基于肌肉阻抗技术的电极及其制备方法、测量系统和方法

文档序号:9495973阅读:605来源:国知局
基于肌肉阻抗技术的电极及其制备方法、测量系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微加工和医疗器械领域,特别是涉及一种基于肌肉阻抗技术的电极及 其制备方法、测量系统和方法。
【背景技术】
[0002] 肌肉阻抗技术是生物电阻抗测量技术中的一种,其利用电流电极向被测肌肉组织 区域施加高频、低强度交变电流,通过分析测量电极检测的肌肉组织电压信号,提取与肌肉 成分改变,结构破坏,神经肌肉疾病等肌肉生理状态息息相关的阻抗特性及其变化规律,具 有无创、廉价、安全、无毒无害、操作简便和信息丰富等特点,运用肌肉阻抗技术检测肌肉阻 抗特性在疾病诊断,监测病情,药效评估,康复指导,个人护理等方面有着极大的应用潜力。
[0003] 当前肌肉阻抗技术应用研究实验一般都选用分离的一次性黏性条状表面电极,无 创检测,但其存在如下缺点:使用时必须将其固定好,测量过程复杂,耗时长,粘贴时间过长 易引起皮肤红肿、瘙痒等过敏症状;表面电流电极无法穿透不导电的皮肤角质层,极大地增 加了皮肤-电极接触阻抗,施加的微电流不能完全达到待测肌肉区域;并且,表面电极尺寸 一般在厘米量级,只能测量大块肌肉阻抗,无法测量某些小块肌肉阻抗,更无法测量单肌肉 纤维阻抗。

【发明内容】

[0004] 为克服上述现有技术存在的不足,本发明之主要目的在于提供一种基于肌肉阻抗 技术的电极及其制备方法、测量系统和方法,在满足基本测试的基础上,同时在空域范围内 线性提取待测肌肉阻抗信息,并完成了肌肉阻抗信息各向异性的检测,消除了表面电极多 次测量、标记和粘贴的繁琐操作过程,具有便捷性和高可靠性。
[0005] 为达上述及其它目的,本发明提出一种基于肌肉阻抗技术的电极,所述电极包 括:
[0006] 电极底座;
[0007] 外圈电极,设置在所述电极底座的外圈,所述外圈电极包含若干电流电极对;
[0008] 内圈电极,设置在所述外圈电极与所述电极底座的中心之间,包含由所述外圈电 极至中心依次设置的若干圈电极,每圈电极包含若干对电压电极。
[0009] 进一步地,每对外圈电流电极对与对应的内圈的电压电极对构成一列电极,各列 电极每隔若干角度旋转铺排在所述电极底座上。
[0010] 进一步地,各电极对的电极可包含一个或多个电极针形成的阵列。
[0011] 进一步地,所述电极针的材料为硅,采用光刻和反应离子刻蚀制作该硅针电极。
[0012] 进一步地,所述娃针针长为100-200um,所述娃针直径为40_60um。
[0013] 进一步地,所述电极针的材料为不锈钢,采用激光微加工技术制备制作该不锈钢 针电极。
[0014] 为达到上述目的,本发明还提供一种基于肌肉阻抗技术的电极的制备方法,包括 如下步骤:
[0015] 步骤1 :清洗硅片后,溅射二氧化硅掩膜;
[0016] 步骤2 :各向异性深硅刻蚀得到柱状结构;
[0017] 步骤3 :各项同性RIE,去除掩膜,并得到针状结构;
[0018] 步骤4 :沉积ΙΤ0导电层;
[0019] 步骤5 :沉积二氧化硅绝缘层;
[0020] 步骤6 :旋涂厚光刻胶;
[0021] 步骤7 :刻蚀掉针尖二氧化娃,露出ΙΤ0导电层;
[0022] 步骤8 :去光刻胶,完成硅针电极阵列制备。
[0023] 进一步地,所述娃针针长为100-200um,所述娃针直径为40_60um。
[0024] 为达到上述目的,本发明还提供一种基于肌肉阻抗技术的测量系统,包括:
[0025] 肌肉阻抗电极;
[0026] 恒流源模块,包括信号发生器和微弱恒流源,该信号发生器用于产生正弦电压信 号,该微弱恒流源用于将该信号发生器产生的正弦电压信号转换为微弱交变电流并通过选 择开关阵列送至该肌肉阻抗电极的激励端;
[0027] 选择开关阵列,在控制信号的控制下选择相应的电压测量电极对,并将提取的电 压信号输出至放大模块;
[0028] 放大模块,用于将采集到的电压信号进行放大,并送至采集模块;
[0029] 采集模块,将放大模块输出的电压信号模数转换后传输至上位机,并将上位机发 出的控制信号下发给该选择开关阵列和信号发生器;
[0030] 直流电源模块,用于将交流电变换为各级电路所需直流电压。
[0031] 进一步地,该放大模块包括前级放大电路和锁相放大电路,该前级放大电路用于 将采集到的电压信号进行无失真放大,该锁相放大电路用于将电压信号与激励电流同频同 相的载波信号相乘以提取电压信号的幅度和相位信息,并输出至采集模块。
[0032] 为达到上述目的,本发明还提供一种基于肌肉阻抗技术的测量方法,包括如下步 骤:
[0033] 步骤1 :选择测试部位,将肌肉阻抗电极置于该测试部位,并设定测量参数;
[0034] 步骤2 :利用微弱恒流源将信号发生器产生的正弦电压信号转换为微弱交变电流 并通过选择开关阵列送至肌肉阻抗电极的激励端;
[0035] 步骤3 :该选择开关阵列在控制信号的控制下选择相应的电压测量电极对,并将 提取的电压信号输出至放大模块;
[0036] 步骤4:该放大模块先将采集到的电压信号进行无失真放大,然后将电压信号与 激励电流同频同相的载波信号相乘以提取电压信号的幅度和相位信息,并输出至采集模 块;
[0037] 步骤5 :该采集模块将放大模块输出的电压信号模数转换后传输至上位机。
[0038] 与现有技术相比,本发明一种基于肌肉阻抗技术的电极及其制备方法、测量系统 和方法可在满足基本测试的基础上,同时在空域范围内线性提取待测肌肉阻抗信息,并完 成了肌肉阻抗信息各向异性的检测,消除了表面电极多次测量、标记和粘贴的繁琐操作过 程,具有便捷性和高可靠性。
【附图说明】
[0039] 为进一步说明本发明的技术内容,以下结合实施例及附图详细说明如后,其中:
[0040] 图1为本发明一种基于肌肉阻抗技术的电极的阵列结构示意图;
[0041] 图2为本发明一种基于肌肉阻抗技术的电极的制备方法的步骤流程图;
[0042] 图3为本发明较佳实施例中硅阵列电极的加工流程图;
[0043] 图4为本发明一种基于肌肉阻抗技术的测量系统的系统结构图;
[0044] 图5为本发明较佳实施例之微弱恒流源的原理框图;
[0045] 图6为本发明较佳实施例之锁相放大电路的基本原理图;
[0046] 图7为本发明一种基于肌肉阻抗技术的测量方法的步骤流程图;
[0047] 图8-1、图8-2、图8-3分别为一名63岁肌萎缩性侧索硬化症ALS和一名63岁健 康女性胫骨前肌的电阻(R)、电抗(X)、相位角(phase)的对比图;
[0048] 图9为测量了 12位正常人,6位肌萎缩病人的肱二头肌、肱三头肌、三角肌、胫骨前 肌、股二头肌、腓肠肌的肌肉阻抗,正常肌肉和萎缩肌肉的平均值的统计条形图。
【具体实施方式】
[0049] 以下通过特定的具体实例并结合【附图说明】本发明的实施方式,本领域技术人员可 由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同 的具体实例加以施行或应用,本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用,在不背离 本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0050] 图1为本发明一种基于肌肉阻抗技术的电极的阵列结构示意图。如图1所示,本 发明一种基于肌肉阻抗技术的电极,基于微电极阵列,其包括:
[0051] 电极底座10,由绝缘材料构成,其形状较佳可为圆形,但不以此为限;
[0052] 外圈电极,设置在该电极底座10的外圈,该外圈电极包含若干电流电极对1 (1') (称之为激励端),由该外圈电极向被测肌肉区域施加微弱交流电流;
[0053] 内圈电极,设置在外圈电极与该电极底座10的中心(或圆心)之间,该内圈电极 可包含由该外圈电极至中心(或圆心)依次设置的若干圈电极,每圈电极包含若干对电压 电极(称之为测量输出端),在本发明较佳实施例中,内圈电极具体包含5圈电极,各圈电极 依次包含若干2(2')~6(6')电压电极对。每对外圈电流电极对与对应的内圈电极对构 成一列电极,各列电极每隔一定角度(如5° )旋转铺排在该电极底座10上。在此需说明 的是,内圈电极并不以5圈电极为限。
[0054] 在本发明中,各电极对的电极可包含一个或多个电极针,电极针的材料可为硅或 不锈钢,可采用光刻和反应离子刻蚀(RIE)制作该硅针电极,硅针针长100~200um,硅针直 径40~60um,可穿透皮肤角质层,到达表皮层,实现无创、无痛检测脂肪层对肌肉阻抗特性 的影响实验。且使用时不需要涂抹导电膏,皮肤不会出现红肿、瘙痒等过敏反应,适合于长 期监测;对于不锈钢针,可采用激光微加工技术制备,激光具备高峰值功率和功率密度,非 线性吸收,作用时间极短等优点,烧蚀材料作用区域极小,甚至达到超衍射加工效果,加工 表面平整光滑,加工精度高,可控性强,完全满足微电极阵列的加工需求,在本发明较佳实 施例中,不锈钢微电极强度大,针长1〇_左右,能够穿透皮肤-脂肪层直接接触待检测肌肉 区域,实现直接MIT技术提取微弱的肌肉阻抗信息。
[0055] 在本发明较佳实施例中,使用时,可根据需要选用某些角度针列,如0°,±30°, ±60°,±90°,±120°,±150°,180°,测量负角度阻抗时无需拔插电极,因为肌肉阻抗 技术是一种交流阻抗,施加的交流电流激励信号无所谓的正负方向。本发明之肌肉阻抗技 术微电极阵列在满足基本测试的基础上,同时在空域范围内线性提取待测肌肉阻抗信息, 并完成了肌肉阻抗信息各向异性的检测(由于圆圈性排布是测各向异性的,同一条直线 上多对电压电极是测线性的,组合在一起则实现空域测量,整个肌肉平面的信息都可以提 取),消除了表面电极多次测量、标记和粘贴的繁琐操作过程,具有便捷性和高可靠性。
[0056] 图2为本发明一种基于肌肉阻抗技术的电极的制备方法的步骤流程图,图3为本 发明较佳实施例中硅阵列电极的加工流程图。如图2及图3所示,本发明一种基于肌肉阻抗 技术的电极的制备方法,采用光刻和反应离子刻蚀(RIE)制作硅针电极,其包括如下步骤:
[0057] 步骤201,选择一硅片301,清洗硅片301后,于该硅片301之一面溅射二氧化硅 302 掩膜(图 3(a));
[0058] 步骤202,各向异性深硅刻蚀得到柱状结构303 (图3 (b));
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