一种用于生物电阻抗检测的电极片设计方法

摘要

本发明公开了一种用于生物电阻抗检测的电极片设计方法，基于对电极极化模型的计算，选用石墨烯为底，氧化铜为镀层构建对应的不极化电极片；根据对激励电磁波的增强效果的计算结果，采用正交双极化电极模型将构建的两个所述不极化电极片进行连接，降低电极片与皮肤接触导致的极化电位，降低测试信号对目标测试部位的信号传输衰减并提高穿透性，降低等效生物电阻抗的测量误差。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，尤其涉及一种用于生物电阻抗检测的电极片设计方法。

背景技术

生物电阻抗检测技术属于无创生物检测技术的一种，原理为：不同人体组织的电特性不同，通过测定对应组织的电特性，反应一定生理健康情况。其中电信号需要通过人体皮肤组织计入内部进行检测，而人体皮肤组织包含有表皮层、真皮层及皮下组织，具体检测中，表皮层大多体现为电介质特性，真皮层体现为电解质特性，但对激励信号仍具有一定的阻碍效果，同时激励信号的强度受限于人体安全检测电流要求，使得对人体内部的微小电信号变化无法有效采集。

目前常用的测试电极片多为Ag/AgCl电极片，但在进行等效生物电阻抗的测量中，由于测试对象的不同，测试激励信号的幅值不同，使得Ag-AgCl电极片产生极化现象，所产生的极化电位会随着电流的增加而增大，导致等效生物电阻抗的测量误差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于生物电阻抗检测的电极片设计方法，降低等效生物电阻抗的测量误差。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于生物电阻抗检测的电极片设计方法，包括以下步骤：

基于对电极极化模型的计算，选用石墨烯为底，氧化铜为镀层构建对应的不极化电极片；

根据对激励电磁波的增强效果的计算结果，采用正交双极化电极模型将构建的两个所述不极化电极片进行连接。

其中，所述方法还包括：

对交叉的两个所述不极化电极片的交叉部分进行盖油处理。

其中，基于对电极极化模型的计算，选用石墨烯为底，氧化铜为镀层构建对应的不极化电极片，包括：

在20-25℃，设定的摩尔气体常数以及反应传递系数为0.3128的条件下，基于Tafel公式计算出载流子浓度表达式；

获取对应材料的基本参数，并导入载流子浓度表达式中计算出对应的极化电压；

在20-25℃的测试温度范围内，根据获取的多个所述极化电压的电位变化值，选择以石墨烯为底，氧化铜为镀层构建对应的不极化电极片。

其中，根据对激励电磁波的增强效果的计算结果，采用正交双极化电极模型将构建的两个所述不极化电极片进行连接，包括：

根据对激励电磁波的增强效果的计算结果，得到两个所述不极化电极片之间的连接夹角；

基于所述连接夹角，采用正交双极化电极模型将两个所述不极化电极片进行垂直连接。

其中，根据对激励电磁波的增强效果的计算结果，采用正交双极化电极模型将构建的两个所述不极化电极片进行连接之后，所述方法还包括：

将连接的两个所述不极化电极片的中点作为与电路板的连接点。

其中，所述不极化电极片的厚度为35μm。

本发明的一种用于生物电阻抗检测的电极片设计方法，基于对电极极化模型的计算，选用石墨烯为底，氧化铜为镀层构建对应的不极化电极片；根据对激励电磁波的增强效果的计算结果，采用正交双极化电极模型将构建的两个所述不极化电极片进行连接，降低电极片与皮肤接触导致的极化电位，降低测试信号对目标测试部位的信号传输衰减并提高穿透性，降低等效生物电阻抗的测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种用于生物电阻抗检测的电极片设计方法的步骤示意图。

图2是本发明提供的正交双极化电极片形状。

图3是本发明提供的四电极测量方法示意图。

图4是本发明提供的双极化电磁波传播示意图。

图5是本发明提供的倾角为α的极化椭圆。

图6是本发明提供的完整电极片尺寸图。

图7是本发明提供的分部电极片尺寸图。

图8是本发明提供的电极片厚度示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，本发明提供一种用于生物电阻抗检测的电极片设计方法，包括以下步骤：

S101、基于对电极极化模型的计算，选用石墨烯为底，氧化铜为镀层构建对应的不极化电极片。

具体的，不极化电极的材料常选用金属-金属化合物的形式，是以电化学反应原理为基础，实现将被测组织内部的Na

针对不极化电极片的电气参数计算中，单电极系统满足Tafel公式，具体公式及参数见公式(1)-式(8)：

E

公式(1)中：E

对于α的计算：α为反应传递系数，其范围在0≤α≤1。当α＝1时，表示电荷完全被电极阻挡；当α＝0时，表示电荷完全进入电极，没有极化现象产生。依据材料查表得到：在热力学温度为293.15-298.15K的范围内，可以近似认为：α≈0.3128。

对于n的计算：n为材料中参与电极极化的载流子浓度，对应电极极化为在石墨烯上镀一层CuO，两者的界面层属于纳米尺度范围，C-CuO的界面区域体积应该与CuO的体积在数量级上保持一致。为了便于分析，本发明专利中假设CuO的镀层为单层，则C-CuO的界面区域体积与CuO的体积大体相等。那么得到载流子密度修正系数ν的计算，并有如公式(4)、公式(5)所计算得到的参数：

最终得到关于以石墨烯为基底，CuO为镀层设计的不极化电极片的极化值：

E

在测试激励信号为1mA，测试温度为20℃的条件下，极化电压为：E

选用以石墨烯为基底，CuO为镀层制作不极化电极片，计算发现，24小时连续测试中极差的变化不超过0.1mV，满足设计技术要求，而在同等测试条件下，心电电极片(Ag-AgCl)所引起的极化电位会大于0.5mV，因此以石墨烯为基底，CuO为镀层设计不极化电极片。

S102、根据对激励电磁波的增强效果的计算结果，采用正交双极化电极模型将构建的两个所述不极化电极片进行连接。

具体的，针对高频段(1MHz—100MHz)生物电阻抗测量中，此时的激励信号从原始的“欧姆定律”层面上升到“电磁场”层面，此时能量以电磁波的形式从电极传输进人体组织中，并被接收端的电极采集。

依据“天线理论”，设计±45°正交双极化电极模型，图2所示为电极片形状，其中电极施加信号为

测试过程中，激励电极片与接收电极片的选择需保持一致。若选用四电极测量方法，如图3所示，检测电极也需保持一致。

在针对高频段测试信号传输中，以电磁波的形式进行介质间的相互传递，选用±45°的正交双极化电极模型，其传递方式如图4所示。

电磁波在传播中，其极化方向是衡量能量传播的参数。任意电磁波都可以分解成两个正交极化的线性组合，其中主极化方向为电场强度最大的辐射方向，交叉极化方向定义为垂直于主极化方向，越小越好。依据电磁场理论：定义椭圆的长轴与短轴之比为轴比，轴比为无穷大时为线极化，轴比为1时为圆极化，其中线极化波与圆极化波是椭圆极化波的特例，两个空间上正交的线极化波或两个旋转方向相反的圆极化波可以合成椭圆极化波。椭圆极化波如图5所示。

设图5中θ方向与

式(8)、式(9)中E

其中，

运用公式(10)解公式(8)、公式(9)，并通过三角函数运算整理得到针对相位差的电位描述：

整理得到，当极化椭圆的倾角为α(0-90°)，设其主极化分量为E

通过三角函数变化等数学推导得到最终幅度关系式，其中E

本发明设计的±45°的正交双极化电极模型中，初相位差为0，E

其中，E：合成矢量电场，E

在测试激励信号为1mA的条件下，±45°正交双极化电极的电磁波主极化幅度为

当测试激励信号作用在±45°正交双极化电极上时，在电磁场的叠加作用下，垂直进入人体方向的电磁波主极化幅度得到增强，提高信号的能量与穿透性，减小由于电极导致的电磁波逸散，从而提升等效生物电阻抗的测试精度。

不极化电极的规格

本发明专利提出的±45°正交双极化电极由两片分离的不极化电极片所构成，尺寸规格详见图6至图8所示。需强调的部分有：(1)两个电极片垂直交叉，在制备中，交叉部分需要通过盖油处理进行电气隔离；(2)电极片与电路板的连接点设在中点位置；(3)电极片的厚度为35μm。

本发明的一种用于生物电阻抗检测的电极片设计方法，基于对电极极化模型的计算，选用石墨烯为底，氧化铜为镀层构建对应的不极化电极片；根据对激励电磁波的增强效果的计算结果，采用正交双极化电极模型将构建的两个所述不极化电极片进行连接，降低电极片与皮肤接触导致的极化电位，降低测试信号对目标测试部位的信号传输衰减并提高穿透性，降低等效生物电阻抗的测量误差。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。