CN106618569A - 一种电极‑皮肤间接触阻抗的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电极‑皮肤间接触阻抗的测量装置及方法，包括处理器，以及均与处理器相交互的电流源、电压测量电路、显示器和报警器；电流源和电压测量电路均通过多路开关与紧贴在使用者皮肤表面的由若干电极构成的电极系统相连；本发明通过对不同电极注入激励电流和选择测量电极，可以实时得到各个电极与皮肤之间的接触状况。同时本发明通过边界电压值和激励值计算得到接触阻抗大小，并根据均值法和阈值法判断电极的接触状况。本方法经过仿真实验和定标板试验证明了其方法在测量速度和测量精度上优于现有测量技术，满足电阻抗检测过程中实时显示各个电极接触状况的要求，进一步提高了基于电阻抗测量系统的数据质量。

Description

一种电极-皮肤间接触阻抗的测量装置及方法

【技术领域】

本发明属于医学监护测试装置领域，涉及一种接触阻抗的测量装置，尤其是一种电极-皮肤间接触阻抗的测量装置及方法。

【背景技术】

生物电极被广泛用在医学监护的各个领域，如心电监护，脑电信号的提取和电阻抗断层成像(EIT)系统等。电极信号是经过人体组织传递到体表，经过电极感应，后端信号放大、电压测量电路和处理器处理得到。在电极信号整个传输路径中，人体组织是一个良导体，其阻抗根据频率不同从几百欧到几十欧变化，而电极-皮肤间接触阻抗则在几万欧姆到几百欧姆间变化，因此电极-皮肤间的接触阻抗直接影响到电极信号的质量。如果能够准确测量，将为心电，脑电和电阻抗测量电路的设计以及生物电极的改进提供重要依据。同时，公认为接触阻抗的大小反映了电极-皮肤间的接触质量。因此，数据采集过程中实时测量接触阻抗的大小有利于我们实时掌握电极的接触状况。

目前在心电，脑电，EIT成像方面，对于电极-皮肤间接触阻抗的测量应用较多是两电极法和四电极推导法。

两电极法将两电极即作为激励电极，又作为测量电极。激励电流计做I，测得电压差为V。那么基于边界电压差等于接触阻抗的值与电流I的乘积，计算接触阻抗值Z。两电极法将测得接触阻抗Z作为两个电极上的接触阻抗之和。此方法测得的接触阻抗中包含了电极与电极之间组织的传输阻抗成分，且不能区分两个电极上的接触阻抗值，因而不利于电极实际接触效果的判定。

而四电极推导法是：第一步，利用四电极法，也就是将激励电极和测量电极分开，测得电极与电极之间的传输阻抗成分Z1；第二步，改变其中一个激励电极至某一测量电极位置，使该被测电极即作为测量电极又作为激励电极，在此条件下测得阻抗值Z2，从而可以估算得到该电极上的接触阻抗值Z＝Z2-Z1。此方法虽在一定程度上克服了两电极法的不足，提高了电极-皮肤间接触阻抗的测量精度，但因需要两次切换电极，却牺牲了测量速度，降低了机器的监测效率。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种电极-皮肤间接触阻抗的测量装置及方法，装置由电极系统，电流源和电压表组成。电流源连接至被测电极和其对象电极，电流源连接至被测电极和其相邻电极。处理器连接至电压源和电流源，计算得到接触阻抗的大小，并在显示器上显示电极和皮肤的接触状况。通过电流源分别向不同激励电极对注入激励电流，检测测量电极间的边界电压差，由处理器计算解调后的数据得到接触阻抗值，从而得到电极与皮肤的接触质量。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种电极-皮肤间接触阻抗的测量装置，包括处理器，以及均与处理器相交互的电流源、电压测量电路、显示器和报警器；电流源和电压测量电路均通过多路开关与紧贴在使用者皮肤表面的由若干电极构成的电极系统相连；其中，

电极系统包括激励电极和测量电极；

处理器用于控制激励电极和测量电极的选取，并根据激励电流和测量到的响应电压计算相应电极的接触阻抗；

电流源用于输出特定频率的正弦电流信号，在处理器的控制下通过多路开关向激励电极注入激励电流；

电压测量电路用于将采集测量电极的边界电压差信号，并对采集到的信号进行增益放大处理及模数转换，然后提供给处理器；

多路开关与电极系统相连接，将激励电流准确注入到选择的激励电极；同时多路开关与电压测量电路相连接，将检测到的边界电压差选择性的提供给电压测量电路；

显示器用于实时显示电机系统上各个电极的接触阻抗大小与连接状况；

警报器用于在处理器检测到电极与使用者皮肤接触不良时，警报器发声，提示医务人员检查电极。

本发明进一步的改进在于：

所述电压测量电路包括多个放大器和一个16位的模数转换器，模数转换器的输出端与处理器的输入端相连。

一种电极-皮肤间接触阻抗的测量方法，包括以下步骤：

1)处理器选择激励电极和测量电极，被测电极作为激励电极的正极，另取一个参考电极作为激励电极的地端；

2)处理器控制多路开关将电流源电流I送至激励电极对，电压测量电路通过多路开关将测得两相邻电极间的边界电压差U1，基于边界电压差等于接触阻抗的值与电流I的乘积，处理器计算得到被测电极与皮肤间接触阻抗值Z1；

3)处理器通过多路开关改变激励电极，并将电流源电流I送至改变后的激励电极对，电压测量电路通过多路开关选择对应的测量电极，得到两相邻电极间的电压差U2，基于边界电压差等于接触阻抗的值与电流I的乘积，处理器计算得到传输阻抗分量Z’；在接触阻抗Z1中减去传输阻抗Z’成分，得到传输阻抗Z2的值；

4)处理器通过接触阻抗Z1和传输阻抗Z2，计算得到被测电极的接触阻抗Z的值，其中：Z＝Z1-Z2；

5)处理器根据被测电极的接触阻抗Z的值，判断被测电极的接触状况，若判断结果为被测电极与使用者皮肤接触状况不良，则处理器向报警器发出报警指令，同时在显示器上显示相应电极的连接状况。

本发明进一步的改进在于：

所述步骤5)中，判断被测电极接触状况的方法如下：

对各个电极上测到的电极-皮肤接触阻抗值求均值，并与被测的电极-皮肤接触阻抗值Z作比较；若被测电极的接触阻抗值Z大于均值的2倍，则判定该电极与皮肤接触状况不良。

所述步骤5)中，判断被测电极接触状况的方法如下：

在每个频率点设置阻抗上限阈值Zr，将得到的每个电极上的接触阻抗值Z与阻抗上限阈值Zr值进行比较；若接触阻抗值Z小于等于阻抗上限阈值Zr，则电极接触状况良好；若接触阻抗值Z大于阻抗上限阈值Zr，则电极接触状况不良。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种电极-皮肤间接触阻抗的测量装置通过对不同电极注入激励电流和选择测量电极，经过处理器的计算，可以实时得到各个电极与皮肤之间的接触状况，并及时反馈给医务人员。同时本发明提供的电极-皮肤间接触阻抗的测量方法，通过边界电压值和激励值计算得到接触阻抗大小，并根据均值法和阈值法判断电极的接触状况。本方法经过仿真实验和定标板试验证明了其方法在测量速度和测量精度上优于现有测量技术，满足电阻抗检测过程中实时显示各个电极接触状况的要求，进一步提高了基于电阻抗测量系统的数据质量。

【附图说明】

图1为电极－皮肤间接触阻抗测量系统的装置结构图。

图2为电极－皮肤间接触阻抗测量系统的流程图。

图3为接触阻抗的快速测量方法的示意图。

图4为定标板的电路原理图。

图5为接触阻抗的准确测量方法的示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明电极-皮肤间接触阻抗的测量装置，包括处理器，以及均与处理器相交互的电流源、电压测量电路、显示器和报警器；电流源和电压测量电路均通过多路开关与紧贴在使用者皮肤表面的由若干电极构成的电极系统相连；其中，

电极系统包括激励电极和测量电极；

处理器用于控制激励电极和测量电极的选取，并根据激励电流和测量到的响应电压计算相应电极的接触阻抗；

电流源用于输出特定频率的正弦电流信号，在处理器的控制下通过多路开关向激励电极注入激励电流；

电压测量电路用于将采集测量电极的边界电压差信号，并对采集到的信号进行增益放大处理及模数转换，然后提供给处理器；电压测量电路包括多个放大器和一个16位的模数转换器，模数转换器的输出端与处理器的输入端相连。

多路开关与电极系统相连接，将激励电流准确注入到选择的激励电极；同时多路开关与电压测量电路相连接，将检测到的边界电压差选择性的提供给电压测量电路；

显示器用于实时显示电机系统上各个电极的接触阻抗大小与连接状况；

警报器用于在处理器检测到电极与使用者皮肤接触不良时，警报器发声，提示医务人员检查电极。

如图2所示，本发明还公开了一种电极-皮肤间接触阻抗的测量方法，包括以下步骤：

1)处理器选择激励电极和测量电极，被测电极作为激励电极的正极，另取一个参考电极作为激励电极的地端；

2)处理器控制多路开关将电流源输出电流送至激励电极的正地端，电压测量电路通过多路开关将测得的边界电压值送至处理器；处理器通过激励电流和边界电压值计算被测电极上接触阻抗Z1的值；

3)处理器通过多路开关改变激励电极，电压测量电路通过多路开关将边界电压值送至处理器；处理器通过激励电流和边界电压值计算传输阻抗Z2的值；

4)处理器通过接触阻抗Z1和传输阻抗Z2计算得到被测电极的接触阻抗Z的值；

5)处理器根据被测电极的接触阻抗Z的值，判断被测电极的接触状况，若判断结果为被测电极与使用者皮肤接触状况不良，则处理器向报警器发出报警指令，同时在显示器上显示相应电极的连接状况。

其中，判断被测电极接触状况的方法可以采用以下两种方式：

一、对各个电极上测到的电极-皮肤接触阻抗值求均值，并与被测的电极-皮肤接触阻抗值Z作比较；若被测电极的接触阻抗值Z大于均值的2倍，则判定该电极与皮肤接触状况不良。

二、在每个频率点设置阻抗上限阈值Zr，将得到的每个电极上的接触阻抗值Z与阻抗上限阈值Zr值进行比较；若接触阻抗值Z小于等于阻抗上限阈值Zr，则电极接触状况良好；若接触阻抗值Z大于阻抗上限阈值Zr，则电极接触状况不良。

本发明的原理：

系统结构与组成

本发明用于测量和判断电极-皮肤间的接触质量，使电阻抗测量过程中医务人员可以实时了解电极-皮肤间的接触状况。图1所示，本发明的测量系统的装置结构图，包括处理器，显示器，电流源，电压测量电路，多路开关和电极系统等。处理器连接电流源，电压测量电路，显示器和警报器，电流源在控制器的控制下通过多路开关对激励电极注入电流信号。电流信号通过人体组织后通过多路开关被电压测量电路检测，电压测量电路将检测到的边界电压差转换为数字信号提供给处理器。处理器通过激励电流值和得到的边界电压值计算得到被测电极上的接触阻抗值。处理器通过均值法和阈值法比较各个电极上的接触阻抗值的大小判定各个电极与皮肤的接触状况。处理器将计算的结果通过显示器显示，且当检测到特定电极接触不良时，会通过警报器发声，提示医务人员。

接触阻抗测量方法与效果

如图2所示为接触阻抗的测量示意图，下面以16电极系统为例，详细介绍接触阻抗测量流程：

首先，处理器选择接触阻抗的测量方法。

当进行接触阻抗的快速测量时(如图3)所示处理器通过多路开关将电流源电流I送至激励电极对，电压测量电路通过多路开关选择测量电极，得到两相邻电极间的边界电压差U1，基于边界电压差等于接触阻抗的值与电流I的乘积，计算被测电极与皮肤间接触阻抗值Z1。

利用定标板(如图4)模拟头部阻抗，并外接1K电阻模拟接触阻抗，并改变激励电极的位置，测量结果如下表所示：

结果表明，发现被测电极的相邻电极作为激励电极时，其电极-皮肤间接触阻抗的测量误差最小。因此，具体实施中我们选择被测电极的邻近电极作为激励电极测量接触阻抗。

当进行接触阻抗的快速测量，在接触阻抗的快速测量基础上进一步测量测得接触阻抗中传输阻抗成分。如图5所示，多路开关将电流源电流I送至激励电极对，电压测量电路通过多路开关选择测量电极，得到两相邻电极间的电压差U2，基于边界电压差等于接触阻抗的值与电流I的乘积，计算传输阻抗分量Z’。

最后，在接触阻抗Z1中减去传输阻抗Z’成分，准确测量传输阻抗Z2的值。

利用定标板模型仿真，外接1K电阻模拟接触阻抗，并改变激励电极的位置，测量结果如下表所示：

结果表明，接触阻抗的准确测量方法的准确性优于快速测量方法，并且同样被测电极的相邻电极作为激励电极时，测得接触阻抗的误差最小。因此，在接触阻抗的准确测量方法中激励方式应当选取邻近激励。

方法准确性比较试验：分别选择两电极法，快速测量方法和准确测量方法测同一电极上的接触阻抗大小，对比三种方法的准确度，激励电极都选择被测电极的相邻电极。测量结果如下表所示：

结果表明，本文提出的接触阻抗的准确测量方法的测量精度明显优于两电极法，并在不牺牲测量速度的前提下具有不低于四电极推导法的测量精度。而本文提出的接触阻抗的准确测量方法虽然对测量速度有所影响(测量速度与四电极推导法相等)，但具有最小的测量误差，其测量准确性明显优于两电极法和四电极推导法。

电极接触不良判别方法判定电极-皮肤接触状况：对于得到的各电极-皮肤接触阻抗值(Z1,Z2,Z3,……,Z16)，利用均值法和阈值法判定电极是否接触良好。计算16个电极上的接触阻抗的均值Zm，将特定电极上接触阻抗值与均值的2倍作比较。若特定电极与皮肤间接触阻抗值大于等于全部电极-皮肤间接触阻抗均值的2倍时，则认为特定电极接触状况不良，会在显示器上提示监护人员注意检查电极；

为了弥补均值法在多数电极接触不良的情况下的判定缺陷，故在每个频率点设置阻抗上限阈值Zr，若特定电极与皮肤间接触阻抗值大于上限阈值时，则认为特定电极接触状况不良，并在显示器显示。

各频率下阈值统计表

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电极-皮肤间接触阻抗的测量装置，其特征在于，包括处理器，以及均与处理器相交互的电流源、电压测量电路、显示器和报警器；电流源和电压测量电路均通过多路开关与紧贴在使用者皮肤表面的由若干电极构成的电极系统相连；其中，

电极系统包括激励电极和测量电极；

处理器用于控制激励电极和测量电极的选取，并根据激励电流和测量到的响应电压计算相应电极的接触阻抗；

电流源用于输出特定频率的正弦电流信号，在处理器的控制下通过多路开关向激励电极注入激励电流；

电压测量电路用于将采集测量电极的边界电压差信号，并对采集到的信号进行增益放大处理及模数转换，然后提供给处理器；

多路开关与电极系统相连接，将激励电流准确注入到选择的激励电极；同时多路开关与电压测量电路相连接，将检测到的边界电压差选择性的提供给电压测量电路；

显示器用于实时显示电机系统上各个电极的接触阻抗大小与连接状况；

警报器用于在处理器检测到电极与使用者皮肤接触不良时，警报器发声，提示医务人员检查电极。

2.根据权利要求1所述的电极-皮肤间接触阻抗的测量装置，其特征在于，所述电压测量电路包括多个放大器和一个16位的模数转换器，模数转换器的输出端与处理器的输入端相连。

3.一种采用权利要求1或2所述测量装置的电极-皮肤间接触阻抗的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)处理器选择激励电极和测量电极，被测电极作为激励电极的正极，另取一个参考电极作为激励电极的地端；

2)处理器控制多路开关将电流源电流I送至激励电极对，电压测量电路通过多路开关将测得两相邻电极间的边界电压差U1，基于边界电压差等于接触阻抗的值与电流I的乘积，处理器计算得到被测电极与皮肤间接触阻抗值Z1；

3)处理器通过多路开关改变激励电极，并将电流源电流I送至改变后的激励电极对，电压测量电路通过多路开关选择对应的测量电极，得到两相邻电极间的电压差U2，基于边界电压差等于接触阻抗的值与电流I的乘积，处理器计算得到传输阻抗分量Z’；在接触阻抗Z1中减去传输阻抗Z’成分，得到传输阻抗Z2的值；

4)处理器通过接触阻抗Z1和传输阻抗Z2，计算得到被测电极的接触阻抗Z的值，其中：Z＝Z1-Z2；

5)处理器根据被测电极的接触阻抗Z的值，判断被测电极的接触状况，若判断结果为被测电极与使用者皮肤接触状况不良，则处理器向报警器发出报警指令，同时在显示器上显示相应电极的连接状况。

4.根据权利要求3所述的电极-皮肤间接触阻抗的测量方法，其特征在于，所述步骤5)中，判断被测电极接触状况的方法如下：

对各个电极上测到的电极-皮肤接触阻抗值求均值，并与被测的电极-皮肤接触阻抗值Z作比较；若被测电极的接触阻抗值Z大于均值的2倍，则判定该电极与皮肤接触状况不良。

5.根据权利要求3所述的电极-皮肤间接触阻抗的测量方法，其特征在于，所述步骤5)中，判断被测电极接触状况的方法如下：

在每个频率点设置阻抗上限阈值Zr，将得到的每个电极上的接触阻抗值Z与阻抗上限阈值Zr值进行比较；若接触阻抗值Z小于等于阻抗上限阈值Zr，则电极接触状况良好；若接触阻抗值Z大于阻抗上限阈值Zr，则电极接触状况不良。