基于电阻抗检测的压疮柔性传感器

本发明属于电阻抗检测领域的应用，具体涉及一种针对压疮检测的柔性电极传感器。

背景技术：

1、电阻抗成像技术利用电极传感器测量边界电压信息，通过数学方法逆推被测物体的电特性参数分布，从而推导出真实物体内部物体的分布情况。柔性电极传感器的研究是生物组织相关检测中的重要环节，其具有与人体皮肤相匹配的柔韧性与可拉伸性，适用于人体的正常皮肤曲率下，并且能够在对皮肤无害且舒适的情况下提供准确的测量信号。近年来电阻抗层析成像的相关传感器受到了研究学者的广泛关注。

2、目前基于电阻抗检测的传感器研究，主要可以概括为以下几个方面：

3、1以同类型组织损伤压疮或皮肤损伤为研究内容，进行电极传感器进行设计；

4、2通过给予电极阵列不同的电流激励模式，得到的电压数据逆推被测物体的电特性参数，探究不同激励模式对于电阻抗检测的影响。

5、3改变电极阵列形式，得到不同电极阵列下的电压值，配合图像重建算法，探究不同电极阵列对于电阻抗检测的影响。

6、目前文献中提及同类型组织损伤压疮或皮肤损伤的研究中，2012年narayanaswami等人(narayanaswami p,spieker aj,mongiovi p,keel j c,muzin s c,and rutkove s b.utilizing ahandheld electrode array for localized muscleimpedance measurements，《muscle nerve》,2012,46:257-263)设计了一种手持式4电极阵列通过测量肌肉的电阻抗数据评估肌肉是否健康，说明了利用电阻抗测量检测肌肉损伤具有可行性，但这种手持4电极系统属于刚性传感器且检测数量少，并不适用于挤压伤电阻抗检测。

7、目前文献中提及改变电流激励模式影响电阻抗测量中，2019年kekonen等人(kekonen a,bergelin m,johansson m,et al.bioimpedance sensor array for long-term monitoring of wound healing from beneath the primary dressings andcontrolled formation of h2o2using low-intensity direct current，《sensors》,2019,19:2505)设计了一种新型的多电极柔性传感器用于测量生物复阻抗以确定伤口区域的愈合状态。在研究过程中，将研制的多电极传感器阵列应用于创面区域，并放置在初级敷料下142小时，在150hz、300hz、1khz和5khz频率下，定期测量创面和周围完整皮肤区域的阻抗，可以观察到在高的频率下创伤部位的阻抗已经达到正常皮肤的阻抗，在低频率下创伤部位的阻抗明显增加。该传感器阵列还支持周期性低强度直流电刺激，以通过控制过氧化氢的形成，为伤口区域提供一种抗菌环境。

8、目前文献中提及改变电流激励模式影响电阻抗测量中，2006年xuetao shi等人(shi xuetao et al，pseudo-polar drive patterns for brain electrical impedancetomography，《physiological measurement》,2006,27:1071-1080)用头皮、颅骨、脑脊液和大脑的电阻率模拟真实头部，比较了相邻激励、相对激励、间隔3电极激励、间隔6电极激励的边界电压动态范围、总体边界电压变化、抗噪声性能，并且最终得到结果间隔6电极激励更适合于脑电的电阻抗测量。

9、目前文献中提及改变电流阵列形式影响电阻抗测量中，2015年邓娟等人(邓娟,王磊,李福生,赵舒,王妍,沙洪.实用化eit条件下不同激励模式成像效果仿真研究，《中国生物医学工程学报》,2015,34:413-420)通过对不同有限测量分辨率(mr)和信噪比(snr)下16电极系统进行仿真，获取eit系统均匀场在相邻、间隔6电极和相对激励模式下的理想仿真边界电压,分析实用化eit系统成像对mr和snr的要求,仿真模拟了不同mr和snr测量条件下3种激励模式对不同区域成像，结果表明,各激励模式对不同目标成像要求的mr和snr不同，建议低mr成像时优先选择间隔6电极激励,其次是相对激励,高mr时选择相邻激励；高snr的eit系统成像中采用相邻激励模式最佳，但当snr略低于相邻激励成像所要求的分贝值时，间隔6电极激励或相对激励模式有着更好的效果。

10、目前文献中提及改变电流阵列形式影响电阻抗测量中，2017年，爱丁堡大学团队(yang y,wu h,and jia j.simulation study of scaffold 3d cell culture imagingusing a miniature planar eit sensor，《2017ieee international conference onimaging systems and techniques(ist)》,2017,1-6.)设计了一种由两组(每组8个电极)电极和一个接地电极组成的微型平面eit传感器，两组电极分别位于两个同心圆上且同轴排列，接地电极位于圆心位置。生理盐水的导电性接近普通细胞培养基，模拟了盐水深度为3mm，施加电流为1ma的细胞培养基环境，在模拟环境中添加一个直径为0.3mm的球体和一个高为2.4mm，直径为0.3mm的圆柱体。小球体模型模拟了一个电导率为10-4ms/cm的细胞球体，圆柱体模拟了一个电导率为40ms/cm的充满细胞的腔体。通过使用设计的传感器和图像重建算法，对不同情况的图像重建进行比较，得到结论设计的微型平面电阻抗传感器可以对支架三维细胞的培养进行有效成像。

11、在生物相关领域的检测中，非侵入式、可穿戴、安全无辐射的柔性电极传感器是目前研究的热点,同时低功耗的便携式电子健康状态监测设备也进一步受到人们青睐。在电阻抗层析成像检测中，系统的电流激励与电压测量均需要通过柔性传感器进行，作为测量系统与人体皮肤间的介质，柔性传感器电极阵列与皮肤的贴合度越高，接触阻抗越小，测量结果越准确，在测量过程中通常使用导电凝胶来降低接触阻抗。传统的eit电极采用刚性金属电极，如钛电极、不锈钢电极和铂电极等，并不适用于挤压伤的检测。现有文献报道中未见针对挤压伤检测的柔性传感器、可穿戴传感器相关的文献报道。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述存在的问题，本发明提供一种用于压疮检测的柔性电极传感器。技术方案如下：

2、一种基于电阻抗检测的压疮柔性传感器，包括柔性基板和电极阵列，其特征在于，电极阵列为星形电极阵列，包括内外两圈同圆心的圆形电极阵列组成，每圈圆形电极阵列的电极在柔性基板上均匀分布，两圈电极阵列的电极总数相等；使用相邻激励、相邻测量的方法，具体电流激励过程和电压测量过程如下：

3、(1)每一个电极都有五种不同的状态：连接电流源、接地、连接测量p端、连接测量n端及不参与激励测量时的高阻状态；

4、(2)每一次测量过程都需要四个电极配合完成，从星形电极阵列中选取四个电极配置为连接电流源、接地、连接测量p端、连接测量n端四种状态，其他的电极配置为不参与激励测量的高阻状态；

5、(3)选取两个相邻的内圈和外圈电极，一个电极接地，另一个电极连接电流源；选取其他的两个相邻的内圈和外圈电极作为一组测量电极，一个电极连接测量p端，另一个电极连接测量n端，通过电流激励后，测量p端和n端之间会采集到1个边界电压值；

6、(4)接地电极和连接电流源电极不变，再选取其他的两个相邻的内圈和外圈电极作为一组测量电极，一个电极连接测量p端，另一个电极连接测量n端，通过电流激励后，测量p端和n端之间采集到相应的1个边界电压值；测量过程为一个循环过程，每次选取不同组的测量电极采集到相应的1个边界电压测量值；

7、(6)每个循环过程各选择一组相邻的内圈和外圈电极，一个电极接地，另一个电极连接电流源，重复(3)～(4)，直至所有组相邻的内圈和外圈电极均被选择，从而得到完整的边界电压测量值。

8、进一步地，选用聚酰亚胺材料作为柔性传感器的基板材料，将镀金的铜电极作为柔性传感器的电极材料。

9、进一步地，在电阻抗成像中通过测量被测场域的边界电压值，通过频差图像重建算法对场域内的电参数分布进行重构，将边界电压值转变为被测场域内的电导率分布值，进行压疮图像重建。

10、本发明应用于压疮的检测，为了适应人体的正常弯曲程度以及与皮肤的贴合程度，从电极的材料和基板的材料上进行改进，贴合度的提升也降低了皮肤与传感器的接触阻抗。对电极阵列形式进行改进并对电流激励模式进行选择，采用星形电极阵列的形式通过向内部增加电极的方式来提高中心被测场域的检测灵敏度，提升了针对挤压伤的电阻抗检测质量。