CN101856222A - 植入式无线电子检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植入式无线电子检测装置，包括植入子和数据读取器，其中，所述数据读取器上设置有第一射频收发器和第一天线，所述植入子上设置有第二射频收发器和第二天线，所述植入子和数据读取器通过数字无线接口相连；所述检测装置包括一能量发射线圈，所述能量发射线圈通过电缆和所述数据读取器相连，所述植入子包括一能量接收线圈，所述能量接收线圈通过能量接收电路和所述植入子相连，并为所述植入子提供电能。本发明提供的植入式无线电子检测装置，由于分离了无线数据通讯和无线能量传输，提高了检测装置的抗干扰能力，有利于多个植入子并存工作及微型化。

Description

植入式无线电子检测装置

技术领域

本发明涉及一种电子检测装置，尤其涉及一种植入式无线电子检测装置。

背景技术

测量人体内的生理压力对于临床医疗和科学研究都有重要的价值。很多疾病的诊断和治疗都依赖于生理压力的准确检测。最常见的生理压力有血压、颅内压、膀胱压、胸腔压和胃肠道腔内压，其中对于血压的检测应用最为广泛。收缩压和舒张压可以用体外无创的方法进行检测，但一些疾病的诊断和治疗需要对于动脉血压进行连续和长期的检测。

动脉置管法是一种有创监测血压的常用方法。通过刺穿动脉血管并在血管内插入导管，将导管连接到压力传感器即可连续检测动脉血压。这种方法容易造成感染，难以长期使用。由于导管较长而且直径较细，会影响血压波形中高频分量的测量，使检测系统的频率响应范围受到限制，影响检测结果的准确性。

针对上述问题，目前已经出现植入式血压检测方法。将具有压力检测和无线通信功能的微型检测系统(植入子)植入到体内，直接检测血管内压力，通过无线通信将检测数据传输至体外。美国Data Sciences International公司的动物生理信号遥测发射器可植入式检测动物血压，采用纽扣电池作为电源，可连续工作数月。由于纽扣电池电量有限，这种发射器难以长期连续工作。新西兰Telemetry Research公司的植入式动物血压检测传感器也采用纽扣电池作为电源，但可在动物体外对电池进行无线充电。美国Medtronic公司的

和St.Jude Medical公司的

植入式血流动力学检测系统使用锂电池作为电源，采用导管插入动脉检测人体血压，其外形类似心脏起搏器。

上述这些采用电池作为电源的植入式传感器，受到电池尺寸的限制，其体积均较大，难以直接植入血管内进行血压检测，因而只能采用导管刺穿血管的方式检测血压。首先这种方式由于导管长期穿过血管壁，易造成血栓、血管破裂等严重问题。对于某些无法采用导管刺穿血管进行检测的情况，例如主动脉瘤腔内血压的检测，这种方式难以适用。其次，植入式传感器较大的外形尺寸也会严重限制其它方面的应用，例如植入式颅内压和膀胱压的检查需要植入子的外形尺寸尽可能的小。另外，植入子内包含的电池也存在对人体潜在的危害，一旦电池出现泄漏，则可能对人体造成严重伤害。

美国CardioMEMS公司的

腹主动脉瘤压力检测系统可用于检测腹主动脉瘤和胸主动脉瘤腔内压力。此系统由植入式血压传感器和体外部分构成。植入式血压传感器是一种由电容式压力传感器和微型电感线圈组成的无源器件，在体外部分产生的交变电磁波的作用下，由电容式压力传感器和电感线圈形成谐振，谐振频率与所受压力有对应的比例关系，谐振频率通过植入式血压传感器产生的回波由体外部分检测到，并根据谐振频率来计算血压值。此产品的植入式血压传感器虽不包含电池，但血压测采集和无线传输均采用模拟电子技术，检测精度受到限制，而且人体内外的模拟无线通信极易收到环境干扰，测量的准确性和稳定性均会收到影响。另外，此血压传感器的压力敏感区域需占据传感器表面的大部分面积，检测时需要将血压传感器完全浸入血液才能工作，而此传感器本身的尺寸在5×30mm左右，对于人体内的小动脉则难以植入。

以色列Remon Medical Technologies公司的Impressure^TM腹主动脉瘤压力检测设备也是一种植入式血压检测传感器。它基于超声波技术，内部包含一个压电薄膜，可从体外手持式探头发出的超声波接收能量对电容充电，内部集成的压力传感器利用电容的电量检测血压，产生超声回波，由体外手持式探头接收并转换为压力值。由于超声波在体内传播过程中会收到组织的影响而产生衰减，体内和体表的气体会对超声波产生严重的干扰，所以这种方法存在易受干扰、检测稳定性差、精度低等缺点。

目前也有一些研究者将射频识别(Radio Frequency Identification)技术应用于植入式血压检测，例如ISSYS公司研究的用于心力衰竭病人监测的植入式血压传感器、德国亚琛大学的F.Springer等人研究的植入式压力传感器、德国亚琛大学的U.Urban等人研究的植入式高血压监测传感器等。在这种方法中，体外数据读取器通过天线产生电磁场，传感器通过内部的线圈从这个电磁场中获取能量，压力传感器采集的数据通过此线圈产生回波，由体外数据读取器通过天线检测。这种方法存在以下问题：第一、数据和能量的传输都是通过传感器内部的线圈与数据读取器的天线完成的，其数据的传输采用感应耦合方式进行，抗干扰能力差，用于人体内外无线通信时极易收到人体组织和环境影响，导致数据传输错误，影响数据采集的稳定性和准确性。第二、传感器与体外数据读取器间的感应耦合式数据传输的速率较低，导致其采样率较低，对于需要进行高采样率的应用，例如对于心力衰竭病人的血压检测采样率可达到200～1000Hz，这种方式的数据传输率难以满足要求。第三、由于采用感应耦合方式的数据传输，导致传感器和数据读取器之间的有效通信距离较短，这种方式一般只适合传感器距离皮肤较近的情况，即体外数据读取器的天线和传感器内部线圈之间可形成密耦合，如传感器位于人体较深的部位，则难以有效通信。第四、植入式传感器和体外数据读取器无线数据传输采用的是固定的单一信道，多个植入子距离较近时会产生相互干扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种植入式无线电子检测装置，提高检测装置的抗干扰能力和数据采样率。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种植入式无线电子检测装置，包括植入子和数据读取器，其中，所述数据读取器上设置有第一射频收发器和第一天线，所述植入子上设置有第二射频收发器和第二天线，所述植入子和数据读取器通过数字无线接口相连；所述检测装置包括一能量发射线圈，所述能量发射线圈通过电缆和所述数据读取器相连，所述植入子包括一能量接收线圈，所述能量接收线圈通过能量接收电路和所述植入子相连，并为所述植入子提供电能。

上述植入式无线电子检测装置，其中，所述数据读取器包括第一微控制器、数据接口、第一射频收发器和能量发射器；所述数据接口、第一射频收发器与所述第一微控制器通过系统总线相连；所述第一射频收发器通过第一天线向外收发数据。

上述植入式无线电子检测装置，其中，所述植入子包括第二微控制器、模数转换器、第二射频收发器和能量接收线圈；所述模数转换器、第二射频收发器与所述第二微控制器通过系统总线相连；传感器输入信号依次多路复用开关、可编程增益放大器和所述模数转换器相连；所述第二射频收发器通过第二天线向外收发数据；所述能量接收线圈通过整流滤波电路和低压差线性稳压器转换为植入子工作所需的直流电压，电压基准产生的高精度的基准电压，作为所述压力传感器和温度传感器的工作电压，同时为所述模数转换器提供参考电压。

上述植入式无线电子检测装置，其中，第一射频收发器和第二射频收发器采用UHF频段内的频率作为载波频率。

上述植入式无线电子检测装置，其中，所述植入子为圆柱形状，所述传感器包括温度传感器和压力传感器，所述压力传感器和外壳粘接为一体，其它部件位于所述外壳以内。

上述植入式无线电子检测装置，其中，所述压力传感器中的传感器芯片粘接在基板上，并通过金丝和所述基板电气相连；所述传感器芯片、金丝位于由基板、套筒和端盖形成的空腔内，所述空腔填充果冻状凝胶作为压力传导介质；所述端盖中心设置有一个圆柱状孔，其中填充有防凝血涂层；所述套筒左侧端部设计有台阶，所述基板与所述套筒在所述台阶处粘接成一体。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的植入式无线电子检测装置，通过射频收发器和天线实现无线数据传输，通过能量发射线圈和能量接收线圈实现无线能量传输，由于分离了无线数据通讯和无线能量传输，并且采用数字无线通信方式，可以分别对无线数据通讯和无线能量传输参数进行优化，提高了检测装置的抗干扰能力和数据检测采样率，有利于多个植入子并存工作及微型化。

附图说明

图1是本发明的植入式无线电子检测装置结构示意图。

图2是图1中植入子的电路框图。

图3是图1中植入子的剖面结构示意图。

图4是图3中压力传感器的剖面结构放大图。

图5是图3中能量接收线圈的剖面结构放大图。

图6是图1中数据读取器的电路框图。

图7是本发明检测装置安装实施使用示意图。

图8是本发明检测装置另一种安装实施使用示意图。

图中：

1植入子        2数据读取器      3能量发射线圈

4电缆          5人体            6第一天线

7压力传感器    8温度传感器      9多路复用开关

10可编程增益放大器    11模数转换器          12第二微控制器

13第二射频收发器      14第二天线            15能量接收线圈

16整流滤波电路        17低压差线性稳压器    18电压基准

19电路模块            20外壳                21基板

22金丝                23果冻状凝胶          24套筒

25端盖                26防凝血涂层          27传感器芯片

28连接导线            29第一挡板            30磁芯

31漆包线              32第二挡板            33第一射频收发器

34第一微处理器        35能量发射器          36电源模块

37数据接口            38腹主动脉            39覆膜支架主体

40瘤腔                41覆膜支架分支        42股动脉

43形状记忆合金弹簧    44肺动脉

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1是本发明的植入式无线电子检测装置结构示意图。

请参见图1，本发明的植入式无线电子检测装置包括由植入子1、数据读取器2、能量发射线圈3组成，植入子3植入人体5内，能量发射线圈3通过电缆4连接至数据读取器2，第一天线6是数据读取器2的一个组成部分。

图2是图1中植入子的电路框图。

请继续参见图2，植入子1内包含压力传感器7和温度传感器8，两传感器的输出信号经多路复用开关9送入可编程增益放大器10进行放大，可编程增益放大器10的增益由第二微控制器12设定，放大后的信号送入模数转换器11转换为数字量后进入第二微控制器12，然后由第二微控制器12控制第二射频收发器13通过第二天线14将数据无线传输至体外。能量接收线圈15位于能量发射线圈3产生的交变磁场中时产生感应电动势，经由整流滤波电路16和低压差线性稳压器(Low Drop Out regulator，缩写为LDO)17转换为植入子1工作所需的直流电压，电压基准18产生的高精度的基准电压，作为压力传感器7和温度传感器8的工作电压，同时为模数转换器11提供参考电压。

图3是图1中植入子的剖面结构示意图。

请继续参见图3，从左至右依次是能量接收线圈15、电路模块19、温度传感器8、第二天线14、压力传感器7。其中，压力传感器7是一个包含多个部分的结构，见图4，除压力传感器7以外的其它部分位于外壳20以内。压力传感器7和外壳20粘接为一体。

图4是图3中压力传感器的剖面结构放大图。

请继续参见图4，压力传感器7中传感器芯片27粘接在基板21上，采用金丝22将电信号连接至基板21，然后经由连接导线28连接至电路模块19，从而实现电信号传输。传感器芯片27、金丝22位于由基板21、套筒24和端盖25形成的空腔内，此空腔填充果冻状凝胶23作为压力传导介质。在端盖25中心有一个圆柱状孔，其中填充了防凝血涂层26，防止血液在此处凝结而影响压力测量。基板21与套筒24粘接为一体，套筒24左侧端部设计有台阶，在此处与外壳20粘接为一体。外壳20、套筒24、端盖25均采用具有良好生物相容性的高分子聚合物材料制成。

图5是图3中能量接收线圈的剖面结构放大图。

请继续参见图5，能量接收线圈15用漆包线31在由磁芯30、第一挡板29、第二挡板32组成的骨架上绕制而成，磁芯30和第一挡板29、第二挡板32之间采用粘接固定。磁芯30材料为高磁导率锰锌铁氧体，第一挡板29和第二挡板32为高分子聚合物材料。

图6是图1中数据读取器的电路框图。

请继续参见图6，本发明所述装置的数据读取器2包括第一微控制器34、数据接口37、第一射频收发器33和能量发射器35；所述数据接口37、第一射频收发器33与所述第一微控制器34通过系统总线相连；所述第一射频收发器33通过第一天线6向外收发数据，数据读取器2有电源模块36供电，具体工作原理如下：植入子1根据需要植入人体5以内的部位，将能量发射线圈3置于体外适合的位置，使植入子1位于能量发射线圈3所覆盖的有效工作区域内。参见图6，数据读取器2通过其内部的能力发射器29驱动驱动能量发射线圈3产生交变磁场，植入子1由此交变磁场获取能量。植入子1获取能量后即开始工作，检测所处位置的压力和体温，并无线传输至体外，由数据读取器2通过第一天线6和第一射频收发器27接收。数据读取器2每次接收到植入子1发送的数据后会通过其内部的第一微处理器28控制第一射频收发器27通过第一天线6向植入子1发送应答数据，表明已成功接收到数据。植入子1如收到此应答数据，则标志着一次数据传输的成功。如果植入子1在指定的时间内未收到数据读取器2发送的应答信号，则会重发数据，直至接收到应答数据，或者超过指定的重发次数为止。数据读取器2也可以向植入子1发送控制命令，改变植入子1的工作参数，例如采样率、分辨率等。数据读取器2可通过内部的数据接口37将数据传输给计算机或者从计算机接收控制命令。

植入子的射频具有多个无线通信信道，每个植入子工作时的信道可通过接收数据读取器发送控制命令来设定。各信道使用的频率不同，而且互不重叠，因此多个植入子可处于同一个工作空间内同时工作而不会产生相互干扰的问题。这使得同一个人体内可在不同位置植入多个植入子，或者多个带有植入子的患者可在同一个区域内检测而不致相互影响。无线能量传输的频率都是相同的，数据读取器2根据距离的不同，靠近相应的植入子并对其进行充电。

第一射频收发器33和第二射频收发器13采用UHF频段内的频率作为载波频率，这样可以极大的减小第二天线14的尺寸，例如在2.4GHz频率下，可使第二天线14的尺寸减小到2.0×1.2×1.1mm³的体积。当植入子1外形为圆柱形，直径不大于3.2mm，长度不大于25mm。由于UHF频段内的频率，植入子的射频收发器具有高速数据传输率，最高有效数据传输率度可达1Mbit/s，这使得植入子可以采用高分率模数转换器和高采样率进行数据采集。植入子的模数转换器分辨率为16位，最高采样率为10kHz。更高的数据检测采样率和分辨率可检测到人体生理压力波中的更高频率的分量，为研究和临床诊断提供更为丰富的数据。植入子的采样率和分辨率可根据接收的控制命令调整，以适应不同的检测需要。

图7是本发明检测装置安装实施使用示意图。

请参见图7，在本实施例中，植入子1用于检测腹主动脉瘤腔内修复术后瘤腔40内的血压，其实施过程如下。在患有腹主动脉瘤的病人进行腔内修复术的过程中，将覆膜支架主体39通过手术所用导管植入瘤腔40，并嵌入腹主动脉38，再将植入子1植入瘤腔40内，然后将覆膜支架分支41植入，与覆膜支架主体39结合，并嵌入股动脉42，使瘤腔40与腹主动脉38和股动脉42隔开，这样植入子1即位于此隔开的瘤腔40以内。由于覆膜支架主体39、覆膜支架分支41与腹主动脉38或股动脉42之间难以严密贴合以及其它原因，可能导致瘤腔40内的压力升高，这种情况即为术后的并发症——内漏。在患者术后随访时，利用数据读取器2驱动能量发射线圈3，为植入子1无线功能使其正常工作，此时即可检测到瘤腔40内的压力。如果此压力超过一定的数值，表明瘤腔40内可能产生了内漏。在本实施例中，植入子检测的体温数据还可以用以在患者体温过高时对压力数据进行校准。

图8是本发明检测装置另一种安装实施使用示意图。

请参见图8，在本实施例中，植入子1通过导管植入肺动脉44内，植入子1外部固定有形状记忆合金弹簧43，它能以一定的弹力与肺动脉44内壁接触，使植入子1的位置不会因血流的冲击而产生移动。当植入子1在肺动脉44内固定后，即可利用数据读取器2驱动能量发射线圈3使植入子1工作，并接收植入子1检测的血压和体温数据。本实施例可用来对心力衰竭患者进行长期监控，以更好的控制患者的病情，并为患者制定更加科学合理的治疗方案提供依据。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种植入式无线电子检测装置，包括植入子和数据读取器，其特征在于，所述数据读取器上设置有第一射频收发器和第一天线，所述植入子上设置有第二射频收发器和第二天线，所述植入子和数据读取器通过数字无线接口相连；所述检测装置包括一能量发射线圈，所述能量发射线圈通过电缆和所述数据读取器相连，所述植入子包括一能量接收线圈，所述能量接收线圈通过能量接收电路和所述植入子相连，并为所述植入子提供电能。

2.如权利要求1所述的植入式无线电子检测装置，其特征在于，所述数据读取器包括第一微控制器、数据接口、第一射频收发器和能量发射器；所述数据接口、第一射频收发器与所述第一微控制器通过系统总线相连；所述第一射频收发器通过第一天线向外收发数据。

3.如权利要求1所述的植入式无线电子检测装置，其特征在于，所述植入子包括第二微控制器、模数转换器、第二射频收发器和能量接收线圈；所述模数转换器、第二射频收发器与所述第二微控制器通过系统总线相连；传感器输入信号依次多路复用开关、可编程增益放大器和所述模数转换器相连；所述第二射频收发器通过第二天线向外收发数据；所述能量接收线圈通过整流滤波电路和低压差线性稳压器转换为植入子工作所需的直流电压，电压基准产生的高精度的基准电压，作为所述压力传感器和温度传感器的工作电压，同时为所述模数转换器提供参考电压。。

4.如权利要求3所述的植入式无线电子检测装置，其特征在于，所述第一射频收发器和第二射频收发器采用UHF频段内的频率作为载波频率。

5.如权利要求3所述的植入式无线电子检测装置，其特征在于，所述植入子为圆柱形状，所述传感器包括温度传感器和压力传感器，所述压力传感器和外壳粘接为一体，其它部件位于所述外壳以内。

6.如权利要求5所述的植入式无线电子检测装置，其特征在于，所述压力传感器中的传感器芯片粘接在基板上，并通过金丝和所述基板电气相连；所述传感器芯片、金丝位于由基板、套筒和端盖形成的空腔内，所述空腔填充果冻状凝胶作为压力传导介质；所述端盖中心设置有一个圆柱状孔，其中填充有防凝血涂层；所述套筒左侧端部设计有台阶，所述基板与所述套筒在所述台阶处粘接成一体。

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