CN106729851B - 一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声导波的人体插管菌膜抑制系统。系统包括主控系统(1)、信号发射子系统(2)、超声导波耦合子系统(3)、人体插管(4)、导波振动反馈子系统(5)。工作原理为：信号发射子系统(2)发射多路(或单路)猝发电信号，施加到多个轴对称排列的(或单个)超声换能器(31)上；通过导波耦合子系统(3)将超声信号高效地耦合到人体插管(4)上；利用人体插管(4)表面产生的机械振动进行菌膜抑制；通过导波振动反馈子系统(5)实时检测人体插管(4)表面的振动幅度，实现稳定地闭环控制。本发明能使人体插管(4)表面产生稳定可控的机械振动效应，抑制细菌在人体插管(4)表面的粘连，降低临床感染的概率。

Description

一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统
技术领域
本发明属超声医学仪器与设备领域，涉及一种超声非侵入式人体菌膜抑制系统，特别是涉及一种超声非侵入式人体留置气管插管及导尿管的菌膜抑制系统。
背景技术
人体插管，如导尿管、气管插管等，已被广泛应用于临床。不幸的是，长时间置入人体的插管装置往往会导致细菌感染，成为发病、甚至死亡的一个主要原因。细菌在自然生长状态下存在游离和菌膜两种形式，游离状态下的细菌粘连到插管装置表面后，会形成矩阵形式复杂结构的菌膜，据NIH统计，超过80％的细菌感染与菌膜有关，其中大部分(大于65％)，与长时间置入体内的医疗装置相关。
据申请人所进行的文献及专利资料检索，2006年，Hazen使用100-300千赫兹的超声激励对人体置入的导尿管进行了菌膜抑制实验，通过对其施加超声振动，有效抑制了导尿管上的菌膜生长。2011年，Kopel在表面波抗菌文献中，阐述了人体插管上的超声振动，也能够有效抑制菌膜的产生。Hazen和Kopel的研究结果证明了超声导波对于菌膜抑制的有效性，分析了表面波对菌膜抑制的机理主要是机械振动效应抑制了游离细菌在导尿管表面的粘连，从而抑制了菌膜的生成。
Hazen和Kopel所使用的超声激励方法是在导尿管管端施加超声平面波，能在导尿管上产生0.2-2纳米的振动。按照文献中的方法进行人体插管超声激励，振动传播距离很短，因为人体插管一般都是软PVC材料，其存在非常大的振动衰减，Hazen的文献中也只是使用了6厘米长的导尿管进行实验。然而，人体插管的长度一般为几十厘米，甚至更长，文献中的方法显然是不够实用的；其次，文献中并未给出具体的频率选择方法，所使用的超声激励方法，会导致人体插管上出现非常多的传播模式，包括纵振波、扭曲波、弯曲波，这也是造成振动传播距离短的原因之一；再次，另外，文献中的方法也无法精确控制人体插管上的振动幅度，菌膜抑制的效果无法得到精确的控制，安全性也无法保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超声导波的高效稳定的人体插管4菌膜抑制系统，能够解决前面提及的振动传播距离短、传播模式多、无法精确控制振动幅度、安全性差等问题。
本发明采用的技术方案是：为改善振动传播距离短的问题，本发明中提出超声斜入射方式，并采用可变角度的导波耦合子系统3，能够将超声信号高效地耦合到人体插管4上；根据不同的人体插管4，可以通过更换不同倾角的耦合支架32，达到最优化的耦合。为改善传播模式多的问题，本发明采用的超声激励方式为轴对称激励，在耦合支架32上等间隔对称发射超声信号，可以减少导波的传播模式，尽量避免扭曲波和弯曲波，通过合理的频率选择提高振动的传播效率。为改善无法精确控制的问题，本发明采用“控制-发射-测量-反馈-控制”方式的闭环控制，以达到设定的精确振动幅度要求。为解决安全性的问题，本发明在超声换能器31表面进行温度检测，以避免温度过高时，对人体造成的安全隐患。
由于本发明采用的新颖的导波耦合子系统32，可以将超声信号高效地传导到人体插管4表面，插管表面可以获得更大幅度的振动，振动的传播距离相应会更远；由于本发明采用了闭环的控制方式，也可以使得人体插管4表面的振动幅度得到稳定控制，避免了因为接触不良或耦合性能差造成的振动幅度变化；同时解决治疗过程中的烫伤风险。
附图说明
图1是本发明一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统的实施例原理图；
图2是本发明实施例的导波频散曲线及频率选择示意图；
图3是本发明实施例的信号发射子系统原理图；
图4是本发明实施例的信号发射子系统简化工作流程图；
图5是本发明实施例的导波振动反馈子系统原理图；
图6是本发明实施例的主控系统原理图；
图7是本发明实施例的主控系统简化工作流程图。
附图中各部件的标记分别为：1.主控系统，2.信号发射子系统，3.导波耦合子系统，4.人体插管，5.导波振动反馈子系统；11.主控制器，12.人机界面，13.发射通信线，14反馈通信线，21.发射控制器，22.信号母板，221.插槽，23.信号子板，31.超声换能器，32.耦合支架，33.耦合楔批，34.紧固盖，35.支架紧固装置，36.换能器紧固装置，51.反馈控制器，52.激光测振装置，53.振动测量点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1，图中示出了一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统的实施例原理图。系统包括主控系统1、信号发射子系统2、超声导波耦合子系统3、人体插管4、导波振动反馈子系统5。工作原理为：信号发射子系统2发射多路(或单路)猝发电信号，施加到多个轴对称排列的(或单个)超声换能器31上；通过导波耦合子系统3将超声信号高效地耦合到人体插管4上；利用人体插管4表面产生的机械振动进行菌膜抑制；通过导波振动反馈子系统5实时检测人体插管4表面振动测量点53的振动幅度，实现稳定地闭环控制。
超声导波耦合子系统3的功能是将超声换能器31发射的超声信号高效地传导到人体插管4上，其包含具有一定入射角度θ的耦合支架32，紧固于耦合支架32上的超声换能器31或压电片，倾斜角度为θ的耦合楔批33，用于紧固耦合支架32与耦合楔批33的紧固盖34，耦合支架32与紧固盖34间的支架紧固装置35，超声换能器31与耦合支架32间的换能器紧固装置36，其中的耦合支架32和耦合楔批33的倾斜角度θ相同；为减少人体插管4上的导波模式，将多个超声换能器31按照轴对称方式等间隔地紧固于耦合支架32上用于产生轴对称超声激励，也可以仅使用一个超声换能器31用于单点超声激励；经耦合后的输出信号耦合到人体插管4上；通过导波振动反馈子系统5实时检测人体插管4上振动测量点53的振动幅度，并反馈给主控系统1；为保证各装置间的高效耦合，在选择超声导波耦合子系统3包含的耦合支架32、耦合楔批33时，所使用的材料及参数要求与人体插管接近；同时，超声换能器31与耦合支架32之间、耦合支架32与耦合楔批33之间、耦合楔批33与人体插管4之间均填充医用超声耦合剂，以防止各装置间因为配合不严密导致超声反射；使用的超声换能器31型号包含普通平面换能器、压电片、聚焦换能器，超声换能器31与耦合支架32间的换能器紧固装置36，包含螺钉、卡扣、粘贴方式。
为将超声信号高效地耦合到人体插管4上，需要首先明确人体插管4的导波特性，以便选取合理的激发频率。参阅图2，图中示出了本发明实施例的导波频散曲线及频率选择示意图，频散曲线根据人体插管4的材料参数通过数值计算获得。激发频率点的选择原则包含以下两条：一是所选频率点上的各模式导波频散都不能太明显，因为严重的频散会导致波形发生很到的畸变；二是所选频率点导波模式不能太多，因为模式太多会导致导波信号的快速衰减。在实施例中，对于成人用气管插管进行了数值计算，从上述所述的第一条原则看，能选的频率点为50千赫兹，100千赫兹，140千赫兹，180千赫兹；从上述所述的第二条原则看，50千赫兹处有2种模式，100千赫兹处有4种模式，140千赫兹处有5种模式、180千赫兹处有6种模式。因此激发频率点选50千赫兹。
参阅图3，图中示出了实施例的信号发射子系统2原理图。包含发射控制器21、信号母板22、多路独立的信号子板23，信号母板22上包含多个插槽221，多路信号子板23卡接到信号母板22上的插槽221中，实现自由扩展。发射控制器21与信号母板之间采用双向串行通信方式连接，控制各信号子板23的合成频率；信号子板23包含信号合成、信号放大、温度检测、自适应匹配电路；信号合成采用数字频率合成器(DDS)产生，输出信号包含正弦波和矩形波；信号放大包含高效率的D/E类功率放大器和采用数字幅度控制的DC-DC电源结构；温度检测电路实时检测超声换能器31表面温度，避免温度过高时对人体带来的风险；自适应匹配电路采用功率反馈检测方式，由DSP通过算法实现功率输出控制；各通道输出信号的参数由发射控制器21发送通信指令控制。
参阅图4，图中示出了实施例的信号发射子系统简化工作流程图。信号发射子系统2与主控系统1通过发射通信线13实现双向串行通信，流程包含通信检测、过温检测、频率合成、猝发信号调制过程。
参阅图5，图中示出了实施例的导波振动反馈子系统原理图。导波振动反馈子系统5包含一个反馈控制器51和一路激光测振装置52，用于检测人体插管4表面的振动幅度；反馈控制器51与主控系统1之前采用双向串行通信方式连接；包含的激光测振装置52以干涉方式工作，振动测量点53位于紧固盖34后1-2厘米处。所使用的激光测振装置52量程包含1皮米-100微米。
参阅图6，图中示出了实施例的主控系统原理图；包含主控制器11和人机界面12，主控制器11通过发射通信线13与信号发射子系统2连接，用于控制信号发射子系统2的各路信号输出；主控制器11通过反馈通信线14与导波振动反馈子系统5连接，用于获取人体插管4表面的实时振动幅度；实现“控制-发射-测量-反馈-控制”方式的闭环控制。主控制器11为嵌入式ARM核心结构，通过人机界面12可以进行各通道信号的开关、参数设定；参数阈值设定为：占空比范围为1％-50％，猝发周期为10赫兹-1000赫兹；具体的信号幅度、猝发周期、占空比由主控制器11分析计算后发送至发射控制器21；主控制器11与人机界面12之间的连接使用双向串行通信方式，主从通信协议。
参阅图7，图中示出了实施例的主控系统简化工作流程图。流程包含发射子系统2通信、反馈子系统5通信、人机界面12通信、分析比较计算、按键检测处理。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统，该系统包括主控系统(1)、信号发射子系统(2)、超声导波耦合子系统(3)、人体插管(4)、导波振动反馈子系统(5)，其特征在于：
主控系统(1)包含主控制器(11)和人机界面(12)，主控制器(11)通过发射通信线(13)与信号发射子系统(2)连接，用于控制信号发射子系统(2)的各路信号输出；主控制器(11)通过反馈通信线(14)与导波振动反馈子系统(5)连接，用于检测人体插管(4)表面的实时振动幅度；实现“控制-发射-测量-反馈-控制”方式的闭环控制；
信号发射子系统(2)包含一个发射控制器(21)和多个信号发射通道，每个通道之间相互独立；每个通道由信号合成、信号放大、温度检测、自适应匹配电路组成；各通道输出信号的参数由发射控制器(21)发送通信指令控制；使用的声波信号频率，通过计算人体插管的导波频散曲线后获取，获取依据为频散曲线平坦且导波模式少的原则；
超声导波耦合子系统(3)将超声换能器(31)发射的超声信号高效地传导到人体插管(4)上，包含具有一定入射角度θ的耦合支架(32)，紧固于耦合支架(32)上的超声换能器(31)或压电片，倾斜角度为θ的耦合楔批(33)，用于紧固耦合支架(32)与耦合楔批(33)的紧固盖(34)，耦合支架(32)与紧固盖(34)间的支架紧固装置(35)，超声换能器(31)与耦合支架(32)间的换能器紧固装置(36)；其中的耦合支架(32)和耦合楔批(33)的倾斜角度θ相同，范围为0度至90度；所述超声导波耦合子系统(3)包括多个按照轴对称方式紧固于耦合支架(32)上的超声换能器(31)，用于产生轴对称超声激励，或者包括一个超声换能器(31)，用于产生单点超声激励；经耦合后的输出信号到达人体插管(4)的振动测量点(53)时，振动幅度为1皮米-100微米；其中的耦合楔批(33)中心的开孔直径与人体插管(4)匹配，直径范围为3-25毫米；其中的耦合支架(32)材料包含金属、玻璃、塑料，其中的耦合楔批(33)材料包含金属、玻璃、塑料；
导波振动反馈子系统(5)包含一个反馈控制器(51)和一路激光测振装置(52)，用于检测人体插管(4)表面的振动幅度；反馈控制器(51)与主控系统(1)之前采用双向通信方式连接。
2.如权利要求1所述的一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统，其特征在于：所述超声导波耦合子系统(3)，使用的超声换能器(31)型号包含普通平面换能器、压电片、聚焦换能器。
3.如权利要求1所述的一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统，其特征在于：所述超声导波耦合子系统(3)，超声换能器(31)与耦合支架(32)之间、耦合支架(32)与耦合楔批(33)之间、耦合楔批(33)与人体插管(4)之间均填充医用超声耦合剂。
4.如权利要求1所述的一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统，其特征在于：所述信号发射子系统(2)，使用的声波信号包含猝发正弦波和矩形波，占空比范围为1％-50％，猝发周期为10赫兹-1000赫兹；信号幅度、猝发周期、占空比由主控系统(1)计算后设定。
5.如权利要求1所述的一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统，其特征在于：所述信号发射子系统(2)，包含发射控制器(21)、信号母板(22)、多路独立的信号子板(23)，信号母板(22)上包含多个插槽(221)，多路信号子板(23)卡接到信号母板(22)上的插槽(221)中，实现自由扩展。
6.如权利要求5所述的一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统，其特征在于：所述信号发射子系统(2)的信号子板(23)，包含信号合成、信号放大、温度检测、自适应匹配电路：信号合成采用数字频率合成器(DDS)产生，输出信号包含正弦波和矩形波，信号峰峰值为0.1-10伏；信号放大包含高效率的D/E类功率放大器和采用数字幅度控制的DC-DC电源结构；温度检测电路实时检测超声换能器(31)表面温度，避免温度过高时对人体带来的风险，温度设定阈值为37-45摄氏度；自适应匹配电路采用功率反馈检测方式，由DSP通过算法实现功率输出控制。
7.如权利要求1所述的一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统，其特征在于：所述导波振动反馈子系统(5)，包含的激光测振装置(52)以干涉方式工作，量程包含1皮米-100微米。
8.如权利要求7所述的一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统，其特征在于：所述导波振动反馈子系统(5)，包含的激光测振装置(52)在人体插管(4)上的振动测量点(53)位于紧固盖(34)后1-2厘米处。
9.如权利要求1所述的一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统，其特征在于：所述主控系统(1)，包含的主控制器(11)为嵌入式ARM核心结构，通过人机界面(12)可以进行各通道信号的开关、参数设定。
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