一种基于生物电阻抗测量的交叉四电极安放位置寻优方法技术

本发明专利技术涉及一种基于生物电阻抗测量的交叉四电极安放位置寻优方法，属于医用检测技术领域。该方法包括：S1：建立胸腔横断面的精细化仿真模型并确定仿真参数，通过仿真软件获取初始安放位置下两个测量电极之间的电压；S2：改变肺部的空气填充系数v进行仿真计算，得到不同v条件下对应的两电压测量电极电势差的模；S3：采用遍历法以较大步长在可行域内建立多个仿真模型并重复步骤S2；S4：根据仿真结果，对比不同仿真模型在相同的气体填充系数变化范围内，电压测量电极的电压模数的变化率，将其大小视为呼吸灵敏度的依据，初步选定灵敏度最高的位置；S5：缩小各电极间张角的变化步长，确定最优解，并将其视为最佳电极安放位置。并将其视为最佳电极安放位置。并将其视为最佳电极安放位置。

【技术实现步骤摘要】
一种基于生物电阻抗测量的交叉四电极安放位置寻优方法


[0001]本专利技术属于医用检测
，涉及一种基于生物电阻抗测量的交叉四电极安放位置寻优方法。

技术介绍

[0002]目前，由于专业检测设备储量不足，使得无法满足疑似或确诊病人肺功能参数的快速检测以及肺功能状态动态跟踪的需求。故亟需一种快速、准确的肺功能检测技术辅助肺部健康状况进行高效、及时地诊断。这项技术对于大规模呼吸系统疾病的控制和预防有着重要的意义。
[0003]在现有的两种常用检测方法(容量测定型、流量测定型)中，都存在着一些明显且不可忽视的问题，使其在检测过程中存在极大的局限性。为了尽可能避免检测过程中可能存在交叉感染的风险，利用生物电阻抗技术实现胸腔阻抗的测量，进而实现对肺功能状态的监测的方法获得日益广泛的关注。目前基于此提出的检测方法有电桥法、双电极法、四电极法等。其中，电桥法存在调节范围小、精度低等问题；双电桥法存在电流分布不均、检测时存在极化现象对检测信号产生干扰等问题。对传统四电极法进行改进并由此测量胸腔阻抗成为当前重要的研究方向。
[0004]生物阻抗的测量精度与电极安放位置关系密切，为准确获取肺部活动导致的胸部阻抗变化情况，在实测之前，需要明确电极安放位置对测量效果的影响。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于生物电阻抗测量的交叉四电极安放位置寻优方法，通过构建胸腔横断面的精细化仿真模型分析获得电极安放位置与测量精度关系，从而提高肺功能参数测量的准确度。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于生物电阻抗测量的交叉四电极安放位置寻优方法，包括以下步骤：
[0008]S1：建立胸腔横断面的精细化仿真模型，并确定各个仿真参数，通过COMSOL仿真软件获取初始安放位置下两个测量电极之间的电压；
[0009]S2：改变肺部的空气填充系数v进行仿真计算，得到不同v条件下对应的两电压测量电极电势差的模；
[0010]S3：采用遍历法以较大步长在可行域内建立多个仿真模型并重复步骤S2；
[0011]S4：根据仿真结果，对比不同仿真模型在相同的气体填充系数变化范围内，电压测量电极的电压模数的变化率，将其大小视为呼吸灵敏度的依据，初步选定灵敏度最高的位置；
[0012]S5：缩小各电极间张角的变化步长，确定最优解，并将其视为最佳电极安放位置。
[0013]进一步，步骤S1中，建立胸腔横断面的精细化仿真模型具体包括：根据胸腔各组织电导率的不同将其划分为皮肤及皮下组织、血液、肌肉、肺、心脏以及骨骼6个不同的区域，
建立胸部横断面等效简化模型；
[0014]肺组织电导率γ
L
的计算公式为：
[0015][0016]其中，f表示激励频率。
[0017]进一步，步骤S1中，初始电极安放位置为胸腔横断面的长、短轴顶点。
[0018]进一步，步骤S3中，采用遍历法以较大步长在可行域内建立多个仿真模型，即是改变各个电极相对于胸腔中心点的张角，获得不同电极安放条件下对应的仿真模型。
[0019]进一步，步骤S4中，呼吸灵敏度的计算方法包括：定义C
z
为阻抗模数的最大变化百分比，其代表一个呼吸周期始末测得的生物阻抗的变化率，用于表征各不同电极安放位置条件下测得的电信号对呼吸的敏感度；C
z
的定义式为：
[0020][0021]其中，U和I分别表示两电压测量电极的电压以及激励电流的幅值，Z表示测得的生物阻抗，下角标代表空气填充系数为某个值条件下测得的对应生物阻抗，如：|Z|
v＝1.4
表示空气填充系数为1.4条件下测得的生物阻抗。
[0022]进一步，步骤S4中，电压测量电极的电压模数与空气填充系数v的关系式为：
[0023]|U|＝a
·
v
b
+c
ꢀꢀ
(3)
[0024]其中，a，b，c分别表示拟合函数的各项系数，由此说明交叉四电极法能够根据测得的电压信号计算肺部气体的变化量。
[0025]进一步，步骤S4中，通过修改电极的相对位置获取呼吸灵敏感度最高的电极安放位置。
[0026]进一步，步骤S4中，初步选定灵敏度最高的位置，具体包括：选取电极安放位置时只考虑胸腔靠近腹部一侧的前半部分，U1、U2、I1、I2分别表示两个电压测量电极和两个电流激励电极；θ
i
(i＝1,2,3)表示相邻电极间的中心张角，即两电极的几何中心和胸腔横断面几何中心连线间的夹角；为确保电极间不会相互干扰，规定θ
i
＞＝5
°
；
[0027]各电极安放位置的具体寻优步骤为：
[0028]S41：取U1电极的安放位置为胸腔横断面的左顶点A，θ1＝θ2＝5
°
；
[0029]S42：取θ3的变化步长为5
°
，其取值集合为[5
°
,360
°‑
θ1‑
θ2]，分别将各个模型导入COMSOL仿真软件进行仿真计算；
[0030]S43：保持U1电极位置不变，并取θ1＝5
°
；
[0031]S44：取θ2＝5+5k，k∈[1,(175
°‑
θ1)/5
°
],k∈Z，重复上述步骤S42，其中k取最大值时表示I2电极安放在胸腔横断面的右顶点B，此时，θ3取最小值，为5
°
；
[0032]S45：取θ1＝5+5m，m∈[1,34]，m∈Z，重复上述步骤S44，其中m取最大值时表示I2电极安放在胸腔横断面的右顶点B，此时，θ2和θ3取最小值，为5
°
；
[0033]S46：将U1电极的安放位置绕着中心点O旋转5n
°
，n∈[1,33]，n∈Z，重复上述步骤S44和S45，其中n取最大值时表示I2电极安放在胸腔横断面的右顶点B，此时θ1、θ2和θ3取最
小值，为5
°
；
[0034]根据式(2)对上述步骤建立的各个模型进行仿真计算和筛选，计算出各种电极安放位置条件下的生物阻抗模数变化百分比；通过比较，找到电极安放位置条件下测得的呼吸敏感度最高的模型，此时电压测量电极U1和电流激励电极I2的安放位置分别为胸腔横断的左、右顶点A、B，用于确定另外两个电极位置的参数为：θ1＝θ3＝20
°
。
[0035]进一步，步骤S5中，寻找最优解，缩小各个电极间夹角的变化步长是很有必要的。分别调整单个电极的位置，使得各夹角满足θ1＝20
±4°
，θ2＝20
±4°
，调整的分度值为1
°
；最终确定电极最优安放位置。
[0036]本专利技术的有益效果在于：
[0037]1)本专利技术基于胸腔横断本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于生物电阻抗测量的交叉四电极安放位置寻优方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：建立胸腔横断面的精细化仿真模型，并确定各个仿真参数，通过仿真软件获取初始安放位置下两个测量电极之间的电压；S2：改变肺部的空气填充系数v进行仿真计算，得到不同v条件下对应的两电压测量电极电势差的模；S3：采用遍历法以较大步长在可行域内建立多个仿真模型并重复步骤S2；S4：根据仿真结果，对比不同仿真模型在相同的气体填充系数变化范围内，电压测量电极的电压模数的变化率，将其大小视为呼吸灵敏度的依据，初步选定灵敏度最高的位置；S5：缩小各电极间张角的变化步长，确定最优解，并将其视为最佳电极安放位置。2.根据权利要求1所述的交叉四电极安放位置寻优方法，其特征在于，步骤S1中，建立胸腔横断面的精细化仿真模型具体包括：根据胸腔各组织电导率的不同将其划分为皮肤及皮下组织、血液、肌肉、肺、心脏以及骨骼6个不同的区域，建立胸部横断面等效简化模型；肺组织电导率γ
L
的计算公式为：其中，f表示激励频率。3.根据权利要求1所述的交叉四电极安放位置寻优方法，其特征在于，步骤S1中，初始电极安放位置为胸腔横断面的长、短轴顶点。4.根据权利要求1所述的交叉四电极安放位置寻优方法，其特征在于，步骤S3中，采用遍历法以较大步长在可行域内建立多个仿真模型，即是改变各个电极相对于胸腔中心点的张角，获得不同电极安放条件下对应的仿真模型。5.根据权利要求2所述的交叉四电极安放位置寻优方法，其特征在于，步骤S4中，呼吸灵敏度的计算方法包括：定义C
z
为阻抗模数的最大变化百分比，其代表一个呼吸周期始末测得的生物阻抗的变化率，用于表征各不同电极安放位置条件下测得的电信号对呼吸的敏感度；C
z
的定义式为：其中，U和I分别表示两电压测量电极的电压以及激励电流的幅值，Z表示测得的生物阻抗，下角标代表空气填充系数为某个值条件下测得的对应生物阻抗。6.根据权利要求5所述的交叉四电极安放位置寻优方法，其特征在于，步骤S4中，电压测量电极的电压模数与空气填充系数v的关系式为：|U|＝a
·
v
b
+c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，a，b，c分别表示拟合函数的各项系数。7.根据权利要求1所述的交叉四电极安放位置寻优方法，其特征在于，步骤S4中，通过修改电极的相对位置获取呼吸灵敏感度最高的电极安放位置。8.根据权利要求1所述的交叉四电极安...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪金刚，宋承昕，张亚鹏，张一鸣，赵鹏程，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：