CN114452012B - 一种穿刺手术呼吸幅度检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿刺手术呼吸幅度检测装置及其方法，包括壳体、环带和电路组件，所述电路组件包括FPGA；所述壳体内设有隔离屏蔽件、内套筒以及外套筒；所述隔离屏蔽件包括第一屏蔽件和第二屏蔽件，所述第一屏蔽件与所述壳体固定连接。本发明通过设置配合套筒，在其内侧和外侧也设置同心的内套筒和外套筒，套筒之间采用隔离屏蔽件进行隔离，形成面积变化小而容值变化幅度较大的可变电容；通过绑带将人体呼吸幅度和套筒之间的相对位移对应，套筒之间的相对位移造成电容变化，再根据电容变化造成充电时间变化，采用小规模FPGA通过对高频时钟计数来检测这种微弱的充电时间变化，再把测到的充电变化对应的气压值加以直观显示，精度高且面积小。

Description

一种穿刺手术呼吸幅度检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及医用诊断仪器技术领域，特别的，涉及一种穿刺手术呼吸幅度检测装置及其方法。

背景技术

传统的穿刺手术中，穿刺针穿刺到病灶这一过程需要医生依靠CT/MRI影像机的影像然后凭经验进行穿刺，精确度依赖于医生经验；随着技术的发展，开始出现了采用呼吸门控进行辅助穿刺的技术，现有介入手术的呼吸门控装置需要医生手动进行基线记录，在CT/MRI扫描时候要求病人屏气，并记录扫描时候呼吸门控上指示灯指示病人呼吸的位置，术中再通过人眼判断呼吸门控指示的呼吸位置是否是扫描时候的位置，然后在这个相同的呼吸位置进行穿刺动作，从而保证穿刺精度，常见的呼吸门控装置对呼吸幅度的检测包括通过气压变化进行检测，或通过可变电容进行检测等等。

其中，现有根据可变电容检测呼吸方式大都采用平板电容来实现，如CN104720810AY一种电容呼吸波检测装置，具体是采用平板电容金属片相对移动来测量，但是这种方式金属片面积需要较大，不然电容变化范围太小导致无法准确测量，另外对金属片平行度要求较高，不然歪斜会导致电容变化线性度不高。

其次检测电容变化测量方法常用的是单片机定时器来测量，比如CN103837747A一种小电容高精度简易测量方法，就是利用单片机自带比较器电压捕捉功能，通过计数器来测量电容变化情况，由于单片机处理器工作频率不高，加之电压捕捉上升沿电平幅度存在离散性，精度分辨率有限，对于电容变化不大的场合难以有效测量。

发明内容

为了解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种穿刺手术呼吸幅度检测装置及其方法，以用于通过小面积的可变电容实现高精度的呼吸幅度检测。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种穿刺手术呼吸幅度检测装置，包括壳体、环带和电路组件，所述电路组件包括FPGA；所述壳体内设有隔离屏蔽件、内套筒以及外套筒；所述隔离屏蔽件包括第一屏蔽件和第二屏蔽件，所述第一屏蔽件与所述壳体固定连接，所述第二屏蔽件固定穿套于所述第一屏蔽件外，所述第一屏蔽件与所述第二屏蔽件之间形成间隙，所述间隙内设有配合套筒，所述配合套筒固定穿套于所述第一屏蔽件外；所述内套筒活动穿套于所述第一屏蔽件内，且与所述第一屏蔽件以及所述配合套筒组成第一电容，所述第一电容的容值与所述内套筒伸入所述配合套筒的距离成正比；所述外套筒活动穿套于所述第二屏蔽件外，且与所述内套筒固定连接，所述外套筒与所述第二屏蔽件以及所述配合套筒组成第二电容，所述第二电容的容值与所述外套筒套入所述配合套筒的距离成正比，所述第一电容与所述第二电容并联形成可变电容，所述FPGA设于所述壳体内且与所述可变电容电连接；所述环带的一端与所述壳体连接，另一端用于牵引所述内套筒在所述第一屏蔽件内活动，所述内套筒上还设有用于使所述内套筒复位的复位结构；所述检测装置还包括显示单元，所述显示单元根据所述可变电容的容值生成显示信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过设置配合套筒，在其内侧和外侧也设置同心的内套筒和外套筒，套筒之间采用隔离屏蔽件进行隔离，形成面积变化小而容值变化幅度较大的可变电容；通过绑带将人体呼吸幅度和套筒之间的相对位移对应，套筒之间的相对位移造成电容变化，再根据电容变化造成充电时间变化，采用小规模FPGA通过对高频时钟计数来检测这种微弱的充电时间变化，再把测到的充电变化对应的气压值加以直观显示，精度高且面积小。

相较于传统的平行板电容器中的平板电容金属片的相对移动方式，一方面套筒的形式占用的面积更小，安装更方便，使得装置整体能够精简至更小的尺寸，提升便携实用性，另一方面套筒与套筒之间在径向上实现限位效果，使得套筒之间能够沿轴向稳定精确地活动，保证平行度，电容变化线性度高。

小尺寸的套筒组合构成的可变电容的充放电的功耗低，因此装置整体功耗可以做得很低；而相较于单片机，本发明采用FPGA对可变电容进行检测控制，对于微弱的电容变化也能精准地捕捉检测，能做到低功耗的同时保证更高的精度；并且通过多层套筒排布的方式，在不增加空间占用下设置了两个并联电容，进一步提高了整体的容值范围，在技术上减轻了对检测单元的精度要求，进而在高精度的FPGA和较大范围的容值下，所能得到的电容变化检测结果更快速且精确。

进一步的，所述内套筒、所述外套筒以及所述配合套筒的材质均为导体，所述隔离屏蔽件的材质为高介电常数材料如陶瓷，使得形成电容容值变化范围大。

进一步的，所述内套筒通过拉杆与所述环带连接，所述壳体内固定设有限位套筒，所述拉杆活动穿套于所述限位套筒内，所述拉杆的一端与所述内套筒连接，另一端延伸出所述壳体外并与所述环带的另一端连接，连接结构简单，活动顺畅。

进一步的，所述复位结构包括套设于所述拉杆上的弹簧，所述弹簧的一端连接于所述内套筒，另一端连接于所述限位套筒，所述弹簧为所述内套筒提供推力，方便内套筒和外套筒复位，以持续地检测呼吸幅度。

进一步的，所述显示单元包括若干显示灯，所述显示单元根据生成的显示信号控制所述显示灯接通的数量，显示效果直观。

进一步的，所述壳体上设有用于控制所述FPGA启闭的开关，方便使用者自由控制。

一种穿刺手术呼吸幅度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S101、通过所述环带穿戴于人体，将所述壳体固定维持于人体的胸部位置；

S102、所述FPGA启动，开始检测所述可变电容的容值；

S103、所述环带根据使用者的呼吸产生的胸部起伏发生扩张/收缩，牵引所述内套筒和所述外套筒相对于所述配合套筒进行移动，所述内套筒伸入所述配合套筒内的距离发生变化导致所述第一电容的容值发生变化，所述外套筒套入所述配合套筒外的距离发生变化导致所述第二电容的容值发生变化，进而使得所述可变电容的容值发生变化；

S104、所述FPGA检测并分析所述可变电容的容值变化，生成控制所述显示单元工作的电信号；

S105、所述显示单元根据电信号生成用于体现呼吸幅度的显示信号。

进一步的，所述电路组件的运行方法包括以下步骤：

S201、所述FPGA置IO口线为输入，IO口线所连所述可变电容开始充电，所述FPGA开始对20Mhz时钟计数，和IO口线相连的比较器比较采集I/O口电压，当采集到高电平时，比较器翻转触发所述FPGA计数器停止，将此时计数器锁存作为获取第一计数器，该数值作为初始呼吸幅度数值；

S202、所述FPGA计数器清零，置IO口线为输出，且为低电平，所述可变电容开始放电；

S203、IO口线输入，所述FPGA开始计数，所述可变电容开始充电，所述比较器采集I/O口电压，当采集到高电平时，比较器翻转触发所述FPGA计数停止，将锁存的计数值作为获取第二计数器数值；

S204、所述FPGA比较第一计数器和第二计数器的数值，若不一致则表示呼吸幅度发生了变化；

S205、所述FPGA更新当前幅度值，以第二计数器数值为当前呼吸幅度，并将第一计数器数值更新为第二计数器数值；

S206、根据当前幅度值，所述FPGA生成控制所述显示灯点亮的电信号。

进一步的，还设有波纹管，所述波纹管套设于所述拉杆的外侧，所述波纹管的一端连接于所述壳体，另一端连接于所述环带，对拉杆包裹形成保护，且提升美感。

进一步的，所述环带包括绑带和用于调节所述环带长度的魔术带，所述魔术带的数量为两个且分别固定于所述绑带的两端，方便调节松紧以适用于不同身材的使用者。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1中壳体内部的结构示意图；

图3为图2中的可变电容部分的结构示意图；

图4为图3中A的放大示意图；

图5为图3的剖面示意图；

图6为图5中的B的放大示意图。

图中：1、壳体；11、固定针座；2、环带；21、拉杆；22、限位套筒；31、内套筒；32a、第一屏蔽件；32b、第二屏蔽件；33、配合套筒；34、外套筒；4、弹簧；51、开关；52、显示灯；6、波纹管。

具体实施方式

下面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。

请参阅图1和图2，本实施例提供一种穿刺手术呼吸幅度检测装置，包括环带2和由上外壳和下外壳组成的壳体1，所述壳体1内设有容纳空间，所述容纳空间内安装有电路组件，所述电路组件包括PCB板、FPGA以及电源，其中，本实施例中的所述FPGA采用微芯公司AGL030。

参照图3所示，所述壳体1内还设有隔离屏蔽件、内套筒31以及外套筒34；参照图4和图6所示，所述隔离屏蔽件包括第一屏蔽件32a和第二屏蔽件32b，所述第一屏蔽件32a与所述壳体1固定连接，所述第二屏蔽件32b固定穿套于所述第一屏蔽件32a外，所述第一屏蔽件32a与所述第二屏蔽件32b之间形成间隙，所述间隙内设有配合套筒33，所述配合套筒33固定穿套于所述第一屏蔽件32a外；所述内套筒31活动穿套于所述第一屏蔽件32a内，所述外套筒34活动穿套于所述第二屏蔽件32b外，且与所述内套筒31固定连接。

其中，所述内套筒31、所述外套筒34以及所述配合套筒33的材质均为导体，所述隔离屏蔽件的材质为高介电常数材料如陶瓷，因此通过这种两层导体与中间的电介质组合地形式，所述内套筒31、所述第一屏蔽件32a以及所述配合套筒33组成了第一电容，所述第一电容的容值与所述内套筒31伸入所述配合套筒33的距离成正比；所述外套筒34、所述第二屏蔽件32b以及所述配合套筒33组成了第二电容，所述第二电容的容值与所述外套筒34套入所述配合套筒33的距离成正比；并且，所述第一电容与所述第二电容并联形成可变电容，所述内套筒31和所述外套筒34沿所述配合套筒33的轴向进行移动，进而造成所述可变电容的容值变化，具体的，当在轴向上所述内套筒31和所述外套筒34穿套于所述配合套筒33上的轴向距离增大时，可变电容的容值增大，反之可变电容的容值减小，并且该可变电容与所述PCB板电连接，所述FPGA对所述可变电容的容值进行检测和分析处理。

并且，本实施例在保证了小体积情况下设置双电容，使得在所述内套筒31和所述外套筒34相对所述配合套筒33发生移位时产生的电容变化更大，以使得所述FPGA更容易检测，检测结果更快速且精确。

参照图5所示，所述壳体内还固定设有限位套筒22，所述限位套筒22内活动穿套有拉杆21，所述拉杆21的一端与所述内套筒31连接，另一端延伸出所述壳体1外并与所述环带2的一端连接，所述环带2的另一端与所述壳体1连接，通过所述环带2适应胸部的扩张，进而通过所述拉杆21实现对所述内套筒31的牵引，以带动所述内套筒31和所述外套筒34的活动，所述限位套筒22对所述拉杆21起到限制方向的作用，使得所述拉杆21的动作更稳定顺畅。

为了使所述内套筒31与所述外套筒34具有复位功能，以适应胸部的起伏，所述拉杆21上套设有弹簧4，所述弹簧4的一端连接于所述内套筒31，另一端连接于所述限位套筒22，所述弹簧4对所述内套筒31提供推力，在胸部收缩时，所述弹簧4推动所述内套筒31复位。

通过所述环带2环绕穿戴于人体上，并将所述壳体1固定于胸部位置，当使用者吸气产生的胸部扩张会带动所述环带2扩张，向外拉动所述拉杆21，进而带动所述内套筒31和所述外套筒34相对于所述配合套筒33进行轴向移动，使得所述内套筒31和所述外套筒34穿套于所述配合套筒33上的轴向距离减小，所述第一电容和所述第二电容的容值减小，所述可变电容的容值减小；当使用者呼气产生胸部回缩，此时所述弹簧4推动所述内套筒31和所述外套筒34复位，使得所述内套筒31和所述外套筒34穿套于所述配合套筒33上的轴向距离增大，所述第一电容和所述第二电容的容值增大，所述可变电容的容值增大。

为了直观地表现使用者呼吸幅度的大小变化，本实施例中所述壳体1上还设有开关51和若干个显示灯52，按下所述开关51时，所述FPGA开始进行侦测，根据测得的电容信号生成控制所述显示灯52通断的电信号，进而以所述显示灯52通亮的数量来对应不同当量的电容，以直观表现呼吸幅度。

需要补充的是，所述环带2包括绑带和魔术带，所述魔术带的数量为两个且分别固定于所述绑带的两端，魔术带可以形成环形闭环用于粘绑在人体，实现调节所述环带2松紧的作用，以使所述环带2更好地环绕贴合于使用者的胸部，准确地跟随胸部的起伏发生扩张/收缩。

具体的，一种穿刺手术呼吸幅度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S101、将绑带环绕于人体，通过魔术带调节所述环带2至合适的松紧位，以将所述壳体固定维持于人体的胸部位置；

S102、按下所述开关51，所述FPGA启动开始侦测电容信号；

S103、吸气状态下，人体胸部幅度增大使得所述环带2扩张，所述环带2将所述拉杆21向所述壳体1外拉出，进而拉动所述内套筒31和所述外套筒34使其穿套于所述配合套筒33上的轴向距离减小，进而使得可变电容的容值减小；呼气状态下，胸部收缩使得所述环带2收缩，所述弹簧4带动所述内套筒31和所述外套筒34复位，以使所述内套筒31和所述外套筒34穿套于所述配合套筒33上的轴向距离增大，可变电容值增大；

S104、所述FPGA侦测到增大与减小的可变电容的容值信号，进行分析处理并生成控制所述显示灯点亮的电信号；

S105、所述FPGA根据电信号控制所述显示灯点亮的数量，以显示呼吸幅度信息，呼吸幅度大时，所述显示灯52的点亮的数量多，反之则点亮的数量少。

在所述电路组件的运行中，FPGA先置IO口为低电压，可变电容将放电至低电压，FPGA计数器清零，随后FPGA将IO口置为输入充电状态，FPGA开始计数，PCB板的电源通过电阻对可变电容进行充电，当可变电容电压上升到一定门限值，触发比较器翻转事件，该翻转事件触发FPGA计数停止，就可以获得和上升时间对应的充电时间计数数值，这个充电时间和可变电容的容值大小成比例关系，而电容容值和运动机构伸缩也成比例关系，运动机构伸缩和人体呼吸幅度又成比例关系，因此FPGA可以通过获得的计数数值获得人体的呼吸幅度。

具体的，所述电路组件的运行方法包括以下步骤：

S201、FPGA置IO口线为输入，IO口线所连所述可变电容开始充电，所述FPGA开始对20Mhz时钟计数，和IO口线相连的比较器比较I/O口电压，当采集到高电平时，比较器翻转触发FPGA计数器停止，将此时计数器锁存作为第一计数器，该数值作为初始呼吸幅度数值；

S202、FPGA计数器清零，置IO口线为输出，且为低电平，所述可变电容开始放电；

S203、IO口线输入，FPGA开始计数，所述可变电容开始充电，所述比较器采集I/O口电压，当采集到高电平时，比较器翻转触发FPGA计数停止，将锁存的计数值作为第二计数器数值；

S204、所述FPGA比较第一计数器和第二计数器的数值，若不一致则表示呼吸幅度发生了变化；

S205、所述FPGA更新当前幅度值，以第二计数器数值为当前呼吸幅度，并将第一计数器数值更新为第二计数器数值；

S206、根据当前幅度值，所述FPGA生成控制所述显示灯点亮的电信号。

在呼吸幅度检测过程中，所述拉杆21处于不断伸缩动作中，其部分裸露在外部下，使用中容易碰到，本实施例设有波纹管6，所述波纹管6套设于所述拉杆21位于所述壳体1外侧的部分上，所述波纹管6的一端连接于所述壳体1，另一端连接于所述环带2，将所述拉杆21包住形成保护，也提升了美感。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (8)

1.一种穿刺手术呼吸幅度检测装置，其特征在于，包括壳体（1）、环带（2）和电路组件，所述电路组件包括FPGA；所述壳体（1）内设有隔离屏蔽件、内套筒（31）以及外套筒（34）；所述隔离屏蔽件包括第一屏蔽件（32a）和第二屏蔽件（32b），所述第一屏蔽件（32a）与所述壳体（1）固定连接，所述第二屏蔽件（32b）固定穿套于所述第一屏蔽件（32a）外，所述第一屏蔽件（32a）与所述第二屏蔽件（32b）之间形成间隙，所述间隙内设有配合套筒（33），所述配合套筒（33）固定穿套于所述第一屏蔽件（32a）外；所述内套筒（31）活动穿套于所述第一屏蔽件（32a）内，且与所述第一屏蔽件（32a）以及所述配合套筒（33）组成第一电容，所述第一电容的容值与所述内套筒（31）伸入所述配合套筒（33）的距离成正比；所述外套筒（34）活动穿套于所述第二屏蔽件（32b）外，且与所述内套筒（31）固定连接，所述外套筒（34）与所述第二屏蔽件（32b）以及所述配合套筒（33）组成第二电容，所述第二电容的容值与所述外套筒（34）套入所述配合套筒（33）的距离成正比，所述第一电容与所述第二电容并联形成可变电容，所述FPGA设于所述壳体（1）内且与所述可变电容电连接；所述环带（2）的一端与所述壳体（1）连接，另一端用于牵引所述内套筒（31）在所述第一屏蔽件（32a）内活动，所述内套筒（31）上还设有用于使所述内套筒（31）复位的复位结构；所述检测装置还包括显示单元，所述显示单元根据所述可变电容的容值生成显示信号。

2.根据权利要求1所述的一种穿刺手术呼吸幅度检测装置，其特征在于，所述内套筒（31）、所述外套筒（34）以及所述配合套筒（33）的材质均为导体，所述隔离屏蔽件的材质为高介电常数材料。

3.根据权利要求2所述的一种穿刺手术呼吸幅度检测装置，其特征在于，所述内套筒（31）通过拉杆（21）与所述环带（2）连接，所述壳体（1）内固定设有限位套筒（22），所述拉杆（21）活动穿套于所述限位套筒（22）内，所述拉杆（21）的一端与所述内套筒（31）连接，另一端延伸出所述壳体（1）外并与所述环带（2）的另一端连接。

4.根据权利要求3所述的一种穿刺手术呼吸幅度检测装置，其特征在于，所述复位结构包括套设于所述拉杆（21）上的弹簧（4），所述弹簧（4）的一端连接于所述内套筒（31），另一端连接于所述限位套筒（22），所述弹簧（4）为所述内套筒（31）提供推力。

5.根据权利要求1所述的一种穿刺手术呼吸幅度检测装置，其特征在于，所述显示单元包括若干显示灯（52），所述显示单元根据生成的显示信号控制所述显示灯（52）接通的数量。

6.根据权利要求1所述的一种穿刺手术呼吸幅度检测装置，其特征在于，所述壳体（1）上设有用于控制所述FPGA启闭的开关（51）。

7.根据权利要求3所述的一种穿刺手术呼吸幅度检测装置，其特征在于，还设有波纹管（6），所述波纹管（6）套设于所述拉杆（21）的外侧，所述波纹管（6）的一端连接于所述壳体（1），另一端连接于所述环带（2）。

8.根据权利要求1所述的一种穿刺手术呼吸幅度检测装置，其特征在于，所述环带（2）包括绑带和用于调节所述环带长度的魔术带，所述魔术带的数量为两个且分别固定于所述绑带的两端。

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