电针理疗电传导机制建模与分析

目的:为了有效分析电针治疗肌无力过程中,信号在机体内的扩散情况,提高信号阵列对于机体刺激的效果。方法:以中国数字人右手手臂影像数据集为数据基础,研发出用于分析电针理疗效果的有限元仿真几何结构模型。将模型导入到有限元仿真软件中,通过有限元建模的方法,建立电针理疗电信号传导理论模型,向电针的正负两极分别注入载波频率为1、2、5 kHz,幅度为±20 mA与-5 mA的电流信号,以此分析信号在手臂中的传播机制。结果:仿真分析发现,在正极附近产生最大为10 V的耦合电压,该电压对人体几乎是无害的,同时在正极周围会形成一个约1 cm半径的作用区域,该区域即为理疗的作用区域。同时通过分析手臂内轴线上的电势与电流分布发现,由于组织阻抗受频率增大的影响,组织电容效应越来越明显,耦合电势逐渐减小,但理疗关键因素的电流分布几乎不会受到影响。结论:刺激频率的增大会降低耦合电势且治疗效果不会受到任何影响,因此在后期治疗中,可以通过增加频率来降低耦合电势对人体的伤害。     

电针技术电化疗肌肉内血管瘤电传导机制建模与分析

目的:基于电针的电化学治疗方法,通过向电针中注入直流电信号,利用电流弥散来实现对肿瘤细胞的电解、电渗作用,实现癌症的定向精准治疗,为了研究电针信号在手臂肌肉内的信号传导情况,为精准治疗提供理论依据。方法:结合人体解剖学与组织结构学,在COMSOL Multiphysics 5.5有限元仿真软件中,利用圆台、圆柱、椭球为几何实体,建立电针电化疗数值仿真有限元模型,并在频域环境下,通过注入载波信号为100 kHz、±20 mA的直流电信号,以此分析信号在手臂中的传播机制。结果:感应电势、电流密度分布主要集中在裸露电针头部周围,电势衰减约为11 dB/cm,距离较远时几乎检测不到通过电针注入的电流信号。结论:在精准电化疗肿瘤治疗系统中,传导距离越远,信号衰减越大,距离较远时,检测端几乎检测不到通过电针注入的电流信号,充分说明电针治疗几乎不会对离它具有一定距离（距离大小根据电针大小与注入电流情况而改变）的设备产生影响。     

基于中国数字人的经皮神经电刺激信号传导机制建模与分析

目的:研究经皮神经电刺激(TENS)在实施肌肉刺激时信号在内部的传导情况,为理想刺激提供理论依据。方法:以中国数字人为数据基础,先使用Mimics软件完成组织分割与三维建模;考虑到多物理场有限元建模软件只能使用几何实体,接下来使用Geomagic软件完成组织的实体建模,得到组织的几何实体;最后将获得的几何实体在COMSOL Multiphysics 5.5中建模,并在频域环境下,通过注入20 mA的直流电信号分析信号在手臂中的传播机制。结果:由于皮肤存在集皮肤效应,信号主要集中在电极以及电极与皮肤的接触处,分析位置离电极中心位置越远,人体手臂内部感应电势越小,并且感应电势逐渐变为正电势。在手臂内部,骨骼不传导信号,但骨骼形状及数量会影响电流密度分布的均匀性。结论:在基于中国数字人的TNES信号传导模型中,传导距离越远,信号衰减越大;内部组织结构越复杂,信号分布也越不均匀。     

一种基于FPGA的数字EIT系统的实验研究

以FPGA芯片为核心的数字化生物电阻抗测量实验平台,主要完成直接数字频率合成(DDS)的电流源模块、V/I变换和数字解调模块的研究.采用DDS技术生成正弦信号发生器,由THS4021改进的Howland电路设计压控电流源,在不同负载条件下测量其输出电流幅值的频率响应,并在不同频率下测量电流源的输出阻抗,对恒流源性能的稳定性和精度进行测定.解调方法采用数字化解调,测试不同激励频率下的数字正交解调输出误差变化情况.最后采用盐水槽实验系统进行成像实验.结果表明,电流源可在6.1～390.6 kHz范围输出多频激励信号,在600 kHz前保持在190 kΩ的输出阻抗.当信号频率从200 kHz逐渐增加到1.6 MHz时,解调电路输出的I和Q路误差逐渐增加,对应的幅度误差从1.13％增加到7.19％,相位误差从1.03％增大到5.34％.采用相邻激励-相邻测量模式对环氧树脂棒进行盐水槽成像实验,成像结果表明系统能够对单个目标物体实现较准确的定位,验证了本研究平台的可行性.     

微弱电流耦合信号在人体上臂传输的建模与分析

背景：基于人体组织的导电特性,研究微弱电流耦合信号在人体内的传输特性,对实现植入式医疗仪器的人体充电和通信具有重要意义。 目的：分析微弱电流耦合信号在人体上臂的分布及衰减情况。 方法：将人体上臂抽象成由皮肤、脂肪、肌肉、骨骼4层组织构成的同心圆柱体,采用有限元方法建立微弱电流耦合信号在上臂传输的准静态场模型,分析了多种情况下模型中电流密度的分布,并将体表电位的衰减率与仿真结果进行比较。 结果与结论：仿真结果表明肌肉层是人体内耦合电流传导的主要路径,皮肤层中的电流随频率提高而增大;人体内的传导电流远大于位移电流,但随频率的提高,位移电流逐步增大,传导电流减小;皮肤干湿程度对肌肉层中总电流密度大小有一定影响,湿皮肤时肌肉层中总的电流密度大于干皮肤时的情况;耦合电流的体表电位具有较大衰减,随频率提高成一定的高通特性,且是否考虑人体组织电容效应对建模的准确性具有显著影响;人体实验与仿真实验结果具有较好的一致性。     

多电极射频美容仪的温度场仿真实验研究

射频美容仪是国内家用美容仪市场中很受欢迎的保健产品。然而,市面上的射频美容仪产品质量参差不齐,相关参数也缺乏统一的标准规范。该研究基于有限元仿真方法和COMSOL仿真软件,构建了具有隔膜的三维皮肤模型,仿真分析、研究了不同射频美容仪的射频电压有效值、射频频率、电极高度、电极直径、电极间距、电极数量及排布等参数条件对皮肤及皮下组织温度场分布的影响,并进行了对比分析。仿真结果表明：提高电压有效值或射频频率能提高模型温度场的最大值;提高电极高度相比紧贴皮肤会降低温度场最大值并使射频美容仪下的温度分布更加均匀;增加电极直径或缩小电极间距能提高电极间的温度;不同的正负极数量会使热量集中在数量较少的电极下方。最后,该研究还完成了温度场分布随时间的实验测量及与仿真结果的比较分析。该研究较为系统、全面地仿真探讨了射频美容仪产品的各项参数条件变化对皮肤温度分布的影响规律,为溶脂技术的安全与疗效提供参考,也为射频美容仪的临床应用及产业化提供参考。     

人体通信中发送端接触阻抗的实验研究

本研究着眼于电流耦合型人体通信方式,抽象并简化人体前臂的发送端等效电路模型。通过施加交变方波电流激励,测量使用不同尺寸电极时的模型参数,并比较不同频率下接收端的信号衰减率。结果表明人体前臂的信号衰减率随接触阻抗的增大而增大。在小腿处的测量也得到类似的结果。所以,在人体通信过程中应尽可能减小发送端“电极一皮肤”的接触阻抗,可提高通信质量。     

基于2^n伪随机复合频率信号的神经肌肉电刺激系统设计

目的：每一块肌肉都是由众多肌纤维组成,每一组肌纤维的固有频率不同,在对肌肉进行电刺激时,使用单一频率的电刺激不能满足同时对多组肌纤维进行刺激,不能达到最有效的电刺激作用,因此我们设计了一种基于伪随机信号的复合频率电刺激仪,能在一个刺激周期内实现多个频率的电刺激。方法：设计了一个以STC12C5410AD单片机为核心控制芯片的伪随机信号神经肌肉电刺激仪系统,采用串口实现上下位机的通讯,通过软件编程,上位机发送主频数、主频频率、间歇时间和刺激时间各项参数指令,由单片机控制输出两路伪随机脉冲信号,并通过逆变电路实现伪随机信号的输出,在逆变电路中加入电流监测电阻,实时监测输出信号的电流大小,将其控制在人体安全电流10mA以下,保证了用户的使用安全。结果：研制出的电刺激仪能产生1kHz以下多种主频信号的复合,根据主频数和主频频率的不同输出不同的复合频率信号,同时对输出电流的检测,验证了信号的安全性。结论：本文将伪随机复合频率信号运用于肌肉电刺激仪中,取代传统的单一频率电刺激仪,实现了技术上和理论上的创新,具有较高的临床实验和科研价值。     

植入式人体通信技术的耦合方式研究

研究植入式人体通信方式中通信信号的衰减与不同耦合方式之间的关系。涉及的耦合方式包括电容耦合、电流耦合、正向容阻耦合和反向容阻耦合4种。通过建立等效电路模型进行仿真计算,以及在模拟体内环境的水模型中实验测量的方式,对20 MHz通信频率下不同耦合方式的通信衰减进行对比。仿真和实验的结果均表明,正向容阻耦合方式下通信的衰减最小,分别为26 dB(计算值)和28 dB(测量值),而电容耦合、电流耦合和反向容阻耦合方式的通信衰减依次增大。这一结果反映出不同耦合方式之间的机制区别,同时意味着若将人体通信方式应用于植入式医疗设备中,正向容阻耦合方式将是最好的选择。     

低场磁共振锁场谱仪的射频脉冲发生器研制

基于现场可编程阵列（FPGA）和数字频率合成（DDS）芯片设计一个磁共振锁场谱仪的射频脉冲发生器。通过软硬件结合的方法研制一个灵活可变的射频脉冲信号发生器,输出脉冲脉宽可调,输出脉冲时间调制精度可控制在μs级别,载波频率可达300 MHz,输出射频脉冲频率相位可调。通过仿真和实验测试,证明基于FPGA与DDS的射频脉冲发生器,可以有效激励低场磁共振锁场样品产生锁磁共振信号。     

生物组织电特性在体测量微创电极的设计及应用研究

根据平行板电容法测量原理,应用矩量法计算极板电荷分布,设计一种用于在体测量的微创探针电极,夹持组织的体积仅有0.8 mm³。应用有限元法仿真研究微创电极中电场的分布,以证明微创电极能够有效屏蔽边缘效应。按照肿瘤生长时间将裸鼠分成3组(7、14、21 d),每组10只。在0.5~5 MHz频率范围内,分别测量在体和离体条件下,3组裸鼠的乳腺癌肿瘤组织和正常组织的电阻抗和阻抗角,计算得到相应的电特性参数(电导率和介电常数);并且在1、3、5 MHz这3个频率点,在体测量肿瘤组织、肌肉组织和脂肪组织的电特性参数。结果表明,在0.5~5 MHz频率范围内,在体肿瘤的电导率和介电常数随肿瘤生长时间的增长而变大,在体肿瘤与离体肿瘤的电特性参数有显著差异;在所测的3个频率点中,肿瘤组织与肌肉组织和脂肪组织的电特性参数分别存在显著差异。所设计的微创探针电极可实现微创在体测量的目标。     

A solution for linearity, stability and frequency bandwidth in PAM electrocutaneous stimulators'' isolation interface

This paper introduces a novel method to isolate low-level from high-voltage circuits and/or channels of PAM electrocutaneous stimulators in neuromuscular electrical stimulation (NMES). The method avoids problems of linearity and polarization stability of optocouplers and narrow bandwidth of isolation amplifiers. Its main parameters are: carrier frequency of rectangular pulses up to 1 MHz and maximum modulating signal (elliptical or triangular envelopes) of 50 kHz. The circuit has low drift, high-voltage isolation, low-power consumption, requires few components, is battery-operated and ideal for microcomputer interface-based applications.     

多电极联合电刺激神经调控模型建立与分析

目的:分析电刺激信号在人体组织中的扩散情况，为多电极联合刺激提供理论依据。方法:采用以电磁仿真标准单层人体头部模型为研究对象的几何结构模型，假定模型中填充物为肌肉组织，建立具有肌肉特性的有限元模型。向模型注入20 mA的直流电信号，通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 5.5计算分析信号在简化头部模型中的信号传播机制。结果:信号主要集中在电极周围；多电极联合刺激时，在模型的几何中心处存在信号叠加，信号在该处存在增强的趋势；同时，通过xy截面分析发现，在均匀的肌肉组织中，信号衰减强度约为8 dB/cm。结论:在简化头部模型中，多电极联合刺激能够在头部截面几何中心形成信号增强的趋势。     

The use of tonebursts as an alternative to broadband signals in the measurement of speed of sound in human cancellous bone

Speed of sound (SOS) measurements, typically made using 1 MHz broadband pulses, are increasingly used in the clinical diagnosis of bone disorders. Previous in vitro studies indicate that broadband ultrasound pulses are susceptible to distortion in cancellous bone, leading to imprecise arrival time and SOS measurements. We investigated the effect of bandwidth and frequency on SOS by comparing measurements made using 1 MHz broadband with 1 MHz and 300 kHz narrowband toneburst signals in 15 human proximal femur cancellous bone specimens. There was no significant difference in the value of SOS measured from the leading edge of 1 MHz broadband, 1 MHz toneburst and 300 kHz toneburst signals. Values of SOS in later regions of 1 MHz and 300 kHz tonebursts fell significantly (p < 0.001) when compared to earlier regions. This decrease in SOS levelled off by the third complete cycle of 300 kHz toneburst signals, reaching a plateau value of 1961 +/- 239 m s-1. No plateau SOS value was obtained in 1 MHz tonebursts. The reproducibility of SOS, as measured by the coefficient of variation, was higher for later regions of 300 kHz tonebursts than for the leading edge of 300 kHz toneburst and 1 MHz broadband signals (p < 0.005). The correlation between ultrasound measured modulus and compressive Young's modulus improved when 300 kHz tonebursts (r2 = 0.83) rather than 1 MHz broadband (r2 = 0.77) signals were used to calculate SOS. The improved SOS reproducibility of later regions 300 kHz tonebursts suggest that it may be beneficial to use such signals rather than 1 MHz broadband pulses in SOS measurement. Since no reliable SOS measurements could be obtained from any region of 1 MHz tonebursts, the use of high frequency toneburst signals in cancellous bone has little value.     

A multichannel telemetry system for recording cardiovascular neural signals.

A multichannel telemetry system was developed for use with chronically instrumented unrestrained cats. This system can simultaneously record efferent and afferent cardiovascular neural signals, bioelectrical noise arising near the electrode recording the neural signals, EEG, ECG, and a standard calibration signal. The miniature (18 cm3), lightweight (24 g), telemeter is a five-channel, time-multiplexed, pulse width modulation (PWM)/FM device employing a high frequency subcarrier (60 kHz) and two sampling frequencies (30 kHz and 6 kHz). The device is powered by two small 120 mA . h silver oxide cells; it has an indoor transmission range of 10 m and can operate for 48 h. One channel transmits a standard signal (a square wave of 100 Hz and 200 mVp-p) used to monitor and regulate the system's performance. When the variation in either the amplitude or frequency of the standard signal is greater than 10% of the control value, the transmitted bioelectrical signals are automatically discarded.     

微型植入式医疗电子设备的信号传导机制

微型植入式医疗电子设备是一种长时间埋于人体,用于监测生理特征的微型医疗器械。为了研究微型植入式医疗电子设备如何利用电信号实现植入物与体表检测设备的通信,并分析信号传导机制,本研究利用数学建模的方法,通过设定合理的边界条件和假设,建立微型植入式医疗电子设备体导通信信道模型。为了验证体导通信信道模型的解的准确性,建立了等效的数值解模型,通过分析体导通信信道模型和数值解模型的结果,发现两种模型的误差小于1%。为了验证体导通信信道模型与实验结果的一致性,选用文献中的实验数据来进行验证,通过对比实验结果与体导通信信道模型计算结果,发现体导通信信道模型的解和实验结果误差小于4 dB,具有良好的一致性。因此,体导通信信道模型的解是准确的,体导通信信道模型与实验也有较好的一致性。