CN112617768A - 一种无线多模态颅内监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗器械领域，涉及无线多模态颅内监测系统。包括：颅内多模态传感器，用于采集颅内生理信号；感受器排线，用于将颅内多模态传感器采集的生理信号传导至皮下植入集成电路；皮下植入集成电路，用于接收颅内多模态传感器采集的生理信号并进行处理，得到生理数据，通过无线设备将生理数据传至外部接收终端；外部接收终端，用于接收生理数据并进行展示。传感器为植入式，无需外接任何导线，避免了在对颅内生理信息进行监测时发生颅内出血、感染的风险，患者可以正常转运，不影响对患者进行各种检查和治疗。本发明首次探索出对颅内多种生理信号进行同步长时程监测的方法与设备，对于颅内生理病理研究有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，涉及无线多模态颅内监测系统。
背景技术
在发现和预防二次脑创伤中，颅内压、皮层脑电图、颅内氧分压和颅内温度均是人体重要的生理指标。Cremer OL.、Fakhry SM.、Talving P.的统计数据指出重症脑创伤下(GCS≤8)颅内压监护方法可以降低死亡率。Nangunoori等人的研究显示，重型颅脑损伤患者中采用脑氧分压联合颅内压、脑灌注监测的治疗较单纯监测颅内压、脑灌注压的治疗预后较好[61.2％(191/312)vs.41.9％(75/179)，p＝0.001]，但目前尚缺乏脑组织氧分压单一因素随机对照的临床试验。2018年Brandon等人发表了第一篇多项脑指标参数监测在重型颅脑创伤中应用的论文。临床试验中对43名符合检测监控标准的人进行颅内压，氧分压，皮层脑电图，温度的实时监控(平均监控时间97.1h)，其中颅内压升高患者占89％，并给出了各生理参数的具体监控数值，但并未具体分析各参数中的关联性与二次脑损伤的对应性，并且也未给出与未进行多模态监控病人的死残率数据对比。
通过植入组织探头进行脑皮层生理指标测量的方法具有测量精度高，可对局部脑区域进行定点、实时测量的优点，但有创性和导线式器件连接方式又限制了其在某些脑损伤患者中的应用。
目前，对于颅内温度和氧饱和度的测量，既无成熟的技术，也无可供使用的设备。同时对于集成颅内压、皮层脑电图、颅内氧分压及皮层温度为一体的传感探头及无线传输系统，无论是科学研究还是产品都未见报道。
发明内容
本发明为解决上述问题而提出了一种植入式多模态颅内监测系统，不仅实现颅内温度和氧饱和度的测量，还可以实现长时间颅内生理信息的监测。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种无线多模态颅内监测系统，包括：
颅内多模态传感器，用于采集颅内生理信号；
感受器排线，用于将颅内多模态传感器采集的生理信号传导至皮下植入集成电路；
皮下植入集成电路，用于接收颅内多模态传感器采集的生理信号并进行处理，得到生理数据，通过无线设备将生理数据传至外部接收终端；
外部接收终端，用于接收生理数据并进行展示。
所述颅内多模态传感器由柔性基底与设在其上的柔性多传感单元构成，所述柔性多传感单元包括脑电图电极、压力感受元件、温度感受元件和氧饱和度元件构成，其中：
脑电图电极，用于采集皮层脑电图的脑电波；
压力感受元件，用于采集并检测颅内压；
温度感受元件，用于采集脑皮层的温度；
氧饱和度元件，用于采集皮层的氧饱和度。
所述脑电图电极根据需求选择16导或64导，采集皮层不同位置的脑电波。
所述颅内多模态传感器中，通过柔性基底上制备的蛇型金走线连接各传感单元，使基底材料与大脑皮层共形。
所述皮下植入集成电路包括：数据收集模块，数据传输模块，电池模块，其中：
数据收集模块，连接感受器排线，用于将颅内多模态传感器采集的颅内生理信号进行处理，生成生理数据并传给数据传输模块；
数据传输模块，用于将生理数据通过无线传输方式传至外部接收终端；
电池模块，用于为数据收集模块，数据传输模块提供工作需要的电能。
对颅内生理信号进行处理具体为：通过数据收集模块中的DSP或FPGA对颅内生理信号进行压缩，对压缩后的颅内生理信号编码，得到生理信号。
通过无线装置对所述多模态颅内监测系统进行充电。
一种无线多模态颅内监测方法，采集颅内生理信号，对其进行处理并展示，具体包括以下步骤：
通过颅内多模态传感器采集颅内生理信号；
感受器排线将颅内多模态传感器采集的生理信号传导至皮下植入集成电路；
皮下植入集成电路接收颅内多模态传感器采集的生理信号并进行处理，得到生理数据，通过无线设备将生理数据传至外部接收终端；
外部接收终端接收生理数据并进行展示。
皮下植入集成电路中数据收集模块中的DSP或FPGA对颅内生理信号进行压缩，对压缩后的颅内生理信号编码，得到生理信号。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.首先找出能够测量皮层温度和氧饱和度的方法和设备。
2.首先发明出能够多模态监测脑皮层脑电图、温度、氧饱和度和压力的方法，为研究颅内生理变化提供更多的信息。不仅生理参数齐全，而且避免了因单个指标干扰而造成的临床误判。
3.皮层电极片使用最新高度生物相容性的软质材料制成，与脑组织之间生物反应小，不会影响颅内电信号的捕捉。
4.传感器为植入式，无需外接任何导线，避免了在对颅内生理信息进行监测中发生颅内出血、感染的风险，同时患者可以正常转运，不影响对患者进行各种检查和治疗。
5.第一个可无线充电式植入设备。皮下集成电路的电源可进行无线充电，可进行长时程的实时监测。
附图说明
图1是植入式多模态颅内监测系统图；
图2是植入式集成电路的结构示意图；
图3是植入式多模态颅内监测系统的工作原理图；
图4是体外接收终端仪表示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明公开的植入式无线多模态颅内监测系统，其包括：
颅内多模态传感器，用于感知颅内温度、氧饱和度、电信号和压力值；
感受器排线，用于将多模态传感器的信号传导至植入式集成电路；
皮下植入集成电路，用于接收多模态传感器的信号，并通过无线设备传至外部接收终端仪器。
外部接收终端，用于接收植入集成电路的信号，并将数值显示在仪器上。
以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是植入式多模态颅内监测系统的植入部分。其中，蓝色部分植入脑皮层表面，1为脑电图电极，2为压力感受元件，3为温度感受元件，4为氧饱和度元件，5为感受器排线，6为植入式集成电路模块。其中，1脑电图电极可以根据需要选择16导或64导，用于记录皮层脑电图的脑电波。这种可以根据需要进行个性化选择的方式，既能满足研究和试验的要求，又不会因为导联过多而相互信号影响，造成伪信号；2压力感受元件用于检测颅内压；3温度感受元件用于记录脑皮层的温度；4氧饱和度元件用于检测皮层的氧饱和度；5感受器排线连接各感受器和集成电路模块，将感应元件得到的信号传递给6植入式集成电路模块；6植入式集成电路模块对数据进行初步处理，利用无线传输的方式传送至外部接收终端仪器。
柔性多模态传感器的结构分为柔性基底与柔性多传感单元两大部分。传感材料与基底材料的物理差异较明显，某些情况中各部分之间需要独立分析、设计与制备。另外细胞对传感材料覆盖会降低传感器的灵敏度并使之产生零点漂移。针对高集成化传感芯片的需求，选用单基底集成化多传感单元加工方式，具体包括：拟先在柔性基底上沉积纳米导电压阻材料开发出柔性压力传感器，然后在该器件上通过金属的同步沉积、图形化、同步形成脑皮层电极、氧分压传感器和温度传感器，达到传感器集成一体化的效果，免去了后续胶连集成的复杂性，并提高了生物兼容性，最后通过沉积如parylene生物兼容性好的薄膜以封装；各传感单元进行微型化设计，通过柔性基底上制备的蛇型金走线连接个单元，确保基底材料可与大脑皮层共形；针对细胞吸附问题，选用适当的外膜化学物理处理方式改变外周材料的细胞吸附性。
图2植入式集成电路的结构示意图。其中，蓝色部分为数据收集模块，黄色为数据传输模块，灰色部分为电池模块。植入式集成电路使用生物相容性高的软质材料包被，置入颅骨外头皮下。内部包含数据收集模块、数据传输模块和电池模块。数据收集模块连接数据排线，用于收集从颅内各种传感器接收到的信号，转化为数据，将数据传给数据传输模块；数据传输模块将数据通过无线传输方式(蓝牙或Wifi)传至外部接收装置。电池模块为其它两个模块提供工作需要的电能。
图3是植入式多模态颅内监测系统的工作原理图。含有电极的片状感应器通过手术植入脑皮层，检测颅内的各种生理参数，并通过感应器排线，将信号传递至颅骨外、头皮下集成电路部分。集成电路进行接收和数据编码，再通过无线传输(蓝牙或WIFI)方式传至外部接收装置，外部装置的仪表盘上就显示出各种读数。
大脑皮层检测器的电路基于柔性印刷版制作，固定于头皮外侧；选用小尺寸集成芯片分散封装与柔性印刷版上，实现印刷版与头骨共形；通过柔性排线穿入颅骨缝隙与内部柔性传感器连接，为柔性传感器传输电流并获取各单元传感信号。电路部分与上位机之间无线通讯的实现可以解决导线连接植入器件带来的可移动性差，器件不稳定，创口面积大等缺点。但是，由于多参数实时传输(特别是多通道iEEG信号采集率不小于5kHz@单通道)数据量较大，无线传输速率较慢，并且存在多模态传感信号受病房内或外界的电磁干扰等问题。我们在电路读取部分加入DSP或FPGA数字处理芯片对原始数据进行部分压缩处理，经数据编码后，通过蓝牙5.0端口，实现无线数据的快速、可靠传输，以排除各种干扰，尽可能降低原始数据失真。
图4是体外接收终端仪表示意图。体外接收终端通过无线数据传输方式与皮下埋植的集成电路相连，通过无线传输的方式读出颅内氧饱和度、温度、颅内压和脑电图波形。
本发明提供的一种植入式多模态颅内监测系统，其具体实施包括以下步骤：
步骤一：针对需要进行颅内多模态监测的患者，在颅骨选择合适位置开颅(减压区、出血区或手术区域)，其直径为5cm，将多模态颅内监测系统植入脑内。其中片状传感器部分置于脑皮层表面，其连接的排线穿过骨缺损区域，将集成电路部分埋置于颅骨与头皮之间。植入后，将头皮缝合。
步骤二：将外部接收终端与植入监测设备进行无线配对，读取颅内多种生理指标的数据，这样可得到连续的颅内监测数据；
步骤三：当植入监测设备电量不足时，医护人员可利用无线充电装置对植入设备进行充电。
步骤四：监测数据收集完成或不再需要监测后，医护人员在第二次颅骨修补手术中将埋置的监测设备取出。或局麻下将埋置的监测设备取出。
Claims (9)
1.一种无线多模态颅内监测系统，其特征在于，包括：
颅内多模态传感器，用于采集颅内生理信号；
感受器排线，用于将颅内多模态传感器采集的生理信号传导至皮下植入集成电路；
皮下植入集成电路，用于接收颅内多模态传感器采集的生理信号并进行处理，得到生理数据，通过无线设备将生理数据传至外部接收终端；
外部接收终端，用于接收生理数据并进行展示。
2.根据权利要求1所述的一种无线多模态颅内监测系统，其特征在于，所述颅内多模态传感器由柔性基底与设在其上的柔性多传感单元构成，所述柔性多传感单元包括脑电图电极、压力感受元件、温度感受元件和氧饱和度元件构成，其中：
脑电图电极，用于采集皮层脑电图的脑电波；
压力感受元件，用于采集并检测颅内压；
温度感受元件，用于采集脑皮层的温度；
氧饱和度元件，用于采集皮层的氧饱和度。
3.根据权利要求2所述的一种无线多模态颅内监测系统，其特征在于，所述脑电图电极根据需求选择16导或64导，采集皮层不同位置的脑电波。
4.根据权利要求1所述的一种无线多模态颅内监测系统，其特征在于，所述颅内多模态传感器中，通过柔性基底上制备的蛇型金走线连接各传感单元，使基底材料与大脑皮层共形。
5.根据权利要求1所述的一种无线多模态颅内监测系统，其特征在于，所述皮下植入集成电路包括：数据收集模块，数据传输模块，电池模块，其中：
数据收集模块，连接感受器排线，用于将颅内多模态传感器采集的颅内生理信号进行处理，生成生理数据并传给数据传输模块；
数据传输模块，用于将生理数据通过无线传输方式传至外部接收终端；
电池模块，用于为数据收集模块，数据传输模块提供工作需要的电能。
6.根据权利要求1或5所述的一种无线多模态颅内监测系统，其特征在于，对颅内生理信号进行处理具体为：通过数据收集模块中的DSP或FPGA对颅内生理信号进行压缩，对压缩后的颅内生理信号编码，得到生理信号。
7.根据权利要求1所述的一种无线多模态颅内监测系统，其特征在于，通过无线装置对所述多模态颅内监测系统进行充电。
8.一种无线多模态颅内监测方法，其特征在于，采集颅内生理信号，对其进行处理并展示，具体包括以下步骤：
通过颅内多模态传感器采集颅内生理信号；
感受器排线将颅内多模态传感器采集的生理信号传导至皮下植入集成电路；
皮下植入集成电路接收颅内多模态传感器采集的生理信号并进行处理，得到生理数据，通过无线设备将生理数据传至外部接收终端；
外部接收终端接收生理数据并进行展示。
9.根据权利要求8所述的一种无线多模态颅内监测方法，其特征在于，皮下植入集成电路中数据收集模块中的DSP或FPGA对颅内生理信号进行压缩，对压缩后的颅内生理信号编码，得到生理信号。
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