專利名稱：用于自主神經病變的無創檢測系統及其方法
技術領域：
本發明涉及醫療器械，主要涉及一種用于自主神經病變的無創檢測系統及其檢測方法。
背景技術：
自主神經病變是由于支配心臟和血管的自主神經纖維受損導致心率控制和血管動力異常，它是糖尿病并發癥最早期的病變。流行病學調查顯示，具有糖尿病自主神經病變的患者5年致死率是無糖尿病自主神經病變的5倍。然而糖尿病性自主神經病變多是隱性起病，患者開始往往無自覺癥狀，待其臨床癥狀出現，自主神經已出現不可逆的病理改變。如果能夠通過糖尿病自主神經病變的早期診斷，發現與糖尿病自主神經病變有關的無痛性心肌缺血，心梗和心源性猝死的可能性，使糖尿病自主神經病變得到早期、有效的綜合治療，就可減少糖尿病自主神經病變這些相關疾病的發生。但是目前缺少方便、敏感的檢測自主神經病變的手段。現有對于糖尿病自主神經病變的早期檢測的設備和方法，雖已有報道，但卻甚少得到臨床應用。主要原因一是由于這些方法操作較為煩瑣，很難得到臨床接受；二是在早期檢測中除心臟自主神經病變有具體量化指標外，其它方法均無具體標準。而皮膚交感反應、激光多普勒血流儀等傳統的檢查方法需要患者的積極配合，操作難以標準化。例如，自電生理檢查開展以來，神經傳導速度(QR)的測定，為糖尿病周圍神經病變的早期診斷提供了客觀依據。但是神經傳導速度的測定是檢測有髓大纖維的傳導，而糖尿病周圍神經系統損害極早期受累的多是無髓及有髓的感覺小纖維和自主神經小纖維，傳統的神經傳導速度測定這些小纖維受到限制。再如，排汗運動神經軸突反射試驗(QSART實驗)對無髓及有髓的感覺小纖維和自主神經小纖維測試被認為是較準確和較靈敏，但是比較麻煩，耗費時間。又如，心率變異性(HeartR ateV ariability, H RV)的研究對象是逐次心跳時間間隔的差另O，即竇性心搏間期快慢的差異性。心率變異性分析是早期檢測自主神經病變的一個比較敏感、特異性強的非創傷性手段。其時域分析、頻域分析以及非線性動力學的各項指標對于評價自主神經病變狀態和檢測早期自主神經病變均具有重要的價值，能夠為臨床診斷和治療糖尿病自主神經病變提供參考依據。然而由于心率的變化受多種因素的調節，其應用受到條件的嚴格限制。電化學方法被應用在糖尿病的無創檢測上，其基于糖尿病患者越嚴重電化學效應越小這個理論依據，然而，該方法忽略了由于糖尿病自主神經病變引起的皮膚組織電阻、電容效應明顯改變的因素，特別的在人體等效電阻的處理方法上沒有考慮由于電容效應造成的延遲現象，檢測結果往往和臨床測試結果相差很大。而且該方法沒有在糖尿病導致的自主神經病變的檢測上得到應用。然而，事實上，即使在額定的人體安全直流電壓下，人體的電阻的變化在測試開始時間內是急劇變 化的，其需要長時間才能達到穩定的值。因為，在直流電壓施加到人體的瞬間，人體的每一個細胞都相當于一個微小的電容，每一個細胞的電容效應疊加在一起，其效果對測試的結果影響是不可忽略。想要達到精確的結果，只能靠測試的時間足夠長，然而這在實際臨床當中又是不現實的，特別是測試需要施加不同的直流電壓才能完成的情況下。
發明內容
提供本發明內容以便以簡化的形式介紹將在以下的具體實施方式
中進一步描述的一些概念。本發明內容并不旨在專門標識所要求保護的主題的關鍵特征或必要特征，也不旨在用于幫助確定所要求保護的主題的范圍。本發明提供的檢測系統和方法基于人體電阻變化、電容效應、電化學變化的綜合考慮，通過施加在皮膚表面的電化學裝置在特定的離散電壓下測試汗液的離子和Ph值變化情況，通過電化學參數和自主神經的病變的關系，判斷自主神經病變的情況和程度。該系統和方法消除了突變的直流電壓下由于電容效應的延遲現象，具備快速、準確、無創的特點。本發明的用于 自主神經病變的無創檢測系統包括:電極陣列101、開關陣列102、測量模塊103、可調電阻104、離散電壓模塊105、中央處理器106和分析模塊107。電極陣列101包括用來測試汗液離子濃度和PH值變化用的傳感器電極，放置于四肢或手部、胸部、額頭等部位，緊貼皮膚表面。由開關陣列102將一對電極組成傳感器接入離散電壓模塊105上，其他電極都采取斷開方式。各傳感器電極以并聯的方式連接到離散電壓模塊105上。可調電阻104用來測試人體電阻和人體電容效應的等效電阻。開關陣列102與可調電阻104以串聯的方式接入測量模塊103，測量模塊103能測量出可調電阻104的電壓和阻值，測試結果由中央處理器106存儲。中央處理器106控制離散電壓模塊105、開關陣列102和測量模塊103，同時對采集到的電化學信號進行處理、計算和存儲，并控制采樣的頻率。分析模塊107連接中央處理器106，對中央處理器106的結果進行分析，并輸出分析結果。根據本發明的檢測方法包括以下步驟:通過粗調和細調兩步預判人體的電阻和電容效應等效電阻，用可調精密電阻來實現人體電阻變化、電容效應的等效電阻；進行受試通路的判斷；測試并存儲電極兩極的電壓和電路中可調精密電阻的電壓；進行數據處理，生成I U曲線圖，獲得一組斜率數據；根據斜率數據對比病理數據庫進行自主神經病變特征分析，得出受試者屬于何種病理狀況，并輸出結果。通過閱讀下面的具體實施方式
并參考相關附圖，本發明的特點和優點將顯而易見。可以理解，前述發明內容和以下的具體實施方式
都是說明性的，并不限制所要求保護的各方面。
圖1是本發明的自主神經病變檢測系統的框圖。圖2是本發明的自主神經病變檢測方法的流程圖。圖3是根據本發明一個實施例的電流-電壓曲線圖。圖4是根據本發明對正常人、糖耐量受損患者、糖尿病患者進行皮膚生物電有效測試獲得的皮膚生物電信號對比曲線圖。
具體實施方式
下面結合附圖提供的詳細描述旨在作為對本發明各示例的描述，而非表示用于解釋或利用本發明各示例的唯一形式。自主神經病是一種多因素疾病，糖尿病是其主要原因。由于糖尿病引起的自主神經的病變會導致汗腺功能的失常，特別是在遠端的肢體部位尤其明顯。而汗腺功能的失常，導致汗腺組織的纖維化，汗管閉塞，皮下的汗液減少，角質層增厚。同時汗水的離子濃度和PH值都會變的異常。當測量皮膚的電化學性能時，汗水的離子濃度和酸堿度因數發揮主要作用。因而就可以通過測試汗液的電化學性能來判斷糖尿病的自主神經的病變，進而也可以推出糖尿病的病變程度。基于此，本發明提供了一種精確度高的自主神經病變檢測系統。如圖1所示，根據本發明的自主神經病變檢測系統包括:電極陣列101、開關陣列102、測量模塊103、可調電阻104、離散電壓模塊105、中央處理器106和分析模塊107。電極陣列101包括用來測試汗液離子濃度和PH值變化用的傳感器電極，比如用鋰材料、銀材料、鎳材料制備的能在給定的電壓下與汗液的鈉離子、氫離子、氯離子等發生電化學反應的電極。電極的數量，通常2 8個，以5個電極為例:人體左側手部LI ;人體右側手部L2 ;人體腹部L3 ;人體左側腳部L4 ;人體右側腳部L5。每兩個電極之間可以相互組成測試用傳感器。對于η (3彡η彡8)個電極，考慮到正負極可以進行交換，可以組成ηΧ(η-1)個傳感器進行測試。電極放置于四肢或手部、胸部、額頭等部位，緊貼皮膚表面。本領域技術人員可以理解，按照需要，可以增減電極數量。同時，由于人體汗液的離子濃度非常小，為獲得強度足夠大的皮膚生物電信號，電極的面積應該足夠大，優選面積> 1cm2。考慮到糖尿病病變更容易影響到遠端的自主神經，而且是對稱受影響，也即左右手受到的影響是一樣，同理雙腳情況一樣。但是手和腳的距離不一樣，因而受到的影響也即不一樣，腳受到的影響要比手大。即要測試四肢的自主神經病變，至少需要3個傳感器電極，一個置于腹部、一個置于手上、一個置于腳上。要再評價雙手和雙腳的對稱性，需求每個手和腳都有傳感器電極，優選如上述的5個電極。可以組成20對傳感器進行測試。特別的，考慮四肢:LI L3和L2 L3:考察的是腹部至雙手的自主神經病變。L4 L3或L5 L3:考察的是腹部至雙腳的自主神經病變。各傳感器電極以并聯的方式連接到離散電壓模塊(105)上。由開關陣列(102)將一對電極組成傳感器接入離散電壓模塊(105)上，比如LI L3電極組合，LI電極作為陽極，其他電極都采取斷開方式。可調電阻104為可調精密電阻，作用是用來測試人體電阻和人體電容效應的等效電阻。不同人體的電阻大小和電容效應不一樣，其等效電阻通過調節可調精密電阻來實現。可調精密電阻的可調范圍在O 1ΜΩ，精度為100Ω。由于電容效應的影響，人體對電壓的改變的響應會有延遲現象出現，特別是在電壓改變的幅度大的情況下。為了能更精確得到出人體電阻和電容效應的等效電阻，采取先進行大范圍的粗調，得到一個小范圍再進行細調。每次調節電阻阻值大小有大到小依次遞減。開關陣列102與可 調精密電阻以串聯的方式接入測量模塊103，測量模塊103能測量出可調精密電阻的電壓，電路的電流可以由可調精密電阻的電壓和電阻計算得出，測試結果由中央處理器106存儲。出于安全考慮，測量模塊103還可包括保護電路。為了防止干擾，測量模塊103還可具備抗干擾電路。此外，基于人體汗液的離子濃度非常小，電化學信號比較微弱的特點，測量模塊103還可包括具備對采集到的皮膚生物電信號進行放大和A/D轉化的電路。中央處理器106，連接到離散電壓模塊105、開關陣列102和測量模塊103，對它們進行控制，同時對采集到的電化學信號進行處理、計算和存儲，并控制采樣的頻率。分析模塊107，連接中央處理器106，進行計算分析，并輸出分析結果。圖2是本發明的自主神經病變檢測方法的流程圖。下面以上述LI L3為測試電極組合為例進行闡述。將左手傳感器電極LI作為-Π/2 O周期離散電壓波的正極，此時的考察的是左手的負離子濃度的變化，比如氯離子等。而O Π/2周期離散電壓波時成為負極，考察的是正離子的濃度的變化，比如氫離子或是鈉離子等。具體的以選擇傳感器的材料為依據。首先，在步驟201，預判人體的電阻和電容效應等效電阻。此步驟的目的是使人體電阻變化、電容效應的等效電阻通過可調精密電阻來實現。不同人體的電阻大小和電容效應不一樣。可調精密電阻的范圍在O 1ΜΩ，精度為100Ω。由于電容效應的影響，人體對電壓的改變的響應會有延遲現象出現，特別是在電壓改變的幅度大的情況下。為了能更精確得到出人體電阻和電容效應的等效電阻，采取先進行大范圍的粗調，得到一個小范圍再進行細調:首先進行粗調，以LI為陽極，L3為陰極，施加一個穩定的直流電壓V，V為O 2V的任意值，在預定的T時間內，以Λ RO的幅度，調節可調精密電阻的阻值，從IM Ω逐漸減小到0，其中Λ R取決于時間T以及每一步的施加電壓時間t，T的范圍屬于(10s 300s)，t的范圍在(0.5s 3s)，數據處理器 記錄每一步可調精密電阻的電壓。并找出可調精密電阻的電壓近似為電源電壓的一半的點UO，即UO ^ V/2，此時對應的可調精密電阻的阻值記為R0。數據處理器將(R0+R0/2，R0-R0/2)作為下一步細調的范圍。然后進行細調，以LI為陽極，L3為陰極，施加一個穩定的直流電壓V，此處的電壓與粗調的電壓V —致，與粗調同樣的預定時間T內，以Λ R的幅度，調節可調精密電阻的阻值，從R0+R0/2逐漸減小到R0-R0/2，其中Λ R取決于時間T以及每一步的施加電壓時間t，其中t和粗調的每一步的施加電壓時間t 一致，數據處理器記錄每一步可調精密電阻的電壓。并找出可調精密電阻的電壓為電源電壓的一半的點U，即U=V/2，此時對應的可調精密電阻的阻值記為R。中央處理器106將可調精密電阻的阻值R儲存，此處的可調精密電阻阻值R不僅反映了人體的電阻，也反映了人體的電容效應，即R為人體電阻和電容的等效電阻。每一對電極的之間人體電阻和電容的等效電阻都經相同的測試，由中央處理器106儲存各對電極的測試阻值R。在后續的每對電極的預判激勵電壓范圍和測試步驟中，將可調精密電阻阻值調節至對應電極的等效電阻R。接著進入步驟202，在這一步進行受試通路的判斷:將LI作為陽極和可調精密電阻串聯接入到電源模塊，可調精密電阻調節至保存的LI L3電極組合的等效電阻位置，給予陽極O 2V任意的直流電壓V，比如:1V，電壓步驟持續時間t。t的范圍在I 3s之間，采樣頻率為10 1000HZ。處理器記錄陽極LI電極的電壓，陰極L3電極的電壓，同時記錄可調精密電阻的電壓，電化學裝置中的電流是通過可調精密電阻的電壓和阻值來計算出來，阻值為對應的電極等效電阻，電流采用均值法求平均值。根據常理，設定一個闕值Γ，如果I小于闕值，判定測試不合適，發出異常通知。此時檢查受試者的姿態以及受試時異常的環境。比如皮膚的干燥程度、皮膚緊貼傳感器的程度、設備的電路問題。直至I大于闕值I,，表示測試可以進行為止。對其他的傳感器進行同樣的測試。全部符合要求之后，進入步驟203。在步驟203測試并存儲電極兩極的電壓和電路中可調精密電阻的電壓:將LI作為陽極和可調精密電阻串聯接入到離散電壓模塊105，可調精密電阻調節至保存的LI L3電極組合的等效電阻位置，離散電壓模塊105向陽極電極LI施加一個離散電壓，對于正弦波電壓，將-Π/2 Π/2周期作為測試電壓周期，Π/2 3Π/2周期電壓波也是可行，并且將此周期的正弦波電壓以離散電壓的形式輸出。電壓的頻率、幅度、相位作為缺省值已設定并儲存在中央處理器(106)里。將-Π/2 O分為N個區間，即有N個離散電壓輸出，在滿足測試速度的要求下，電壓區間越小越好。步驟值N范圍在10 100。給定幅度為V，V取值介于6到8V之間。dsin ω t/dt= ω cos ω tAV0=kcos0。，Λ Vl=kcos90。/N，Δ Vn=kcos90° (N-1) /N.
k(kcos0° +kcos90° /N+.........cos(N_l)90° /N.)=Vk=V/ (kcos0° +kcos90° /N+.........cos90° (N-1) /N.)V和N值是由中央處理器106設定。k值由上述公式求出，各步驟的離散電壓大小即可求出。對于O Π/2周期做同樣處理。所有的處理由中央處理器和離散電壓模塊105共同完成。每次施加離散電壓的 持續為t，t的范圍O 3S，也由中央處理器106控制。由測量模塊103讀出每次的電極兩極的電壓和電路中可調精密電阻的電壓，并儲存在中央處理器106里。采樣頻率為10 1000HZ。交換另一對傳感器電極測試，依次測試完畢。記錄所有測試結果并儲存。接著進入步驟204，在這一步，由中央處理器106進行數據處理:以每對傳感器電極測試的結果為一個數據組，比如LI L3，每一個持續步驟的電壓的數據采用均值法求出平均值。令U=U正-U負，其中U正為施加到傳感器正電極的每一個步驟的離散電壓，U負為此時傳感器負極的電壓。檢測系統中電流測量電路的電流通過計算可調精密電阻的電流獲得，記為I。將-Π/2 O周期N個區間的數據作為一組，此組數據表明的是LI作為陽極，L3作為陰極的電化學效應。而O Π/2周期反應的是L3作為陽極，LI作為陰極的電化學效應。按照糖尿病的自主神經病變的左右手受到的影響是一樣的。其曲線是以X軸對稱。在-Π/2 O周期電壓波內，以U為橫坐標，I為縱坐標，作I U曲線圖，如圖3所示。曲線前半部分是一條直線，直線與X軸的斜率記為K。所有的電極組合的數據做相同的處理，所得到的斜率結果記為組合{K1K2...Κη} ο將上述所得到的結果斜率作為下一步糖尿病自主神經病變特征分析的依據。進入步驟205，由分析模塊107進行糖尿病自主神經病變特征分析。根據對多例受試者(包括正常人、糖尿病但自主神經無受損者、自主神經受損者)進行皮膚生物電有效測試，得到糖尿病但自主神經無受損者、自主神經受損者典型的電化學曲線如圖4所示，自主神經損傷程度與受試者測電化學曲線的斜率成反向的關系，自主神經損傷越嚴重，斜率越小。自主神經受損的糖尿病患者的電化學曲線斜率非常小，并且無糖尿病且自主神經沒有損傷的正常人和糖尿病但自主神經沒有損傷者的斜率相當，只表現出電流大小不同而已，糖尿病但自主神經沒有損傷者的電流較小。對于經年齡、體重指數值(BMI)校正過的所有對象，給定所有電極組合的的電化學曲線斜率為Kl Κη。按照糖尿病的自主神經病變的對四肢的雙側受到的影響是對稱的，并且四肢距離越遠，受到的影響越大。上述組合可以直接歸并考察為手 手的電化學曲線斜率Κ￥，腳 腳的斜率Kw。將年齡(Age)、體重指數值(BMI )、K手、K腳、Λ K作為病理數據庫的影響因子。基于上述因子的數據庫例子說明:
權利要求
1.一種用于自主神經病變的無創檢測系統，包括: 電極陣列(101)，包含至少兩個用來測試汗液離子濃度和PH值變化用的傳感器電極； 離散電壓模塊(105)，向以并聯的方式連接到所述離散電壓模塊(105)的所述傳感器電極施加離散電壓； 開關陣列(102)，將部分電極接入離散電壓模塊(105)上，同時其他電極都斷開； 可調電阻(104)，用來測試人體電阻和人體電容效應的等效電阻； 測量模塊(103)，與所述開關陣列(102)及所述可調電阻(104)以串聯的方式連接，以測量所述可調電阻(104)的電壓和阻值； 中央處理器(106)，控制所述離散電壓模塊(105)、開關陣列(102)和測量模塊(103)，對所述測量結果進行處理、計算和存儲，并控制采樣的頻率；以及 分析模塊(107)連接所述中央處理器(106)，對所述中央處理器(106)的結果進行分析，并輸出分析結果。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于:所述電極陣列(101)的電極放置于四肢或手部、胸部、額頭部位，緊貼皮膚表面，在給定的電壓下與汗液的鈉離子、氫離子、氯離子發生電化學反應。
3.如權利要求1所述的系統，其特征在于:所述離散電壓模塊(105)所施加的電壓的頻率、幅度、相位作為缺省值設定并儲存在所述中央處理器(106)中，步驟值N范圍在10 100，給定幅度為V取值介于6到8V之間。
4.如權利要求1所述的系統，其特征在于:所述可調電阻(104)是可調范圍在O 1ΜΩ，精度為100Ω的可調精密電阻。`
5.如權利要求1所述的系統，其特征在于:所述中央處理器(106)控制離散電壓的施加時間、步驟值以及幅度，儲存各對電極的測試阻值，并進行數據處理生成U I曲線圖，計算斜率獲得斜率組合，并輸出到分析模塊(107 )。
6.如權利要求1所述的系統，其特征在于:所述分析模塊(107)將所接收的來自所述中央處理器(106)的計算結果與病理數據庫進行匹配，并輸出檢測結果。
7.一種用于自主神經病變的無創檢測方法，包括: 預判受試者人體的電阻和電容效應等效電阻(201)，通過調節可調精密電阻實現等效電阻； 判斷受試通路是否能夠進行測試(202)； 向電極施加一組離散電壓，測試并存儲電極兩極的電壓和電路中可調精密電阻的電壓(203)； 進行數據處理(204)生成電極的U I曲線圖，計算曲線前半段直線部分與X軸的斜率獲得斜率組合；以及 基于所獲得的斜率組合進行糖尿病自主神經病變特征分析(205 )。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于: 所述可調精密電阻的范圍在O 1ΜΩ，精度為100Ω，調節方式細分為粗調和細調兩止/J/ O
9.如權利要求7所述的方法，其特征在于: 將所述斜率組合與病理數據庫進行匹配，并輸出檢測結果。
10.如權利要求7所述的方法，其特征在于，還包括:對于受試者進行年齡、體 重指數值校正。
全文摘要
本發明涉及用于自主神經病變的無創檢測系統及其方法。本發明的自主神經病變的無創檢測系統包括電極陣列、電壓基準模塊、開關陣列、測量模塊、可調電阻、離散電壓模塊、中央處理器和分析模塊等。在預判人體的電阻和電容效應等效電阻之后，用可調精密電阻來實現人體電阻變化、電容效應的等效電阻；接著進行受試通路的判斷；在測試并存儲電極兩極的電壓和電路中可調精密電阻的電壓之后，進行數據處理，生成I～U曲線圖，從而獲得一組斜率數據；根據斜率數據對比病理數據庫進行自主神經病變特征分析，得出受試者屬于何種病理狀況，并輸出結果。
文檔編號A61B5/00GK103239215SQ20131017815
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月14日 優先權日2013年5月14日
發明者張捷, 賈林壯 申請人:上海中嘉衡泰醫療科技有限公司