用於生物醫學測量的電極的製作方法
2023-09-17 08:16:45 2
專利名稱：用於生物醫學測量的電極的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於生物醫學測量的電極，尤其是用於電阻抗斷層成像的測量。
背景技術：
在用於容壓比區域測量的電阻抗斷層成像中，多個電極繞胸部設置，將一交流電施加於各自相鄰的電極上，例如，該電流在1kHz到1MHz的範圍內，其幅度在1μA到10mA範圍內。利用施加了交流電的其它各電極，來相對於一規定的參考電勢進行阻抗測量。一旦所有的電極都輪流用作導電電極後，便完成了一用於數據採集的周期。為了排除統計幹擾，通常平均多個數據採集周期以獲得一相應的圖像。在胸部附近的最大阻抗變化由吸氣和呼氣產生。可在該過程中觀察到，由電極測量的阻抗變化是一種用於測量肺容積改變的量度。根據電極上信號的計算機協助計算可繪製一阻抗變化的二維或者甚至是三維的圖像。
由於不能準確地監視肺在某些部分是否已經肺不張或肺萎陷，已形成水腫的患病的肺的人工呼吸急救成為一值得注意的問題。已經發現，如果在肺中人工維持一特定的壓力，該壓力正好允許所有的肺泡保持張開，在此情況下可基本上降低死亡率。
為此目的，WO00/33733記載了通過電阻抗斷層成像測量到的阻抗變化如何作為反映呼吸壓的功能來確定肺的肺泡張開以及肺泡不張。然而，在這種生死攸關的應用中，必須儘量排除相對較大的測量誤差。
在電阻抗斷層成像中主要的測量誤差是以到電極的饋線的變化阻抗和患者皮膚與電極之間的轉換電阻為基礎的。由於這些幹擾阻抗串聯於待測量的阻抗上，這些幹擾阻抗將作為誤差直接進入該測量。
US5,544,662記載了根據一計算裝置的電路來減少上述測量誤差的多種措施。然而，各電極繼續通過饋線連接，該饋線從該電極通向一靠近患者設置的計算裝置，因此由饋線的阻抗變化引起的測量誤差繼續發生。
J.D.Bronzino的生物醫學工程手冊(The Biomedical EngineeringHandbook)，1995年CRC印刷，745至757頁記載了所謂的生物電勢—電極的各種類型，該生物電勢—電極設計為無源電極，以在身體上獲得電勢。此外還提到了其它內容，即配置為運算放大器的緩衝放大器能集成在電極上。然而未提到集成在該電極中的的電子設備的進一步的線路。這主要是因為為了衛生，該電極必須用作一次性物品，因此，由於費用原因不可能使用此電極的昂貴線路。
發明內容
本發明的目的在於提供一種用於生物醫學測量的電極，特別是用於具有電阻抗斷層成像的測量，該電阻抗斷層成像允許使用經濟的產品儘可能無幹擾地進行測量。
利用權利要求1所述的電極以及權利要求12所述的電極帶可實現此目的。
根據本發明的電極，包括一接觸極板；一線路驅動器，具有一高阻抗信號輸入端以及一低阻抗線路輸出端；以及一電源，具有一電流輸出端和一參考點，其中該接觸極板電連接至該線路驅動器的高阻抗信號輸入端以及該電源的電流輸出端，並且該線路驅動器和該電源設置在該接觸極板的附近。
本發明的重要特點在於一線路驅動器和一電源的組合作為在該接觸極板上或附近的集成的電子設備，在準確性上相比公知電極允許一實質上的提高並保持低生產成本。作為一次性部件的集成電極的生產由此可以具有可行的費用。
根據本發明的電極適合於所有的生物醫學測量，在這些生物醫學測量中，作為實施例，例如在電阻抗斷層成像中，經由該接觸極板施加電流並且通過該接觸極板測量電勢。在此情況下本發明是以該特徵為基礎的，即對該接觸極板供電以及從該接觸極板的測量值採集都必須在該接觸極板的附近發生。其通過電源的一高內阻以及該線路驅動器的高輸入電阻來實現，因此為了供應外電流和傳遞測量信號可忽略在線路上的幹擾。該電源以及該線路驅動器對該接觸極板的接近度由該接觸極板的尺寸限定。至少當超過該接觸極板空間尺寸的10倍時，本發明意義中的接近度便不再存在。
根據一優選實施例，優選的是在接觸極板、電源以及線路驅動器之間的電連接以這樣一種方式來設計，即在該接觸極板和參考點之間產生一儘可能低的雜散電容。如果該線路驅動器以及電源作為集成電路設於該接觸極板上，則由於在該接觸極板和線路驅動器以及電源之間的饋線長度可保持至一最小值，而由此特別有利。進一步的措施是將帶有該線路驅動器和電源的該接觸極板集成在一屏蔽外殼內。
根據另一優選實施例，設置一電路，用於主動補償在該接觸極板和參考點之間的該雜散電容。在此方式下，可允許該接觸極板和電源以及線路驅動器之間的線路長度在一定界限之內，其可以通過補償電路的方法消除產生的雜散電容。
根據另一優選實施例，設置該電源為一具有高內阻的雙極電源，其輸出電流和輸入電壓幾乎成比例。該雙極電源具有一特別高的內阻的優點，因此特別適合於本申請。
根據另一優選實施例，該電源被設置為提供一頻率在1kHz至1MHz的範圍，幅度在1μA至10mA的範圍內的交流電。具有這些特性的電流主要用於電阻抗斷層成像中。然而，本發明明顯未受限於這些特性。也可想到使用具有不同特性的各種電源，它們在其信號範圍內彼此補充或者重疊。還可想到該交流電應該是調頻和/或調幅的。
根據另一優選實施例，該線路驅動器被設置為包括一阻抗變換電路。阻抗變換電路以不同的方式為人所知，並且其將一高輸入電阻變換成一低線路電阻。
根據另一優選實施例，一電壓測量儀器被設置為連接在該低阻抗線路輸出端和該參考點之間。可以這種方法通過電阻抗斷層成像進行測量，例如，經由該電極施加一電流並且在該電極獲得產生的電壓(resulting voltage)。在此特別有利的是，如果在該接觸極板和參考點之間設置一開關，該接觸極板能通過該開關任意地切換至該參考點的電勢。一特定的電極或者多個電極因此能從該測量中撤除。比較該參考點的該電壓測量的校準可以同時進行。
根據本發明的電極帶用於通過電阻抗斷層成像進行測量，該電極帶包括本發明的多個電極。在此情況下，這些電極優選彼此以幾乎相同的間隔設置。該測量值通過一數字數據採集單元可被特別可靠地檢測並傳輸。為此目的，至少設置一個模數轉換器，其從一個或者多個電極上讀入各接觸極板和參考點之間的電壓，並經由一數據線路將其傳送至一中央處理器。
顯然，上述記載和/或列出的在從屬權利要求中的實施例並非僅僅用在分別揭示的組合而且還可用於其它組合或者單獨使用。
本發明將在下文中藉助不同實施例並參考附圖來更詳細地描述，其中
圖1示出了一根據現有技術的穿透一帶有電極配置的胸部截面圖；圖2示出了根據本發明的電極示意圖；圖3a和3b示出了該互易技術的示意圖；圖4示出了雙極電源的電路圖；圖5示出了線路驅動器的電路圖；圖6示出了根據圖2的示意圖的穿過本發明電極的截面圖；圖7示出了根據本發明一電極帶的截面圖；圖8示出了穿過根據圖7的電極帶的一數據採集單元的截面圖；圖9示出了圖8中顯示的數據採集單元的分解圖；圖10示出了用於低阻抗，對稱信號傳輸和處理的電路；圖11示出了用於補償一交流電源的交流電源阻抗的高阻抗內阻的電路；以及圖12示出了在電極的電極接點用於雜散電容補償的電路。
具體實施例方式
圖1示出了根據現有技術(US5,626,146)的穿透一帶電極配置的胸部截面圖。16個電極幾乎等間距地圍繞胸部排列。在電極1和2之間施加電流。然後這些曲線是關於作為雙極子的電極1和2的等勢線。為了確定在這些線上的末端阻值，在電極3至16處測量的電壓電勢可沿這些線追蹤。一旦完成了所有可能的雙極子各自的測量，那麼由各測量確定的阻抗值可被相應地疊加。在此只是選擇該追蹤方法作為一個例子，根據電阻抗斷層成像的原理，其明顯只是與圖像再現多種可能方法相併排的一種方法。
圖2示出了根據本發明的電極示意圖。根據其基本結構，該電極包括一接觸極板201、一電源202以及一線路驅動器203。該接觸極板201一方面連接至該電源202的電流輸出端，另一方面連接至該線路驅動器203的高阻抗輸入端。該電源202通過其其它的電極連接至一參考電位，該電源電流ISIG與由電壓電源206供給的輸入電壓USIG幾乎成比例。該接觸極板201被擱在患者的皮膚上，測量該電極和參考電位之間的阻抗ZBIO。整個電路的目的是使得由雜散電容CS引起的幹擾負載阻抗以及在該接觸極板201和參考電位之間的電阻分流儘可能的少。並且在該接觸極板和參考電位之間設有一可由控制線208控制的可控開關204，並且通過該可控開關204該接觸極板201可連接至該參考電位。由此可從測量中排除個別的電極，否則則要進行阻抗測量的校準。在該電極和參考電位之間的電壓是在該線路驅動器203的輸出端被測得的。通過一線路207選擇地進行該測量，圖2示出了線路207相應的替換電路圖。通常該電路的虛線部分205被容置在該接觸極板201上，而該電壓電源206或者線路207可以更遠離該接觸極板201設置而不會引起顯著幹擾或者測量誤差。
圖3a和3b示出了一互易技術(reciprocal technique)的示意圖。在圖3a中，經由電極C和D施加電流，並且在電極A和B處測量產生的電壓。相反地，在圖3b中，經由電極A和B施加一相應的電流，並且在電極C和D處測量產生的電壓。可以看到從圖3a和圖3b分別測量的電壓必須是相同的。例如，這種所謂的互易技術可以以一種簡單的方式用於核查電極到患者皮膚上的觸點。在該過程中各自需要的電極可通過控制圖2的開關204從圖1顯示的電極中選擇。
圖4示出了一雙極電源的電路圖，例如，其可用作圖2中的電源202。當Ue＝0時，兩電流I1和I2大小相同並且輸出電流為零。如果施加一正輸入電壓，I2增大並且I1減少結果是流出一負輸出電流。要是施加負輸入電壓，則該電路將以相反的方式作用。
圖5示出了一線路驅動器的電路圖，例如其可用作圖2中的線路驅動器203。運算放大器501作為一緩衝放大器被相應地用電線連接，因此在輸出和輸入電壓之間產生一電壓比1。這種類型的緩衝放大器具有一高輸入電阻及一低輸出電阻，在輸入和輸出電壓之間的偏移量僅僅是幾毫伏(mV)。
圖6示出了根據圖2的示意圖的穿過本發明電極的截面圖。可觀察到，這裡顯示的部分相應於圖2中由虛線顯示的電路部分205。接觸極板601由外殼602環繞，該外殼602可具有一屏蔽效應並且可以被設置用於參考電位。在這種情況下，在該接觸極板601和外殼602之間插入一絕緣體603。一集成電路位於該接觸極板上，該集成電路由單元605，606表示，並且根據圖2的電路部分205設於該集成電路中。該整個電路部分已被隨意容納在一個集成電路中。也可想到，對於該接觸極板601，其也可被容納在該集成電路下面。在電纜607中引導饋電和放電線路。
圖7示出了根據本發明的電極帶的截面圖。該電極帶702圍繞患者的胸部701放置。在其內側設有大量的電極704，在各情況下，四個電極連接至一數據採集單元703。該數據採集單元703通過連接線路705彼此連接，該饋電和放電線路在電纜706中引導。
圖8示出了根據圖7的電極帶的一數據採集單元的截面圖。四個電極801，802，803和804被固定於帶狀材料(belt material)805的低邊並且電連接至計算電子設備806。在該計算電子設備的例子中，可以存在多種數據採集的方式平行法各通道(channel)藉助其自己的模數轉換器(ADC)被同步數位化。在各自的本地數字存儲器中各轉換結果經由一用於進一步信號處理的數據總線結構任意傳送。
模擬多路復用在時分多路復用方法中，根據一確定方案，所有的測量通道分別通過多路復用器被連接至一單功率(single powerful)的ADC並且通過其數位化。在經由一數據接口傳送之後，一外部數字存儲器接收在一數值表中所有連續的數據。
集成的數據採集一單塊集成數據採集系統，包括一集成在一微晶片上的輸入通道多路復用器、一具有可選放大係數的放大器、一下遊模數轉換器，一用於接收大量被數位化的測量值的本地存儲器以及一自激時序控制器，該單塊集成數據採集系統被連接至一通信接口或者一主機的數據總線，獨立並按順序地檢測多個輸入通道並且在該本地存儲器中存儲該被數位化的測量值。在填充該存儲器達到一定程度時，會引起該主機快速採用已獲得的數據。因此在該本地存儲器中還有用於數模轉換器的另外的數據空間。因此通過這種類型的部分自激操作數據採集系統有效地緩解了靠近患者設置的計算機系統。
圖9示出了圖8中顯示的該數據採集單元的分解圖。接觸極板901、902、903和904被固定於帶狀材料905並且被置於患者的皮膚906上。具有相應通孔金屬化(through-platings)至該接觸極板901、902、903和904的數據採集單元906位於該帶狀材料的另一面。線路907至912是到各相鄰數據採集單元的接觸線(信號輸入端907，電源電壓輸入端908，控制線909，數據輸出端910，電源電壓輸出端911以及控制線912)。
在電阻抗斷層成像中使用的關鍵變量是一儘可能大的信噪比。為了這個目的，建議儘量低阻抗對稱的進行信號傳輸。因而這意味著擴充了在該電極輸出端的相應的對稱緩衝器以及在傳送面上的對稱的線路接收器和終端電阻器。
根據圖11和圖12在本實施例中建議對寄生電容以及電源的剩餘有效內阻進行補償或者部分補償。該補償或者部分補償可以是主動的和/或電阻的和/或電容的。
1.低阻抗對稱的信號傳輸及處理可以改進該電極的信噪比，其通過a)一對稱信號傳輸具有b)低阻抗終端阻抗(RTi與TTi＜＝300typ.Ohm)以及c)改進的去耦供電和多路復用器結構。
圖10示出了一相應的電路從該交流電源202的控制輸入端上遊添加一適合於對稱信號傳輸技術的線路接收器(差動放大器)。通過低阻抗終端阻抗(RT3，RT4)實現對稱的線路終端。
相應地在緩衝器203的輸出端添加了一對稱線路驅動器。通過在相應較長的線路始端和末端處用作兩個終端設備的相關聯的低阻抗終端電阻(RT1，RT2)和(RT5，RT6)，創建一總的說來非常有用和有利的低阻抗線路系統，使得在各線路接收器中大大地減少了被加入到該對稱線路系統中的幹擾影響。
此外，例如通過加載該線路系統的輸入電容及輸入或輸出阻抗來形成開關瞬態的時間常數具有有益的作用並且是非常有利的。而且，也基本上阻止了在非常低的阻抗導線上耦合顯著振幅的電容幹擾的危險。
總之，雖然產生了增加線路費用的補充物，但同時在許多方面是很有益的，其基本上產生了更有利的S/N值。
2.交流電源的交流電源阻抗的高阻抗內阻的補償。
還可以應用在圖11中概括示出的補償方法，以至少可以部分地補償交流電源的高阻抗的實際電源電阻(RICS)，來均衡一複雜的交流電源阻抗，下面就其功能進行說明在此，具有布線元件R1，R2以及RCOMP的附加運算放大器是用於正電源電阻RICS的補償電路。
將其同相輸入端連接至節點201的該運算放大器，在考慮到忽略RCOMP的情況下可最初理解為一同相基本電路，通過電阻R1和R2根據U_OUT/U_IN＝1+R2/R1來確定該引線從輸入端至輸出端的電壓放大。因此R2/R1的比值決定了在其輸出端輸出電壓U_OUT的電平。如果該比值R2/R1＝1，則產生的電壓放大為U_OUT/U_IN＝+2。
可以觀察到，如果圍繞該電源電阻RICS有電壓和電流，則根據I＝U/R，通過RICS產生一正的分流。根據分流定律，通過並聯生物-阻抗ZBIO可任意地產生更多的實際電流均衡。這裡先假定ZBIO為一純電抗。
可以觀察到，如果該電阻RCOMP從該運算放大器的輸出端連接至節點201，則在該節點201和該運算放大器的輸出電壓(端)之間產生用於各電壓差動的另一電流通路，該電壓差動由該電阻比R2/R1確定。
因此假定OPAMPs(運算放大器)的電壓放大為U_OUT/U_IN＝+2，則該輸出電壓將正好是節點201處電壓值的兩倍。如果選擇RCOMP的阻值與RICS相同，則流經RCOMP至節點201的實際分流與經過RICS流走的實際分流正好由於數值相同但是異號而被補償圍繞RCOMP的OPAMP電路允許其顯示為是負的，由此RICS-RCOMP＝0適用，或表示為產生並聯電路的電導係數的倒數Rp1/(1/RICS-1/RCOMP)＝Rp。
因為該恆等式RICS＝RCOMP，在該分數的分母產生一個0-表達該阻值的一極點。
通過選擇RCOMP或者電阻比R2/R1來選擇電壓放大，可存在一過補償或者一欠補償。第一種情況導致該電路不穩定以及一無用振蕩。
然而，欠補償是非常有利的，其在電源的電源阻抗中可逐漸調節地人工增加，並優選具有經由一緩衝器203進行相應電壓測量的基本上定性(qualitatively)增加的精度。
此外，該方法還允許補償更多的並聯的實際電阻，因此其是普遍地可用的。
3.在該電極的電極接點處雜散電容的補償圖12示出了擴展電容補償的方法。所有並聯的電容可由此依次結合成為一個電容，然後其能被大部分地替換補償CCOMP＝(CICS+CS)。
圖12的電路不同於圖11的電路在於，代替實際電源電阻RICS，現在使用一待補償電容(CICS+CS)的電抗為XICS＝*PI*f*(CICS+CS)的電容，代替該電阻元件RCOMP，現在使用一電抗XCOMP＝*PI*f*CCOMP。
在此情況下，變量f是該電路各情況下的工作頻率。
利用所示的用於電阻和電容部分補償的雙重方法，甚至有源探測器的寄生影響也基本上被進一步降低，並且該最初設想的10kHz或25kHz工作頻率的可用頻率範圍被擴大甚至超出100kHz。
權利要求
1.用於生物醫學測量的電極，具有一接觸極板；一線路驅動器，具有一高阻抗信號輸入端和一低阻抗線路輸出端；以及一電源，具有一電流輸出端和一參考點，其中該接觸極板電連接至該線路驅動器的高阻抗信號輸入端以及該電源的電流輸出端，其中該線路驅動器和該電源設置在該接觸極板的附近。
2.根據權利要求1的電極，其特徵在於在該接觸極板、該電源以及該線路驅動器之間的電連接這樣設計，即在該接觸極板和參考點之間產生一儘可能低的雜散電容。
3.根據權利要求1或2的電極，其特徵在於該線路驅動器和該電源作為集成電路設置於該接觸極板上。
4.根據權利要求1至3中任一項的電極，其特徵在於帶有該線路驅動器和該電源的該接觸極板在一屏蔽外殼內集成。
5.根據權利要求1至4中任一項的電極，其特徵在於還設有一電路，用於主動補償在該接觸極板和參考點之間的雜散電容。
6.根據權利要求1至5中任一項的電極，其特徵在於該電源是一具有高內阻的雙極電源，其輸出電流與輸入電壓幾乎成比例。
7.根據權利要求1至6中任一項的電極，其特徵在於該電源提供頻率在1kHz至1MHz範圍內，幅度在1μA至10mA範圍內的交流電。
8.根據權利要求7的電極，其特徵在於該交流電是調頻和/或調幅的。
9.根據權利要求1至8中任一項的電極，其特徵在於該線路驅動器包括一阻抗變換電路。
10.根據權利要求9的電極，其特徵在於該低阻抗線路輸出端和該參考點之間連接有一電壓測量儀器。
11.根據權利要求1至10中任一項的電極，其特徵在於在該接觸極板和參考點之間設有一開關，該接觸極板能通過該開關任意地切換至該參考點的電勢。
12.用於通過電阻抗斷層成像進行測量的電極帶，具有多個根據權利要求1至11中任一項所述的電極。
13.根據權利要求1至12中任一項的電極帶，其特徵在於所述電極彼此以幾乎相同的間隔設置。
14.根據權利要求1至13中任一項的電極帶，其特徵在於設有具有至少一個模數轉換器的數據採集單元，其通過該模數轉換器從一個或者多個電極讀入在各接觸極板和該參考點之間的電壓，並且通過一數據線路將其傳送至一中央處理器。
全文摘要
本發明涉及一種用於生物醫學測量的電極，尤其是用於電阻抗斷層成像的測量。本發明的目的在於提供一種用於生物醫學測量的電極，尤其用於電阻抗斷層成像的測量，其允許儘可能無幹擾的測量。為實現上述目的，所述電極包括一接觸極板，一線路驅動器，其具有一高阻抗信號輸入端和一低阻抗線路輸出端，以及一電源，其具有一電流輸出端和一參考點，其中該接觸極板連接至該線路驅動器的高阻抗信號輸入端以及該電源的電流輸出端，並且該線路驅動器和該電源設置在該接觸極板的附近。
文檔編號A61B5/0478GK1604755SQ02825123
公開日2005年4月6日 申請日期2002年11月20日 優先權日2001年11月20日
發明者託馬斯·黑爾策爾, 費爾南多·蘇亞雷斯·西波曼, 格爾德·科瓦萊夫斯基 申請人:斯特凡·伯姆, 馬塞洛·B·P·阿馬託