基于非接触式电阻抗成像和电流聚焦的脑中风监测装置及方法
本发明涉及电阻抗层析成像技术，尤其涉及一种非接触式电阻抗成像和电流聚焦的脑中风监测装置及方法。
背景技术：
1、脑中风是一种严重的脑血管疾病，有着发病紧急、致死和致残率高的特点，是世界范围内重点关注的疾病之一。中风的病因包括出血性病变和缺血性病变两种，不同中风类型的干预措施截然不同，需要进行绝对的区分。出血性中风患者需在发病后及时安排紧急手术，缺血性中风患者需发病后数小时内用组织型纤溶酶原激活剂溶栓治疗。由于中风的类型、位置和尺寸等信息对于患者治疗方案的选取起着至关重要的作用，对中风的快速诊断并给予及时干预和治疗对改善脑中风患者的预后十分关键。
2、在目前的脑中风临床诊断中，计算机断层扫描(computed tomography,ct)和磁共振成像(magnetic resonance imaging,mri)是主要采用的金标准影像学方法，由医生根据ct或mri获得的高分辨率颅内图像对病情做出可靠的评估。但由于ct、mri设备昂贵、体积庞大，无法在患者家中、救护车上或基层医疗单位及时安排ct或mri扫描，成为了快速诊断发病情况的主要限制因素。据报道，患者发病后送往医院、等待ct/mri扫描、等待扫描报告和诊断结果等过程往往需要数小时，只有约1/4的患者可以在黄金时段内得到干预。此外，ct/mri扫描会带来辐射伤害，不能作为治疗和康复过程中的长期监测手段。因此，针对新型脑中风监测技术的研究仍具有重要的科学研究意义和医学应用价值。临床上需要一种更为便捷和安全的技术手段，可以用于中风的快速诊断和实时监测，提高黄金时段内中风患者的干预率，并且在治疗过程中监测病变区域的发展，最大程度上改善中风患者的预后情况，保障其生命健康和生活质量。
3、电阻抗层析成像(electrical impedance tomography,eit)技术是20世纪80年代提出的一种电学成像技术，具有结构简单、响应快速、成本低、安全性高、可靠性好等优点，是目前生物医学成像领域中的热点技术。但是，现有的eit技术仍不能满足实际应用的要求，其技术瓶颈主要集中在接触式测量以及脑部复杂结构两方面。一方面，eit系统要求电极和头皮紧密接触，是一种对病患“不友好”的测量模式，不仅会给病患造成额外的生理和心理伤害，而且存在接触阻抗问题。针对该问题，研究人员提出了电容耦合电阻抗层析成像(capacitively coupled electrical impedance tomography，cceit)技术，通过引入电容耦合原理实现了非接触式电阻抗测量，并验证了其在脑成像中的可行性，展现出了其发展成为对病患“友好”的脑中风监测手段的潜力。然而，作为一种新技术，相关研究仍不充分。另一方面，脑部结构中头皮、头骨的存在会显著阻碍电阻抗信号的测量通路，影响有效信号的探测深度。在eit脑中风监测中，脑部结构中头皮、头骨的存在会显著阻碍电阻抗信号的测量通路，影响有效信号的探测深度。该问题同样也是制约非接触式电阻抗成像技术在脑中风监测中进一步发展的重要因素。针对该问题，在现有的eit脑中风监测中，研究人员采用植入电极等方法，但是，该方法不适用于非接触式电阻抗成像。因此，亟需寻求更为有效的非接触式脑中风监测装置及方法，可以同时克服非接触式测量的问题并降低脑部结构的测量通路的不利影响。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明公开了一种基于非接触式电阻抗成像和电流聚焦的脑中风监测装置及方法，通过引入聚焦激励原理与cceit技术相结合，设计了一种非接触式可穿戴脑中风监测装置，并提出了相应的脑中风监测新方法，可以在非接触式测量的同时降低脑部结构对电阻抗测量通路的影响，获得更高灵敏度和可靠性的脑中风监测结果。与基于ct/mri的脑中风监测装置及方法相比，本发明具有可穿戴、安全友好、成本低、成像速度快等优点，适用于ct/mri等设备无法覆盖的居家、诊所、救护车等需要快速诊断或实时监测的场景。与现有基于电阻抗成像的脑中风监测装置及方法相比，本发明可以实现非接触式测量，避免了现有电阻抗成像装置及方法中病患需剃发或头皮植入电极的测量要求，同时提高了对中风区域的电阻抗测量及成像灵敏度。
2、本发明的技术方案如下：
3、第一方面，本发明提供了一种用于脑中风监测的非接触式电流聚焦传感器，所述传感器呈半球壳形状，由外到内依次包括聚焦电极层、第一绝缘层、检测电极层和第二绝缘层；
4、聚焦电极层包括n块形状大小相同的球面柔性金属聚焦电极，相邻聚焦电极之间留有缝隙，互不接触，共同构成半球壳形状用于覆盖人脑区域；聚焦电极用于在被施加激励信号后实现电流聚焦效应，n≥2；
5、检测电极层包括多块检测电极，检测电极用于获取含有脑部电阻抗信息的检测电流，所有检测电极被分为n组，n组检测电极与n块聚焦电极一一对应，每组检测电极被布置在其对应的聚焦电极的覆盖区域，且组内的各检测电极在覆盖区域内均匀分布；
6、聚焦电极层与检测电极层之间由第一绝缘层隔开，实现激励和检测信号的隔离；第二绝缘层作为非接触式电流聚焦传感器的最内层。
7、第二方面，本发明提供了一种基于非接触式电阻抗成像和电流聚焦的脑中风监测装置，其包括所述的非接触式电流聚焦传感器，还包括电极切换模块、数据采集模块和图像重建上位机；
8、所述电极切换模块用于控制和切换聚焦电极和检测电极的状态；
9、所述数据采集模块用于控制电极切换模块，并产生激励信号给聚焦电极，数据采集模块采集检测电极的检测信号，并与图像重建上位机通信；
10、所述图像重建上位机用于实现图像重建，获得脑中风监测的实时图像和量化参数。
11、第三方面，本发明还提供了一种基于所述装置的脑中风监测方法，其包括以下步骤：
12、1)图像重建上位机通过串口发送数据采集指令，数据采集模块进入采集模式，初始化电极状态，所有聚焦电极初始化为接地状态，所有检测电极初始化为悬浮状态；
13、2)聚焦电极的选取：当n＝2时，选择1块聚焦电极切换到激励状态，未处于激励状态的聚焦电极则切换到接地状态；当n≥3时，选择n-2块或n-1块相邻的聚焦电极切换到激励状态，未处于激励状态的聚焦电极则切换到接地状态；
14、3)完成聚焦电极的选取后，选择1块检测电极使其处于检测状态以实现检测信号的采集，未处于检测状态的检测电极切换到悬浮状态；其中，处于检测状态的检测电极从处于接地状态的聚焦电极所覆盖区域对应的检测电极组中选择，每次从中选择1块检测电极切换到检测状态，其余电极处于悬浮状态；完成一次检测电极选择后，图像重建上位机控制数据采集模块进行一次数据采集，并发送给图像重建上位机；当完成一次数据采集后，即切换检测电极，直到将处于接地状态的聚焦电极所覆盖区域对应的检测电极组中的检测电极依次切换到检测状态并完成信号采集，由此完成一组聚焦电极选取方案下的信号测量；
15、4)返回步骤2)改变聚焦电极的选取方案，当n＝2时，选择另一块聚焦电极切换到激励状态；当n≥3时，选择先前未组合过的n-1块或n-2块相邻的聚焦电极切换到激励状态，并重复步骤3)进行当前聚焦电极选取方案下的一组信号测量；直至将所有可选的聚焦电极的组合选取方案均选取并测量完毕；
16、5)图像重建上位机根据采集的数据计算出所有的独立电阻抗测量值，并利用图像重建算法重建图像，获得脑中风监测可视化图像，并计算得到脑中风监测量化参数。
17、本发明与现有技术相比具有的有益效果：
18、1)本发明与现有的脑中风监测装置及方法相比，具有非接触、可穿戴、安全友好、灵敏度高、成本低、成像速度快等优点，适用于ct/mri等设备无法覆盖的居家、诊所、救护车等需要快速诊断或实时监测的场景。
19、2)本发明与现有的基于电阻抗成像的脑中风监测装置及方法相比，不要求病患剃发或植入电极，可以以非接触、友好的方式实现脑中风成像，为脑中风的实时监测提供新的优化方案。
20、3)本发明与现有的基于电阻抗成像的脑中风监测装置及方法相比，引入电流聚焦效应与非接触式电阻抗成像相结合，通过聚焦激励提高信号的探测深度和灵敏度，有效减少绝缘层以及脑部结构中的头皮、头骨对电阻抗测量的不利影响，获得更多携带脑中风信息的有效电阻抗信号，进而获得更高质量的可视化图像以及量化参数。
技术特征：
1.一种用于脑中风监测的非接触式电流聚焦传感器，其特征在于，所述传感器呈半球壳形状，由外到内依次包括聚焦电极层、第一绝缘层、检测电极层和第二绝缘层；
2.根据权利要求1所述的用于脑中风监测的非接触式电流聚焦传感器，其特征在于，各检测电极的形状大小完全相同，检测电极为圆形柔性金属电极；每组检测电极内的检测电极直径≥10mm。
3.一种基于非接触式电阻抗成像和电流聚焦的脑中风监测装置，其特征在于，其包括权利要求1所述的非接触式电流聚焦传感器，还包括电极切换模块、数据采集模块和图像重建上位机；
4.根据权利要求3所述的脑中风监测装置，其特征在于，所述非接触式电流聚焦传感器中的聚焦电极具有激励和接地两种状态，检测电极具有检测和悬浮两种状态；所述数据采集模块产生控制信号发送给电极切换模块，由电极切换模块进行聚焦电极、检测电极状态的控制和切换。
5.根据权利要求3所述的脑中风监测装置，其特征在于，电极切换模块包括继电器和对应的nmos管，继电器数量与聚焦电极和检测电极的总数相同，由nmos管与继电器实现聚焦电极与检测电极的状态的独立控制和切换；其中nmos管与数据采集模块的相连，用于接收数据采集模块发送的控制信号。
6.根据权利要求3所述的脑中风监测装置，其特征在于，所述数据采集模块包括用于检测信号电流-电压转换的i/v转换单元、控制单元、信号发生器、示波器、通信单元与供电单元；i/v转换单元与检测电极相连获取检测信号，控制单元负责控制电极切换模块的状态；信号发生器负责产生高频正弦激励信号，经由电极切换模块后输送给聚焦电极；示波器与i/v转换单元相连，负责采集i/v转换单元输出的检测信号；通信单元负责数据采集模块与图像重建上位机间的通信；供电单元负责为整个系统提供稳定的直流电压。
7.根据权利要求3所述的脑中风监测装置，其特征在于，所述电极切换模块的pcb设计为圆环形状，嵌套在半球壳形状的非接触式电流聚焦传感器的最大半径外围。
8.一种基于权利要求3所述装置的脑中风监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的脑中风监测方法，其特征在于，所述聚焦电极的数量为4，每块聚焦电极覆盖区内包含6块检测电极；步骤2)单组测量时，选择2块或3块相邻的聚焦电极切换到激励状态；
技术总结
本发明公开了一种基于非接触式电阻抗成像和电流聚焦的脑中风监测装置及方法。该装置由非接触式电流聚焦传感器、电极切换模块、数据采集模块和图像重建上位机构成。非接触式电流聚焦传感器包括聚焦电极层、检测电极层和两层绝缘层。其中，聚焦电极用于实现电流聚焦效应，提高信号的探测深度和灵敏度；检测电极负责获取含有脑部电阻抗信息的检测电流。图像重建上位机用于实现图像重建，获得脑中风的实时图像和量化参数。本发明具有非接触、可穿戴、安全友好、灵敏度高、成本低、成像速度快等优点，适用于CT/MRI等设备无法覆盖的居家、诊所、救护车等需要快速诊断或实时监测的场景，并且避免了现有电阻抗成像设备中病患需剃发或植入电极的测量要求。
技术研发人员：姜燕丹,李伟明,冀海峰,王保良
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5