CN101856540A - 基于无线能量传输和双向通信的植入式遥测刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于无线能量传输和双向通信的植入式遥测刺激系统的方法和装置，尤其在能在自然的生理状态下通过无线能量传输和双向通信植入式遥测系统长期、安全、稳定无线遥测血压、心电、温度、活动度等生理参数和体外程序控制体内系统对体内进行心脏、神经、肌肉的电刺激和控制；运用无线能量传输系统完成对微型电子胶囊体外无线高效供能，生理信号经信号传感模块传导给信号调理处理模块调理处理后由专用超低功耗发射模块发射，体外接收系统接收后进行信号处理给体外计算机数据分析系统；刺激信号由体外程序控制模块经无线发射接收模块给体内微型电子胶囊系统的刺激功能模块进行功能刺激，并可进行刺激频率、幅度、周期等的体外调节。

Description

基于无线能量传输和双向通信的植入式遥测刺激系统

所属技术领域

本技术发明涉及基于无线能量传输和双向通信的植入式遥测刺激系统的方法和装置，尤其在能在自然的生理状态下通过无线能量传输和双向通信植入式遥测系统长期、安全、稳定无线遥测血压、心电、温度、活动度等生理参数和体外程序控制体内系统对体内进行心脏、神经、肌肉的电刺激和控制。

背景技术

目前，公知的生理信号的体外间接测量存在信号数据可靠，图像质量差，不能准确真实，不能有效客观反映生理状态，不利于疾病诊断和相关科学研究；国内植入式系统构建和功能也开展了大量研究，但在体积、功耗、功能上仍没有完善的系统解决方法和解决方案；国外已有的相关技术落后、解决方案不够完善科学，在体积和功耗方面没法满足植入式遥测的实际应用需求；而病理、药理和生理科研领域对植入式无线遥测刺激系统有迫切科研需求；各类程控电刺激对人类疾病模型的建立，研究疾病发生发展有着重要的作用，同时无线能量传输方案的完善，传感器技术的飞速发展，通信系统方案的成熟和完善，半导体元器件的迅速发展，芯片功能强大和完善，也为发明先进植入式无线遥测刺激系统提供了技术保证。

发明内容

本技术发明提供一种基于无线能量传输和双向通信的植入式遥测刺激系统的方法和装置，可以实时同步安全可靠稳定的植入式直接测量心电、血压、温度、活动度等各项生理参数和体外程序控制体内系统对体内进行心脏、神经、肌肉的电刺激和控制。本技术发明包括体内外无线能量传输系统，超微小体积体内植入信号采集和功能刺激的微型电子胶囊、体外信号接收记录和刺激信号控制系统、体外计算机信号数据处理分析系统；本技术发明运用无线能量传输系统完成对微型电子胶囊体外无线高效供能，微型电子胶囊完成对生理信号的提取处理，刺激信号的发送及专用低功耗无线收发系统，体外控制信号的接收；体外信号数据接收记录仪系统进行数据信号的接收调整处理存储，经过接口模块给计算机信号数据处理分析系统进行数据记录分析存储输出。

本技术发明解决其技术问题所采用的技术方案是：超微小体积体内植入信号采集和功能刺激的微型电子胶囊外形为胶囊体状，整个植入体胶囊长为16mm，直径为10mm，由无线能量接收系统、可充电纽扣电池、电源管理功能模块、生理信号传感提取模块、信号调理及处理功能模块、功能刺激模块、无线发/收通信功能模块、天线、胶囊外壳组成。可充电式无线能量传输系统通过体外三角天线的能量发射，体内带自动定向接收装置完成无线能量传输，并对充电电池充电，该系统体积小、结构简单、性能可靠、传输效率高，在体内植入系统中可消除固定容量纽扣电池不足的缺点及单无线供能可能出现的能量供给断缺的影响。生理信号传感提取模块包括传压导管、感压凝胶、微型压力传感器、心电电极、温度传感器等；体外信号程控功能刺激与数据接收记录系统包括天线、收/发通信功能模块、信号处理功能模块、信号存贮功能模块、数据接口等组件，接收器可接收多个植入体的信号，接收器可自动识别植入体序列号及功能，控制植入体电路开关，接收植入体发送信号，有效范围在0.5～10米；对于在接收范围内的多个植入体可同时接收，实现多个体的同时监测，输出信号为放大后的模拟信号0～5V，可输出给其他记录系统记录分析。体外信号数据处理分析系统由计算机、数据接口、专用软件、功能刺激模块专用程序(可按实验要求对刺激控制信号的频率、幅度、周期等参数进行调节)，输出设备、打印设备组成。生理信号由生理信号传感提取模块传导给信号调理处理模块经过调理处理后有无线发射模块发射，体外接收系统接收后进行信号处理后给体外计算机数据分析系统；刺激信号由体外程序控制发送经无线发射接收模块给体内微型电子胶囊系统，由无线接收模块接收后给刺激功能模块进行功能刺激，并可根据实验需求进行刺激频率、幅度、周期等的体外调节。

本发明的有益效果是：可在自然状态下无线遥测体内各项生理参数，监测生理活动情况，分析体内各项生理指标；可以药理、病理、药理试验中自然状态下连续长期对心电、血压、温度等生理参数的有效直接监测；直接有效进行体外功能信号刺激，改变和改善体内各项生理参数达到实验要求，有效应用于心血管和神经科学研究，有利于建立各类疾病模型，有应用于其他领域研究的潜力；该发明并可对多个个体实时同步进行监测刺激和记录分析，有效的实验数据的记录分析存储。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明.

图1是本发明专利的系统原理框图.

该发明专利系统原理框图中(1)体外部分：包括体外发射接收机部分并接受体外程序指令的控制，显示、指示、报警显示，无线能量传输系统射频能源供应；(2)为超微小体积体内植入信号采集和功能刺激的微型电子胶囊，可以实时同步安全可靠稳定的植入式直接测量心电、血压、温度、活动度、PH值等各项生理参数和进行肌肉、神经、心脏的电刺激和控制；(3)为皮肤：由此可看出体内外的信号的双向通讯和控制；(4)为体内外无线发射接收系统，完成体内外信号的双向通信和刺激控制；(5)可充电式无线能量传输系统：通过体外射频能源供应和三角天线的能量发射，体内带自动定向接收装置完成无线能量传输，并对充电电池充电，该系统体积小、结构简单、性能可靠、传输效率高，在体内植入系统中可消除固定容量纽扣电池不足的缺点及单无线供能可能出现的能量供给断缺的影响；(6)生理信号传感器包括超低功耗超小体积压力传感器，温度传感器、PH值传感器、活动度传感器和心电采集传感器，相应电极导线和压力导管，刺激电极包含心脏刺激电极、心电电极、神经电极、肌肉电极等。

图2是超微小体积体内植入信号提取和发射的微型电子胶囊系统该微型电子胶囊系统整个胶囊长为16mm，直径为10mm；图中(1)为功能刺激电极安放，其中(15)为肌肉电极，(16)为肌电电极，(17)为心脏电极；(2)为功能刺激模块，进行不同功能刺激的发放和选择；(3)为超低功耗无线收发模块，包括振荡电路、发射电路和接收电路，工作频率在ISM范围，能在低功耗情况下稳定发射体内生理信号和接收体外程控发送的刺激信号；(4)电源管理模块，该模块实现供电电源的稳定输出，稳定输出传感器所需低压和相应芯片所需的负压；(5)可充电大容量纽扣电池，可在无线功能不足情况和特殊情况启用，保证稳定连续的电压输出；(6)带自动定向接收装置完成无线能量传输；(4)(5)(6)三部分组成可充电式无线能量传输系统，通过体外三角天线的能量发射，体内带自动定向接收装置完成无线能量接收，并对充电纽扣电池充电，该系统体积小、结构简单、性能可靠、传输效率高，在体内植入系统中可消除固定容量纽扣电池不足的缺点及单无线供能可能出现的能量供给断缺的影响；(7)为生理信号调整/处理模块；(8)为生理信号传感提取模块包括超低功耗超小体积压力传感器，温度传感器、PH值传感器、活动度传感器和心电采集传感器；(9)为压力导管系统，心电电极导线，温度传感器导线等传感器及导线线安放模块；(10)为心电电极导线，该电极由极柔细电极丝组成，长度为30cm，可有多对电极组成；(11)温度传感器电极引线，要求柔细并导电和温度传导灵敏，(12)为压力导管系统包括微细压力导管(直径为0.63mm，长度为30cm)，导管内注入导压凝胶且无气泡，导管前部有放凝血物质；(13)胶囊外壳：该外壳可完全密封内部所有电子电路，胶囊外壳满足生物相容性、无毒无害要求；(14)为外科手术胶囊固定缝合口，能便捷皮下手术固定胶囊。

图3是植入式遥测刺激系统的系统工作示意图

该发明专利的系统工作示意图中(1)为超微小体积体内植入信号采集和功能刺激的微型电子胶囊，通过精细手术皮下植入，电极安放可以实时同步安全可靠稳定的植入式直接测量心电、血压、温度、活动度、PH值等各项生理参数和进行肌肉、神经、心脏的电刺激和控制；(2)为体外信号程控功能刺激与数据接收器包括天线、收/发通信功能模块、信号处理功能模块、数据接口等组件，接收植入体发送信号，有效范围在0.5～10米；(3)为体外卡式信号程控功能刺激与数据接收记录器，该记录接收器包括天线、收/发通信功能模块、信号处理功能模块、数据接口等组件，接收植入体发送信号，有效范围在0.5～10米；采用SD卡，能大容量存储信息；(4)为记数据记录采集系统，可接收多个植入体的信号，可自动识别植入体序列号及功能，对于在接收范围内的多个植入体可同时接收，实现多个体的同时监测，输出信号为放大后的模拟信号0～5V，可输出给计算机信号数据处理分析系统；(5)为计算机信号数据处理分析系统，由计算机、数据接口、专用软件、功能刺激模块专用程序(可按实验要求对刺激控制信号的频率、幅度、周期等参数进行调节)，输出设备、打印设备组成，可完成对各类生理参数的记录、显示、存储和初步诊断，各类功能刺激电极的发送和调节，各类信号的采集分析和打印输出等

具体实施方式

步骤一：精细外科皮下植入手术：超微小体积体内植入信号采集和功能刺激的微型电子胶囊由医护人员进行精细外科手术将植入体埋入皮下或腹腔内，包括麻醉后气管插管，呼吸机辅助呼吸，精细开胸手术，压力导管(12)的安放和血管伤口的愈合，心电电极(10)的安放，并选择不同部位多电极的安放和监测，温度传感器(11)的安放；打开心包，在左心房心外膜肺静脉根部及左心房的游离壁分别固定四对电极，用来记录心电信号及发放高频刺激，达到心房多部位记录及刺激的功能；神经电极的安放，肌肉电极的合理安置和多部位监测；通过皮下通道将电极连线与电极相连，关胸缝合，通过外科手术胶囊固定缝合口(14)进行皮下固定，缝合手术及必要的手术处理，用抗生素预防感染，保证电子胶囊在体内不产生排异、感染、粘连、凝血、溶血、无毒。

步骤二：精细手术完成后一周，在自然生理状态下，开启计算机控制系统使电子胶囊系统开始工作，在自然状态下无线遥测体内各项生理参数，监测生理活动情况，分析体内各项生理指标，连续长期对心电、血压、温度等生理参数的有效直接监测；在心电图显示为窦性心律时，计算机程控刺激的发放电刺激，根据心房的起搏阈值随时可以对刺激频率、脉宽、刺激的强度可调，进行调整，如房颤发生并持续，停止刺激，如恢复窦性心律，刺激将继续进行；神经刺激和肌肉刺激也可按照实际需求可进行设置和调节。

步骤三：在开启微型电子胶囊的同时，同时开启体外信号数据接收记录器，通过无线信号接收模块、信号数据处理模块、信号数据储存模块、信号数据接口模块同步实时实现对微型电子胶囊无线发射信号的接收、信号的分析储存并通过接口模块输送给计算机系统；通过无线发射模块可进行刺激信号的发送；接收植入体发送信号，有效通信范围在0.5～10米

步骤四：同时开启数据记录系统，接收多个植入体的信号，自动识别植入体序列号及功能，对于在接收范围内的多个植入体可同时接收，实现多个体的同时监测，输出信号为放大后的模拟信号0～5V，可输出给计算机信号数据处理分析系统。

步骤五：计算机信号数据处理分析系统：通过数据接口模块完成对数据信号的传输，数据处理系统通过专用软件分析接收系统所获得的数据，功能刺激模块专用程序按照实际需求发送各类频率、幅度、周期可调的刺激信号；该系统完成对各类生理参数的记录、显示、存储和初步诊断，各类功能刺激电极的发送和调节，可选择显示数据结果，并获得数据图像，数据处理结果的保存和打印输出。

Claims (4)

1.一种基于无线能量传输和双向通信的植入式测控系统的方法和装置，其特征在于：

运用无线能量传输系统完成对微型电子胶囊体外无线高效供能；超微小体积体内植入微型电子胶囊完成生理信号传感提取模块传导给信号调理处理模块，经过信号调理处理后无线发射，体外接收系统接收同步实时接收，刺激信号由体外程序控制发送由无线发射接收模块发送给体内微型电子胶囊系统的激功能模块进行功能刺激，并可根据实验需求进行刺激频率、幅度、周期等的体外调节，接收记录系统实时同步接收无线发射信号；体外信号接收记录仪进行信号调整处理后通过数据接口传送给体外计算机数据软件分析系统，进行数据分析，图像处理，数据保存记录和打印输出。

2.根据权利要求1中的方法，所设计的微型电子胶囊测量装置特征在于：

超微小体积体内植入微型电子胶囊整个植入体长为16mm，直径为10mm，长时间稳定安全体内工作；该系统由无线能量接收系统、可充电纽扣电池、电源管理功能模块和磁控开关、生理信号传感提取模块、信号调理及处理功能模块、功能刺激模块、无线发/收通信功能模块、天线、胶囊外壳组成；无线能量传输系统通过体外三角天线的能量发射，体内带自动定向接收装置完成无线能量传输和微型电子胶囊能量供应，完成对生理信号的提取、放大处理调整、信号超低功耗无线发射，体内功能刺激信号的接收并根据实验需求进行刺激调节和发送，体外自由控制微型电子胶囊的开关。

3.根据权利要求1中的方法，所设计的体外信号接收记录和刺激信号控制系统装置特征在于：

体外信号接收记录和刺激信号控制系统，该系统同步实时对微型电子胶囊无线发射信号的接收、信号的分析储存并通过接口模块输送给计算机系统和体内刺激信号的产生和发送并通过计算机专用程序进行刺激频率的调节；系统包括无线信号接收模块、信号数据处理模块、信号数据储存模块、信号数据接口模块、功能刺激发生和调节模块、功能刺激信号发送模块，可自动识别植入体序列号及功能，控制微型电子胶囊开关，接收植入体发送信号，发送功能刺激，有效范围在0.5～10米，对于在接收范围内的多个植入体可同时接收，实现多个植入体的同时监测。

4.根据权利要求1中的方法，所设计的数据处理系统装置特征在于：

数据处理系统由计算机、数据接口、专用刺激信号控制调节软件、数据分析专用软件、输出设备组成；系统通过专用软件分析接收系统所获得的数据，显示数据结果，并获得数据图像，数据处理结果的保存和打印输出。

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