CN117598754A - 一种用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统，属于医疗器械技术领域，系统包括：人机交互模块，用于接收用户选择的工作模式；工作模式包括谐振频率模式和反谐振频率模式；频率检测模块，用于检测超声换能器的谐振频率及反谐振频率；控制模块，用于根据用户选择的工作模式、超声换能器的谐振频率及反谐振频率，产生频率控制信号、电压控制信号及作用时间控制信号；驱动模块，用于根据频率控制信号、电压控制信号及作用时间控制信号，驱动超声换能器发射超声波。本发明可控制超声波能量的频率和发射时间，并在超声波治疗中首次使用了反谐振频率的治疗方案，结合谐振频率，提高了超声波球囊导管作用于肾动脉周围组织的有效性。

Description

一种用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，提供了一种用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统。
背景技术
难治性高血压属于高血压的一种，可能是出现耐药性、降压药物不合适或激素水平变化等原因导致的。难治性高血压容易对患者的生活质量造成显著影响，部分患者甚至可能会出现严重的并发症，如急性心肌梗死、心力衰竭等。
超声肾脏神经去除术(ultrasound renal denervation，URDN)是一种全新的难治性高血压的治疗方法，它利用超声能量作用于肾动脉周围的组织，降低神经活动性，从而降低血压。相较于传统治疗方法和其他手术治疗方式，URDN具有显著的优势，能够为患者提供更加便捷、安全的治疗手段，但是目前的URDN治疗过程中忽略了能量的效率，导致治疗效果不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统，可控制超声波能量的频率和发射时间，提高超声波球囊导管作用于肾动脉周围组织的有效性。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统，包括：
人机交互模块，用于接收用户选择的工作模式；所述工作模式包括谐振频率模式和反谐振频率模式；
频率检测模块，与所述超声换能器连接，用于检测所述超声换能器的谐振频率及反谐振频率；
控制模块，分别与所述人机交互模块及所述频率检测模块连接，用于根据用户选择的工作模式、所述超声换能器的谐振频率及反谐振频率，产生频率控制信号、电压控制信号及作用时间控制信号；
驱动模块，分别与所述控制模块及所述超声换能器连接，用于根据所述频率控制信号、所述电压控制信号及所述作用时间控制信号，驱动所述超声换能器发射超声波。
可选地，所述频率检测模块包括：
信号检测子模块，与所述超声换能器连接，用于检测所述超声换能器中压电振子的动态电阻、动态电感、动态电容及静态电容；
谐振频率确定子模块，与所述信号检测子模块连接，用于根据所述超声换能器中压电振子的动态电阻、动态电感及动态电容，确定所述超声换能器的谐振频率；
反谐振频率确定子模块，与所述信号检测子模块连接，用于根据所述超声换能器中压电振子的动态电阻、动态电感、动态电容及静态电容，确定所述超声换能器的反谐振频率。
可选地，在所述超声换能器中压电振子的动态电阻为0时，所述谐振频率确定子模块采用公式确定所述超声换能器的谐振频率；其中，fr为超声换能器的谐振频率，fm为超声换能器的最大导纳频率，L1为超声换能器中压电振子的动态电感，C1为超声换能器中压电振子的动态电容。
可选地，在所述超声换能器中压电振子的动态电阻为0时，所述反谐振频率确定子模块采用公式确定所述超声换能器的反谐振频率；其中，fa为超声换能器的反谐振频率，fn为超声换能器的最小导纳频率，L1为超声换能器中压电振子的动态电感，C1为超声换能器中压电振子的动态电容，C0为超声换能器中压电振子的静态电容。
可选地，所述控制模块包括：
微控制单元，分别与所述人机交互模块及所述频率检测模块连接，用于根据用户选择的工作模式、所述超声换能器的谐振频率及反谐振频率，产生频率控制信号、电压控制信号及作用时间控制信号；
数字信号处理芯片，分别与所述微控制单元及所述驱动模块连接，用于将所述频率控制信号、电压控制信号及作用时间控制信号发送至所述驱动模块。
可选地，所述驱动模块包括：
门驱动器，与所述控制模块连接，用于根据所述频率控制信号、所述电压控制信号及所述作用时间控制信号，产生驱动电平信号；
功率场效应晶体管，分别与所述门驱动器及所述超声换能器连接，用于在所述驱动电平信号的作用下，使所述超声换能器发射超声波。
可选地，所述人机交互模块还用于显示所述超声换能器的谐振频率及反谐振频率。
可选地，所述用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统还包括：外部电源，分别与所述超声换能器、所述人机交互模块、所述控制模块及所述驱动模块连接，用于为所述超声换能器、所述人机交互模块、所述控制模块及所述驱动模块供电。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过频率检测模块检测超声换能器的谐振频率和反谐振频率，控制模块根据用户选择的工作模式、超声换能器的谐振频率及反谐振频率，产生频率控制信号、电压控制信号及作用时间控制信号，通过驱动模块驱动超声换能器发射对应频率的超声波，本发明可控制超声波能量的频率和发射时间，并在超声波治疗中首次使用了反谐振频率的治疗方案，与谐振频率相结合，提高了超声波球囊导管作用于肾动脉周围组织的有效性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统的示意图；
图2为压电振子的等效电路示意图；
图3为谐振频率与导纳频率曲线的示意图；
图4为压电振子的阻抗、电阻、电抗和串臂电抗与频率的关系示意图。
符号说明：1-外部电源，2-直流-直流变换器，3-人机交互模块，4-超声换能器，5-频率检测模块，6-控制模块，7-微控制单元，8-数字信号处理芯片，9-驱动模块，10-门驱动器，11-功率场效应晶体管，12-调试模块，13-快闪存储卡。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
本发明针对URDN超声换能器能量的发射，提供一种用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统，提供两种能量激发方式，即采用谐振频率能量激发和反谐振频率能量激发，以优化超声波球囊导管临床应用的安全性和能量有效性，可应用于肾动脉血管周围神经治疗高血压的领域，具有更加广阔的前景。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统包括：人机交互模块3、频率检测模块5、控制模块6、驱动模块9及外部电源1。
外部电源1分别与超声换能器4、所述人机交互模块3、所述控制模块6及所述驱动模块9连接，外部电源1用于为所述超声换能器4、所述人机交互模块3、所述控制模块6及所述驱动模块9供电。
本实施例中，外部电源1通过直流-直流变换器2为各功能模块供电。
人机交互模块3用于接收用户选择的工作模式。所述工作模式包括谐振频率模式和反谐振频率模式。
进一步地，所述人机交互模块3还用于显示所述超声换能器4的谐振频率及反谐振频率。作为一种具体的实施方式，人机交互模块3为屏幕，用户可通过屏幕选择谐振频率或反谐振频率，同时能够在人机交互模块3观察能量释放流程及所在阶段。
此外，还可以在人机交互模块3添加自动优化建议选项，可根据超声波球囊导管接入后自动检测特性，检测及推荐最优的工作模式，进一步提高治疗效率。
频率检测模块5与所述超声换能器4连接，频率检测模块5用于检测所述超声换能器4的谐振频率及反谐振频率。
超声波球囊导管插入体内肾动脉后，频率检测模块5开始工作，对超声换能器4进行检测，确定超声换能器4的谐振工作频率及反谐振工作频率。
具体地，所述频率检测模块5包括：信号检测子模块、谐振频率确定子模块及反谐振频率确定子模块。
其中，信号检测子模块与所述超声换能器4连接，信号检测子模块用于检测所述超声换能器4中压电振子的动态电阻、动态电感、动态电容及静态电容。如图2所示为超声换能器4中压电振子的等效电路图。
超声换能器4中的压电振子是经过极化处理的压电体，是弹性体，具有固有振动频率(谐振频率)fr。当加在压电振子上的电信号的频率等于其固有振动频率fr时，压电振子的弹性能最大，从而发生谐振。此外，压电振子还具有反谐振频率fa、串联谐振频率fs、并联谐振频率fp、最大导纳频率fm和最小导纳频率fn等重要的临界频率。本发明主要集中对谐振频率fr及反谐振频率fa进行研究并测试。如图3和图4所示为频率与压电振子其他参数的关系图，图3和图4中，|Z|为压电振子的阻抗，Re为压电振子的电阻，Xe为压电振子的电抗，X1为压电振子的串臂电抗，Zm为最大导纳频率fm下最小阻抗，Rr为谐振频率fr下阻抗，Ra为反谐振频率fa下阻抗，Zn为最小导纳频率fn下最大阻抗。
谐振频率确定子模块与所述信号检测子模块连接，谐振频率确定子模块用于根据所述超声换能器4中压电振子的动态电阻、动态电感及动态电容，确定所述超声换能器4的谐振频率。
在所述超声换能器4中压电振子的动态电阻为0时，所述谐振频率确定子模块采用公式确定所述超声换能器4的谐振频率；其中，fr为超声换能器4的谐振频率，fm为超声换能器4的最大导纳频率，L1为超声换能器4中压电振子的动态电感，C1为超声换能器4中压电振子的动态电容。
反谐振频率确定子模块与所述信号检测子模块连接，反谐振频率确定子模块用于根据所述超声换能器4中压电振子的动态电阻、动态电感、动态电容及静态电容，确定所述超声换能器4的反谐振频率。
在所述超声换能器4中压电振子的动态电阻为0时，所述反谐振频率确定子模块采用公式确定所述超声换能器4的反谐振频率；其中，fa为超声换能器4的反谐振频率，fn为超声换能器4的最小导纳频率，L1为超声换能器4中压电振子的动态电感，C1为超声换能器4中压电振子的动态电容，C0为超声换能器4中压电振子的静态电容。
当超声换能器4处于最大导纳频率fm时，输出的应变振幅和压电振子上流过的电流达到最大值，此时对应的频率称为最小阻抗频率(或称为最大导纳频率)。当外加电信号的频率继续增大，压电振子输出的电流减小，阻抗达到最大时对应的频率称为最大阻抗频率(或称为最小导纳频率)。为当压电振子的动态电阻R1＝0Ω时，fm＝fs＝fr，fn＝fp＝fa。
本发明首次选用谐振频率及反谐振频率两种工作点，工作时对两个不同工作点进行模拟，精准检测超声换能器4可谐振及反谐振的所在频率点，选择效率高的谐振或反谐振工作方式，并对不同超声换能器4自测，在治疗之前可通过人机交互模块3选择合适的工作频率点及工作方式，使超声换能器4以最大效率发射能量，提高了治疗效率及安全性。
控制模块6分别与所述人机交互模块3及所述频率检测模块5连接，控制模块6用于根据用户选择的工作模式、所述超声换能器4的谐振频率及反谐振频率，产生频率控制信号、电压控制信号及作用时间控制信号。
具体地，所述控制模块6包括：微控制单元7及数字信号处理芯片8。
其中，微控制单元7分别与所述人机交互模块3及所述频率检测模块5连接，微控制单元7用于根据用户选择的工作模式、所述超声换能器4的谐振频率及反谐振频率，产生频率控制信号、电压控制信号及作用时间控制信号。
数字信号处理芯片8分别与所述微控制单元7及所述驱动模块9连接，数字信号处理芯片8用于将所述频率控制信号、电压控制信号及作用时间控制信号发送至所述驱动模块9。本实施例中，微控制单元7与数字信号处理芯片8通过串行外设接口(SerialPeripheral Interface，SPI)连接。
此外，微控制单元7还用于控制直流-直流变换器2的供电输出，给数字信号处理芯片8产生可调特定频率超声波波形。
进一步地，本发明提供的用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统还包括调试模块12及快闪存储器卡。调试模块12及快闪存储卡13均与微控制单元7连接。
驱动模块9分别与所述控制模块6及所述超声换能器4连接，驱动模块9用于根据所述频率控制信号、所述电压控制信号及所述作用时间控制信号，驱动所述超声换能器4发射超声波。
具体地，所述驱动模块9包括：门驱动器10及功率场效应晶体管11。
其中，门驱动器10与所述控制模块6连接，门驱动器10用于根据所述频率控制信号、所述电压控制信号及所述作用时间控制信号，产生驱动电平信号。
功率场效应晶体管11分别与所述门驱动器10及所述超声换能器4连接，功率场效应晶体管11用于在所述驱动电平信号的作用下，使所述超声换能器4发射超声波。
门驱动器10将数字信号处理芯片8输出的信号转换为驱动功率场效应晶体管11的驱动电平信号，功率场效应晶体管11产生的开关状态控制变压器升压，产生升压的谐振频率或反谐振频率信号，进而驱动超声换能器4进行肾脏神经的去除工作。
本发明通过监测超声波换能器的作用频率响应，分析其超声波形的特征，并通过超声波形的特征，自动优化控制超声波能量的频率及发射时间，使得绝大多数的能量用于产生去除神经，避免了过多的电流经过电极之间产生热量，从而破坏导管的稳定性和可靠性的问题，同时避免了过高的超声波能量自身发热对血管及周围组织的破坏，减少了对血管及组织的伤害。
通过控制输出电压值的大小所形成能量的超声波，既能控制所产生的超声波能量的频率，还提高了作用于超声换能器4产生热量的能量效率，使得一次治疗周期效果得到最大优化。
超声波球囊导管在反谐振频率下工作，能有效减少导管电流大小，还能减少超声波球囊导管自身的发热，在临床上也能确保能量足够作用于肾动脉周围的组织，降低神经活动性，从而降低血压，还能最大程度的减少术后并发症形成。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统，所述超声波球囊导管上设置有超声换能器，其特征在于，所述用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统包括：
人机交互模块，用于接收用户选择的工作模式；所述工作模式包括谐振频率模式和反谐振频率模式；
频率检测模块，与所述超声换能器连接，用于检测所述超声换能器的谐振频率及反谐振频率；
控制模块，分别与所述人机交互模块及所述频率检测模块连接，用于根据用户选择的工作模式、所述超声换能器的谐振频率及反谐振频率，产生频率控制信号、电压控制信号及作用时间控制信号；
驱动模块，分别与所述控制模块及所述超声换能器连接，用于根据所述频率控制信号、所述电压控制信号及所述作用时间控制信号，驱动所述超声换能器发射超声波。
2.根据权利要求1所述的用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统，其特征在于，所述频率检测模块包括：
信号检测子模块，与所述超声换能器连接，用于检测所述超声换能器中压电振子的动态电阻、动态电感、动态电容及静态电容；
谐振频率确定子模块，与所述信号检测子模块连接，用于根据所述超声换能器中压电振子的动态电阻、动态电感及动态电容，确定所述超声换能器的谐振频率；
反谐振频率确定子模块，与所述信号检测子模块连接，用于根据所述超声换能器中压电振子的动态电阻、动态电感、动态电容及静态电容，确定所述超声换能器的反谐振频率。
3.根据权利要求2所述的用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统，其特征在于，在所述超声换能器中压电振子的动态电阻为0时，所述谐振频率确定子模块采用公式确定所述超声换能器的谐振频率；其中，fr为超声换能器的谐振频率，fm为超声换能器的最大导纳频率，L1为超声换能器中压电振子的动态电感，C1为超声换能器中压电振子的动态电容。
4.根据权利要求2所述的用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统，其特征在于，在所述超声换能器中压电振子的动态电阻为0时，所述反谐振频率确定子模块采用公式确定所述超声换能器的反谐振频率；其中，fa为超声换能器的反谐振频率，fn为超声换能器的最小导纳频率，L1为超声换能器中压电振子的动态电感，C1为超声换能器中压电振子的动态电容，C0为超声换能器中压电振子的静态电容。
5.根据权利要求1所述的用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统，其特征在于，所述控制模块包括：
微控制单元，分别与所述人机交互模块及所述频率检测模块连接，用于根据用户选择的工作模式、所述超声换能器的谐振频率及反谐振频率，产生频率控制信号、电压控制信号及作用时间控制信号；
数字信号处理芯片，分别与所述微控制单元及所述驱动模块连接，用于将所述频率控制信号、电压控制信号及作用时间控制信号发送至所述驱动模块。
6.根据权利要求1所述的用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统，其特征在于，所述驱动模块包括：
门驱动器，与所述控制模块连接，用于根据所述频率控制信号、所述电压控制信号及所述作用时间控制信号，产生驱动电平信号；
功率场效应晶体管，分别与所述门驱动器及所述超声换能器连接，用于在所述驱动电平信号的作用下，使所述超声换能器发射超声波。
7.根据权利要求1所述的用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统，其特征在于，所述人机交互模块还用于显示所述超声换能器的谐振频率及反谐振频率。
8.根据权利要求1所述的用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统，其特征在于，所述用于体内肾动脉的超声波球囊导管的能量管理系统还包括：
外部电源，分别与所述超声换能器、所述人机交互模块、所述控制模块及所述驱动模块连接，用于为所述超声换能器、所述人机交互模块、所述控制模块及所述驱动模块供电。
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