有電極都均勻分布在同一截面上，需要多次測量和反復調整，很難保證所有電極均勻分布在同一截面上。其次，隨著人體呼吸過程中人體胸腔表面動態(tài)變化，胸腔電極確定的檢測物場的尺寸和形狀也隨之而變，因此，現(xiàn)有的測量方法根本無法適應測量點的動態(tài)變化，從而不可能進行實時動態(tài)的數(shù)據(jù)采集；而且電極的反復調整還容易導致電極和導線之間連接點的損壞，電極的磨損，電極與皮膚之間粘貼不牢固等問題。這些問題給電極的使用壽命和被測信號的準確性帶來了不利影響。最后，當前數(shù)據(jù)采集使用相鄰激勵和相鄰測量方式，導致獲得的獨立測量數(shù)遠少于成像過程的像素數(shù)(例如，16電極僅僅有104個獨立測量數(shù))；引起嚴重的欠定問題。上述問題已經(jīng)成為EIT應用于醫(yī)學可視化的主要障礙。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種內置隨動滑動桿的電阻層析傳感器，針對任意被測人群不同的胸腔輪廓，以及動態(tài)呼吸過程改變的胸腔形狀，測量時只需把電極黏貼在皮膚表面，而不需要做任何其它重復調整，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實時、準確的確定電極的空間位置，從而準確確定人體胸腔成像的物場，為EIT檢測提供必備和有效的條件。本發(fā)明的技術方案如下:
[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，多個電極，多個空心滑桿和設置在外套外面的電磁屏蔽罩，其中，在外套上開設有多個滑槽，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；外套的主體由絕緣材料制成，滑槽壁是導電的，空心滑桿由均勻導體材料制成，連接電極的導線從空心滑桿中部穿出，從每個滑槽壁各引出一根導線。
[0006]作為優(yōu)選實施方式，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，進而使得位于各個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:將與電極相連的導線和從與此電極相應的滑槽壁引出的導線接在電源的兩端，由于滑桿是均勻導體制成，根據(jù)所測得的電阻大小，求得滑桿伸入外套內部的長度，繼而得到此電極的位置。
[0007]本發(fā)明的特點是，在不改變傳統(tǒng)EIT成像數(shù)據(jù)測量原理的基礎上，對于不同的被測人群和人體胸腔動態(tài)呼吸過程，能夠自適應地確定出電極的位置(坐標)，解決當前EIT傳感器不能實時確定邊界的難題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1傳感器側視圖
[0009]圖2傳感器俯視圖
[0010]圖3傳感器結構示意圖
[0011]圖4用于滑桿的探入深度測量的電流回路
[0012]圖5物場對象測量回路。

【具體實施方式】
[0013]下面首先結合附圖1?3對本發(fā)明的結構與技術原理予以說明。本發(fā)明的傳感器由以下組件構成:圓形電極⑴；空心滑桿⑵；橢圓形外套⑶；滑槽⑷；電極連接線
(5);滑槽連接線(6);可以調節(jié)高度的支撐三角架(7);電磁屏蔽外罩⑶。具體說明如下:
[0014]①32個圓形電極組成一個電極陣列，每個電極之間按照等中心角原則分布，每個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線穿過空心滑桿與電源相連，而電極通過螺絲口圓環(huán)的滑桿與對應螺絲口接觸擰緊緊密連接，二者組成一個連接整體。32個滑桿及滑槽按照等中心角均勻分布，進而保證32個電極均勻分布在同一截面上?；塾蓪щ姴牧现瞥晒潭ㄔ跈E圓形外套上并垂直于其內外表面?；瑮U可以沿著滑槽做方向垂直于橢圓形外套的內外表面的運動?；瑮U與滑槽之間涂有既能導電又能潤滑的材料，以降低兩者之間的接觸電阻和滑動阻力。
[0015]②橢圓形外套既充當傳感器所有電極的支撐固定裝置，又充當被檢測物場(胸腔)的固定參考邊界(胸腔外表面)。任意選定坐標系，每個橢圓形外套上固定滑槽的中心位置(坐標)是已知的。電極的制作和傳統(tǒng)的固定電極制作沒有區(qū)別，都是選擇適合黏貼在人體表面的導體材料制作而成，電極形狀為圓形導電片；對于不同的人體胸腔輪廓和動態(tài)的呼吸過程，黏貼在胸腔皮膚表面的電極將帶動滑桿相對于橢圓形外套將有不同移動(探入)長度。通過計算這個移動(探入)長度并與對應滑槽的位置比較，就可以計算出每個電極的位置(坐標)。
[0016]③滑桿的探入深度按照一個電流回路測量。滑桿由導電性良好的均勻導體材料制成，其長度根據(jù)實際需要而定，橫截面周長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導電材料以保證足夠小的接觸電阻和的足夠小的光滑度；每個電極通過置于滑桿中空心的導線與電源的正極相連；而電源的負極通過導線與滑槽壁相連，滑槽壁再通過導電的滑桿與電極相連，形成一個如圖4所示的電流回路。
[0017]連接導線和滑槽的電阻比滑動桿本身電阻小的多；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度確定。對于每個滑桿，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度L決定；即在測出R值后，長度L的大小根據(jù)以下歐姆定律計算:
[0018]L = SRp-1
[0019]通過測量滑動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)。
[0020]④當電極位置測量完成后，所有電源負極與滑槽斷路；而每一個電源負極按照一定次序和排列與另一個電極的引出引線相連，形成如圖5所示的物場對象測量回路:
[0021]從而得到檢測物場中被檢測對象的測量數(shù)據(jù)。以上被測物場電極位置(坐標)測量和檢測物場被檢測對象的測量數(shù)據(jù)獲取交替進行，由于這個過程都可以在毫秒數(shù)量級完成，因此完全能夠適合胸腔邊界動態(tài)實時變化。
[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，外罩的縱向長度應該大于電極直徑的5倍，能夠可有效地屏蔽外界的電磁干擾，保證測量信號的穩(wěn)定性，進而提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信噪比。包括橢圓形外套和電極在內的測量設備固定在一個可調節(jié)高度的三角形支架上，高度可調節(jié)的三腳架與通常使用的三腳架沒有什么區(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短軸要比正常人胸部輪廓最大長度和厚度大出20%以適合所有人群，而材質選用易于加工并且重量輕的無機材料。
[0023]⑥全激勵全測量模式。對于N個電極按照間隔的電極數(shù)不同，所有電極對分別有N種激勵方式和N種測量方式，按照互易性原理，總共有包括現(xiàn)在相鄰激勵和相鄰測量在內的(N/2)X(N/2)種不同的測量方式。本傳感器利用所有這些不同的全激勵全測量模式對被檢測物場進行激勵和測量，從而使得被檢測對象對應的測量數(shù)據(jù)增加一個數(shù)量級以上，以最大程度克服EIT成像的欠定問題從而提高EIT成像的空間分辨率。
[0024]以下結合實施例對本發(fā)明的新型傳感器的具體實施和操作方式進行說明。
[0025]調節(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，通過手動移動滑桿位置與胸腔表面連接。閉合電源通過選通開關實現(xiàn)傳感器位置測量和被檢測對象測量數(shù)據(jù)兩個過程交替進行的自適應模式。
[0026]一、位置測量。對于包含N個電極的傳感器采用串行方式實施，首先通過電源對I號電極施加電流激勵，可以獲得測量回路的電流強度，從而計算出電阻R的大小，進而由歐姆定律計算出探入滑桿的長度；通過與滑動桿全部探入和全部在外側時兩個極端情況先驗的電阻值比較，就可以得出滑桿的輸入長度，再與滑槽的已知位置坐標相比較，就可以計算出I號電極的位置坐標；重復這個過程分別施加激勵到2號，3號，…，N號電極，則最終得到所有N個電極的位置坐標。
[0027]二、對象測量。對于包含N個電極的傳感器采用全激勵和全測量模式。以下把相鄰激勵、間隔I個電極激勵、間隔2個電極激勵，….，間隔(N/2-1)個電極激勵依次記為:激勵1，激勵2，激勵3，…，激勵(N/2-1);相應地，把相鄰測量、間隔I個電極測量、間隔2個電極測量，….，間隔(N/2-1)個電極測量依次記為:測量1，測量2，測量3，…，測量(N/2-1);因此，(N/2) X (N/2)個全激勵和全測量模式工作如下:
[0028](I)激勵I和測量I模式。1-2號電極組成電極對進行電流激勵，然后在3-4號，5-6號，…，(N-1)-N號電極對測量被檢測對象引起的電位變化；重復這個過程，依次用3-4號，5-6號，…，(N-1)-N號電極作為激勵電極對，其它電極作為測量電極對，測量被檢測對象引起的電位變化。
[0029](2)激勵I和測量2模式。1-2號電極組成電極對進行電流激勵，然后在3_5號，4-6號，…，((N-2)-N)號電極對測量被檢測對象引起的電位變化；重復這個過程，依次用
3-4號，5-6號，…，((N-1)-N)號電極作為激勵電極對，其它間隔一個的兩個電極作為測量電極對，測量被檢測對象引起的電位變化。
[0030](3)激勵I和測量3模式。1-2號電極組成電極對實施電流激勵，然后在3-6號，
4-7號，…，((N-3)-N)號電極對測量被檢測對象引起的電位變化；重復這個過程，依次用3-4號，5-6號，…，(N-1)-N號電極作為激勵電極對，其它間隔兩個的電極作為測量電極對，測量被檢測對象引起的電位變化。
[0031].........................................................
[0032](4)激勵(N/2-1)和測量(N/2-1)模式。1-(N/2-1)，2_ (N/2)號，3_(Ν/2+1)，...，(N/2-1)-(N)電極組成電極對實施電流激勵，然后在3-(2+N/2)號，4-(3+N/2)6號，…，((N+N/2))號電極對測量被檢測對象引起的電位變化；重復這個過程，依次用2-(N/2)號，3-(N/2+l)，...，(N/2-1)-(N)號電極作為激勵電極對，其它間隔一個的兩個電極作為測量電極對，測量被檢測對象引起的電位變化。以上過程完成后，總共獲得2345個獨立測量數(shù)。
[0033]三、模式切換與控制。通過一個選通電路，分別實現(xiàn)位置測量與對象測量之間的切換，以及不同測量模式之間的切換。當選通電路使得電源連接到同一個電極形成電流回路時，實現(xiàn)傳感器的位置測量；當電源負極與滑槽斷路，而與其它任意一個其他電極相連時，就可以實現(xiàn)全激勵全測量模式。通過時鐘開關，當所有(N/2) X (N/2)個全激勵和全測量完成后，把數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)存儲和分析系統(tǒng)，完成一幅EIT成像的數(shù)據(jù)測量。
【權利要求】
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，多個電極，多個空心滑桿和設置在外套外面的電磁屏蔽罩，其中，在外套上開設有多個滑槽，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。外套的主體由絕緣材料制成，滑槽壁是導電的，空心滑桿由均勻導體材料制成，連接電極的導線從空心滑桿中部穿出，從每個滑槽壁各引出一根導線。
2.根據(jù)權利要求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，進而使得位于各個滑桿端部的電極盡量均勻分布在同一截面上。
3.根據(jù)權利要求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:將與電極相連的導線和從與此電極相應的滑槽壁引出的導線接在電源的兩端，由于滑桿是均勻導體制成，根據(jù)所測得的電阻大小，求得滑桿伸入外套內部的長度，繼而得到此電極的位置。
【文檔編號】A61B5/053GK104434096SQ201410625202
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月8日 優(yōu)先權日:2014年11月8日
【發(fā)明者】岳士弘, 王建培 申請人:天津大學