一种基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法，属于生物电阻抗成像技术与应用领域。该方法利用一段时间内成像系统采集的原始传输阻抗数据，通过统计分析，获取各测量通道的相对测量精度，再通过进一步的运算分析，获得与各测量及激励电极对相关的平均测量精度，并根据该平均测量精度所在范围检测出电极与皮肤的接触状态。本发明提供的方法可实时、快速、准确地检测电极接触质量，使操作人员及时、快速排除电极连接异常成为可能，也为连续电阻抗数据采集质量的评估提供了参考依据。
【专利说明】
一种基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于生物电阻抗成像技术与应用领域，涉及一种电阻抗数据采集技术，具 体涉及一种基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法。
【背景技术】
[0002] 电阻抗成像技术是通过贴放在体表的电极依次向人体注入弱的、对人体完全无创 的交流电流，并测量各相关电极对上的响应电压信号，再通过特定的图像重构算法，构建反 应目标区域内组织电阻率分布或其变化情况的图像的成像技术。由于活体组织的电阻率与 组织的功能状态密切相关，因而电阻抗成像技术具有功能成像优势，能够实现相关疾病的 相关参数的超早期检测。加之成像过程中不需要使用射线、核素等对人体有害的媒介，具有 无创、低成本等优势，能较好弥补现有医学成像技术的不足，因而是当前相关领域的研究热 点。
[0003] 在电阻抗成像过程中，由于电流在体内的非线性分布特性，图像重构过程具有严 重的病态性，测量数据的微小扰动有可能导致较大的重构误差，因而要求数据采集系统具 有极高的测量精度。即往的研究结果表明：除硬件系统本身原因外，电极与皮肤间的接触效 果是影响信号测量质量的关键因素：当存在接触不良时，一方面会导致测量系统对外界干 扰更加敏感，另一方面会因接触阻抗的不稳定引入测量数据的不确定性，会导致整体信号 质量的下降和成像结果的伪差。
[0004] 综上，在实际的临床应用中，一方面需要对测量数据的质量进行监测以确保成像 数据的可靠性，另一方面还需要在部分电极出现接触异常时，在众多的电极中对这些电极 进行快速定位以利于及时排除问题，因而需要有适当的方法进行检测与判定。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于测量精度的 电阻抗检测用电极接触状态检测方法，该方法能够快速、自动检测电极的连接状态，能够让 操作人员及时调整电极连接状态，为保障阻抗测量的准确性提供可靠的依据。
[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0007] -种基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法，包括以下步骤：
[0008] 1)利用电阻抗测量系统采集传输阻抗数据，获取一段时间内各通道的原始数据， 各通道内包括一对激励电极与一对测量电极；
[0009] 2)统计分析该段时间内各通道的传输阻抗的相对测量精度，建立相对精度矩阵， 分别计算测量电极对和激励电极对的相对精度矩阵；
[0010] 3)对比精度矩阵中的各元素，当相对精度超过设定的下限阈值或上限阈值时，将 对应电极的状态计数值增加1，根据各电极的状态计数值，检测得到各电极的接触状态。
[0011] 步骤2)中，所述相对精度矩阵的建立采用以下步骤：
[0012] (1)取当前时刻前一定时间内采集到的各帧传输阻抗测量数据，若连续采集时间 小于该时间，则取已采集到的全部数据，分别统计各通道数据的均值^;：/和标准差SU，其中 0〈i，j，i和j分别对应测量电极对和激励电极对，η为电极数；
[0013] (2)t
I依据，计算各通道的相对精度Pi,j，并建立相对精度矩阵PeR n Xn_
[0014；
[0015] 矩阵中每一行代表同一测量电极对，每一列代表同一激励电极对。
[0016] 步骤2)中，计算测量电极对的方法为：
[0017] 采用相对精度矩阵P与nXl矩罔
进行乘积运算，得到反映各测量电 极对上的平均相对精度矩阵MS:
[0018] MS = PXR=[msi，···，msn]T;
[0019] 计算激励电极对的方法为：
[0020] 采用相对精度矩阵P的转置矩阵?7与11乂1矩阵
进行乘积运算，得到 反映各激励电极对上的平均相对精度矩阵DS:
[0021] DS = PTXR= [dsi，…，dsn]T〇
[0022] 步骤3)中，各电极的状态计数值的计算方法为：
[0023]对比矩阵MS和DS中各元素与预设的上限阈值、下限阈值：
[0024]当平均精度11181或(181小于下限阈值时，判定第i对电极均接触良好；
[0025] 当平均精度!1181或(181大于上限阈值时，判定第i对电极中存在断开电极，并将该电 极对中各电极的断开计数增加1;
[0026] 当平均精度mSlSdSl处于上限阈值与下限阈值之间时，判定第i对电极中存在不良 接触电极，并将该电极对中各电极的接触不良计数增加1。
[0027] 步骤3)中，根据各电极的状态计数值，检测得到各电极的接触状态的操作为：
[0028] 依次统计各电极的状态计数值:若某一电极的接触不良和断开计数之和〈3,则判 定该电极接触正常；否则，若断开计数多3,则判定该电极断开;若以上条件均不满足，则认 为相应电极接触不良。
[0029] 所述的下限阈值和上限阈值可以根据具体的电极特性、应用部位及应用需求进行 调整。
[0030] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0031] 本发明公开的基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法，利用一段时 间内成像系统采集的原始传输阻抗数据，通过统计分析，获取各测量通道的相对测量精度， 再通过进一步的运算分析，获得与各测量及激励电极对相关的平均测量精度，并根据该平 均测量精度所在范围检测出电极与皮肤的接触状态。该检测方法不需要附加的硬件电路和 额外的数据采集过程，便可以实时、快速地对各电极的接触状态做出准确检测，并指导医护 人员快速定位异常电极并进行修正，保证了电阻抗成像技术临床使用的便捷性。同时，检测 过程不仅可用于对电极接触质量的快速、准确判定，还可用于对所测电阻抗数据质量的分 析与评估，从而进一步保证结果的准确性。
【附图说明】
[0032]图1为电阻抗成像数据采集方式示意图；
[0033]图2为电阻抗测量电路原理图；
[0034] 图3为正常电极接触状态下各通道测量精度的分布图；
[0035] 图4为正常电极连接条件下，电极对的平均精度分布雷达图；其中，（a)为测量电极 对;（b)为激励电极对；
[0036] 图5为第10号电极接触不良状态下各通道测量精度的分布图；
[0037] 图6为第10号电极接触不良状态下，电极对的平均精度分布雷达图；其中，（a)为测 量电极对;（b)为激励电极对；
[0038] 图7为第10、11号电极接触不良状态下各通道测量精度的分布图；
[0039] 图8为第10、11号电极接触不良状态下，电极对的平均精度分布雷达图；其中，（a) 为测量电极对;（b)为激励电极对；
[0040] 图9为10、12号电极接触不良状态下各通道测量精度的分布图；
[0041] 图10为10、12号电极接触不良状态下，电极对的平均精度分布雷达图；其中，（a)为 测量电极对;（b)为激励电极对；
[0042] 图11为本发明的基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法流程框图。
【具体实施方式】
[0043] 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。
[0044] 本发明提供的一种基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法，利用一 段时间内成像系统采集的原始传输阻抗数据，通过统计分析，获取各测量通道的相对测量 精度，再通过进一步的运算分析，获得与各测量及激励电极对相关的平均测量精度，并根据 该平均测量精度所在范围判定电极与皮肤的接触质量。
[0045] 1、电阻抗成像数据采集工作原理
[0046] 生物电阻抗成像系统通过贴于成像目标外周的一组体表电极进行目标区域的电 阻抗信息的采集与成像。参见图1，成像测量过程中，系统首先选择其中的一对电极与激励 源相连，用以注入所需的激励电流I。随后，通过电压测量电路依次测量(并行测量系统是同 步测量)各电极对之间的电压差并通过公式：
[0047]
[0048] 计算当前通道下的传输阻抗Ζ^。其中，i和j分别对应测量对和激励电极对。完成 当前激励电极对下的所有测量后，系统将激励电流切换至下一对电极，并继续进行各电极 对之间的电压差测量，直到所有电极均遍历一次，获得1帧、NXN(N为电极数目）通道的传输 阻抗数据用于图像重构。
[0049] 2、电极接触状态对阻抗测量结果的影响
[0050] 参见图2,是实际的成像数据采集过程的等效电路。从中可以看出：电极与皮肤间 会因导电介质的相互转换而产生相应的接触阻抗Zcl~Zc4。同时由于恒流源的输出阻抗 Zout和电压测量电路的输入阻抗Zin均不可能无限大，因而当接触阻抗的变化会在一定程 度通过分流或分压效应影响对被测目标的测量。
[0051] 当电极与皮肤之间接触良好时，接触阻抗Zcl~Zc4数值较小且相对稳定，其影响 是以非线性误差的方式体现在最终的测量结果中，并可以在一定程度上通过定标校准来抑 制。而当接触不良时，一方面接触阻抗本身会处于不稳定状态，另一方面会在电极与皮肤间 产生较大的接触噪声，此外还会使测量系统对外界干扰更加敏感，这些过程均会大大降低 传输阻抗测量结果的准确性与稳定性，并最终影响成像效果。因而在实际应用中，必须及时 发现、定位这些接触不良的电极，并及时修正。
[0052] 3、电极接触状态检测方法
[0053]从以上的原理分析可以看出：当电极皮肤接触良好时，接触阻抗处于相对较小且 稳定的状态，从相应电极上测得的传输阻抗受外界干扰及接触噪声的影响相对较小，因而 其在一定时间内保持相对稳定。为评价其稳定性，我们计算短时间（如2分钟）内各通道自身 传输阻抗的标准差和均值iy之间的比值PU作为相对测量精度(其中〇〈i，j<n分别对 应测量和激励电极对，η为电极数），用以评估相应电极的接触状况。
[0054]图3是电极正常连接状态下16电极成像测量系统在胸腹部测量所得到的各通道相 对测量精度分布图，可以看出各通道的短时相对精度均低于1%(对于人体的不同部位，该 数值也不同）。
[0055] 为进一步分析，我们构建矩阵P e RnXn:
[0056]
[0057] 并分别计算P及其转置矩阵1矩P
、的乘积，可获得各测量电 极对和激励电极对的平均精度矩阵SM和SD。图4为正常电极连接条件下，（a)图为各测量电 极对的平均精度分布雷达图；（b)图为各激励电极对的平均精度分布雷达图。可以看出，所 得均值均处于0.5%以下的水平(对于人体的不同部位，该数值也不同）。
[0058]图5~图10分别示出第10号电极、第10和11号电极、第10和12号电极轻微接触不良 情况下各通道的短时相对精度分布图和各测量及激励电极对上的平均精度雷达图。上述3 种接触不良模型代表了临床中的单一电极、一对相邻电极和一对间隔电极的接触不良状 况，其它情况可通过上述3种叠加获得。从中可以看出：可以看出含有接触异常电极的电极 对上的平均精度均大于正常电极的1.5倍。
[0059]异常电极的最终检测流程如图11所示：在计算得到矩阵MS和DS后，分别对矩阵中 的元素 msi和dsi进行比较分析：当msi或dsi>下限阈值时，怀疑该测量或激励电极对中存在 接触不良或断开电极，需进一步判断：当该元素〉上限阈值时，认为含有断开电极，并将该电 极对中各电极的断开计数增1，否则认为含有接触不良电极，并将接触不良计数增1。完成对 矩阵MS和DS中所有元素的比较分析后，再对各电极状态计数进行分析:若接触不良和断开 计数之和〈3,则判定该电极接触正常；否则，若断开计数多3,则判定该电极断开;若以上条 件均不满足，则认为相应电极接触不良。断开若接触不良和断开计数之和多3。
[0060] 综上所述，本发明方法利用短时间内电阻抗测量系统采集所得的传输阻抗原始数 据，计算各测量通道的相对测量精度，并分别计算同一测量电极对和同一激励电极对下的 各通道的平均相对精度，当相对精度超过设定阈值时，判定该电极对存在接触不良或断开 电极，并将相应电极的接触状态计数值(接触不良计数或断开计数)增加1。最后依据各电极 的接触不良及断开计数的数值判定电极接触状态。本发明提供的方法可实时、快速、准确地 检测电极接触质量，使操作人员及时、快速排除电极连接异常成为可能，也为连续电阻抗数 据采集质量的评估提供了参考依据。
[0061] 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。
【主权项】
1. 一种基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法，其特征在于，包括以下 步骤： 1) 利用电阻抗测量系统采集传输阻抗数据，获取一段时间内各通道的原始数据，各通 道内包括一对激励电极与一对测量电极； 2) 统计分析该段时间内各通道的传输阻抗的相对测量精度，建立相对精度矩阵，分别 计算测量电极对和激励电极对的相对精度矩阵； 3) 对比精度矩阵中的各元素，当相对精度超过设定的下限阈值或上限阈值时，将对应 电极的状态计数值增加1，根据各电极的状态计数值，检测得到各电极的接触状态。2. 根据权利要求1所述的基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法，其特 征在于，步骤2)中，所述相对精度矩阵的建立采用以下步骤： (1) 取当前时刻前一定时间内采集到的各帧传输阻抗测量数据，若连续采集时间小于该时间，则取已采集到的全部数据，分别统计各通道数据的均值^^和标准差su，其中0〈i， j < η，i和^ ?1骨电极对和激励电极对，η为电极数； (2) 卩 I依据，计算各通道的相对精度Pi, j，并建立相对精度矩阵P e Rnxn:矩阵中每一行代表同一测量电极对，每一列代表同一激励电极对。3. 根据权利要求2所述的基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法，其特 征在于，步骤2)中，计算测量电极对的 采用相对精度矩阵P与η Xl矩阵进行乘积运算，得到反映各测量电极对 上的平均相对精度矩阵MS: MS = P XR= [msi，…，msn]T;计算激励电极对的方法为： 采用相对精度矩阵P的转置矩阵1矩 往行乘积运算，得到反映 各激励电极对上的平均相对精度矩阵DS: DS = PtXR = [dsi，…，dsn]T〇4. 根据权利要求3所述的基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法，其特 征在于，步骤3)中，各电极的状态计数值的计算方法为： 对比矩阵MS和DS中各元素与预设的上限阈值、下限阈值： 当平均精度11181或(181小于下限阈值时，判定第i对电极均接触良好； 当平均精度msi或dsi大于上限阈值时，判定第i对电极中存在断开电极，并将该电极对 中各电极的断开计数增加1; 当平均精度His1Sds1处于上限阈值与下限阈值之间时，判定第i对电极中存在不良接触 电极，并将该电极对中各电极的接触不良计数增加1。5. 根据权利要求4所述的基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方法，其特 征在于，步骤3)中，根据各电极的状态计数值，检测得到各电极的接触状态的操作为： 依次统计各电极的状态计数值:若某一电极的接触不良和断开计数之和〈3,则判定该 电极接触正常；否则，若断开计数多3,则判定该电极断开;若以上条件均不满足，则认为相 应电极接触不良。6.根据权利要求1或4或5所述的基于测量精度的电阻抗检测用电极接触状态检测方 法，其特征在于，下限阈值和上限阈值能够根据具体的电极特性、应用部位及应用需求进行 调整。
【文档编号】A61B5/053GK105997072SQ201610445420
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】史学涛, 董秀珍, 祁琦, 李衡, 尤富生, 季振宇, 付峰, 刘锐岗, 夏军营, 刘本源
【申请人】中国人民解放军第四军医大学