CN108634929A - 一种植入式眼压连续监测与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明以MEMS工艺为基础，提出了一种植入式眼压连续监测与控制系统及其制备方案。利用柔性电容压力传感器实时监测患者房水的流量，进而得到其眼压的变化情况。依据患者眼压变化，通过频率响应开关控制PZT阀门，实现对患者眼压的精确调节。采用全固态超级电容器及相应的无线充电电路为系统供电，满足长时间体内工作的需求。一种植入式眼压连续监测与控制系统可成功解决目前眼压监测与调节器械分立，功能无法互补的问题，为提高临床眼压监测与调节器械的集成化程度，改善体内植入及可穿戴医疗设备的用户体验，加速智能化精密传感器的商品化奠定了基础。

Description

一种植入式眼压连续监测与控制系统

技术领域

本发明属于微机电系统（Micro-electro Mechanical Systems, MEMS）领域，涉及一种植入式眼压监测与控制系统的设计及其制造方法。

背景技术

眼压(Intraocular Pressure, IOP)即眼内压力，是眼球内容物对眼球壁施加的压力，正常眼压的范围为10mmHg-21mmHg（1.33kPa-2.80kPa)。当眼压过高时将会引发青光眼等眼、视神经萎缩等疾病，导致视力受损甚至失明；而当眼压过低则会引发眼内组织营养和供氧不良。可见，眼压的连续监测与控制在眼部相关疾病的预防、治疗和护理中具有相当重要的意义。导致眼压变化的主要原因是房水动力学异常。房水是一种无色透明的组织液，由睫状体产生，随后通过瞳孔进入前房，再经小梁网、葡萄膜巩膜等路径进入体循环。正常人眼的房水充满于角膜和虹膜之间，总量约为0.15-0.3mL，生成速度约为2-3μL/min。当房水分泌和排出不能保持动态平衡时，眼压就随之增高或降低。

目前用于眼压连续监测的方法可分为非植入式和可植入式两种。非植入方法是利用集成在隐形眼镜中的柔性电容压力传感器，将因眼压波动而导致的眼球形状变化转换为传感器电容值的变化。非植入监测方法不需要手术，佩戴和摘取方便，属于完全无创医疗设备，可以在不影响视线和不引起眼睛不适的情况下完成眼压的连续监测。不过非植入监测方法的数据受到角膜形状、厚度和刚度影响较大，准确度不高。可植入方法是通过微创手术将波登管、压阻或电容等类型传感器安装到眼球内部，直接感知房水的流动情况，进而得到眼压变化情况。可植入方法虽然会对眼球造成微小损伤，但其测量的准确性是其它眼压传感器无法比拟的。

无论采用哪种方法，眼压连续监测的目的都是希望利用监测数据，成功控制患者眼压，延缓或避免患者失明，提高其生活质量。对于眼压升高的早期患者，临床上多采用药物控制眼压；而对于晚期患者，临床上则多采用手术植入房水引流器械控制眼压。因此如果能够在引流器械上集成连续监测传感器，利用检测数据实时调控房水流量，无疑能够为患者提供更为精准的治疗。

发明内容

发明目的：本发明的目的，在于解决目前用于眼压连续监测传感器与房水引流器械功能单一，无法满足精准医疗需求的问题。

技术方案：

一种植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：包括体内和体外部分；所述体内部分包括用来获得患者眼内压的压力传感器、与压力传感器连接的开关电路和信号提取电路，还包括房水流量调节阀门和供电电路；

圆柱状壳体一端为房水入口，另一端设置有壳体固定锚点，二者之间为房水引流腔；所述壳体固定锚点与房水流量调节阀门连接；

所述房水流量调节阀门中心处为常开的房水引流口；所述房水流量调节阀门包括三层结构：上驱动电极、下驱动电极及两电极中间的压电驱动层；

所述压力传感器集成在ASIC芯片上，ASIC芯片安装在房水引流腔侧并与其中的房水接触。

所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述的供电电路包括作为电源的全固态超级电容器和无线充电线圈；所述全固态超级电容器与ASIC芯片一并放置在芯片及电容器放置仓内；所述无线充电线圈与房水流量调节阀门一并集成在阀门与线圈基座上。

所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述全固态超级电容器由电容器正极、电介质层、绝缘隔膜和电容负极组成，其中绝缘隔膜放置在电解质之中，将电解质分割成两个部分。

所述阀门与线圈基座中还设置有电感线圈，电感线圈与ASIC芯片连接。

所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述压力传感器具体为柔性电容传感器，安装在ASIC芯片上；ASIC芯片与房水接触一侧为硅纳米膜构成的柔性上极板；二氧化硅绝缘层将柔性上极板与氮化硅介电层隔离；在二氧化硅绝缘层上设置有电容传感器腔体；氮化硅介电层的另外一侧为电容器的多晶硅下极板；多晶硅下极板另外一侧的二氧化硅绝缘层将其与在硅材料基片上在采用ASIC技术制备的电路隔离。

所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述壳体固定锚点的直径为引流腔直径的2倍；壳体壁厚20~30纳米；房水引流腔直径50~150纳米。

所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述压电驱动层厚度为10~20纳米。

所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述上驱动电极和下驱动电极厚度为0.1～0.2微米。

所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述常开的房水引流口的直径为引流腔直径的1/3~1/4。

所述植入式眼压连续监测与控制系统的制造方法，其特征在于：

所述制造方法包括如下步骤：

步骤一：制造壳体；通过3D打印依尺寸制造壳体；

步骤二：制造压电驱动层，采用分析纯三水醋酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯为原料，乙二醇单甲醚、乙酰丙酮和醋酸作为添加剂，配置成PZT溶胶；利用旋涂仪将溶胶涂覆在载玻片上，通过控制旋涂时间及转速控制PZT压电驱动层的厚度；将PZT压电驱动层裁剪为直径与引流腔一致的圆片；

步骤三：分别在PZT压电驱动层的上、下表面溅射Pt/Ti，制备上驱动电极和下驱动电极；在得到流量调节阀上刻蚀常开引流出口，将上驱动电极导线和下驱动电极导线焊接至相应的驱动电极；

步骤四：在聚酰亚胺绝缘层上，磁控溅射Au/Ti，采用光刻工艺制备电感线圈；重复磁控溅射及光刻工艺制备充电线圈；焊接电感线圈导线和充电线圈导线；

步骤五：将流量调节阀门、电感线圈及充电线圈装配至基座上；

步骤六：在硅材料基片上采用热氧化法制备二氧化硅绝缘层；在二氧化硅绝缘层上采用LPCVD工艺制备多晶硅下极板；在多晶硅下极板上采用LPCVD工艺制备氮化硅介质层；在另外一块硅材料基片上采用热氧化法制备二氧化硅绝缘层；在二氧化硅绝缘层上刻蚀出电容器腔体；采用“硅-硅”键合工艺将氮化硅介质层与电容器腔体封合；顶层减薄电容器腔体上的硅材料基片得到硅纳米膜构成的柔性上极板；

步骤七：将集成有流量调节阀门及线圈的基座、带有电容传感器的ASIC芯片、全固态超级电容器等组件转配至系统壳体，并使用生物兼容性材料进行封装。

优点及效果：

一种植入式眼压连续监测与控制系统，利用柔性电容压力传感器实时监测患者房水的流量，在保证眼压监测灵敏度的同时，通过PZT压电阀门实现对患者眼压的精确调节。该系统可成功解决目前眼压监测与调节器械分立，功能无法互补的问题，为提高临床眼压监测与调节器械的集成化程度，改善体内植入及可穿戴医疗设备的用户体验，加速智能化精密传感器的商品化奠定了基础。

附图说明：

图1为本发明眼压连续监测与控制系统的总体设计框图；

图2为植入式眼压监测与控制系统的装配图；

图3为基于压电材料的流量控制阀门结构图；

图4，5为基于压电材料的流量调节阀门、电感线圈及充电线圈的装配图；

图6为带有柔性电容传感器的ASIC芯片结构图；

图7为全固态超级电容器结构图；

图8为基于压电材料的流量控制阀门制备流程图；

图9为电感及充电线圈制备流程图；

图10为眼压连续监测与控制系统工作过程示意图；

图11为ASIC电路制备；

图12为植入位置示意图；

图中标注：1系统壳体、101房水入口、102ASIC芯片和超级电容器放置仓、103房水引流腔、104壳体固定锚点、2房水流量调节阀门、201常开式房水引流口、202流量调节阀上驱动电极、203压电驱动层、204流量调节阀下驱动电极、3带有柔性电容传感器的ASIC芯片、301基于ASIC技术的电路、302硅材料基片、303二氧化硅绝缘层、304多晶硅下极板、305氮化硅介电层、306电容传感器腔体、307由硅纳米膜构成的柔性上极板、4流量调节阀门和电感、充电线圈的基座、5全固态超级电容器、501电容器正极、502电介质层、503绝缘隔膜、504电容负极、601流量调节阀门上电极驱动引线、602流量调节阀门下电极驱动引线、7线圈绝缘层、8电感线圈、9无线充电线圈。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明提出的一种植入式眼压连续监测与控制系统主要由系统由压力传感器、流量调节阀门、信号提取及开关电路、供电及其充电电路等部分组成。

如图2所示，本发明提出的一种植入式眼压连续监测与控制系统壳体1是由房水入口101、芯片及电容器放置仓102、房水引流腔103、壳体固定锚点104组成。带有柔性电容传感器的ASIC芯片3、全固态超级电容器5以及集成有房水流量调节阀门2、电感线圈8、无线充电线圈9的阀门与线圈基座4分别装配至系统壳体1的相应位置。

如图3所示，流量调节阀门2由常开式房水引流口201、流量调节阀上驱动电极202、压电驱动层203和流量调节阀下驱动电极204组成，其中常开式房水引流口放置于流量调节阀门2的中心。

如图4、5所示，在阀门与线圈基座4上集成了带有常开式房水引流口201的房水流量调节阀门2，流量调节阀门2通过上电极驱动引线601和下电极驱动引线602与ASIC芯片3连接。在阀门与线圈基座4上还集成有制备在绝缘层7上的电感线圈8和无线充电线圈9，它们分别通过导线603和导线604与ASIC芯片3连接。

如图6所示，带有柔性电容传感器的ASIC芯片3与房水接触一侧为硅纳米膜构成的柔性上极板307；二氧化硅绝缘层303将柔性上极板307与氮化硅介电层305隔离；在二氧化硅绝缘层303上制备出电容传感器腔体306；氮化硅介电层305的另外一侧为电容器的多晶硅下极板304；多晶硅下极板304另外一侧的二氧化硅绝缘层303将其与在硅材料基片302上在采用ASIC技术制备的电路301隔离。

如图7所示，全固态超级电容器5由电容器正极501、电介质层502、绝缘隔膜503和电容负极504几个部分组成，其中绝缘隔膜503放置在电解质502之中，将电解质502分割成两个部分。

本发明所述一种植入式眼压连续监测与控制系统的制造方法如下：

1)采用聚乙内脂等生物兼容性好、硬度适中、可塑性好的材料，借助3D打印技术制备眼压连续监测与控制系统的壳体结构。

2)采用MEMS工艺兼容性好的压电材料，结合“溶胶-凝胶”等工艺制备流量调节阀门的压电驱动层。

3)采用光刻和溅射工艺在压电驱动层的上、下表面分别制备上、下驱动电极，并焊接上、下驱动电极金属引线，得到流量调节阀门。

4)采用Au/Ti材料通过磁控溅射和金属刻蚀技术制备电感线圈和超级电容充电线圈。

5)将制备好的流量调节阀门、电感线圈及充电线圈装配至流量调节阀门和电感、充电线圈的基座上。

6)以硅片为基材，利用热氧化、LPCVD、“硅-硅”直接键合等工艺制备带有柔性极板的电容压力传感器敏感结构。

7)采用ASIC设计技术及制备工艺将无源、无线信号提取电路，频率响应开关电路，超级电容供能及充电电路与电容传感器集成在一个芯片上。

8)外协订制全固态超级电容器。

9)将集成有流量调节阀门及线圈的基座、带有电容传感器的ASIC芯片、全固态超级电容器等组件转配至系统壳体，并使用生物兼容性材料进行封装。

本发明的设计原理如下：

所述的一种植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：系统由压力传感器、信号提取及开关电路、流量调节阀门、超级电容及其充电电路等部分组成。

当系统植入患者眼内后，房水经壳体上的入口进入引流腔，随后由常开式房水引流口排出眼外。当患者的房水分泌量增加，常开式引流口无法满足房水排出的需要时，将导致引流腔内的压力升高，进而压迫放置在引流腔侧壁的电容压力传感器柔性极板。传感器柔性极板形变将导致电容器两极板间的距离发生变化，而极板间距的变化将使传感器的电容值发生变化。

随后，利用由电感、电容器件构成的无源无线信号提取电路，将电容值变化转换为电路谐振频率变化，并通过电感线圈传输至体外，实现对患者眼压数据的监测。同时，利用电路的频响开关功能，通过电路谐振频率的变化控制流量调节阀门的开关，实现对患者眼压的精准控制。

流量调节阀门的原理是基于压电材料的逆向压电效应，当沿着法向施加正向电场时，压电薄膜收缩并向下偏转，阀门关闭，此时系统仅依靠常开式引流口实现对眼压的控制；当沿着法向施加负向电场时，压电薄膜伸张并向上偏转，阀门打开，此时房水的引流量增加；

全固态超级电容器主要由正负极板、电解质层和绝缘隔膜构成。通过充电线圈为电容器充电时，电容器正极板吸引电解质层中的负离子，而负极板则吸引电解质层中的正离子，从而成功的创建了两个电荷储层，大幅增加了供电时间。电解质层中的绝缘隔膜则用于防止极板间的电势过高时发生击穿。将充电完成的正负极板与电路连接，即可实现对系统的供能，满足长时间体内工作的需求。

实施例：

1)采用生物兼容性好的聚乙内脂材料（但不限于），借助3D打印技术制备眼压连续监测与控制系统的壳体1。壳体壁厚在20~30纳米；房水引流腔103直径根据患者就诊时的眼压测量值个体化订制，一般为50~150纳米；壳体固定锚点104的直径由引流腔直径决定，为保证稳固植入，壳体固定锚点104的直径一般为引流腔直径的2倍。

2)如图8所示，采用“溶胶-凝胶”法制备锆钛酸铅压电陶瓷层203（PiezoelectricCeramic Transducer, PZT）。具体步骤为，采用分析纯三水醋酸铅（Pb(CH₃COO)₂•3H₂O）、硝酸锆（Zr(NO₃)₄•5H₂O）和钛酸四丁酯（Ti(OC₄H₉)₄）为原料，乙二醇单甲醚（CH₃OCH₂CH₂OH）、乙酰丙酮（CH₃COCH₂COCH₃）和醋酸作为添加剂，按照一定比例配置成PZT溶胶。利用旋涂仪将溶胶均匀涂覆在载玻片上，通过控制旋涂时间及转速控制PZT压电驱动层203的厚度为10~20纳米。在显微镜下，将载玻片上的PZT压电驱动层203裁剪为直径与引流腔103一致的圆片。

3)如图8所示，分别在PZT压电驱动层203的上、下表面溅射Pt/Ti，制备上驱动电极202和下驱动电极204（厚度为：0.1μm ~0.2μm）；随后在得到流量调节阀2上刻蚀常开引流出口201，常开式引流口201的直径一般为引流腔103的1/3~1/4；最后，将上驱动电极导线601和下驱动电极导线602焊接至相应的驱动电极。

4)如图9所示，在绝缘性出色、生物兼容性良好的聚酰亚胺绝缘层上，磁控溅射Au/Ti（厚度为：0.1μm ~0.2μm），随后采用光刻工艺制备电感线圈8；重复磁控溅射及光刻工艺制备充电线圈9；焊接电感线圈导线603和充电线圈导线604。

5)将制备好的流量调节阀门2、电感线圈8及充电线圈9装配至基座4上。

6)如图10所示，在硅材料基片302上采用热氧化法制备二氧化硅绝缘层303；在二氧化硅绝缘层303上采用LPCVD工艺制备多晶硅下极板304；在多晶硅下极板304上采用LPCVD工艺制备氮化硅介质层305；在另外一块硅材料基片302上采用热氧化法制备二氧化硅绝缘层303；在二氧化硅绝缘层303上刻蚀出电容器腔体306；采用“硅-硅”键合工艺将氮化硅介质层305与电容器腔体306封合；顶层减薄电容器腔体306上的硅材料基片得到硅纳米膜构成的柔性上极板307。

7)如图11所示，采用标准的集成电路工艺流程外协制备由无源、无线信号提取电路，频率响应开关电路，超级电容供能及充电电路组成的ASIC电路301。

8) 外协订制全固态超级电容器。

9)将集成有流量调节阀门及线圈的基座、带有电容传感器的ASIC芯片、全固态超级电容器等组件转配至系统壳体，并使用生物兼容性材料进行封装。

如图12所示，本发明提出的植入式眼压监测与控制本系统，通过微创手术植入到眼前房内，有效实现对眼压的实时监测与控制，从而长期维持青光眼患者稳定眼内压，有效控制眼压，延长视力年，极大提高青光眼患者生活质量。

Claims (10)

1.一种植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：包括用来获得患者眼内压的压力传感器、与压力传感器连接的开关电路和信号提取电路，还包括房水流量调节阀门和供电电路；

圆柱状壳体（1）一端为房水入口（101），另一端设置有壳体固定锚点（104），二者之间为房水引流腔（103）；所述壳体固定锚点（104）与房水流量调节阀门（2）连接；

所述房水流量调节阀门（2）中心处为常开的房水引流口（201）；所述房水流量调节阀门（2）包括三层结构：上驱动电极（202）、下驱动电极（204）及两电极中间的压电驱动层（203）；

所述压力传感器集成在ASIC芯片（3）上，ASIC芯片（3）安装在房水引流腔（103）侧并与其中的房水接触。

2.根据权利要求1所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述的供电电路包括作为电源的全固态超级电容器（5）和无线充电线圈（9）；所述全固态超级电容器（5）与ASIC芯片（3）一并放置在芯片及电容器放置仓（102）内；所述无线充电线圈（9）与房水流量调节阀门（2）一并集成在阀门与线圈基座（4）上。

3.根据权利要求2所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述全固态超级电容器（5）由电容器正极（501）、电介质层（502）、绝缘隔膜（503）和电容负极（504）组成，其中绝缘隔膜（503）放置在电解质（502）之中，将电解质（502）分割成两个部分。

4.根据权利要求2所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述阀门与线圈基座（4）中还设置有电感线圈（8），电感线圈（8）与ASIC芯片（3）连接。

5.根据权利要求1所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述压力传感器具体为柔性电容传感器，安装在ASIC芯片（3）上；ASIC芯片（3）与房水接触一侧为硅纳米膜构成的柔性上极板（307）；二氧化硅绝缘层（303）将柔性上极板（307）与氮化硅介电层（305）隔离；在二氧化硅绝缘层（303）上设置有电容传感器腔体（306）；氮化硅介电层（305）的另外一侧为电容器的多晶硅下极板（304）；多晶硅下极板（304）另外一侧的二氧化硅绝缘层（303）将其与在硅材料基片（302）上在采用ASIC技术制备的电路（301）隔离。

6.根据权利要求1所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述壳体固定锚点（104）的直径为引流腔直径的2倍；壳体（1）壁厚20~30纳米；房水引流腔（103）直径50~150纳米。

7.根据权利要求1所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述压电驱动层（203）厚度为10~20纳米。

8.根据权利要求1所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述上驱动电极（202）和下驱动电极（204）厚度为0.1～0.2微米。

9.根据权利要求1所述植入式眼压连续监测与控制系统，其特征在于：所述常开的房水引流口（201）的直径为引流腔（103）直径的1/3~1/4。

10.如权利要求1所述植入式眼压连续监测与控制系统的制造方法，其特征在于：

所述制造方法包括如下步骤：

步骤一：制造壳体；通过3D打印依尺寸制造壳体；

步骤二：制造压电驱动层，采用分析纯三水醋酸铅、硝酸锆和钛酸四丁酯为原料，乙二醇单甲醚、乙酰丙酮和醋酸作为添加剂，配置成PZT溶胶；利用旋涂仪将溶胶涂覆在载玻片上，通过控制旋涂时间及转速控制PZT压电驱动层的厚度；将PZT压电驱动层裁剪为直径与引流腔一致的圆片；

步骤三：分别在PZT压电驱动层的上、下表面溅射Pt/Ti，制备上驱动电极和下驱动电极；在得到流量调节阀上刻蚀常开引流出口，将上驱动电极导线和下驱动电极导线焊接至相应的驱动电极；

步骤四：在聚酰亚胺绝缘层上，磁控溅射Au/Ti，采用光刻工艺制备电感线圈；重复磁控溅射及光刻工艺制备充电线圈；焊接电感线圈导线和充电线圈导线；

步骤五：将流量调节阀门、电感线圈及充电线圈装配至基座上；

步骤六：在硅材料基片上采用热氧化法制备二氧化硅绝缘层；在二氧化硅绝缘层上采用LPCVD工艺制备多晶硅下极板；在多晶硅下极板上采用LPCVD工艺制备氮化硅介质层；在另外一块硅材料基片上采用热氧化法制备二氧化硅绝缘层；在二氧化硅绝缘层上刻蚀出电容器腔体；采用“硅-硅”键合工艺将氮化硅介质层与电容器腔体封合；顶层减薄电容器腔体上的硅材料基片得到硅纳米膜构成的柔性上极板；

步骤七：将集成有流量调节阀门及线圈的基座、带有电容传感器的ASIC芯片、全固态超级电容器等组件转配至系统壳体，并使用生物兼容性材料进行封装。