CN110575600B - 应用于介入治疗集成于导管头部外壁的微型压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开应用于介入治疗集成于导管头部外壁的微型压力传感器。该传感器包括固定连接于介入导管头部外壁上的压力传感器主体，通过在介入导管头部外壁上形成具有同轴环形结构的压力传感器主体，当外电极层感受到外部压力而产生形变时，外电极层向内贴附到电介质层与内电极层共同形成电极/电介质/电极的电容器结构，且外电极层与内电极层的对接面积随着外部压力的变化而变化，导致形成电容的容量发生改变，通过电容检测装置获取的电量具体变化，推测知晓外部压力的数值，实现实时检测介入导管头部所受外部压力变化的目的。压力传感器主体具备力学柔韧性能，可随介入导管任意弯曲，适应介入体内弯曲血管的应用场景。

Description

应用于介入治疗集成于导管头部外壁的微型压力传感器

技术领域

本发明涉及介入治疗用微型压力传感器技术领域，更具体地说，涉及应用于介入治疗集成于导管头部外壁的微型压力传感器。

背景技术

在我国,针对恶性肿瘤，治疗方法主要包括手术、化疗、放疗、免疫治疗、介入治疗、微波治疗或者以上多种技术相结合的综合治疗。由于恶性肿瘤具有发病隐秘和复发转移率高的特点，常规治疗手段存在精准性差、副作用大和疗效差的弊端。近年，介入治疗技术不断发展，其治疗方式是局部的，有别于传统内、外科治疗，具有创伤小、恢复快、疗效好的优点，而逐渐被公认是中晚期恶性肿瘤治疗的首选方法。

肿瘤介入治疗手术的成败在于能否实现精准的局部靶向药物灌注和栓塞剂注射。影响注射的因素包括微导管的头端位置、靶向血管的直径及分支数量、局部血液的流动速度、栓塞剂的颗粒直径和粘稠度等。其中，局部血液的流速是关键因素。医生需依据微导管出药口附近血流的变化情况，及时调整注射速度和注射量，使药物注射与脉动血流趋于同步，尽可能减少返流现象的发生，才能将药物精准送达靶向血管且不对其他非靶向血管产生影响。医生必须耐心操作，稍有失误便可能引起放射性药物放置失败、栓塞不足或过度等严重后果，给患者带来后遗症。因此，为保证手术精度，医生不得不长时间操作，承受大量X射线辐照所带来的职业风险。

为改变以上现状，开发智能药物自动推注设备更为重要，智能药物自动推注设备，首先需要准确获取介入微导管头部出药口附近的局部血液流速信息，然后基于算法自动控制药物推注的速度和流量，并且基于血液的脉动变化做出药物推注的动态实时调整，从而获得比医生凭借手感和经验操作更为精准的靶向给药。

目前的血液流速测量方法都无法实现对于处于身体内部且狭窄弯曲的血管内脉动血液的压力信息的无干扰、实时、精准检测，这成为了开发智能药物自动推注设备的首要瓶颈。

因此需要设计一款能获取导管头部血液压力信息的传感器。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种应用于介入治疗集成于导管头部外壁的微型压力传感器。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种应用于介入治疗集成于导管头部外壁的微型压力传感器，其特征在于，包括固定连接于介入导管头部外壁上的环形压力传感器主体，所述压力传感器主体为电容式压力传感器，包括由内向外依次分布的具有电子传导性的内电极层、良好离子传导性的电介质层、不导电的间隔层、具有电子传导性的外电极层、封装层，上述的内电极层、电介质层、间隔层及外电极层、封装层的拉伸幅度均不小于介入导管的拉伸幅度，内电极层和外电极层分别连接导电引线。导电引线为生物兼容性材料制成或者外表面包裹生物兼容性材料，导电引线与介入导管粘附在一起，与外部的电容检测装置连接。

所述间隔层可选用完全空气层或间断分布有支撑结构的不完全空气层，支撑结构由非导电材料制成。

所述封装层外表面喷涂有拉伸幅度与介入导管一致的生物兼容性热隔离膜。

所述封装层采用生物兼容性材料制成。

内电极层和外电极层选用兼具力学柔韧性和良好导电子能力的材质，优选但不限于如下材质，如金属镀膜或石墨烯膜或碳纳米管膜或银纳米线膜。所述电介质层选用兼具力学柔韧性和良好离子传导性的材质，优选但不限于如下材质，如离子凝胶聚合物。

所述介入导管的直径为0.5-3mm，介入导管头部固定微型压力传感器后的整体直径加粗0.01-2mm。

一种上述微型压力传感器的制备方法，该方法的步骤为：

S1、将石墨烯油墨搅拌均匀后倒置烧杯中，在介入导管(1)的一端管口处塞入PFA塑料塞，将管口堵住，然后将带有PFA塑料塞的介入导管(1)一端垂直浸入石墨烯油墨中，蘸取后垂直拔出，通过自然风干10-14小时成膜，形成内电极层(21)，然后在内电极层(21)的某处连接上导电引线；

S2、将包覆有内电极层(21)的介入导管(1)垂直浸入离子凝胶原液中，蘸取离子凝胶后垂直拔出，自然风干3-4小时后，包覆的离子凝胶原液中的大部分水分挥发，形成凝胶态电介质层(22)；

S3、在曝光条件下，取足量光刻胶于烧杯中，将带有电介质层(22)的介入导管(1)垂直置于光刻胶中，蘸取光刻胶后垂直拔出，静置10-15分钟后，在离子凝胶有效温度范围内烘干，使光刻胶薄膜进行固化；

S4、在曝光条件下，将包覆有光刻胶薄膜的介入导管(1)垂直置于石墨烯导电油墨中，蘸取后垂直拔出，通过自然风干10-14小时成膜，形成外电极层(24)；

S5、将带有外电极层(24)的介入导管(1)置于足量的去胶液中，洗去光刻胶薄膜，形成具有空气的间隔层(23)，外电极层和电介质层之间由残余的微量光刻胶连接在一起，在外电极层(24)的某处连接导电引线，再贴上封装层(25)，形成微型压力传感器。

进一步的，所述离子凝胶原液的制备过程为：将聚乙烯醇、水和磷酸按比例混合，搅拌条件下逐渐加热至80-100℃，直至混合液变得清澈透明，然后自然冷却至室温，得到离子凝胶原液；所述聚乙烯醇、水和磷酸的质量比为0.8-1.2：8-10：0.8-1.2。

进一步的，所述封装层的外表面固定连接有热隔离膜(3)，所述热隔离膜(3)采用喷涂法形成，厚度为0.001-0.500mm；所述热隔离膜(3)选用兼具力学柔韧性和生物兼容性的材质，为聚对二甲苯或聚四氟乙烯，压力传感器主体在使用过程中会产生少量热量，热隔离膜具有隔绝温度的作用，使产生的热量不易作用于人体血管，对血管造成损伤，同时热隔离膜具有较好的柔性，不易对介入导管和压力传感器主体的使用造成影响。

进一步的，所述导电引线的厚度为0.01-1.00mm。

进一步的，S3中所述光刻胶选用与去胶液相溶的材质，优选但不限于如下材质，如正性光刻胶树脂，正性光刻胶树脂是一种叫做线性酚醛树脂的酚醛甲醛，提供光刻胶的粘附性、化学抗蚀性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的实质性特点是：本发明采用薄膜涂层形式的电极层，借助于介入导管或介质导丝自身的柔性，直接固定在其上，形成同轴环状，实现了在毫米级管或柱体上柔性附着，能随着介入导管弯曲而弯曲，不会发生剥落，形成的为一种电容式微压力传感器，相对电阻式压力传感器，受温度影响小，灵敏度更高，在血液微压力的变化下能有很大的电容数值变化；且呈环状固定在介入导管头部，能在整个传感器接触面都进行信号的采集，几乎没有测量盲区，制作成本比较低，具有经济性。

本发明的显著进步是：

(1)本发明通过在介入导管头部外壁上形成具有同轴环形结构的压力传感器主体，当外电极层感受外部压力而变形时，外电极层向内贴附电介质层与内电极层形成电极/电介质/电极的电容器结构，且外电极层与内电极层的对接面积随着外部压力的变化而变化，导致形成电容的容量发生改变，通过外部电容检测装置，获得电量的具体变化，推导知晓外部压力的数值，从而实现实时检测介入导管所受外部压力变化的目的，且压力传感器主体尺寸微小、厚度薄，其结构材质具备力学柔韧性能，使其外观形状在不同弯曲状态下能够切合介入导管的对称性圆柱外形，可随介入导管任意弯曲，以适应介入人体内弯曲血管的应用场景，本发明可应用于但不限于介入手术过程中检测介入导管头部区域的实时血液压力。

(2)本发明中内电极层和外电极层均选用兼具力学柔韧性和良好电子传导性的薄膜材质，直接附着在介入导管上，厚度很薄，柔韧性好能借助介入导管的柔性跟随弯曲，实现器件柔软性要求。电介质层选用兼具力学柔韧性和良好离子传导性的材质，优选但不限于如下材质，如离子凝胶聚合物，形成的电介质层由聚合物分子链互相连接或缠绕，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的阴阳离子，网状结构为离子凝胶提供了较高的拉伸强度，同时也为离子的运动提供了通道，保证其韧性和离子传导性的要求。

(3)压力传感器主体的外表面固定连接有热隔离膜，热隔离膜选用兼具力学柔韧性和生物兼容性的材质，优选但不限于如下材质，如聚对二甲苯、聚四氟乙烯，热隔离膜采用喷涂法形成，厚度为0.001-0.500mm，压力传感器主体在使用过程中会产生少量热量，热隔离膜具有隔绝温度的作用，使产生的热量不易作用于人体血管，对血管造成损伤，同时热隔离膜具有较好的柔性，不易对介入导管和压力传感器主体的使用造成影响。

附图说明

图1为本发明使用时的结构示意图；

图2为本发明的剖面图；

图3为本发明的压力传感器主体处的结构示意图；

图4为本发明的压力传感器主体的制备流程图。

图中标号说明：

1介入导管、2压力传感器主体、21内电极层、22电介质层、23间隔层、24外电极层、25封装层、3热隔离膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1和图2，一种应用于介入治疗集成于导管头部外壁的微型压力传感器，固定连接于介入导管1头部外壁上的环形压力传感器主体2，所述压力传感器主体为电容式压力传感器，压力传感器主体的结构图请参阅图3。本发明的压力传感器主体还能固定附着于介入导丝的头部外壁上。

压力传感器主体2包括由内向外依次分布的内电极层21、电介质层22、间隔层23、外电极层24和封装层25，内电极层21紧贴于介入导管1的外壁上，电介质层22紧贴于内电极层21的外表面，间隔层23位于电介质层22和外电极层24之间，封装层25紧贴于外电极层24的外表面，压力传感器主体2还包括分别连接内电极层21和外电极层24的导电引线，在内电极层和外电极层某处分别引出导电引线，导电引线为生物兼容性材料制成或者外表面包裹生物兼容性材料，导电引线与介入导管粘附在一起，与外部的电容检测装置连接。间隔层23可完全用空气来充当间隔层，间隔层还可选用间断分布有支撑结构不完全空气层来充当，所述支撑结构的材料为非导电材料。

内电极层21和外电极层24均选用兼具力学柔韧性和良好电子传导性的材质，拉伸幅度与介入导管的拉伸幅度一致，导电性好，导电率高，优选但不限于如下材质，如金属镀膜或石墨烯膜或碳纳米管膜或银纳米线膜；电介质层22选用兼具力学柔韧性和良好离子传导性的材质，拉伸幅度与介入导管的拉伸幅度一致，离子在电介质溶液中有良好的运动性，类似于导电率，转移离子的能力强，优选但不限于如下材质，如离子凝胶聚合物。内电极层21和外电极层24的材料可以一样也可以不一样。

本发明通过在介入导管头部外壁上形成具有同轴环形结构的压力传感器主体，当外电极层感受外部压力而变形时，外电极层向内贴附电介质层与内电极层形成电极/电介质/电极的电容器结构，且外电极层与内电极层的对接面积随着外部压力的变化而变化，导致形成电容的容量发生改变，通过电容检测装置获得电量的具体变化，推导知晓外部压力的数值，实现实时检测介入导管所受外部压力变化的目的，且压力传感器主体尺寸微小、厚度薄，其结构材质具备力学柔韧性能，使其外观形状在不同弯曲状态下能够切合介入导管的对称性圆柱外形，可随介入导管任意弯曲，本发明可应用于但不限于介入手术过程中检测介入导管头部区域的实时血液压力。

本发明中的介入导管的直径为0.5-3mm左右，介入导管头部固定微型压力传感器后的整体直径加粗0.01-2mm，当加粗的直径较大时，对应制作时每层厚度进行相应的调整，如当热隔离膜厚度较大时，能取值到0.5mm，对应压力传感器主体的厚度最大为1.5mm；微型压力传感器的前后长度可以人为控制，根据制作时蘸取的长度来控制，本实施例中蘸取的长度为3cm。

请参阅图4，应用于介入治疗集成于导管头部外壁的微型压力传感器的制备方法为：

S1、将石墨烯油墨搅拌均匀后倒置烧杯中，在介入导管1的一端管口处塞入PFA塑料(可溶性聚四氟乙烯)塞，将管口堵住，然后将带有PFA塑料塞的介入导管1一端垂直浸入石墨烯油墨中，蘸取后垂直拔出，通过自然风干10-14小时成膜，形成内电极层21，然后在内电极层21的某处连接上导电引线，导电引线的厚度为0.01-1.00mm；

石墨烯的单层厚度仅为0.335nm，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍；同时它又有很好的弹性，拉伸幅度不小于介入导管的拉伸幅度，拉伸幅度影响跟随导管变形的能力，能达到自身尺寸的20％。

S2、将包覆有内电极层21的介入导管1垂直浸入离子凝胶原液中，蘸取离子凝胶原液后垂直拔出，自然风干3-4小时后，包覆的离子凝胶原液中的大部分水分挥发，形成凝胶态的电介质层22。

S3、在曝光条件下，取足量光刻胶于烧杯中，将带有电介质层22的介入导管1垂直置于光刻胶中，蘸取光刻胶后垂直拔出，静置10-15分钟后，在80-90℃(不高于离子凝胶失效温度，失效后不能形成电容)下烘干2-4分钟，使光刻胶薄膜进行固化；在此烘干温度下能保证离子凝胶不失效，即电介质层不失效；

S4、在曝光条件下，将包覆有光刻胶薄膜的介入导管1垂直置于石墨烯导电油墨中,石墨烯导电油墨由德阳烯碳科技有限公司生产，蘸取后垂直拔出，通过自然风干10-14小时成膜，形成外电极层24；

S5、将带有外电极层24的介入导管1置于足量的去胶液中，洗去整个光刻胶薄膜，形成具有空气的间隔层23，在外电极层24的某处连接导电引线，再贴上封装层25，完成压力传感器主体2的制备；

S5、在封装层外喷涂热隔离膜3，去掉PFA塑料塞，形成微型压力传感器。

步骤S3中光刻胶选用与去胶液相溶的材质，优选但不限于如下材质，如正性光刻胶树脂，正性光刻胶树脂是一种叫做线性酚醛树脂的酚醛甲醛，具有良好的粘附性、化学抗蚀性。

本发明在制备内电极层或外电极层时还可以采用其他膜材料，选用金属镀膜材料作为电极层材料时，采用电镀的方式附在介入导管或光刻胶上，选用碳纳米管膜作为电极层材料时采用包裹的方式；银纳米线膜作为电极层材料时采用与石墨烯膜相同工艺蘸取获得。

压力传感器主体2的灵敏度与间隔层23的厚度成反比，本实例中为0.3mm。在满足测量需求的情况下，间隔层23的厚度应该取最小值，因此要最大程度地减小形成的光刻胶薄膜的厚度，严格控制蘸取的光刻胶的量，光刻胶的蘸取量是根据它本身的表面附着力也就是光刻胶自己的粘稠程度，可以采用不同型号的光刻胶，不同型号的光刻胶，表面附着力和粘稠程度是不同的。或者在蘸取光刻胶后进行人为的垂直上下甩动来甩掉多余的光刻胶来控制光刻胶的附着量。

步骤S2中离子凝胶原液的制备方法为：将聚乙烯醇、水和磷酸按1：9：1的比例混合，搅拌条件下逐渐加热至80-100℃，直至混合液变得清澈透明，然后自然冷却至室温，得到离子凝胶原液。

形成的电介质层22由聚合物分子链互相连接或缠绕，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的阴阳离子，网状结构为离子凝胶提供了较高的拉伸强度，同时也为离子的运动提供了通道。

形成的外电极层24为表层耦合驱动电极，感受环境压力变化；形成的内电极层21为底层耦合感应电极，与外电极层24形成对耦电极将电信号收集，当外电极层24感受到压力发生形变时，内电极层21与外电极层24之间的电容量会发生变化。

请参阅图2，压力传感器主体2的外表面固定连接有热隔离膜3，热隔离膜3选用兼具力学柔韧性和生物兼容性的材质，拉伸幅度与介入导管的拉伸幅度一致，优选但不限于如下材质，如聚对二甲苯、聚四氟乙烯，热隔离膜3采用喷涂法形成，厚度为0.001-0.500mm，压力传感器主体2在使用过程中会产生少量热量，热隔离膜3具有隔绝温度的作用，使产生的热量不易作用于人体血管，避免对血管造成损伤，同时热隔离膜3具有较好的柔性，不易对介入导管1和压力传感器主体2的使用造成影响。

本发明提供的应用于介入治疗导管头部的集成微型压力传感器，响应精度高，测量区域范围广，没有测量盲区，可作为介入手术治疗的通用器件，推进智能药物自动推注设备的开发，用于提高心脑血管及肠胃微创手术机器人的智能水平和可靠性，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种应用于介入治疗集成于导管头部外壁的微型压力传感器，其特征在于，包括固定连接于介入导管头部外壁上的环形压力传感器主体，所述压力传感器主体为电容式压力传感器，包括由内向外依次分布的具有电子传导性的内电极层、良好离子传导性的电介质层、不导电的间隔层、具有电子传导性的外电极层、封装层，上述的内电极层、电介质层、间隔层及外电极层、封装层的拉伸幅度均不小于介入导管的拉伸幅度，内电极层和外电极层分别连接导电引线；

所述的微型压力传感器的制备方法，该方法的步骤为：

S1、将石墨烯油墨搅拌均匀后倒置烧杯中，在介入导管（1）的一端管口处塞入PFA塑料塞，将管口堵住，然后将带有PFA塑料塞的介入导管（1）一端垂直浸入石墨烯油墨中，蘸取后垂直拔出，通过自然风干10-14小时成膜，形成内电极层（21），然后在内电极层（21）的某处连接上导电引线；

S2、将包覆有内电极层（21）的介入导管（1）垂直浸入离子凝胶原液中，蘸取离子凝胶后垂直拔出，自然风干3-4小时后，包覆的离子凝胶原液中的大部分水分挥发，形成凝胶态电介质层（22）；

S3、在曝光条件下，取足量光刻胶于烧杯中，将带有电介质层（22）的介入导管（1）垂直置于光刻胶中，蘸取光刻胶后垂直拔出，静置10-15分钟后，在离子凝胶有效温度范围内烘干，使光刻胶薄膜进行固化；

S4、在曝光条件下，将包覆有光刻胶薄膜的介入导管（1）垂直置于石墨烯导电油墨中，蘸取后垂直拔出，通过自然风干10-14小时成膜，形成外电极层（24）；

S5、将带有外电极层（24）的介入导管（1）置于足量的去胶液中，洗去光刻胶薄膜，形成具有空气的间隔层（23），在外电极层（24）的某处连接导电引线，再贴上封装层（25），形成微型压力传感器。

2.根据权利要求1所述的微型压力传感器，其特征在于：所述封装层外表面喷涂有拉伸幅度与介入导管一致的生物兼容性热隔离膜。

3.根据权利要求1所述的微型压力传感器，其特征在于：所述封装层采用生物兼容性材料制成。

4.根据权利要求1所述的微型压力传感器，其特征在于：所述介入导管的直径为0.5-3mm，介入导管头部固定微型压力传感器后的整体直径加粗0.01-2mm，所述导电引线的厚度为0.01-1.00mm。

5.根据权利要求1所述的微型压力传感器，其特征在于：所述离子凝胶原液的制备过程为：将聚乙烯醇、水和磷酸按比例混合，搅拌条件下逐渐加热至80-100℃，直至混合液变得清澈透明，然后自然冷却至室温，得到离子凝胶原液；所述聚乙烯醇、水和磷酸的质量比为0.8-1.2：8-10：0.8-1.2。

6.根据权利要求1所述的微型压力传感器，其特征在于：所述封装层的外表面固定连接有热隔离膜（3），所述热隔离膜（3）采用喷涂法形成；所述热隔离膜（3）为聚对二甲苯或聚四氟乙烯；所述光刻胶与去胶液相溶，为正性光刻胶树脂。

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