CN110876617B - 一种心血管测量装置的充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种心血管测量装置的充电系统，所述心血管测量装置包括测量系统、信号处理系统、供电系统和通信系统，所述供电系统包括电池、剩余电量检测模块、变换器；所述剩余电量检测模块检测电池的剩余电量，并将检测的剩余电量传输到所述信号处理系统和通信系统，当所述剩余电量低于设定阈值时，所述信号处理系统控制至少一个测量模块进行动作，所述变换器根据通信系统接收到的信号进行启动，并进行充电操作。本发明的系统可以使动物在清醒且自由活动的状态下同时进行光声和心电测量的系统，通过对测量装置进行充电保证电量的充足，保证了测量的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及医学检测领域，尤其涉及一种心血管测量装置的充电系统。
背景技术
光声成像兼具声学成像和光学成像两者的优点,因而成为近十年来发展最迅速的生物医学成像技术之一。光声成像是一种通过检测光声效应产生的声学信号,从而获取样品的光学吸收特性,并构建样品的二维断层图像或者三维立体图像的一种新颖的复合成像方法。光声成像在测量密度、弹性参量等方面，可以比超声成像具有更高的对比度，也能够灵敏地反映生物体的生理结构并提供生物体的功能信息。光声成像也兼具了声学成像成像深度大、深层组织成像分辨率高的优势,光声成像的空间分辨率可达到成像深度的1/200，同时光声成像对生物组织更加安全。由于光声成像的优点，光声成像可以对小动物活体进行心血管疾病(血管生成/生长、心肌炎、血栓、心梗等)的研究，同时可以输出血红蛋白浓度和血氧饱和度的定量数据等。
现有的对动物，比如小鼠等进行光声成像，是将小鼠至于体积庞大的成像系统下方，同时为了保证成像时，不发生由于小鼠的移动而影响效果，通过将小鼠进行药物麻醉后再固定于成像探头下方，对小鼠进行麻醉后，小鼠处于非清醒状态，小鼠的心血管、脑部等都受到麻醉剂影响而不利于正常观察小鼠的正常活动；由于处于麻醉状态，小鼠无法移动，除了进行光声检测外，不能进行其他与活动相关(比如足迹、蹦跳等)的检测。
监测动物的心电，比如监测大鼠的心电，由于大鼠的心电、血压、血管阻力对药物反应敏感，适合于筛选新药和研究心血管药理等，而且可以动物可以制成各种肿瘤模型等，通过研究动物的生理参数对于进行肿瘤、药物学研究具有重要意义。现有的进行动物心电监测的手段一般是通过植入心电电极，或者采用夹子等将电极夹在动物四肢，而且一般是将动物麻醉后进行心电监测。植入式电极对动物会造成创伤，除了引起动物的疼痛外，还会造成感染；而采用将电极夹在四肢时，动物的活动会受到限制，而且动物不像人体，人体在采用夹子式的心电导联时，可以通过深呼吸等方式冷静，从而准确测量心电，动物被植入电极或夹上电极后，会由于疼痛而出现紧张、狂躁等，使测量的心电数据不准确。
国内已经有一些研究开始研究使小鼠保持清醒且在可自由活动的条件下进行的光声成像系统，如CN104545814A公开的动物头戴式光声成像装置，虽然可以使小鼠在清醒自由状态移动，但是成像探头是缝合至动物的头部，其缝合探头的过程对小鼠而言是具有创伤的，而且会造成感染，极不人道；CN103976709A公开了一种可穿戴式阵列换能器探头，其采用碗状外壳布置换能器，但是该碗状外壳只能进行头部的光声测量，不能进行其他尾部的测量。而且这些装置不能进行心电测量，当需要了解动物的心脏功能状态时，受到限制。目前没有使动物在保持清醒状态且可自由活动的条件下同时进行动物的光声成像和心电测量，同时该不受测量部位限制的系统。
再者，目前并没有综合的利用血氧饱和度以及心电信号便携式的对动物进行心血管功能评价的系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使动物在清醒且自由活动的状态下同确定动物的心血管功能的系统，提高操作的便利性，以及测量的重复性，减小动物感染，以便减小试验动物的使用量，同时可以进行长期的试验观察。
基于上述目的，本发明的一种心血管测量装置的充电系统，所述心血管测量装置包括测量系统、信号处理系统、供电系统和通信系统，所述测量系统和通信系统分别连接所述信号处理系统，所述供电系统用于给所述测量系统、信号处理系统和通信系统供电；所述测量系统用于测量动物的身体数据，传送到所述信号处理系统；所述供电系统包括电池、剩余电量检测模块、变换器；所述剩余电量检测模块检测电池的剩余电量，并将检测的剩余电量传输到所述信号处理系统和通信系统，当所述剩余电量低于设定阈值时，所述信号处理系统控制至少一个测量模块进行动作，所述变换器根据通信系统接收到的信号进行启动，并进行充电操作。
所述的心血管测量装置的充电系统，所述测量模块包括：光声测量模块和心电测量模块；
所述光声测量模块，对动物进行光声测量，基于光声测量信号确定动物的血氧饱和度；所述的光声测量模块包括光源单元和光声探测器单元，所述的光源单元采用可调谐脉冲激光器，可发出红光和红外光，所述的光声探测器单元采用可穿戴式超声换能器阵列系统，所述的心电测量模块采用可穿戴式心电测量电极进行测量；所述的光源单元采用可调谐脉冲激光器，可发出红光和红外光。
所述的心血管测量装置的充电系统，当所述剩余电量低于设定阈值时，所述信号处理系统控制至少一个测量模块进行动作，所述变换器根据通信系统接收到的信号进行启动，并进行充电操作具体包括：所述信号处理系统关闭测量系统中至少一个测量模块，所述通信系统接收远程控制器的通知信号以确定是否进行充电，当接收到充电信号时，所述通信系统发送信号到所述变换器，启动变换器进行充电操作。
所述的充电系统，所述启动变换器进行充电操作具体包括：接收到通信系统从远程控制控制器确认的通知信号后，通信系统发送一高电平信号到连接到变换器的电源开关，并发送一脉冲信号到所述信号处理系统，所述电源开关接收到所述高电平时导通，所述信号处理系统接收到所述脉冲信号时发送控制变换器的PWM以控制变换器进行充电变换。
所述的充电系统，所述的光声探测器单元包括超声换能器阵列系统，所述的心电测量模块包括心电测量电极进行测量；
所述的超声换能器阵列系统，包括柔性基底、柔性基底承载的超声换能器阵列，以及从柔性基底向两侧延伸的可调节带部；所述的心电测量模块，为从所述柔性基底延伸的可调节长度的柔软的带，在带的末端具有固定心电电极的固定环，固定环包括可变长度部和固定长度部，心电电极设置在固定长度部。
所述的充电系统，所述的脉冲激光器可以发出红光和红外光这两种波长的光，从而该光声测量系统可以测量受试动物的血氧饱和度，所述测量血氧饱和度的具体过程为：
使脉冲激光器分时发出λ1＝680nm以及波长的光，以及λ2＝880nm波长的光，由超声换能器分别采集小鼠组织信号，然后进行如下计算：
计算组织的吸光度A：
其中C代表组织发光团的浓度，a为组织的比例常数，取决于组织。
若光源发射的入射光波长为λ1和λ2，则在两种波长下的吸光度可以表示为：
求解上述方程，可以得到氧合血红蛋白的浓度值C(O2Hb)和脱氧血红蛋白的浓度值C(HHb)，具体如下：
其中
为在波长为λ1时组织的吸光度；/>
为在波长为λ2时组织的吸吸光度；L为波长发射器与波长探测器之间的距离；/>
和/>
分别表示波长为λ1时血红蛋白和脱氧血红蛋白的散射系数；/>
和/>
分别表示波长为λ2时血红蛋白和脱氧血红蛋白的散射系数；
血氧饱和度SPO2定义为氧合血红蛋白的浓度与总的血红蛋白浓度(氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度之和)之间的比值，具体表示为：
用百分比来表示组织的血氧饱和度值，进一步表示为：
所述的充电系统，所述电池包括一个主电池，至少一个辅电池，所述辅电池作为所述主电池的备用电池，当主电池没电时，所述通信系统接收到远程控制器的充电确认信号时，变换器进行恒流变换给主电池充电，当主电池和其中一个辅电池没电时，所述通信系统接收到远程控制器的充电确认信号时，即此时需要对主电池和其中一个辅电池都充电，变换器进行恒压变换给所述主电池和其中一个辅电池充电。
所述的充电系统，所述变换器接收有线交流电力或无线电能。
通过本发明的系统，可以达到如下效果：
(1)本发明能够准确检测心血管测量装置的电量，及时对其进行充电，在控制充电时，能够根据远程控制器的控制进行控制，防止充电的误操作，同时，能够针对不同数量的电池进行不同充电类型的充电，以使充电效率更加高，充电更加安全；通过多电池进行备用，避免电池电量不足造成的测量结构不稳定。
(2)本发明的心电测量系统，可以无创测量动物任意部位的心电信号，并且心电电极可以与被测部位牢固接触，提高心电测量的稳定性；
(3)本发明的心电测量系统，采用环形，包括固定长度部和可变长度部，心电测量电极设置在固定长度部，既可以使环形结构与被测部位牢固接触，又不改变心电电极的形状；
(4)本发明的脉冲激光器，可以发射两种波长的光，可以用于测量血氧饱和度；
(5)本发明的系统，由于是在清醒、自由状态下进行监测，可以长时间进行监测，用于长期药品研究实验或者生活习性等研究；
(6)本发明的系统，可以无创测量小鼠的心血管功能，为小鼠心血管功能的评价提供了新的替代手段。
附图说明
图1为本发明系统的示例性框图；
图2为本发明的光声测量系统的示意图；
图3为本发明的光声探测器模块的示意图；
图4为本发明的光声探测器模块和心电测量模块示意图；
图5为本发明的心电测量系统的电极设置示意图；
图6为II导联时测量得到的小鼠自然状态下心电信号；
图7为III导联时测量得到的小鼠自然状态下心电信号；
图8为麻醉针刺电极测量得到的小鼠心电图信号。
具体实施方式
图1为本发明的示例性系统框图，一种心血管测量装置的充电系统，所述心血管测量装置包括测量系统、信号处理系统、供电系统和通信系统，所述测量系统和通信系统分别连接所述信号处理系统，所述供电系统用于给所述测量系统、信号处理系统和通信系统供电；所述测量系统用于测量动物的身体数据，传送到所述信号处理系统；所述供电系统包括电池、剩余电量检测模块、变换器；所述剩余电量检测模块检测电池的剩余电量，并将检测的剩余电量传输到所述信号处理系统和通信系统，当所述剩余电量低于设定阈值时，所述信号处理系统控制至少一个测量模块进行动作，所述变换器根据通信系统接收到的信号进行启动，并进行充电操作。
所述的心血管测量装置的充电系统，当所述剩余电量低于设定阈值时，所述信号处理系统控制至少一个测量模块进行动作，所述变换器根据通信系统接收到的信号进行启动，并进行充电操作具体包括：所述信号处理系统关闭测量系统中至少一个测量模块，所述通信系统接收远程控制器的通知信号以确定是否进行充电，当接收到充电信号时，所述通信系统发送信号到所述变换器，启动变换器进行充电操作。
所述的充电系统，所述启动变换器进行充电操作具体包括：接收到通信系统从远程控制控制器确认的通知信号后，通信系统发送一高电平信号到连接到变换器的电源开关，并发送一脉冲信号到所述信号处理系统，所述电源开关接收到所述高电平时导通，所述信号处理系统接收到所述脉冲信号时发送控制变换器的PWM以控制变换器进行充电变换。
图2为本发明实施例的光声测量系统，光声测量系统包括光源系统，可以采用脉冲激光光源，脉冲激光光源采用脉冲激光器的OPO脉冲激光器，波长可调谐，调谐范围为480-960nm之间，脉冲光源可连接光纤束等作为光导，将光源入射到受检体，引起受检体内的光声效应，通过光声探测系统探测该光声信号，光声探测系统为超声换能器阵列，可以采集由组织吸收的光产生的超声信号。
为了解决动物在清醒、自由状态下进行光声测量的问题，本发明通过一个可以折叠、弯曲的柔性基底(载体)上设置呈曲面状阵列的超声换能器阵列，承载超声换能器阵列以及在柔性基底上设置柔性PCB板，可以根据被测试动物需要测量的部位而变换形状，比如需要进行脑部的光声测量，则柔性基底可以由具有弹性的柔性材质，比如制成头带，通过头带承载曲面状的超声换能器阵列和柔性PCB板，如果要测量腹部或者身体中段的光声设备，可以采用腹带或者腰带形式的基底，腰带或腹带具有弹性，并且在基底设置换能器的两端设置有带，两段带结合处设置有可调节长度的魔术粘或者带扣部(未图示)。
如图3所示，为本发明的可穿戴光声探测器系统的一个示意图，其中附图标记1表示本发明的光声探测器系统(即超声换能器系统)，其设计为符合动物身体曲线，由动物进行穿戴，在进行光声测量时，可以自由活动。进一步地，如图3所示，附图标记表示2、3表示心电测量电极。可以在光声探测器的基底处，延伸出两个条带，可以设置成条带式的，如图3所示，在条带的末端设置可变性环形柔软部件，该部件内设置有心电测量电极，当将该光声探测器系统穿戴在动物身上时，动物的后肢可以穿过环形件，同时环形件在动物的后肢处收紧，从而心电电极可以与后肢紧密固定接触，进行稳定的心电测量。
如图4所示，使出了本发明的穿戴式的动物光声和心电测量系统，其中附图标记4表示两端进行调节的带或带扣部。通过具有弹性的带或者是可调节长度的带扣部进行调节，可适应不同大小的动物，不同动物体部位的测量。
如图5所示，可穿戴式心电测量系统，为从所述柔性基底延伸的可调节长度的柔软的带，在带的末端具有固定心电电极的固定环，固定环包括可变长度部a和固定长度部b，心电电极设置在固定长度部b；在使用时，使受试动物的肢体部或耳部穿过固定环后，由于可变长度部a的弹性，使固定环收缩，而使心电电极与所述受试动物的肢体部或耳部牢固接触，从而进行心电测量。
可替代地，本发明的光声探测器系统可以设置为宠物衣的形式，穿戴在身体部分的衣服作为超声换能器系统的载体，承载超声换能器阵列，穿戴在四肢处的部分作为心电电极的载体，承载心电电极，由此，动物可以在清醒自由状态下进行光声和心电测量。
在测量时，脉冲激光器发出脉冲光，由小动物体内吸收后，产生的超声波由穿戴式超声换能器阵列接受，将接受的超声波发送到信号处理系统进行处理，经过前置放大、AD转换、正交调制、延时等处理，得到动物的光声谱，用于观察动物体内的心血管状态。同时，为了测量动物体内血氧信息，可是使脉冲激光器发出两种不同波长的光，比如红光和红外光，采用双波长测量方式获得不同波长下的光吸收系数分布，继而进行血氧饱和度的计算。经过信号处理系统处理过的光声信号，可以通过信号输出系统进行输出，如进行显示，或者进一步发送到其它装置，比如服务器等进行处理。
所述测量血氧饱和度的具体过程为：
使脉冲激光器分时发出λ1＝680nm以及波长的光，以及λ2＝880nm波长的光，由超声换能器分别采集小鼠组织信号，然后进行如下计算：
计算组织的吸光度A：
其中C代表组织发光团的浓度，a为组织的比例常数，取决于组织。
若光源发射的入射光波长为λ1和λ2，则在两种波长下的吸光度可以表示为：
求解上述方程，可以得到氧合血红蛋白的浓度值C(O2Hb)和脱氧血红蛋白的浓度值C(HHb)，具体如下：
其中
为在波长为λ1时组织的吸光度；/>
为在波长为λ2时组织的吸吸光度；L为波长发射器与波长探测器之间的距离；/>
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分别表示波长为λ1时血红蛋白和脱氧血红蛋白的散射系数；/>
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分别表示波长为λ2时血红蛋白和脱氧血红蛋白的散射系数；
血氧饱和度SPO2定义为氧合血红蛋白的浓度与总的血红蛋白浓度(氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度之和)之间的比值，具体表示为：
用百分比来表示组织的血氧饱和度值，进一步表示为：
通过以上过程，可以精确的计算出动物，比如小鼠的血氧饱和度，通过血氧饱和度信号，可以确定小鼠的心血管动脉血氧的变化，从而为判断小鼠的心血管功能提供基础。
心电电极测量的信号，也发送到信号处理系统进行处理，经过前置放大、滤波、二级放大、带通滤波等，得到动物的心电图，由信号输出系统进行输出，比如通过显示器显示动物的心电图，或者发送到服务器等进行保存或者进一步处理等。例如，信号输出系统可以通过显示器同时显示动物体内的血氧饱和度、光声图像、以及心电图，以便于研究人员可以直观判断动物的状态。如图6为II导联时测量得到的小鼠自然状态下心电信号，图7为III导联时测量得到的小鼠自然状态下心电信号，图8为麻醉针刺电极测量得到的小鼠心电图信号。从图7-8可以确定，本发明的心电测量系统可以得到准确的心电图信号。
通过对小鼠的心电图信号进行进一步分析，比如通过峰值分析，通过峰峰间隔确定心率，也可以进行对心电图信号进行傅里叶变换，通过空间频域确定小鼠的心率。
在得到小鼠的心率信号和血氧饱和度信号后，可以综合二者判断小鼠的心血管状况。
由于对动物的活动没有限制，本发明的装置，可以长期间连续观察动物的心血管状态。同时，为了观察动物对某些气体(有害或无害)、或者某些经过雾化的药品的反应，可以在动物的活动空间内喷洒或者使雾化装置挥发药品，通过连续观察动物的光声图谱、血氧饱和度图谱和心电图，分析动物对这些药品的反应情况等。
所述的充电系统，所述电池包括一个主电池，至少一个辅电池，所述辅电池作为所述主电池的备用电池，当主电池没电时，所述通信系统接收到远程控制器的充电确认信号时，变换器进行恒流变换给主电池充电，当主电池和其中一个辅电池没电时，所述通信系统接收到远程控制器的充电确认信号时，即此时需要对主电池和其中一个辅电池都充电，变换器进行恒压变换给所述主电池和其中一个辅电池充电。
所述的充电系统，所述变换器接收有线交流电力或无线电能。
本发明的装置，可以使动物在清醒且自由活动的状态下同时进行光声和心电测量的系统，提高操作的便利性，以及测量的重复性，减小动物感染，以便减小试验动物的使用量，同时可以进行长期的试验观察，而且本发明的装置不受测量部位的限制，可以测量任意部位的光声信号或者心电信号。
本发明能够准确检测心血管测量装置的电量，及时对其进行充电，在控制充电时，能够根据远程控制器的控制进行控制，防止充电的误操作，同时，能够针对不同数量的电池进行不同充电类型的充电，以使充电效率更加高，充电更加安全；通过多电池进行备用，避免电池电量不足造成的测量结构不稳定。
本发明能够应用于医学实验进行动物参数检测，能够远程控制充电启动，方便实验人员监测动物数据。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.一种心血管测量装置的充电系统，其特征在于，所述心血管测量装置包括测量系统、信号处理系统、供电系统和通信系统，所述测量系统和通信系统分别连接所述信号处理系统，所述供电系统用于给所述测量系统、信号处理系统和通信系统供电；所述测量系统用于测量动物的身体数据，传送到所述信号处理系统；所述供电系统包括电池、剩余电量检测模块、变换器；所述剩余电量检测模块检测电池的剩余电量，并将检测的剩余电量传输到所述信号处理系统和通信系统，当所述剩余电量低于设定阈值时，所述信号处理系统控制至少一个测量模块进行动作，所述变换器根据通信系统接收到的信号进行启动，并进行充电操作；所述测量模块包括：光声测量模块和心电测量模块；
所述光声测量模块，对动物进行光声测量，基于光声测量信号确定动物的血氧饱和度；所述的光声测量模块包括光源单元和光声探测器单元，所述的光源单元采用可调谐脉冲激光器，可发出红光和红外光，所述的光声探测器单元采用可穿戴式超声换能器阵列系统，所述的心电测量模块采用可穿戴式心电测量电极进行测量；所述的光源单元采用可调谐脉冲激光器，可发出红光和红外光；当所述剩余电量低于设定阈值时，所述信号处理系统控制至少一个测量模块进行动作，所述变换器根据通信系统接收到的信号进行启动，并进行充电操作具体包括：所述信号处理系统关闭测量系统中至少一个测量模块，所述通信系统接收远程控制器的通知信号以确定是否进行充电，当接收到充电信号时，所述通信系统发送信号到所述变换器，启动变换器进行充电操作；在控制充电时，能够根据远程控制器的控制进行控制，防止充电的误操作；能够远程控制充电启动，方便实验人员监测动物数据；同时，能够针对不同数量的电池进行不同充电类型的充电，以使充电效率更加高，充电更加安全；通过多电池进行备用，避免电池电量不足造成的测量结构不稳定；所述电池包括一个主电池，至少一个辅电池，所述辅电池作为所述主电池的备用电池，当主电池没电时，所述通信系统接收到远程控制器的充电确认信号时，变换器进行恒流变换给主电池充电，当主电池和其中一个辅电池没电时，所述通信系统接收到远程控制器的充电确认信号时，即此时需要对主电池和其中一个辅电池都充电，变换器进行恒压变换给所述主电池和其中一个辅电池充电；所述启动变换器进行充电操作具体包括：接收到通信系统从远程控制控制器确认的通知信号后，通信系统发送一高电平信号到连接到变换器的电源开关，并发送一脉冲信号到所述信号处理系统，所述电源开关接收到所述高电平时导通，所述信号处理系统接收到所述脉冲信号时发送控制变换器的PWM以控制变换器进行充电变换；所述的光声探测器单元包括超声换能器阵列系统，所述的心电测量模块包括心电测量电极进行测量；
所述的超声换能器阵列系统，包括柔性基底、柔性基底承载的超声换能器阵列，以及从柔性基底向两侧延伸的可调节带部；所述的心电测量模块，为从所述柔性基底延伸的可调节长度的柔软的带，在带的末端具有固定心电电极的固定环，固定环包括可变长度部和固定长度部，心电电极设置在固定长度部；所述变换器接收有线交流电力或无线电能；在测量时，脉冲激光器发出脉冲光，由小动物体内吸收后，产生的超声波由穿戴式超声换能器阵列接受，将接受的超声波发送到信号处理系统进行处理，经过前置放大、AD转换、正交调制、延时处理，得到动物的光声谱，用于观察动物体内的心血管状态；同时，为了测量动物体内血氧信息，使用脉冲激光器发出两种不同波长的光，采用双波长测量方式获得不同波长下的光吸收系数分布，继而进行血氧饱和度的计算；经过信号处理系统处理过的光声信号，通过信号输出系统进行输出，或者进一步发送到其它装置进行处理。
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