一种阻抗自动测试系统及使用方法

技术领域

本发明属于植入电极阻抗测试技术领域，具体涉及一种阻抗自动测试系统及使用方法。

背景技术

神经假体是一种能够帮助修复受损神经功能的体内植入式电子系统装置，可以通过人工电刺激局部功能完好的神经组织来恢复神经功能，而电极阵列则是神经假体中直接与生物组织相接触的关键部件，在整个假体系统中起着十分重要的作用。植入电极阵列的目的是为了治疗神经损伤性疾病，目前电极阵列已经应用在治疗很多疾病当中，可以用在人工耳蜗中，也可以用在视网膜假体、视觉神经假体、肌张力异常、帕金森、瘫痪、癫痫、老年痴呆等疾病治疗当中。

在人工耳蜗中植入电极配合耳背的传声器可以使感音神经性聋患者获得听力，但植入耳内的电极，需要长期的、稳定的在耳内工作，因此植入电极的耐久性是在植入前必须考虑的问题。在动物体内做实验研究植入电极的耐久性操作困难，且耗时长。

植入电极选择薄膜电极阵列，每个电极阵列上有16个刺激位点，通过微加工的方式制作。利用生物相容性较好的聚对二氯甲苯Parylene C作为封装和衬底，选择电化学稳定性较好的铂作为电极材料，在封装与衬底之间溅射一层钛来解决聚合物与金属之间黏性不强的问题。

现有技术面向植入电极的耐久性测试，大多依靠人工方式，进行加速老化实验，人力成本投入大，并且容易发生操作错误，导致测试结果准确性差；并且现有的测试方案仅仅针对植入电极阻抗处于室温或短时高温的电极阻抗测试，缺乏对植入电极高温环境下长时间的阻抗测试的测试方案，测试方案不全面，参考价值低。

发明内容

为了解决现有技术存在的人力成本投入大，测试结果准确性差，测试方案不全面以及参考价值低的问题，本发明目的在于提供一种阻抗自动测试系统及使用方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种阻抗自动测试系统，包括中央控制模块、阻抗测试模块、多路选通模块、三电极模块以及水浴池，中央控制模块与阻抗测试模块通信连接，且中央控制模块与多路选通模块电性连接，阻抗测试模块和多路选通模块均与三电极模块电性连接，三电极模块包括被测试的电极阵列、参比电极、对电极以及电解池，且三电极模块设置于水浴池的内部；

中央控制模块，用于控制阻抗自动测试系统的正常工作；初始化阻抗自动测试系统，并设置测试参数；对所有阻抗自动测试结果进行存储、曲线绘制以及曲线展示；

阻抗测试模块，用于根据设置的测试参数，对电极阵列进行阻抗自动测试，得到当前测试通道的阻抗自动测试结果；直至所有测试通道均完成阻抗自动测试，得到所有测试通道的阻抗自动测试结果；

多路选通模块，用于自动切换下一测试通道；

三电极模块，用于根据被测试的电极阵列、参比电极以及对电极构成三电极测试体系，并为三电极测试体系提供电解池；

水浴池，用于为三电极模块提供高温水浴环境。

进一步地，三电极模块包括电解池、参比电极、对电极以及电极阵列，电解池的内部设置有电解质溶液，电解池的顶部设置有盖子，且电解池设置于水浴池的内部，参比电极、对电极以及电极阵列均设置于电解池的内部，且参比电极和对电极均与阻抗测试模块电性连接，电极阵列与多路选通模块电性连接。

进一步地，多路选通模块包括片选芯片、连接器、BNC接口、插针以及若干模拟多路复用器，若干模拟多路复用器的SCLK引脚和DIN引脚均通过插针与中央控制模块电性连接，若干模拟多路开关的多路开关通道S1-S32均与连接器电性连接，且若干模拟多路开关的D引脚均与BNC接口电性连接，BNC接口与阻抗测试模块电性连接，片选芯片通过插针与中央控制模块电性连接，且片选芯片分别与若干模拟多路复用器的SYNC引脚电性连接，连接器与三电极模块的电极阵列所对应的电极连接器电性连接。

进一步地，阻抗自动测试系统还包括温度测量模块、温度控制模块以及液位测量控制模块，温度测量模块和液位测量控制模块均与中央控制模块电性连接，且温度测量模块的测量端设置于三电极模块的电解池的内部，液位测量控制模块的测量端和执行端，以及温度控制模块的测量端和执行端均设置于水浴池的内部；

温度测量模块，用于采集电解池的实时溶液温度；

温度控制模块，用于采集水浴池的实时加热温度，并根据水浴池的实时加热温度，对水浴池进行溶液温度调整，维持高温水浴环境；

液位测量控制模块，用于采集水浴池的实时液位高度，并对水浴池进行液位高度调整，维持高温水浴环境。

进一步地，温度测量模块为数字温度传感器，数字温度传感器的输入端作为温度测量模块的测量端设置于三电极模块的电解池的内部，且数字温度传感器的输出端与中央控制模块电性连接；

温度控制模块包括温控器、测温线以及加热棒，温控器分别与测温线和加热棒电性连接，加热棒作为温度控制模块的执行端和测温线的输入端作为温度控制模块的测量端均设置于水浴池的内部。

进一步地，液位测量控制模块包括液位测量子模块和液位控制子模块，液位测量子模块的输出端和液位控制子模块的输入端均与中央控制模块电性连接，且液位测量子模块的输入端作为液位测量控制模块的测量端设置于水浴池的内部，液位控制子模块的输出端作为液位测量控制模块的执行端设置于水浴池的内部；

液位测量子模块为液位测量传感器，液位控制子模块为液位控制水泵，液位控制水泵设置有继电器，继电器串联接入液位控制水泵的控制回路，且继电器的输入端与中央控制模块电性连接。

进一步地，阻抗自动测试系统还包括电极连接模块，电极连接模块设置于多路选通模块与三电极模块的电极阵列之间，且电极连接模块分别与多路选通模块和三电极模块的电极阵列电性连接；

电极连接模块，用于连接多路选通模块与三电极模块的电极阵列，使用多路选通模块通过电极连接模块对三电极模块中电极阵列的电极位点进行选通。

进一步地，电极连接模块包括固相互电性连接的顶部探针PCB板和底部PCB板，顶部探针PCB板与多路选通模块电性连接，底部PCB板与电极阵列电性连接。

一种阻抗自动测试系统的使用方法，基于阻抗自动测试系统，系统包括中央控制模块、阻抗测试模块、多路选通模块、三电极模块、水浴池、温度测量模块、温度控制模块、液位测量控制模块以及电极连接模块，方法包括如下步骤：

初始化阻抗自动测试系统，并设置测试参数；

采集电解池的实时溶液温度，以及水浴池的实时加热温度和实时液位高度，根据设置的测试参数、实时溶液温度、实时加热温度以及实时液位高度，对水浴池进行溶液温度控制和液位高度控制；

根据设置的测试参数，对电极阵列进行阻抗自动测试，得到当前测试通道的阻抗自动测试结果；

自动切换下一测试通道，对电极阵列进行阻抗自动测试，得到下一测试通道的阻抗自动测试结果；

直至所有测试通道均完成阻抗自动测试，得到所有测试通道的阻抗自动测试结果；

对所有阻抗自动测试结果进行存储、曲线绘制以及曲线展示。

进一步地，测试参数包括预设溶液温度、预设液位高度、测试信号电平参数、测试频率参数、阻抗测试方式以及阻抗参数类型；

对所有阻抗自动测试结果进行曲线绘制，得到对应的电化学阻抗谱曲线。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种阻抗自动测试系统及使用方法，构建完善、自动化的阻抗自动测试结构，面向植入电极的耐久性研制，在体外对植入电极进行加速老化实验，实时自动测试电极的阻抗，避免了依靠人工方式，减少了人力成本投入，实现无人值守的自动测试；使用该阻抗自动测试系统，实时监测电极的阻抗变化，对植入电极的性能作出评估，判断电极的退化损伤情况，提高了测试准确性；同时本系统的测试方案提供稳定的高温环境，将植入电极长期间置于高温环境下，研究植入电极高温环境下长时间的阻抗测试，提高了测试方案的参考价值。

本发明的其他有益效果将在具体实施方式中进一步进行说明。

附图说明

图1是本发明中阻抗自动测试系统的结构框图。

图2是本发明中阻抗自动测试系统的使用方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种阻抗自动测试系统，包括中央控制模块、阻抗测试模块、多路选通模块、三电极模块以及水浴池，中央控制模块通过LAN电缆与阻抗测试模块通信连接，且中央控制模块与多路选通模块电性连接，阻抗测试模块和多路选通模块均与三电极模块电性连接，三电极模块包括被测试的电极阵列、参比电极、对电极以及电解池，且三电极模块设置于水浴池的内部；

中央控制模块，采用具体型号为the Pi 3Model B的树莓派Raspberry Pi，设置有人机交互设备(显示屏和鼠标等)，用于控制阻抗自动测试系统的正常工作；初始化阻抗自动测试系统，并设置测试参数；对所有阻抗自动测试结果进行存储、曲线绘制以及曲线展示，显示屏展示图形用户界面和电化学阻抗谱曲线，按键等设置测试参数；

阻抗测试模块，采用具体型号为E4980A的LCR分析仪，用于根据设置的测试参数，对电极阵列进行阻抗自动测试，得到当前测试通道的阻抗自动测试结果；直至所有测试通道均完成阻抗自动测试，得到所有测试通道的阻抗自动测试结果；阻抗测试模块提供测试信号电平，利用自动平衡电桥对三电极模块中被测试的电极阵列进行阻抗测试，一次能够完成201个频率的扫描，在宽频范围下(20Hz～2MHz)完成阻抗的测试，依据要求完成多种阻抗参数类型的选择、自动调节阻抗测试的范围，利用四端对测量方式，消除了因互感所带来的实验误差，支持自动测试，接受远程控制，通过服务器与外部控制器进行通信，中央控制模块发送可编程仪器标准命令完成与阻抗测试模块之间的信息交换；

多路选通模块，用于自动切换下一测试通道，即对电极阵列的不同的电极位点进行自动切换；

三电极模块，用于根据被测试的电极阵列、参比电极以及对电极构成三电极测试体系，并为三电极测试体系提供电解池；

水浴池，用于为三电极模块提供高温水浴环境。

作为优选，三电极模块包括电解池、参比电极(AgCl电极)、对电极(铂丝电极)以及电极阵列，电解池的内部设置有电解质溶液(浓度为0.9％的NaCl溶液，设置有盐桥)，电解池的顶部设置有聚四氟乙烯材质的盖子，且电解池设置于水浴池的内部，参比电极、对电极以及电极阵列均设置于电解池的内部，且参比电极和对电极均与阻抗测试模块电性连接，电极阵列与多路选通模块电性连接；电解池置于高温水浴池中，利用水浴使电解池、电解质溶液以及三电极处在一个高温环境中，电解池置于水浴环境中，AgCl电极在高温环境下无法正常工作，将AgCl置于常温烧杯中，利用盐桥将高温电解池与常温烧杯连通，完成三电极体系的搭建。

作为优选，多路选通模块包括具体型号为74LS139的片选芯片、连接器、BNC接口、插针以及若干具体型号为ADG731的模拟多路复用器，若干模拟多路复用器的SCLK引脚和DIN引脚均通过插针与中央控制模块电性连接，若干模拟多路开关的多路开关通道S1-S32均与连接器电性连接，且若干模拟多路开关的D引脚均与BNC接口电性连接，BNC接口与阻抗测试模块电性连接，片选芯片通过插针与中央控制模块电性连接，且片选芯片分别与若干模拟多路复用器的SYNC引脚电性连接，连接器与三电极模块的电极阵列所对应的电极连接器电性连接；电极阵列上的一个位点完成测试后，多路选通模块将自动进行下一位点的切换，开关切换之前会将多路选通模块的其他开关全部关闭，在切换瞬间不会造成瞬间短路现象。

多路选通模块的BNC接口与阻抗测试模块的高电压端和高电流端连接，阻抗测试模块的低电压端与三电极模块的参比电极连接，阻抗测试模块的低电流端与三电极模块的对电极连接，构成三电极测试回路。

作为优选，阻抗自动测试系统还包括温度测量模块、温度控制模块以及液位测量控制模块，温度测量模块和液位测量控制模块均与中央控制模块电性连接，且温度测量模块的测量端设置于三电极模块的电解池的内部，液位测量控制模块的测量端和执行端，以及温度控制模块的测量端和执行端均设置于水浴池的内部；

温度测量模块，用于采集电解池的实时溶液温度；

温度控制模块，用于采集水浴池的实时加热温度，并根据水浴池的实时加热温度，对水浴池进行溶液温度调整，维持高温水浴环境；

水浴池中的水在高温下易蒸发，需使水浴池的液位维持在固定值，液位测量控制模块，用于采集水浴池的实时液位高度，并对水浴池进行液位高度调整，维持高温水浴环境。

作为优选，温度测量模块为具体型号为DS18B20的数字温度传感器，数字温度传感器的输入端作为温度测量模块的测量端设置于三电极模块的电解池的内部，且数字温度传感器的输出端与中央控制模块电性连接；对电极阵列所在的电解质的实时溶液温度进行多点采集，即设置多个数字温度传感器，多个数字温度传感器并联在唯一的三线上，测温精度高、连接方便、占用口线少，实现多点测温，温度测量完成后，进行电极位点测试时，更新当前测试环境的实时溶液温度；

温度控制模块包括温控器、测温线以及加热棒，温控器分别与测温线和加热棒电性连接，加热棒作为温度控制模块的执行端和测温线的输入端作为温度控制模块的测量端均设置于水浴池的内部；对水浴环境进行高温加热，需提前设置好温控器的起始温度与停止温度，测温线采集水浴池的实时加热温度，当实时加热温度达到预先设置的停止温度，温控器控制加热棒不再加热，当实时加热温度低于起始温度，温控器控制加热棒开启继续加热，以维持电解池的实时溶液温度。

作为优选，液位测量控制模块包括液位测量子模块和液位控制子模块，液位测量子模块的输出端和液位控制子模块的输入端均与中央控制模块电性连接，且液位测量子模块的输入端作为液位测量控制模块的测量端设置于水浴池的内部，液位控制子模块的输出端作为液位测量控制模块的执行端设置于水浴池的内部；

液位测量子模块为具体型号为HC-SR04的液位测量传感器，液位控制子模块为液位控制水泵，液位控制水泵设置有继电器，继电器串联接入液位控制水泵的控制回路，且继电器的输入端与中央控制模块电性连接；液位测量传感器测试水浴池中实时液位高度，水浴池中的液位必须高于电解质溶液的液位，因此将水浴池中的液位设置最低数值，当水浴池中的液位小于电解池的液位时，继电器开启，控制液位控制水泵加水，稳定水浴池中的液位。

作为优选，阻抗自动测试系统还包括电极连接模块，电极连接模块设置于多路选通模块与三电极模块的电极阵列之间，且电极连接模块分别与多路选通模块和三电极模块的电极阵列电性连接；

电极连接模块，用于连接多路选通模块与三电极模块的电极阵列，使用多路选通模块通过电极连接模块对三电极模块中电极阵列的电极位点进行选通。

作为优选，电极连接模块包括固相互电性连接的顶部探针PCB板和底部PCB板，顶部探针PCB板与多路选通模块电性连接，底部PCB板与电极阵列电性连接；植入电极阵列放置在底部PCB板上，电极阵列的焊盘与底部PCB板上的焊盘标识一一对应，顶部探针PCB板将探针按压在电极阵列的焊盘上，利用聚四氟乙烯的螺钉将电极连接模块固定。

实施例2：

如图2所示，本实施例提供一种阻抗自动测试系统的使用方法，基于阻抗自动测试系统，系统包括中央控制模块、阻抗测试模块、多路选通模块、三电极模块、水浴池、温度测量模块、温度控制模块、液位测量控制模块以及电极连接模块，方法包括如下步骤：

初始化阻抗自动测试系统，并设置测试参数；测试参数包括预设溶液温度、预设液位高度、测试信号电平参数、测试频率参数、阻抗测试方式以及阻抗参数类型，具体的，设置测试信号电平参数为0.05V，设置扫描频率，测试频率的设置有两种方式，分别是步进方式与手动输入，步进方式通过输入起始频率、终止频率、步进间隔，由自动测试系统计算处测试频率；手动输入频率则根据需求手动输入，相邻两个频率之间用“，”隔开，本实施例中，设置测试频率为20Hz～2MHz，置阻抗测试方式，包括ZTD方式和RX方式，ZTD方式得到的测试结果是阻抗的模值与相位，RX方式得到的是阻抗的实部与虚部，本实施例中，设置阻抗测试方式为ZTD方式；

采集电解池的实时溶液温度，以及水浴池的实时加热温度和实时液位高度，根据设置的测试参数、实时溶液温度、实时加热温度以及实时液位高度，对水浴池进行溶液温度控制和液位高度控制；

根据设置的测试参数，对电极阵列进行阻抗自动测试，得到当前测试通道的阻抗自动测试结果；

自动切换下一测试通道，对电极阵列进行阻抗自动测试，得到下一测试通道的阻抗自动测试结果；

直至所有测试通道均完成阻抗自动测试，得到所有测试通道的阻抗自动测试结果；

对所有阻抗自动测试结果进行存储、曲线绘制以及曲线展示，

对所有阻抗自动测试结果进行曲线绘制，得到对应的电化学阻抗谱曲线，包括尼奎斯特曲线、幅度-频率曲线以及相位-频率曲线。

本发明提供的一种阻抗自动测试系统及使用方法，构建完善、自动化的阻抗自动测试结构，面向植入电极的耐久性研制，在体外对植入电极进行加速老化实验，实时自动测试电极的阻抗，避免了依靠人工方式，减少了人力成本投入，实现无人值守的自动测试；使用该阻抗自动测试系统，实时监测电极的阻抗变化，对植入电极的性能作出评估，判断电极的退化损伤情况，提高了测试准确性；同时本系统的测试方案提供稳定的高温环境，将植入电极长期间置于高温环境下，研究植入电极高温环境下长时间的阻抗测试，提高了测试方案的参考价值。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。