本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)測試裝置領(lǐng)域，涉及一種接觸阻抗的測量裝置，尤其是一種電極-皮膚間接觸阻抗的測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

生物電極被廣泛用在醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)的各個領(lǐng)域，如心電監(jiān)護(hù)，腦電信號的提取和電阻抗斷層成像(EIT)系統(tǒng)等。電極信號是經(jīng)過人體組織傳遞到體表，經(jīng)過電極感應(yīng)，后端信號放大、電壓測量電路和處理器處理得到。在電極信號整個傳輸路徑中，人體組織是一個良導(dǎo)體，其阻抗根據(jù)頻率不同從幾百歐到幾十歐變化，而電極-皮膚間接觸阻抗則在幾萬歐姆到幾百歐姆間變化，因此電極-皮膚間的接觸阻抗直接影響到電極信號的質(zhì)量。如果能夠準(zhǔn)確測量，將為心電，腦電和電阻抗測量電路的設(shè)計(jì)以及生物電極的改進(jìn)提供重要依據(jù)。同時，公認(rèn)為接觸阻抗的大小反映了電極-皮膚間的接觸質(zhì)量。因此，數(shù)據(jù)采集過程中實(shí)時測量接觸阻抗的大小有利于我們實(shí)時掌握電極的接觸狀況。

目前在心電，腦電，EIT成像方面，對于電極-皮膚間接觸阻抗的測量應(yīng)用較多是兩電極法和四電極推導(dǎo)法。

兩電極法將兩電極即作為激勵電極，又作為測量電極。激勵電流計(jì)做I，測得電壓差為V。那么基于邊界電壓差等于接觸阻抗的值與電流I的乘積，計(jì)算接觸阻抗值Z。兩電極法將測得接觸阻抗Z作為兩個電極上的接觸阻抗之和。此方法測得的接觸阻抗中包含了電極與電極之間組織的傳輸阻抗成分，且不能區(qū)分兩個電極上的接觸阻抗值，因而不利于電極實(shí)際接觸效果的判定。

而四電極推導(dǎo)法是：第一步，利用四電極法，也就是將激勵電極和測量電極分開，測得電極與電極之間的傳輸阻抗成分Z1；第二步，改變其中一個激勵電極至某一測量電極位置，使該被測電極即作為測量電極又作為激勵電極，在此條件下測得阻抗值Z2，從而可以估算得到該電極上的接觸阻抗值Z＝Z2-Z1。此方法雖在一定程度上克服了兩電極法的不足，提高了電極-皮膚間接觸阻抗的測量精度，但因需要兩次切換電極，卻犧牲了測量速度，降低了機(jī)器的監(jiān)測效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種電極-皮膚間接觸阻抗的測量裝置及方法，裝置由電極系統(tǒng)，電流源和電壓表組成。電流源連接至被測電極和其對象電極，電流源連接至被測電極和其相鄰電極。處理器連接至電壓源和電流源，計(jì)算得到接觸阻抗的大小，并在顯示器上顯示電極和皮膚的接觸狀況。通過電流源分別向不同激勵電極對注入激勵電流，檢測測量電極間的邊界電壓差，由處理器計(jì)算解調(diào)后的數(shù)據(jù)得到接觸阻抗值，從而得到電極與皮膚的接觸質(zhì)量。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種電極-皮膚間接觸阻抗的測量裝置，包括處理器，以及均與處理器相交互的電流源、電壓測量電路、顯示器和報(bào)警器；電流源和電壓測量電路均通過多路開關(guān)與緊貼在使用者皮膚表面的由若干電極構(gòu)成的電極系統(tǒng)相連；其中，

電極系統(tǒng)包括激勵電極和測量電極；

處理器用于控制激勵電極和測量電極的選取，并根據(jù)激勵電流和測量到的響應(yīng)電壓計(jì)算相應(yīng)電極的接觸阻抗；

電流源用于輸出特定頻率的正弦電流信號，在處理器的控制下通過多路開關(guān)向激勵電極注入激勵電流；

電壓測量電路用于將采集測量電極的邊界電壓差信號，并對采集到的信號進(jìn)行增益放大處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后提供給處理器；

多路開關(guān)與電極系統(tǒng)相連接，將激勵電流準(zhǔn)確注入到選擇的激勵電極；同時多路開關(guān)與電壓測量電路相連接，將檢測到的邊界電壓差選擇性的提供給電壓測量電路；

顯示器用于實(shí)時顯示電機(jī)系統(tǒng)上各個電極的接觸阻抗大小與連接狀況；

警報(bào)器用于在處理器檢測到電極與使用者皮膚接觸不良時，警報(bào)器發(fā)聲，提示醫(yī)務(wù)人員檢查電極。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

所述電壓測量電路包括多個放大器和一個16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與處理器的輸入端相連。

一種電極-皮膚間接觸阻抗的測量方法，包括以下步驟：

1)處理器選擇激勵電極和測量電極，被測電極作為激勵電極的正極，另取一個參考電極作為激勵電極的地端；

2)處理器控制多路開關(guān)將電流源電流I送至激勵電極對，電壓測量電路通過多路開關(guān)將測得兩相鄰電極間的邊界電壓差U1，基于邊界電壓差等于接觸阻抗的值與電流I的乘積，處理器計(jì)算得到被測電極與皮膚間接觸阻抗值Z1；

3)處理器通過多路開關(guān)改變激勵電極，并將電流源電流I送至改變后的激勵電極對，電壓測量電路通過多路開關(guān)選擇對應(yīng)的測量電極，得到兩相鄰電極間的電壓差U2，基于邊界電壓差等于接觸阻抗的值與電流I的乘積，處理器計(jì)算得到傳輸阻抗分量Z’；在接觸阻抗Z1中減去傳輸阻抗Z’成分，得到傳輸阻抗Z2的值；

4)處理器通過接觸阻抗Z1和傳輸阻抗Z2，計(jì)算得到被測電極的接觸阻抗Z的值，其中：Z＝Z1-Z2；

5)處理器根據(jù)被測電極的接觸阻抗Z的值，判斷被測電極的接觸狀況，若判斷結(jié)果為被測電極與使用者皮膚接觸狀況不良，則處理器向報(bào)警器發(fā)出報(bào)警指令，同時在顯示器上顯示相應(yīng)電極的連接狀況。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

所述步驟5)中，判斷被測電極接觸狀況的方法如下：

對各個電極上測到的電極-皮膚接觸阻抗值求均值，并與被測的電極-皮膚接觸阻抗值Z作比較；若被測電極的接觸阻抗值Z大于均值的2倍，則判定該電極與皮膚接觸狀況不良。

所述步驟5)中，判斷被測電極接觸狀況的方法如下：

在每個頻率點(diǎn)設(shè)置阻抗上限閾值Zr，將得到的每個電極上的接觸阻抗值Z與阻抗上限閾值Zr值進(jìn)行比較；若接觸阻抗值Z小于等于阻抗上限閾值Zr，則電極接觸狀況良好；若接觸阻抗值Z大于阻抗上限閾值Zr，則電極接觸狀況不良。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的一種電極-皮膚間接觸阻抗的測量裝置通過對不同電極注入激勵電流和選擇測量電極，經(jīng)過處理器的計(jì)算，可以實(shí)時得到各個電極與皮膚之間的接觸狀況，并及時反饋給醫(yī)務(wù)人員。同時本發(fā)明提供的電極-皮膚間接觸阻抗的測量方法，通過邊界電壓值和激勵值計(jì)算得到接觸阻抗大小，并根據(jù)均值法和閾值法判斷電極的接觸狀況。本方法經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)和定標(biāo)板試驗(yàn)證明了其方法在測量速度和測量精度上優(yōu)于現(xiàn)有測量技術(shù)，滿足電阻抗檢測過程中實(shí)時顯示各個電極接觸狀況的要求，進(jìn)一步提高了基于電阻抗測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

【附圖說明】

圖1為電極－皮膚間接觸阻抗測量系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖2為電極－皮膚間接觸阻抗測量系統(tǒng)的流程圖。

圖3為接觸阻抗的快速測量方法的示意圖。

圖4為定標(biāo)板的電路原理圖。

圖5為接觸阻抗的準(zhǔn)確測量方法的示意圖。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1，本發(fā)明電極-皮膚間接觸阻抗的測量裝置，包括處理器，以及均與處理器相交互的電流源、電壓測量電路、顯示器和報(bào)警器；電流源和電壓測量電路均通過多路開關(guān)與緊貼在使用者皮膚表面的由若干電極構(gòu)成的電極系統(tǒng)相連；其中，

電極系統(tǒng)包括激勵電極和測量電極；

處理器用于控制激勵電極和測量電極的選取，并根據(jù)激勵電流和測量到的響應(yīng)電壓計(jì)算相應(yīng)電極的接觸阻抗；

電流源用于輸出特定頻率的正弦電流信號，在處理器的控制下通過多路開關(guān)向激勵電極注入激勵電流；

電壓測量電路用于將采集測量電極的邊界電壓差信號，并對采集到的信號進(jìn)行增益放大處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后提供給處理器；電壓測量電路包括多個放大器和一個16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與處理器的輸入端相連。

多路開關(guān)與電極系統(tǒng)相連接，將激勵電流準(zhǔn)確注入到選擇的激勵電極；同時多路開關(guān)與電壓測量電路相連接，將檢測到的邊界電壓差選擇性的提供給電壓測量電路；

顯示器用于實(shí)時顯示電機(jī)系統(tǒng)上各個電極的接觸阻抗大小與連接狀況；

警報(bào)器用于在處理器檢測到電極與使用者皮膚接觸不良時，警報(bào)器發(fā)聲，提示醫(yī)務(wù)人員檢查電極。

如圖2所示，本發(fā)明還公開了一種電極-皮膚間接觸阻抗的測量方法，包括以下步驟：

1)處理器選擇激勵電極和測量電極，被測電極作為激勵電極的正極，另取一個參考電極作為激勵電極的地端；

2)處理器控制多路開關(guān)將電流源輸出電流送至激勵電極的正地端，電壓測量電路通過多路開關(guān)將測得的邊界電壓值送至處理器；處理器通過激勵電流和邊界電壓值計(jì)算被測電極上接觸阻抗Z1的值；

3)處理器通過多路開關(guān)改變激勵電極，電壓測量電路通過多路開關(guān)將邊界電壓值送至處理器；處理器通過激勵電流和邊界電壓值計(jì)算傳輸阻抗Z2的值；

4)處理器通過接觸阻抗Z1和傳輸阻抗Z2計(jì)算得到被測電極的接觸阻抗Z的值；

5)處理器根據(jù)被測電極的接觸阻抗Z的值，判斷被測電極的接觸狀況，若判斷結(jié)果為被測電極與使用者皮膚接觸狀況不良，則處理器向報(bào)警器發(fā)出報(bào)警指令，同時在顯示器上顯示相應(yīng)電極的連接狀況。

其中，判斷被測電極接觸狀況的方法可以采用以下兩種方式：

一、對各個電極上測到的電極-皮膚接觸阻抗值求均值，并與被測的電極-皮膚接觸阻抗值Z作比較；若被測電極的接觸阻抗值Z大于均值的2倍，則判定該電極與皮膚接觸狀況不良。

二、在每個頻率點(diǎn)設(shè)置阻抗上限閾值Zr，將得到的每個電極上的接觸阻抗值Z與阻抗上限閾值Zr值進(jìn)行比較；若接觸阻抗值Z小于等于阻抗上限閾值Zr，則電極接觸狀況良好；若接觸阻抗值Z大于阻抗上限閾值Zr，則電極接觸狀況不良。

本發(fā)明的原理：

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

本發(fā)明用于測量和判斷電極-皮膚間的接觸質(zhì)量，使電阻抗測量過程中醫(yī)務(wù)人員可以實(shí)時了解電極-皮膚間的接觸狀況。圖1所示，本發(fā)明的測量系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)圖，包括處理器，顯示器，電流源，電壓測量電路，多路開關(guān)和電極系統(tǒng)等。處理器連接電流源，電壓測量電路，顯示器和警報(bào)器，電流源在控制器的控制下通過多路開關(guān)對激勵電極注入電流信號。電流信號通過人體組織后通過多路開關(guān)被電壓測量電路檢測，電壓測量電路將檢測到的邊界電壓差轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號提供給處理器。處理器通過激勵電流值和得到的邊界電壓值計(jì)算得到被測電極上的接觸阻抗值。處理器通過均值法和閾值法比較各個電極上的接觸阻抗值的大小判定各個電極與皮膚的接觸狀況。處理器將計(jì)算的結(jié)果通過顯示器顯示，且當(dāng)檢測到特定電極接觸不良時，會通過警報(bào)器發(fā)聲，提示醫(yī)務(wù)人員。

接觸阻抗測量方法與效果

如圖2所示為接觸阻抗的測量示意圖，下面以16電極系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹接觸阻抗測量流程：

首先，處理器選擇接觸阻抗的測量方法。

當(dāng)進(jìn)行接觸阻抗的快速測量時(如圖3)所示處理器通過多路開關(guān)將電流源電流I送至激勵電極對，電壓測量電路通過多路開關(guān)選擇測量電極，得到兩相鄰電極間的邊界電壓差U1，基于邊界電壓差等于接觸阻抗的值與電流I的乘積，計(jì)算被測電極與皮膚間接觸阻抗值Z1。

利用定標(biāo)板(如圖4)模擬頭部阻抗，并外接1K電阻模擬接觸阻抗，并改變激勵電極的位置，測量結(jié)果如下表所示：

結(jié)果表明，發(fā)現(xiàn)被測電極的相鄰電極作為激勵電極時，其電極-皮膚間接觸阻抗的測量誤差最小。因此，具體實(shí)施中我們選擇被測電極的鄰近電極作為激勵電極測量接觸阻抗。

當(dāng)進(jìn)行接觸阻抗的快速測量，在接觸阻抗的快速測量基礎(chǔ)上進(jìn)一步測量測得接觸阻抗中傳輸阻抗成分。如圖5所示，多路開關(guān)將電流源電流I送至激勵電極對，電壓測量電路通過多路開關(guān)選擇測量電極，得到兩相鄰電極間的電壓差U2，基于邊界電壓差等于接觸阻抗的值與電流I的乘積，計(jì)算傳輸阻抗分量Z’。

最后，在接觸阻抗Z1中減去傳輸阻抗Z’成分，準(zhǔn)確測量傳輸阻抗Z2的值。

利用定標(biāo)板模型仿真，外接1K電阻模擬接觸阻抗，并改變激勵電極的位置，測量結(jié)果如下表所示：

結(jié)果表明，接觸阻抗的準(zhǔn)確測量方法的準(zhǔn)確性優(yōu)于快速測量方法，并且同樣被測電極的相鄰電極作為激勵電極時，測得接觸阻抗的誤差最小。因此，在接觸阻抗的準(zhǔn)確測量方法中激勵方式應(yīng)當(dāng)選取鄰近激勵。

方法準(zhǔn)確性比較試驗(yàn)：分別選擇兩電極法，快速測量方法和準(zhǔn)確測量方法測同一電極上的接觸阻抗大小，對比三種方法的準(zhǔn)確度，激勵電極都選擇被測電極的相鄰電極。測量結(jié)果如下表所示：

結(jié)果表明，本文提出的接觸阻抗的準(zhǔn)確測量方法的測量精度明顯優(yōu)于兩電極法，并在不犧牲測量速度的前提下具有不低于四電極推導(dǎo)法的測量精度。而本文提出的接觸阻抗的準(zhǔn)確測量方法雖然對測量速度有所影響(測量速度與四電極推導(dǎo)法相等)，但具有最小的測量誤差，其測量準(zhǔn)確性明顯優(yōu)于兩電極法和四電極推導(dǎo)法。

電極接觸不良判別方法判定電極-皮膚接觸狀況：對于得到的各電極-皮膚接觸阻抗值(Z1,Z2,Z3,……,Z16)，利用均值法和閾值法判定電極是否接觸良好。計(jì)算16個電極上的接觸阻抗的均值Zm，將特定電極上接觸阻抗值與均值的2倍作比較。若特定電極與皮膚間接觸阻抗值大于等于全部電極-皮膚間接觸阻抗均值的2倍時，則認(rèn)為特定電極接觸狀況不良，會在顯示器上提示監(jiān)護(hù)人員注意檢查電極；

為了彌補(bǔ)均值法在多數(shù)電極接觸不良的情況下的判定缺陷，故在每個頻率點(diǎn)設(shè)置阻抗上限閾值Zr，若特定電極與皮膚間接觸阻抗值大于上限閾值時，則認(rèn)為特定電極接觸狀況不良，并在顯示器顯示。

各頻率下閾值統(tǒng)計(jì)表

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。