CN111728637A - 一种无创双通道数据传输植入式胃慢波检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无创双通道数据传输植入式胃慢波检测装置，包括超声经皮充能子系统、传感数据产生子系统、超声FBG阵列耦合子系统和RF通道子系统。基于光纤光栅阵列实现对体内胃慢波转换成的超声波的感知，检测精度高，抗电磁干扰，在此基础上还添加了一条RF信号传输通道，保证检测到的胃慢波数据的准确性。利用超声经皮充能子系统给植入部分供电，使本系统可以实现长期安全稳定检测胃慢波。
Description
技术领域
本发明属于超声FBG耦合技术、超声经皮充电技术和植入式医疗设备应用开发领域，特别涉及一种无创双通道胃慢波检测装置。
背景技术
胃癌在全世界范围内发病率占据第二。据世界卫生组织报道，每年全球有139万人被检测出胃癌，约109万人死亡。研究表明，胃癌的发病与胃动力不足，胃排空延迟，粘膜血流量降低，粘膜分泌能力降低等因素有关，早期发现并及时治疗，是降低死亡率的有效方法。
目前广泛应用的体外胃慢波检测方法通过测量人体腹部表面电位的手段，得到胃电图，从而确定胃部病变的情况。但是由于胃慢波信号经过人体腹壁的滤波，在腹部体外表面测得的胃电图只能粗略给出胃部全部慢波的频率和强度的叠加，容易导致误判。
植入式胃慢波检测可测量胃各部分慢波信号强度、频率，获得体内胃动力和胃排空能力等性能信息，大大提高了诊断精确性，已被认为是较为精确的检测胃慢波的有效方法。但这些设计由于电极数量的限制，只能测量局部胃慢波，无法对整个胃部胃慢波的传播速度和方向进行检测。另外这些设计采用穿透腹壁的临时导线记录胃慢波活动，这种有线的设计既容易引起感染，给患者带来不适，又无法完成长期稳定胃慢波检测。现存的侵入式方案使用的电极会给患者留下较大的创伤，并且会受到器官活动的影响。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种无创双通道数据传输植入式胃慢波检测装置。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种无创双通道数据传输植入式胃慢波检测装置，包括超声经皮充能子系统、传感数据产生子系统、超声FBG阵列耦合子系统和RF通道子系统。
进一步地，所述超声经皮充能子系统包括体外超声充能发射模块、体内超声充能接收模块和电源管理模块；在一个工作周期中，所述体内超声充能接收模块中的压电换能器转化超声能量生成电能通过电源管理模块的整流滤波调节之后存储于电容器中。
进一步地，所述传感数据产生子系统包含植入胃浆膜层中的胃慢波传感器和植入单元IC模块；所述植入单元IC模块能够对胃慢波传感器采集的胃慢波进行放大、采样和序列化，并在充电周期作为超声经皮充能子系统的下行链路，在数据发送周期作为超声FBG耦合通道子系统的上行链路。
进一步地，所述RF通道子系统包括RF信号发射模块和RF信号接收模块；所述RF通道子系统从植入单元IC模块获得调制过的胃慢波信号，通过RF信号发射模块将信号以RF信号的形式从体内发送到体外，并由RF信号接收模块接收，之后直接将接收到的信号发送至信号处理终端进行处理。
进一步地，所述超声FBG耦合通道子系统包括超声数据发射模块、FBG阵列、光接收机和可调谐激光器；所述超声FBG耦合通道子系统从植入单元IC模块获得调制过的胃慢波信号，所述超声数据发射模块将信号以超声波的形式从体内发送到体外，所述FBG阵列接收体内发出的超声波，FBG阵列接收到超声波之后，其包层位移和与超声波互作用引起的弹光效应会让FBG的反射中心波长发生漂移，反射光信号被所述光接收机接收，转换为电信号之后发送到信号处理终端进行处理，所述可调谐激光器持续向FBG阵列发送光脉冲信号。
采用上述技术方案的有益效果：
本发明利用超声FBG耦合和RF信号传输双通道实现胃慢波的无创精确检测，超声FBG耦合通道不受电磁干扰，灵敏度高，响应速度快，采用超声FBG阵列；加上RF信号传输通道确保检测精确性。本发明检测精度高、功能齐全(能够检测胃慢波频率，强度，传播方向和速度)；利用UTET子系统给植入部分供电，使本装置可以实现长期安全稳定检测胃慢波。
附图说明
图1是本发明的系统原理框图；
图2使本发明中传感数据产生子系统结构图；
图3是本发明中传感数据产生子系统的电路结构图；
图4是本发明中植入单元的时序图；
图5是本发明中RF通道子系统的结构图；
图6是本发明中电源管理模块的结构图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明提出了一种基于超声光纤光栅(FBG)感知和RF传输的无创双通道数据传输植入式胃慢波检测(NI-DDT-IGSWD)装置，分为体内和体外两部分。体内部分植入于胃浆膜层，用于采集胃慢波信号，并将该信号通过两种方式传出体外：①体外可穿戴式接收设备用于接收植入单元胃慢波信号超声载波，解调后送入处理终端；②RF信号接收模块用于接收体内发送的RF胃慢波信号。采用超声充能的方式为体内各个部分供能。信号处理终端分析处理接收到的双通道数据，判断胃慢波是否正常，向可调谐激光器发送同步信号。该胃慢波检测装置包括超声经皮充能(UTET)子系统、传感数据产生子系统、超声FBG阵列耦合子系统和RF通道子系统。
所述传感数据产生子系统包含植入胃浆膜层中的胃慢波传感器和植入单元IC模块；所述植入单元IC模块能够对胃慢波传感器采集的胃慢波进行放大、采样和序列化，并在充电周期作为超声经皮充能子系统的下行链路，在数据发送周期作为超声FBG耦合通道子系统的上行链路。
传感数据产生子系统结构如图2所示，包含一片用于充电和向体外发送信息的超声压电换能器，以及一块微型PCB电路板，该板上电路有对接收到的超声波转换而成的电能进行整流、放大采样序列化采集到的胃慢波信号、将经过处理的胃慢波信号以双通道的方式传到体外的功能；在本实施例中，对于单一的超声换能器片采用了时分复用的方法，避免了接收能量和传输数据的互相干扰。
传感数据产生子系统的电路如图3所示，包括超声压电换能器，以及存储电容器CSTORE、胃慢波传感器、胃慢波信号处理模块、RF信号传输模块和电感电容匹配电路，其中，在功能上，超声压电换能器和电感电容匹配电路是一个整体，用于接收处理终端发出的超声波，以及将数据用超声波传输到体外，电感电容匹配电路的具体作用是在上行链路中实现低通滤波及在上、下行链路中改进电路品质因数。
所述超声经皮充能(UTET)子系统包括体外超声充能发射模块(即图1中的超声充能TX)、体内超声充能接收模块和电源管理模块；在一个工作周期中，所述体内超声充能接收模块中的压电换能器转化超声能量生成电能通过电源管理模块的整流滤波调节之后存储于电容器中。
UTET子系统通过超声压电换能器接收到体外的超声能量后转换为电能，经过电源管理模块的整流调节之后，存储于电容器CSTORE中，一旦存储电容完成充电，植入物就进入工作周期，此时电源管理模块使能LDO，通过存储电容器CSTORE给RF通道子系统、超声FBG耦合通道子系统和传感数据产生子系统供电。充电过程结束后，整个子系统会等待数秒，使体外发送的超声波的回波消散，避免其干扰有用信息的传播。充电结束过程结束后，经过短暂的等待阶段，装置首先进入传感过程，胃慢波传感器开始检测胃慢波数据；一旦传感器输出信号，植入单元IC模块中的胃慢波信号处理模块就开始工作，装置就开始处理过程；最后，在装置的传输过程，处理过后的胃慢波信号被通过RF信号传输模块和超声数据Tx双通道地从体内传送到体外，完成子系统的一个工作周期，时序如图4所示。
所述RF通道子系统包括RF信号发射模块和RF信号接收模块；所述RF通道子系统从植入单元IC模块获得调制过的胃慢波信号，通过RF信号发射模块将信号以RF信号的形式从体内发送到体外，并由RF信号接收模块接收，之后直接将接收到的信号发送至信号处理终端进行处理。
所述RF通道子系统结构如图5所示，该系统在体内子系统前端是体内采集胃慢波数据的传感器以及体内IC模块。体内子系统由体外系统发送的超声波供电，传感器采集到的胃慢波数据存放在图中的存储器中，在数据发送周期经过数据发送模块发送至体外。体外子系统由接收体内传输信号的天线和数据接收模块，和PC端构成(在本系统中体外部分都由电脑供电)。
所述超声FBG耦合通道子系统包括超声数据发射模块(即图1中的超声数据Tx)、FBG阵列、光接收机和可调谐激光器；所述超声FBG耦合通道子系统从植入单元IC模块获得调制过的胃慢波信号，所述超声数据发射模块将信号以超声波的形式从体内发送到体外，所述FBG阵列接收体内发出的超声波，FBG阵列接收到超声波之后，其包层位移和与超声波互作用引起的弹光效应会让FBG的反射中心波长发生漂移，反射光信号被所述光接收机接收，转换为电信号之后发送到信号处理终端进行处理，所述可调谐激光器持续向FBG阵列发送光脉冲信号。
在本实施例中，上述电源管理模块的电路如图6所示，电感电容匹配电路的输出为两个钳位电压VM,VN。VM,VN经过桥式整流器的整流以及单电容滤波之后，完成电源管理整流滤波的工作，将换能器输出的交流电转化为直流电，对存储电容进行充电。设计了一个超声功率检测模块，在超声功率刚开始被接收时，检测模块输出低电平，LDO EN为低电平，并启动电荷积分定时器。当VSTORE在充电之后达到最大值，超声功率检测模块中的比较器就会输出高电平，超过缓冲器的阈值，LDO EN信号被拉高，从而启动LDO，对信号检测模块进行供电。因此用VSTORE与VM,VN进行比较，以区分超声脉冲信号和上行数据传输。
Claims (5)
1.一种无创双通道数据传输植入式胃慢波检测装置，其特征在于：包括超声经皮充能子系统、传感数据产生子系统、超声FBG阵列耦合子系统和RF通道子系统。
2.根据权利要求1所述无创双通道数据传输植入式胃慢波检测装置，其特征在于：所述超声经皮充能子系统包括体外超声充能发射模块、体内超声充能接收模块和电源管理模块；在一个工作周期中，所述体内超声充能接收模块中的压电换能器转化超声能量生成电能通过电源管理模块的整流滤波调节之后存储于电容器中。
3.根据权利要求1所述无创双通道数据传输植入式胃慢波检测装置，其特征在于：所述传感数据产生子系统包含植入胃浆膜层中的胃慢波传感器和植入单元IC模块；所述植入单元IC模块能够对胃慢波传感器采集的胃慢波进行放大、采样和序列化，并在充电周期作为超声经皮充能子系统的下行链路，在数据发送周期作为超声FBG耦合通道子系统的上行链路。
4.根据权利要求3所述无创双通道数据传输植入式胃慢波检测装置，其特征在于：所述RF通道子系统包括RF信号发射模块和RF信号接收模块；所述RF通道子系统从植入单元IC模块获得调制过的胃慢波信号，通过RF信号发射模块将信号以RF信号的形式从体内发送到体外，并由RF信号接收模块接收，之后直接将接收到的信号发送至信号处理终端进行处理。
5.根据权利要求3所述无创双通道数据传输植入式胃慢波检测装置，其特征在于：所述超声FBG耦合通道子系统包括超声数据发射模块、FBG阵列、光接收机和可调谐激光器；所述超声FBG耦合通道子系统从植入单元IC模块获得调制过的胃慢波信号，所述超声数据发射模块将信号以超声波的形式从体内发送到体外，所述FBG阵列接收体内发出的超声波，FBG阵列接收到超声波之后，其包层位移和与超声波互作用引起的弹光效应会让FBG的反射中心波长发生漂移，反射光信号被所述光接收机接收，转换为电信号之后发送到信号处理终端进行处理，所述可调谐激光器持续向FBG阵列发送光脉冲信号。
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