CN111728604A - 一种基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置 - Google Patents

一种基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置 Download PDF

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张而弛
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Abstract

本发明公开一种基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置,包括可穿戴式接收设备子系统、植入单元子系统和处理终端子系统,其中,植入单元植入于胃浆膜层,用于采集胃慢波信号;可穿戴式设备用于接收植入单元发出的超声波,进行解调后送入处理终端;处理终端用于对接收的数据进行分析,判断胃慢波是否正常。此种设备可准确反映胃慢波频率、幅度、传输方向以及速度,灵敏度高、检测精度高。

Description

一种基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置
技术领域
本发明属于超声光纤光栅(FBG)耦合技术和植入式医疗设备应用开发领域,特别涉及一种基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置。
背景技术
胃慢波是由Cajal的间质细胞起搏的,仅存在胃壁上的一种周期性变化的电活动。正常的胃电起搏点位于胃主体中部距离贲门5cm-7cm的区域,起搏电频约为3次/分,成为基本电节律,它控制整个胃的慢波频率向幽门方向传播。
根据胃慢波的性质,现有的胃电图(EGG)可以检测出包括在恶心呕吐,消化不良,胃轻瘫,晕动症中出现的胃动过缓,胃动过速以及进食时的并发信号幅度增幅损失。但是,EGG无法反映慢波的异常启动和传导,偶然发生的过早终止和波前碰撞。在一些实验中,有将近一半的受试者通过EGG得到正常的3cpm的频率,但是根据侵入式设备得到这些受试者的胃慢波发生了空间异常。这表面了单通道的EGG无法检测此类异常。
也有方案通过尝试用多个表面电极提取EGG的空间信息,通过沿胃轴放置4个电极,可以评估频道之间的频率耦合量,并认为该量反映了波的正常传播。但该方法无法估计胃慢波的准确传播速度。另外,非侵入式方法的准确性十分有限,极容易出现运动伪影。
现存的侵入式方案使用的电极会给患者留下较大的创伤,并且会受到器官活动的影响。
发明内容
本发明的目的,在于提供一种基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置,其可准确反映胃慢波频率、幅度、传输方向以及速度,灵敏度高、检测精度高。
为了达成上述目的,本发明的解决方案是:
一种基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置,包括可穿戴式接收设备、植入单元和处理终端,其中,植入单元植入于胃浆膜层,用于采集胃慢波信号;可穿戴式接收设备用于接收植入单元发出的超声波,并进行解调后送入处理终端;处理终端用于对接收的数据进行分析,判断胃慢波是否正常。
所述植入单元包括超声压电换能器和植入单元IC模块,其中,植入单元IC模块上集成有电源管理模块、存储电容器CSTORE、信号处理模块、胃慢波传感器和L型匹配电路;超声功率Rx和L型匹配电路是一个整体,用于接收处理终端发出的超声波,以及将数据用超声波传输到体外,L型匹配电路的具体作用是在上行链路中实现低通滤波及改进电路品质因数,在下行链路中实现改进电路品质因数。超声功率Rx接收到体外的超声能量后转换为电能存储于存储电容器CSTORE中,CSTORE用于为植入单元供电;胃慢波传感器记录胃部的活动,在植入物工作周期中,IC模块中的模拟前端(AFE)对传感器读取的胃慢波进行采样,然后通过10位SAR ADC将采样数字化,最后通过OOK调制将样本序列化并通过超声数据Tx的上行链路传输,从而完成植入操作。
上述可穿戴式接收设备包括超声FBG耦合阵列和若干超声聚焦锥,其中,超声FBG阵列设于胃的外表皮区域对应植入单元的位置,用于接收体内发出的超声波并进行解调;所述超声FBG阵列包含有若干个超声FBG,声聚焦锥与超声FBG的数目相同并一一对应,每个超声FBG都通过对应的声聚焦锥来收集超声信号。
上述声聚焦锥为圆锥形。
上述声聚焦锥与超声FBG的对齐方式为轴向对齐。
上述处理终端包括用于发出激光的可调谐激光器、用于将反射得到的光转换为电信号的光接收机以及信号处理终端模块。
采用上述方案后,本发明利用超声波在人体中的穿透性能优于电流的特性,利用植入单元中压电换能器的压电效应采集胃电慢波将其转化为超声波,通过采用超声FBG阵列,可以准确绘制胃慢波在各个位置的速度和振幅随时间变化的关系。通过使用具有聚焦功能的聚焦锥,增大了超声FBG可以接收到的超声波的能量。本发明具有侵入性低,可以反复实时使用,不受电磁干扰,灵敏度高,检测精度高等优点,可以很方便地检测患者的胃慢波。
附图说明
图1是本发明的系统结构图;
图2是本发明中植入单元的结构框图;
图3是本发明中植入区域的示意图;
图4是本发明中植入单元时序图;
图5是本发明中超声FBG的结构示意图;
图6是本发明中超声FBG耦合阵列的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图,对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示,本发明提供一种基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置,包括可穿戴式接收设备、植入单元和处理终端,下面分别介绍。
植入单元的结构如图2所示,包含一片用于充电和向体外发送信息的超声压电换能器(选用材料为PZT-5H),以及一个植入单元IC模块,该电路板具有对接收到的超声波转换而成的电能进行整流,放大采集到的胃慢波信号,以及对整个电路进行过压保护的功能。
植入单元的电路图可参考图2所示,包括两块超声压电换能器,以及设于植入单元IC模块的电源管理模块、存储电容器CSTORE、信号处理模块、胃慢波传感器、L型匹配电路,其中,在功能上,超声功率Rx和L型匹配电路是一个整体,用于接收处理终端发出的超声波,以及将数据用超声波传输到体外,L型匹配电路的具体作用是在上行链路中实现低通滤波及改进电路品质因数,在下行链路中实现改进电路品质因数;超声功率Rx接收到体外的超声能量后转换为电能,经过电源管理模块的整流调节之后,存储于CSTORE中,CSTORE用于为IC模块提供VDD;充电过程结束后,整个植入单元会等待数秒,使体外发送的超声波的回波消散,避免其干扰有用信息的传播。接下来,一旦LDO稳定下来,就使能LDO,并通过上电复位信号复位FSM。经过短暂的初始化周期之后,压力感应阶段开始。AFE对微电极检测到的胃慢波进行采样,然后通过10位ADC将采样数字化。最后使用OOK对样本序列化最后通过超声数据Tx上行链路传输至体外,完成植入物的一个工作周期,时序如图4所示。
所述可穿戴式接收设备包括超声FBG耦合阵列和若干声聚焦锥,其中,超声FBG耦合阵列设于胃的外表皮区域对应植入单元的位置,可接收体内发出的超声波,对其解调并得到所需要的信息;所述超声FBG耦合阵列包含有若干个超声FBG(如图5所示),声聚焦锥与超声FBG的数目相同并一一对应,每个超声FBG都通过对应的声聚焦锥来收集更多的超声信号。
植入单元的压电换能器从体内发出的超声波穿过人体表面,由可穿戴式接收设备的超声FBG耦合阵列接收。在每个超声FBG与人体皮肤之间,都设计了一种由吸声材料制成的声聚焦锥,且声聚焦锥与FBG是轴向对齐。吸声材料选择声阻抗接近令人体组织和光纤完美匹配所需要的声阻抗的材料。根据声阻抗匹配公式:
Figure BDA0002527362650000041
其中Z1=8.25×106g/(cm2·s)为光纤的声阻抗,Z2=1.590×106g/(cm2·s)为人体组织的平均声阻抗,计算得到Z=3.622×106g/(cm2·s),常见的塑料PMMA的声阻抗为Z=3.1×106g/(cm2·s)。在本发明中采用PMMA作为声聚焦锥的材料。
超声FBG阵列由5×5的超声FBG构成,每一个超声FBG之前都有一个圆锥形的聚焦耦合装置来最大化接收到的超声波。超声波使光纤包层产生位移和超声波的弹光效应会让FBG的中心波长发生改变,变化量为:
Figure BDA0002527362650000042
其中ε为超声波声强,Pij为介质的应变光学张量,neff0为初始有效折射率,λB0为光栅中心波长。经过光栅边带滤波解调法可以将波长的变化转化为幅度的变化,并在处理终端上显示,边带滤波公式如下
Figure BDA0002527362650000043
其中IR是反射光光强,IO是入射光光强,R是光栅反射系数。
如图1所示,处理终端用于汇总接收到的数据并进行分析,具体包括:
用于发出激光的可调谐激光器,并且可以将输出波长调节至FBG光谱3dB带宽处;
一个用于将反射得到的光导入光电转换器的循环器;
一个光电转换器;
以及一个能够采集电压信号的示波器,在示波器上可以读到测得反射光的频率和振幅。
本发明在应用时,首先将数个如图4所示的植入单元通过手术放入胃浆膜层中,根据胃慢波的产生原理,植入物的分布范围需要从胃后三分之一处开始,直到胃窦区域,如图3所示。
在本发明中,可穿戴式的超声FBG阵列被设计成一个5×5的阵列如图6所示,在每个超声FBG与人体皮肤之间,都设计了一种由吸声材料制成的声聚焦锥,声聚焦锥紧贴皮肤,收集从体内到体外的超声波信号,将其聚焦放大之后传输到FBG中。在本发明中采用PMMA作为声聚焦锥的材料,以匹配人体组织和FBG之间的声阻抗。声聚焦锥与FBG的轴向对齐,这样对于接收小信号地超声波可以有更高地灵敏度。
整个系统开始工作时,超声波使光纤包层产生位移和超声波的弹光效应会让FBG的中心波长发生改变,
经过光栅边带滤波解调法可以将波长的变化转化为幅度的变化,且变化的大小反应了超声波的幅值强弱。
本发明通过可调谐激光器发出连续光脉冲,经过循环器到达FBG,在超声波的作用下中心波长发生改变,随后被反射回循环器,通过光电转换器之后再被示波器或者其他终端接收。
记录解调之后的幅值变化,通过分析同一个位置到达幅度峰值的时间间隔可以得到胃慢波的频率。在一个周期内设置几个采样点,并绘制各个时间点在各个位置的幅值大小,可以得到胃慢波的幅度峰值和传播的方向和速度。根据本发明测得的胃慢波参数,可以进一步分析患者胃慢波是否正常,或是否患有某些特定的胃病。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置,其特征在于:包括可穿戴式设备子系统、植入单元子系统和处理终端子系统,其中,植入单元植入于胃浆膜层,用于采集胃慢波信号;可穿戴式接收设备用于接收植入单元发出的超声波,并进行解调后送入处理终端;处理终端用于对接收的数据进行分析,判断胃慢波是否正常。
2.如权利要求1所述的基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置,其特征在于:所述植入单元包括能量接收压电换能器即超声功率Rx、数据发送压电换能器即超声数据Tx、植入单元IC模块和胃慢波传感器,其中,植入单元IC模块上集成有电源管理模块、存储电容器、IC模块、传感器和L型匹配电路;超声功率Rx用于接收处理终端发出的超声波,超声数据Tx用于将胃慢波信号用超声波传输到体外;超声功率Rx经L型匹配电路连接电源管理模块,所述超声压电换能器接收到体外的超声能量后转换为电能,经L型匹配电路提升转化效率,再经电源管理模块进行整流调节后存储于存储电容器中,存储电容器用于为植入单元供电;IC模块对传感器读取的胃慢波进行采样及处理,进行数字化处理后通过OOK调制将样本序列化,并通过L型匹配电路进行低通滤波和转化效率提升后,由超声数据Tx的上行链路传输,从而完成植入单元操作。
3.如权利要求2所述的基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置,其特征在于:所述IC模块对传感器读取的胃慢波进行采样及处理,处理的过程包括首先将采样数字化,然后通过OOK调制将样本序列化,再送入超声数据Tx的上行链路。
4.如权利要求1所述的基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置,其特征在于:所述可穿戴式接收设备包括超声FBG耦合阵列和若干声聚焦锥,其中,超声FBG耦合阵列设于胃的外表皮区域对应植入单元的位置,用于接收体内发出的超声波并进行解调;所述超声FBG耦合阵列包含有若干个超声FBG,声聚焦锥与超声FBG的数目相同并一一对应,每个超声FBG都通过对应的声聚焦锥来收集超声信号。
5.如权利要求4所述的基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置,其特征在于:所述声聚焦锥为圆锥形。
6.如权利要求4所述的基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置,其特征在于:所述声聚焦锥与超声FBG的对齐方式为轴向对齐。
7.如权利要求1所述的基于超声光纤光栅耦合阵列的植入式胃慢波检测装置,其特征在于:所述处理终端包括用于发出激光的可调谐激光器、用于将反射得到的光转化为电信号的光接收机以及能够采集并处理信号的信号处理终端。
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