CN115299886A - 一种无线胶囊及制备方法和可穿戴胃肠生物信号感知系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线胶囊及制备方法和可穿戴胃肠生物信号感知系统。本发明利用胶囊上的感应线圈与腹带上的感应线圈之间的耦合作用，实现肠道内气压和温度的无创在线检测。无线胶囊中的压力传感器为平板电容结构，由于胶囊内部充气量恒定且密封良好，利用胶囊与肠道的气压差引起的形变调节胶囊上下极板间距及其电容；温度传感器为叉指电极结构的平面电容传感器，随着肠道温度的变化其介电常数发生变化，进而体现为电容的变化，从而实现胃肠腔内压力、温度生物信号的无线无源实时检测，揭示功能异常的消化道动力特征，填补了当前消化道无创实时动力探测空白，为胃肠功能性疾病提供精确的定位定性诊断与治疗。

Description

一种无线胶囊及制备方法和可穿戴胃肠生物信号感知系统
技术领域
本发明属于信息收集技术、传感器技术、纳米材料、胃肠动力领域，具体涉及一种无线胶囊及制备方法和可穿戴胃肠生物信号感知系统。
背景技术
功能性消化不良(Functional Dyspepsia,FD)是指无胃肠器质性病变(如肿瘤、溃疡等内镜下改变)的上消化道功能改变所产生的一系列症状，如早饱、餐后饱胀、烧灼感甚至疼痛等表现。功能性消化不良在亚洲人群的患病率为5％～30％，由于检测手段有限及病理生理学研究进展缓慢，一直缺乏针对明确病因的精准治疗。
胃肠动力研究至今，受制于检测设备研发进展缓慢的现实，侵入性有创设备如高分辨率测压仪，虽能实时测定腔内压力变化并绘制压力分布图，但仅适用于食管或肛管直肠测压，对于胃、十二指肠等距离口肛较远且空腔内径较大的消化道，由于测压设备导管长度的限制和与肠壁黏膜接触的不确定性，测压肠段范围有限且压力数据不可靠，不能反映真实的胃肠动力变化。闪烁成像、呼气试验等无创检查，虽对胃排空速率的测定具有价值，但测定小肠动力的操作复杂、耗时长、费用高，难以准确反映小肠的实时动力情况，导致小肠动力的在体研究仍处于空白。
无线胶囊有良好的患者耐受性，且可采集胃肠腔内压力等生理环境参数，虽定位粗糙，但加以改进，即具有广阔的科研和临床应用前景。针对无线运动胶囊不能精确定位的缺点，近年来出现了磁控胶囊技术，使用外部的磁控手柄控制体内的胶囊运动和信息采集，并定位胶囊位置。不足之处是对于胃肠动力的测量不够精确，是利用胶囊在胃肠动力和磁力作用下的位置和运动数据和驱动磁力估计出胃肠动力的。而且大多数胶囊内部需要安装电源，为信息采集提供能量。
综上，针对国人患病率较高的功能性消化不良等胃肠功能障碍疾病，现有检测设备明显不足且存在各种问题，研发无创的胃肠动力检测设备迫在眉睫，既可填补胃肠动力在体研究的空白，增进对胃肠功能异常的深入认识，亦可在临床工作准确诊断胃肠动力异常的部位和病变类型，促进针对不同病因的治疗进展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提出一种具有采集胃肠腔内压力、温度等生物信号的无线胶囊和体表可穿戴的高密度信号接收柔性腹带，可采集不同胃肠道区域的消化道压力和温度变化情况，便于研究功能异常的消化道动力方式的类型，填补消化道动力在体研究的空白，为功能性消化不良等胃肠功能性疾病提供精确的定位定性诊断，以期实现精准治疗。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种无线胶囊，包括胶囊腔体1、压力传感器和温度传感器，所述压力传感器为基于LC谐振原理的平板电极结构的变极距式电容传感器，所述温度传感器为叉指电极结构的变介电常数式电容传感器；
所述压力传感器包括对压力敏感的胶囊腔体1、平板电极2和电感线圈5，所述温度传感器包括温度传感部分叉指电极3、对温度敏感的介质4和电感线圈5；
所述胶囊腔体1的第一表面和第二表面均具有平板电极2和电感线圈5，所述平板电极2与电感线圈5串联，所述第一表面与所述第二表面相对；
所述胶囊腔体1的第三表面具有叉指电极3、对温度敏感的介质4和电感线圈5；所述对温度敏感的介质4覆盖在所述叉指电极3上，所述叉指电极3与所述电感线圈5串联，所述第三表面与所述第一表面相邻。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述压力传感器采用方形电容平板串联方形电感线圈的结构，或圆形电容平板串联圆形电感线圈的结构。
进一步的，所述胶囊腔体1的材料选用联苯四甲酸二酐、对苯二胺、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、医用级塑料材料聚碳酸酯、聚四氟乙烯和蚕丝的一种或至两种。
进一步的，所述电感线圈5采用平面方形螺旋电感结构或平面弱耦合方形螺旋电感结构。
进一步的，所述对温度敏感的介质4选用rGO/Fe3O4/PVDF复合物、锑化铟、氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铝和钛酸钡中的一种或两种。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种无线胶囊的制备方法，包括以下步骤：
制备对压力敏感的胶囊腔体1，利用导电银浆以丝网印刷的方式，在胶囊腔体1的第一表面和第二表面印刷平板电极2和电感线圈5，平板电极2与电感线圈5串联，所述第一表面与所述第二表面相对；
利用导电银浆以丝网印刷的方式，在所述胶囊腔体1的第三表面上印刷叉指电极3和电感线圈5；所述叉指电极3与所述电感线圈5串联，所述第三表面与所述第一表面相邻；
将对温度敏感的介质4涂覆在所述叉指电极3上。
进一步的，所述对温度敏感的介质4的制备方法包括以下步骤：
取50-100mg氧化石墨烯(GO)溶于去离子水中，GO质量分数为0.1％-0.2％，超声2h，加入质量为GO质量2-3倍的聚苯乙烯磺酸钠(PSSNa)，获得GO水溶液；将200mg-400mgFeCl3和100mg-200mg FeCl2加入100ml去离子水中，FeCl3和FeCl2质量比为2:1，超声0.5h，得到第一混合液，将所述第一混合液倒入所述GO水溶液中，超声1h；升温至60℃后，滴加质量分数为30％的氨水，调整第一混合液到pH＝9，反应1.5h后加入5ml水合肼还原制得rGO/Fe3O4；
将rGO/Fe3O4以4mg/ml分散于DMF溶剂中，再加入PVDF，得到第二混合液，将所述第二混合液涂覆在叉指电极表面，超声2h后70℃下烘干去除DMF溶剂，最后220℃下热压获得对温度敏感的rGO/Fe3O4/PVDF复合物，rGO/Fe3O4在rGO/Fe3O4/PVDF中的质量百分比为0.5wt％-2wt％。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种可穿戴胃肠生物信号感知系统，包括上述的无线胶囊、柔性腹带和网络分析仪；所述柔性腹带包括纺织布和位于纺织布上的测量线圈，所述柔性腹带上的测量线圈与所述网络分析仪连接；
所述网络分析仪用于发出扫频信号并传输至所述柔性腹带上的测量线圈上，当扫频信号的频率与所述无线胶囊上的传感器的谐振频率相同时，扫频信号通过所述柔性腹带上的测量线圈与无线胶囊中的电感线圈之间的电感耦合进入所述无线胶囊上的传感器，进而在网络分析仪上产生谐振峰，通过所述谐振峰的位置获得所述压力传感器和温度传感器的电容值，并根据电容公式和介电常数与温度的关系式计算得出电压和温度值。
进一步的，所述测量线圈呈阵列式分布。
进一步的，所述测量线圈利用导电银浆以丝网印刷的方法制备。
本发明采用的技术原理如下：
无线胶囊集成了压力传感器和温度传感器，压力传感器为基于LC谐振原理的平板电容结构，胶囊腔体内部充气量恒定且密封良好，利用胶囊与肠道的气压差引起的形变，平板电极之间的间距随着胃肠腔压力变化而变化，在保证了其他各项参数不变的情况下，压力传感器的电容就会因此而产生变化。
压强公式：
Figure BDA0003820614790000041
其中，p为胶囊内气体压强的大小，n为气体的量，T为气体的温度，V为胶囊内气体的体积，R为通用气体常量，约为8.31441±0.00026J/(mol·K)。该公式结合下面的电容公式，即可反推出压强变化量。
电容C公式：
Figure BDA0003820614790000042
其中，ε为介电常数；S为平板电极面积；d为平板电极间的距离。
温度传感器为叉指电极结构平面电容传感器，温度传感器是利用对温度敏感的介质接触胃肠液，随着肠道温度的变化其介电常数发生变化，进而体现为电容的变化，根据以下公式计算出温度值，实现胃肠腔温度的采集。
介电常数与温度的关系式如下：
ε＝ε0[1+α(T-T0)]其中，ε为介电常数；T为温度；α为介电常数的温度影响系数；T0为参考温度；ε0为温度T0对应的介电常数。
此外，柔性腹带是基于LC谐振电路原理设计的，其谐振频率的变化与谐振电路的电感L和电容C相关。根据LC谐振电路的基础知识可知，当谐振电路产生谐振耦合时，此电路的谐振频率f与电感L和电容C满足如下关系式：
Figure BDA0003820614790000051
胶囊上的传感器对胃肠腔内的环境量变化敏感时，其本身的电容参数C变化，L是已知值，进而其谐振频率发生变化，当柔性腹带上的测量线圈与网络分析仪连接，网络分析仪发出扫频信号，与无线胶囊传感器端的谐振频率相同时电感耦合，通过网络分析仪可以看到无线胶囊的电感线圈和柔性腹带的测量线圈有明显的耦合谐振峰，可通过对谐振频率的信息接收以反映传感器本身的工作特性，实现胶囊的无线无源。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种无线胶囊及可穿戴胃肠生物信号感知系统，能同时感知胃肠腔内压力、温度等生物信号，柔性腹带上设计有感应线圈阵列，无线胶囊在胃肠道中运动到不同的位置，则外部柔性腹带对应位置的感应线圈就会与无线胶囊发生电感耦合，以此为收取压力/温度信号发生电感耦合的感应线圈位置奠定基础，即获得无线胶囊所在位置，从而可以定位无线胶囊的位置，柔性腹带上的感应线圈数量越多，排列越密集，定位的位置越精确，从而通过体表可穿戴的高密度电极阵列接收腹带，利用胶囊内外气压差来进行胃肠道压力检测，同时检测了温度变化，并做到了无线无源，可揭示胶囊运动轨迹及相应消化道压力变化特点，探索胃肠动力异常在功能性消化不良中的作用机制和临床分型，为胃肠功能异常疾病的精准诊断与治疗提供新方法。
本发明提升了无创胃肠信号采集及信号发射精度，降低信号丢失率；降低了呼吸动度、活动、腹带移位等因素对体表电极信号采集的噪声干扰，提高了信噪比；为构建胃肠三维压力分布模型奠定了基础，从而可以区分不同消化道区域的实时动力改变，精准定位功能异常的肠段。另外，本发明的无线胶囊内部不需要安装额外的电源，对人体更加安全，结构更加简单。
附图说明
图1为本发明实施例的一种无线胶囊的结构示意图；
图2为图1所示无线胶囊的顶视图和前视图，(a)为顶视图，(b)为前视图；
图3为本发明实施例的一种无线胶囊中压力传感器敏感结构截面图；
图4为本发明实施例的一种无线胶囊中温度传感器敏感结构截面图；
图5为本发明实施例的一种无线胶囊中压力传感器方形电感结构平面图；
图6为本发明实施例的一种无线胶囊中压力传感器圆形电感结构平面图；
图7为本发明实施例的一种无线胶囊中温度传感器普通方形电感结构平面图；
图8为本发明实施例的一种无线胶囊中温度传感器弱耦合方形电感结构平面图；
图9为本发明提供的无线无源胶囊-柔性腹带组成的胃肠环境检测系统电路图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、对压力敏感的胶囊腔体，2、平板电极，3、叉指电极，4、对温度敏感的介质，5、电感线圈。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-4所示，本发明第一方面提供的一种无线胶囊，包括胶囊腔体1、压力传感器和温度传感器，所述压力传感器为基于LC谐振原理的平板电极结构的变极距式电容传感器，所述温度传感器为叉指电极结构的变介电常数式电容传感器；
所述压力传感器包括对压力敏感的胶囊腔体1、平板电极2和电感线圈5，所述温度传感器包括叉指电极3、对温度敏感的介质4和电感线圈5；
所述胶囊腔体1的第一表面和第二表面均具有平板电极2和电感线圈5，所述平板电极2与电感线圈5串联，所述第一表面与所述第二表面相对；
所述胶囊腔体1的第三表面具有叉指电极3、对温度敏感的介质4和电感线圈5；所述对温度敏感的介质4覆盖在所述叉指电极3上，所述叉指电极3与所述电感线圈5串联，所述第三表面与所述第一表面相邻。
本实施例中，上下平板电容结构用于胃肠压力传感，侧面的叉指电极电容结构用于胃肠温度传感，电感线圈用于与腹带中的测量线圈的互感实现肠道内部生物信息的采集与传送。
当无线胶囊进入人体胃肠腔，在胶囊腔体内部有一个恒定的气压值，人体胃肠腔内有另一不同的气压值，二者之间存在一个气压差，使得胶囊腔体发生变形，平板电极之间的间距随着胃肠腔压力变化而变化，在保证了其他各项参数不变的情况下，压力传感器的电容就会因此而产生变化；同时，温度传感器利用对温度敏感的介质材料的介电常数会随着胃肠腔温度的变化而变化，使得温度传感器的电容会因此发生改变，实现胃肠腔的温度测量。
可选地，所述压力传感器采用方形电容平板串联方形电感线圈的结构，如图5所示，或圆形电容平板串联圆形电感线圈的结构，如图6所示。
可选地，所述胶囊腔体1的材料选用联苯四甲酸二酐、对苯二胺、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、医用级塑料材料聚碳酸酯、聚四氟乙烯和蚕丝的一种或至两种。
可选地，所述电感线圈5采用平面方形螺旋电感结构，如图7所示，或平面弱耦合方形螺旋电感结构，如图8所示。
可选地，所述对温度敏感的介质4选用rGO/Fe3O4/PVDF复合物、锑化铟、氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铝和钛酸钡中的一种或两种。
本发明第二方面提供的一种无线胶囊的制备方法，包括以下步骤：
制备对压力敏感的胶囊腔体1，利用导电银浆以丝网印刷的方式，在胶囊腔体1的第一表面和第二表面印刷平板电极2和电感线圈5，平板电极2与电感线圈5串联，所述第一表面与所述第二表面相对；
利用导电银浆以丝网印刷的方式，在所述胶囊腔体1的第三表面上印刷叉指电极3和电感线圈5；所述叉指电极3与所述电感线圈5串联，所述第三表面与所述第一表面相邻；
将对温度敏感的介质4涂覆在所述叉指电极3上。
可选地，所述对温度敏感的介质4的制备方法包括以下步骤：
取50-100mg氧化石墨烯(GO)溶于去离子水中，GO质量分数为0.1％-0.2％，超声2h，加入质量为GO质量2-3倍的聚苯乙烯磺酸钠(PSSNa)，获得GO水溶液；将200mg-400mgFeCl3和100mg-200mg FeCl2加入100ml去离子水中，FeCl3和FeCl2质量比为2:1，超声0.5h，得到第一混合液，将所述第一混合液倒入所述GO水溶液中，超声1h；升温至60℃后，滴加质量分数为30％的氨水，调整第一混合液到pH＝9，反应1.5h后加入5ml水合肼还原制得rGO/Fe3O4；
将rGO/Fe3O4以4mg/ml分散于DMF溶剂中，再加入PVDF，得到第二混合液，将所述第二混合液涂覆在叉指电极表面，超声2h后70℃下烘干去除DMF溶剂，最后220℃下热压获得对温度敏感的rGO/Fe3O4/PVDF复合物，rGO/Fe3O4在rGO/Fe3O4/PVDF中的质量百分比为0.5wt％-2wt％。
可选地，所述对温度敏感的介质4的制备方法包括以下步骤：
取80mg氧化石墨烯(GO)溶于60mL去离子水中，超声2h，加入0.2g聚苯乙烯磺酸钠(PSSNa)，获得GO水溶液；将400mg FeCl3和150mg FeCl2加入100ml去离子水中，超声0.5h，得到第一混合液，将所述第一混合液倒入所述GO水溶液中，超声1h；升温至60℃后，滴加质量分数为30％的氨水，调整第一混合液到pH＝9，反应1.5h后加入5ml水合肼还原制得rGO/Fe3O4；
将rGO/Fe3O4以4mg/ml分散于DMF溶剂中，再加入PVDF，得到第二混合液，将所述第二混合液涂覆在叉指电极表面，超声2h后70℃下烘干去除DMF溶剂，最后220℃下热压获得对温度敏感的rGO/Fe3O4/PVDF复合物，rGO/Fe3O4在rGO/Fe3O4/PVDF中的质量百分比为0.5wt％-2wt％。
可选地，所述氧化石墨烯(GO)的制备方法包括以下步骤：
将石墨粉(0.5g)加入50mL的98％的H2SO4冰浴中，然后在搅拌的同时逐渐加入KMnO4(2g)，在10℃以下搅拌2h，在35℃继续搅拌1h。然后用50mL去离子水在冰浴中稀释，温度保持在100℃以下，再搅拌1h，再用去离子水稀释至150mL，然后加入10mL 30％H2O2，使其颜色变为亮黄色，将所得液离心，用5％的盐酸水溶液洗涤多次，然后用去离子水洗涤，直到上清液的pH变为中性，最后得到的固体在60℃下干燥24小时，得到一种松散的棕色粉末氧化石墨烯(GO)。
本发明第三方面提供一种可穿戴胃肠生物信号感知系统，包括上述的无线胶囊、柔性腹带和网络分析仪；所述柔性腹带包括纺织布和位于纺织布上的测量线圈，所述柔性腹带上的测量线圈与所述网络分析仪连接；
所述网络分析仪用于发出扫频信号并传输至所述柔性腹带上的测量线圈上，当扫频信号的频率与所述无线胶囊上的传感器的谐振频率相同时，扫频信号通过所述柔性腹带上的测量线圈与无线胶囊中的电感线圈之间的电感耦合进入所述无线胶囊上的传感器，进而在网络分析仪上产生谐振峰，通过所述谐振峰的位置获得所述压力传感器和温度传感器的电容值，并根据电容公式和介电常数与温度的关系式计算得出电压和温度值。
本实施例中，当无线胶囊上的传感器对胃肠腔内的环境量变化敏感时，其本身的电容参数C变化，进而其谐振频率发生变化，当柔性腹带上不同位置的读取信号的测量线圈发出扫频信号，与无线胶囊传感器端的谐振频率相同时电感耦合，通过对谐振频率的信息接收以反映传感器本身的工作特性，实现不同肠道中胶囊与腹带线圈能量的传递、所需信号的接收与读取和胶囊位置的定位，以此来构成无线无源传感器的结构，实现胶囊的无线无源生物信息采集。
可选地，所述测量线圈呈阵列式分布。
可选地，所述测量线圈利用导电银浆以丝网印刷的方法制备。
可选地，所述测量线圈的大小为4cm×4cm，以5×5的方式贴附于富有弹性的纺织布上。
可选地，所述柔性腹带长度为60-100cm，宽度为15-25cm。
实施例1：胃肠腔温度及其压力信号采集
选用聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺制备胶囊腔体，长宽高分别为10mm、5mm、5mm；
取80mg制备的GO溶于60mL去离子水中，超声2h，加入0.2g聚苯乙烯磺酸钠(PSSNa)；；将400mg FeCl3和150mg FeCl2加入100ml去离子水中，超声0.5h，得到第一混合液，将第一混合液缓慢倒入GO水溶液中，超声1h；升温至60℃后，缓慢滴加30％的氨水，调整混合液到pH＝9，反应1.5h后加入5ml水合肼还原制得rGO/Fe3O4；将PVDF和rGO/Fe3O4，分别溶于DMF溶剂中将两者混合，然后涂覆在叉指电极表面，超声2h后70℃下烘干去除溶剂，最后220℃下热压获得对温度敏感的rGO/Fe3O4/PVDF复合电介质膜系，将该膜系置于胶囊腔体侧表面；
利用丝网印刷法在温度敏感膜表面沉积电感线圈，在胶囊上下表面沉积对压力敏感的平板电极；
制备基于LC谐振原理的柔性腹带，首先利用丝网印刷法制备25个大小为4cm×4cm的测量线圈，以5×5的方式贴附于富有弹性的纺织布上；使用导线将测量线圈与外部LED电路板连接，该电路板用于判断发生电感耦合的测量线圈的位置。测量线圈阵列的每行x每列y都会有输出导线，若x行和y列收到输出信号，该处的LED小灯发光，则可以定位感应线圈的位置在(x，y)处。此外，本发明实现定位的方式不限于本实施例。
如图9所示，柔性腰带可以简化为腰带端的电路图，其中测量线圈等效为L1，网络分析仪等效为信号源。无线胶囊简化为胶囊端，电感线圈等效为L2，压力传感部分或温度传感部分简化为电容C2。当电容C2随压力或者温度发生改变时，L1与L2的耦合谐振峰的值发生改变，利用网络分析仪测量到该值，可以利用蓝牙传输到手机或电脑端进行数据处理，从而反推出电压或温度的变化量。
以小猪为研究对象，将柔性腹带穿戴到小猪腹部，使小猪吞服无线胶囊，通过养殖实验基地摄像头，记录小猪活动、进食、休息情况，同时将网络分析仪采集到的信号标记为相应事件，经过手机或电脑端进行数据处理，能够得到进食时胶囊传输速度、胃肠腔内温度及压力变化的相关数据。
实施例2：温度补偿去除热噪声对胃肠压力探测的干扰
选用聚二甲基硅氧烷或或聚酰亚胺制备胶囊腔体，长宽高分别为10mm、5mm、5mm；
取80mg制备的GO溶于60mL去离子水中，超声2h，加入0.2g聚苯乙烯磺酸钠(PSSNa)；将400mg FeCl3和150mg FeCl2加入100ml去离子水中，超声0.5h，得到第一混合液，将第一混合液缓慢倒入GO水溶液中，超声1h；升温至60℃后，缓慢滴加30％的氨水，调整混合液到pH＝9，反应1.5h后加入5ml水合肼还原制得rGO/Fe3O4；将PVDF和rGO/Fe3O4，分别溶于DMF溶剂中将两者混合，然后涂覆在叉指电极表面，超声2h后70℃下烘干去除溶剂，最后220℃下热压获得对温度敏感的rGO/Fe3O4/PVDF复合电介质膜系，将该膜系置于胶囊腔体侧表面；
利用丝网印刷法在温度敏感膜表面沉积电感线圈，在胶囊上下表面沉积对压力敏感的平板电极。
制备基于LC谐振原理的柔性腹带，首先利用丝网印刷法制备25个大小为4cm×4cm的感应线圈，以5×5的方式贴附于富有弹性的纺织布上；使用导线将测量线圈与外部LED电路板连接，该电路板用于判断发生电感耦合的测量线圈的位置。测量线圈阵列的每行x每列y都会有输出导线，若x行和y列收到输出信号，该处的LED小灯发光，则可以定位感应线圈的位置在(x，y)处。此外，本发明实现定位的方式不限于本实施例。
以小猪为研究对象，将柔性腹带穿戴到小猪腹部，使小猪吞服无线胶囊，无线胶囊同时采集到在胃肠腔内的腔内应力改变和温度变化，经过蓝牙通信单元，将数据传输到电脑端；
压强公式：
Figure BDA0003820614790000111
其中，p为胶囊内气体压强的大小，n为气体的量，T为气体的温度，V为胶囊内气体的体积，R为通用气体常量，约为8.31441±0.00026J/(mol·K)。
根据上述压强公式，计算出温度变化使得胶囊腔体压力变化的数值大小，抵消热膨胀对压力检测的影响，同时利用虚拟仪器软件(Labview)，对胃肠环境气压/温度多通道智能化算法分析，模拟相应肠段的动力改变。
本发明利用胶囊上的感应线圈与腹带上的感应线圈之间的耦合作用，实现肠道内气压和温度的无创在线检测。无线胶囊中的压力传感器为平板电容结构，位于胶囊的上下表面，由于胶囊内部充气量恒定且密封良好，利用胶囊与肠道的气压差引起的形变调节胶囊上下极板间距及其电容；温度传感器为叉指电极结构的平面电容传感器，位于胶囊侧表面，随着肠道温度的变化其介电常数发生变化，进而体现为电容的变化，从而实现胃肠腔内压力、温度生物信号的无线无源实时检测。本发明构建了无线无源多功能胶囊和体表可穿戴智能腹带检测系统，实现胃肠道区域的消化道腔内压力/温度变化实时监测，揭示功能异常的消化道动力特征，填补了当前消化道无创实时动力探测空白，为胃肠功能性疾病提供精确的定位定性诊断与治疗。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线胶囊，其特征在于，包括胶囊腔体(1)、压力传感器和温度传感器，所述压力传感器为基于LC谐振原理的平板电极结构的变极距式电容传感器，所述温度传感器为叉指电极结构的变介电常数式电容传感器；
所述压力传感器包括对压力敏感的胶囊腔体(1)、平板电极(2)和电感线圈(5)，所述温度传感器包括温度传感部分叉指电极(3)、对温度敏感的介质(4)和电感线圈(5)；
所述胶囊腔体(1)的第一表面和第二表面均具有平板电极(2)和电感线圈(5)，所述平板电极(2)与电感线圈(5)串联，所述第一表面与所述第二表面相对；
所述胶囊腔体(1)的第三表面具有叉指电极(3)、对温度敏感的介质(4)和电感线圈(5)；所述对温度敏感的介质(4)覆盖在所述叉指电极(3)上，所述叉指电极(3)与所述电感线圈(5)串联，所述第三表面与所述第一表面相邻。
2.根据权利要求1所述的一种无线胶囊，其特征在于，所述压力传感器采用方形电容平板串联方形电感线圈的结构，或圆形电容平板串联圆形电感线圈的结构。
3.根据权利要求1所述的一种无线胶囊，其特征在于，所述胶囊腔体(1)的材料选用联苯四甲酸二酐、对苯二胺、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、医用级塑料材料聚碳酸酯、聚四氟乙烯和蚕丝的一种或至两种。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种无线胶囊，其特征在于，所述电感线圈(5)采用平面方形螺旋电感结构或平面弱耦合方形螺旋电感结构。
5.根据权利要求1至3任一项所述的一种无线胶囊，其特征在于，所述对温度敏感的介质(4)选用rGO/Fe3O4/PVDF复合物、锑化铟、氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化铝和钛酸钡中的一种或两种。
6.一种无线胶囊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备对压力敏感的胶囊腔体(1)，利用导电银浆以丝网印刷的方式，在胶囊腔体(1)的第一表面和第二表面印刷平板电极(2)和电感线圈(5)，平板电极(2)与电感线圈(5)串联，所述第一表面与所述第二表面相对；
利用导电银浆以丝网印刷的方式，在所述胶囊腔体(1)的第三表面上印刷叉指电极(3)和电感线圈(5)；所述叉指电极(3)与所述电感线圈(5)串联，所述第三表面与所述第一表面相邻；
将对温度敏感的介质(4)涂覆在所述叉指电极(3)上。
7.根据权利要求6所述的一种无线胶囊的制备方法，其特征在于，所述对温度敏感的介质(4)的制备方法包括以下步骤：
取50-100mg氧化石墨烯(GO)溶于去离子水中，GO质量分数为0.1％-0.2％，超声2h，加入质量为GO质量2-3倍的聚苯乙烯磺酸钠(PSSNa)，获得GO水溶液；将200mg-400mg FeCl3和100mg-200mg FeCl2加入100ml去离子水中，FeCl3和FeCl2质量比为2:1，超声0.5h，得到第一混合液，将所述第一混合液倒入所述GO水溶液中，超声1h；升温至60℃后，滴加质量分数为30％的氨水，调整第一混合液到pH＝9，反应1.5h后加入5ml水合肼还原制得rGO/Fe3O4；
将rGO/Fe3O4以4mg/ml分散于DMF溶剂中，再加入PVDF，得到第二混合液，将所述第二混合液涂覆在叉指电极表面，超声2h后70℃下烘干去除DMF溶剂，最后220℃下热压获得对温度敏感的rGO/Fe3O4/PVDF复合物，rGO/Fe3O4在rGO/Fe3O4/PVDF中的质量百分比为0.5wt％-2wt％。
8.一种可穿戴胃肠生物信号感知系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的无线胶囊、柔性腹带和网络分析仪；所述柔性腹带包括纺织布和位于纺织布上的测量线圈，所述柔性腹带上的测量线圈与所述网络分析仪连接；
所述网络分析仪用于发出扫频信号并传输至所述柔性腹带上的测量线圈上，当扫频信号的频率与所述无线胶囊上的传感器的谐振频率相同时，扫频信号通过所述柔性腹带上的测量线圈与无线胶囊中的电感线圈之间的电感耦合进入所述无线胶囊上的传感器，进而在网络分析仪上产生谐振峰，通过所述谐振峰的位置获得所述压力传感器和温度传感器的电容值，并根据电容公式和介电常数与温度的关系式计算得出压力和温度值。
9.根据权利要求1所述的一种可穿戴胃肠生物信号感知系统，其特征在于，所述测量线圈呈阵列式分布。
10.根据权利要求8所述的一种可穿戴胃肠生物信号感知系统，其特征在于，所述测量线圈利用导电银浆以丝网印刷的方法制备。
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