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
技术领域
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
发明内容
[0005] 本发明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。
[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0007] 本发明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：
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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。
[0013] 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；
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 本发明还公开了基于上述测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0022] 1)布置电极
[0023] 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；
[0024] 2)边界电压数据采集
[0025] 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；
[0026] 3)接触阻抗数据与激励电流数据采集
[0027] 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；
[0028] 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；
[0029] 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。
[0030] 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；
[0031] 优选地，步骤3)中，当成像电极i选通时的实际激励电流为：
[0032] Ii＝U取样/R取样；
[0033] 则采用二电极法所测量的阻抗值为：
[0034] Zi＝Ui/Ii＝Ui/(U取样/R取样)＝Ui*R取样/U取样；
[0035] 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：
[0036] Zi＝Zci+Zti+Zcf；
[0037] 定义ΔZm,n如下：
[0038]
[0039] 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波动误差，记作ΔZcfm,n。
[0040] 优选地，本发明中选取的两种参考电极，其中一种可刺入头皮之下，一种具有较大的有效接触面积，可以确保Zcf＜＜Zci且ΔZcfm,n≈0，同时参考电极与各个成像电极之间的距离近似相同，能够保证各个Zti之间的差异性小，即满足：ΔZtm,n＜＜ΔZcm,n；
[0041] 则有：ΔZcm,n＝Zcm-Zcn≈Zm-Zn；
[0042] 定义ΔZi(t1,t2)为：
[0043]
[0044] 其中，i＝1,2,...,N；t1,t2为两个时刻；Zci(t1)-Zci(t2)为t1,t2两个时刻间第i个成像电极接触阻抗的变化值，记作ΔZci(t1,t2)；Zti(t1)-Zti(t2)为t1,t2两个时刻间第i个成像电极接触阻抗的变化值，记作ΔZti(t1,t2)；ΔZcfi(t1,t2)为t1,t2两个时刻间参考电极接触阻抗的变化值；
[0045] 传输阻抗受电极位置和颅内阻抗变化的影响，相比于接触阻抗，其时间稳定性较高，即ΔZti(t1,t2)≈0；参考电极接触阻抗通过人工干预达到时间稳定性，即ΔZcfi(t1,t2)≈0。
[0046] 由此，我们可以通过该方法测量得到两个维度的接触阻抗信息，即多路成像电极的接触阻抗的空间一致性指标ΔZcm,n和每一路成像电极的接触阻抗的时间稳定性指标ΔZci(t1,t2)。
[0047] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0048] 本发明公开的用于实时测量多路电极/头皮接触阻抗的装置，设置了一个接触阻抗测量模块，该模块由电极单元、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，电极单元包括一组成像电极和一个参考电极。本发明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。本发明中的接触阻抗信号测量单元、激励电流信号测量单元和边界电压信号测量单元三者互相独立，以满足不同幅度、不同类型信号的高精度测量。
[0049] 本发明公开的用于颅脑电阻抗成像中多路电极/头皮接触阻抗的实时测量方法，采用“二电极法”测量原理，分别利用激励电流信号测量单元和接触阻抗信号测量单元测量每一个成像电极与参考电极之间的实际注入电流信号及响应电压信号，并计算得到每一个成像电极与参考电极之间的阻抗值；由此分析多路接触阻抗的空间一致性及时间稳定性信息。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，获取以上两个维度信息的准确度更高，为研究接触阻抗对颅脑电阻抗成像的影响及其抑制方法奠定基础。
附图说明
[0050] 图1为颅脑电阻抗成像数据测量模式示意图；
[0051] 图2为接触阻抗数据采集方法示意图；
[0052] 图3为成像电极与参考电极贴放方式示意图；
[0053] 图4为颅脑电阻抗成像
硬件系统结构
框图；
[0054] 图5为电极通道控制单元的结构示意图；
[0055] 图6为16路电极/头皮接触阻抗空间一致性分析结果(16路接触阻抗较为均匀)；其中，(a)为16路接触阻抗测量值(Ω)；(b)为16路接触阻抗相对差异(％)；
[0056] 图7为16路电极/头皮接触阻抗空间一致性分析结果(6号成像电极的接触阻抗存在异常)；其中，(a)为16路接触阻抗测量值(Ω)；(b)为16路接触阻抗相对差异(％)；
[0057] 图8为16路电极/头皮接触阻抗时间稳定性分析结果(8号成像电极的接触阻抗波动性较大)；其中，(a)为16路接触阻抗在t1时刻和t2时刻的测量值(Ω)；(b)为16路接触阻抗在t1时刻和t2时刻之间的相对变化(％)。
具体实施方式
[0058] 下面结合具体的
实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0059] 本实施例的目的在于实现实时测量16路成像电极的接触阻抗。针对16电极颅脑电阻抗成像系统，采用“对侧激励，邻近测量”的数据采集模式。该系统共16个激励电极对，每一个激励电极对分别对应16个
测量电极对，故一次完整数据采集包括256次测量，即一帧数据包括256个测量值。参见图1，图1所示为：通过1-9激励电极对向颅脑注入激励电流，测量3-4测量电极对上的响应电压信号。由于成像电极与头皮之间存在接触阻抗，即图中Zc1、Zc3、Zc4和Zc9。因此，
激励信号回路和测量信号回路同时受接触阻抗影响。
[0060] 1、测量原理介绍
[0061] 本发明提供的用于颅脑电阻抗成像系统中多路电极/头皮接触阻抗的实时测量方法，原理是：采用二电极法实时测量每一个成像电极与参考电极之间的阻抗值，并依此分析得到多路成像电极的接触阻抗信息，如图2所示。
[0062] 本实施例的16个成像电极，贴放于头皮表面，均匀分布于颅脑的某一特定断面；参考电极采用自粘性表面电极，贴放于颅脑顶部，与16个成像电极的距离近似相同，如图3所示。
[0063] 本发明提供的多路电极/头皮接触阻抗的实时测量模块，其所构成的颅脑电阻抗成像硬件系统的结构框图如图4所示。该系统由上位机、数据接口、主控单元、激励电流信号生成单元、边界电压信号测量单元、接触阻抗信号测量单元、激励电流信号测量单元、电极通道控制单元及电极单元组成。其中，虚线框内所包含各单元构成16路电极/头皮接触阻抗测量模块。
[0064] 颅脑电阻抗成像系统的工作原理是：上位机通过数据接口发送控制指令给主控单元。主控单元接收到数据采集指令后，首先通过控制激励电流信号生成单元产生所设定
频率、幅度的交流正弦电流信号；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、接触阻抗信号测量单元和激励电流信号测量单元完成数据采集。主控单元通过数据接口将所采集数据上传给上位机。其中，边界电压信号测量单元用来测量边界电压信号；接触阻抗信号测量单元和激励电流信号测量单元分别用来测量“二电极法”对应的电压信号和电流信号，然后通过计算得到接触阻抗值。
[0065] 本实施例中，接触阻抗测量时的激励电流信号与边界电压信号测量时的激励电流信号由同一个激励电流信号生成单元产生。其工作原理是：首先采用数字频率合成技术，由DAC器件产生所需频率、幅度的正弦交流电压信号，经滤波、放大处理后，由压控电流源转换成正弦交流电流信号。该电流信号的电幅值范围为10～2500uA，
频率范围为1k～200kHz。本实施例采用电流幅度为1250uA，频率为50kHz。
[0066] 本实施例中，电极通道控制单元控制激励通道和测量通道的具体方案如图5所示。采用四个16选1模拟开关器件控制16个成像电极，MUX1和MUX2分别控制正向和负向激励通道，MUX3和MUX4分别控制正向和负向测量通道。采用两个单刀单掷开关器件(SPST1和SPST2)控制参考电极。边界电压数据采集模式下，SPST1和SPST2断开，MUX1～MUX4的使能管脚置高电平，通过控制MUX1～MUX4的选通，设置激励通道和测量通道；接触阻抗测量模式下，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。
[0067] 2、实测接触阻抗数据分析
[0068] 本实施例中，采用二电极法所测量的阻抗值为：
[0069] Zi＝Zci+Zti+Zcf
[0070] 其中，i＝1,2,...,16，Zci为成像电极i的接触阻抗，Zti为成像电极i与参考电极之间的传输阻抗，Zcf为参考电极的接触阻抗。
[0071] (1)16路电极/头皮接触阻抗的定性分析
[0072] 本实施例中采用的参考电极为单极针电极，可刺入头皮之下，故参考电极的接触阻抗远小于成像电极的接触阻抗；
[0073] 此外，有研究报道，颅脑组织的传输阻抗远小于成像电极的接触阻抗；即：
[0074] Zcf＜＜Zci,Zti＜＜Zci
[0075] 因此，可以利用Zi≈Zci定性评估16路成像电极的接触阻抗。
[0076] 参见图6(a)和图7(a)，采用雷达图表法展现16路接触阻抗的测量值。图6(a)中16个接触阻抗值相近，表示16个电极的接触情况接近。而图7(a)中，可以观察到第6个测量值明显大于其他值，表示6号成像电极的接触阻抗异常大，可以初步推断：6号成像电极接触状况不佳。
[0077] (2)16路电极/头皮接触阻抗的空间一致性分析
[0078] 空间一致性是指某一时刻，16路接触阻抗之间的差异性。
[0079] 首先，对比16个测量值，找出最小值，对应电极编号为a，定义ΔZi,a如下：
[0080] ΔZi,a＝Zi-Za
[0081] ＝(Zci+Zti+Zcfi)-(Zca+Zta+Zcfa)
[0082] ＝(Zci-Zca)+(Zti-Zta)+(Zcfi-Zcfa)
[0083] 其中，i＝1,2,...,16。Zci-Zca为成像电极i和成像电极a的接触阻抗之差，记做ΔZci,a；Zti-Zta为成像电极i和成像电极a分别与参考电极之间的传输阻抗之差，记做ΔZti,a；Zcfi-Zcfa为两次测量时参考电极接触阻抗的波动误差，记做ΔZcfi,a。
[0084] 由于ΔZcfi,a≈0且ΔZti,a＜＜ΔZci,a，那么，
[0085] ΔZci,a＝Zci-Zca≈Zi-Za
[0086] 则16路接触阻抗的空间一致性系数可以表示为：
[0087]
[0088] 参见图6(b)和图7(b)，分别与图6(a)和图7(a)对应，展现了16路接触阻抗的空间一致性，即相对差异。图6(b)中16个数值相近，表示16个电极的接触情况接近；而图7(a)中，可以观察到第6个数值明显大于其他数值，表示6号成像电极的接触阻抗异常大，也可以初步推断：6号成像电极接触状况不佳。
[0089] (3)16路电极/头皮接触阻抗的时间稳定性分析
[0090] 时间稳定性是指某两个时刻，16路接触阻抗随着时间的相对变化率。首先将两个时刻下，16路接触阻抗测量值展示在同一雷达图表内，如图8(a)所示。可以观察到第8个数值在两个时刻间的变化量最大，可以推断：8号成像电极的时间稳定性明显差于其他成像电极。
[0091] 为了量化分析16路接触阻抗随着时间的相对变化，定义ΔZi(t1,t2)为：
[0092] ΔZi(t1,t2)＝Zi(t1)-Zi(t2)
[0093] ＝[Zci(t1)-Zci(t2)]+[Zti(t1)-Zti(t2)]+ΔZcfi(t1,t2)
[0094] 其中，i＝1,2,...,16。Zci(t1)-Zci(t2)为t1,t2两个时刻间成像电极i的接触阻抗的变化量，记做ΔZci(t1,t2)；Zti(t1)-Zti(t2)为t1,t2两个时刻间成像电极i的接触阻抗的变化量，记做ΔZti(t1,t2)；ΔZcfi(t1,t2)为t1,t2两个时刻间参考电极接触阻抗的变化量。
[0095] 由于ΔZti(t1,t2)≈0且ΔZcfi(t1,t2)≈0，那么，
[0096] ΔZci(t1,t2)＝Zci(t1)-Zci(t2)≈Zi(t1)-Zi(t2)。
[0097] 则16路接触阻抗的时间稳定性系数可以表示为：
[0098]
[0099] 参见图8(b)，与图8(b)对应，展现了16路接触阻抗的时间稳定性，即t1,t2两个时刻间的相对变化。可以观察到第8个数值最大，可以推断：8号成像电极的时间稳定性明显差于其他成像电极。
[0100] 由此，我们可以通过分析数据得到两个维度的接触阻抗信息，即16接触阻抗的空间一致性指标α和每一路成像电极的接触阻抗的时间稳定性指标β。
[0101] 以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换或是单纯的对判定
阈值的设定与调整，均属于本发明的保护范围。
