CN117918796A - 一种植入式测温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植入式测温装置，包括外壳，外壳的一端端部设有开口，且开口处使用导热隔板封闭，温度传感器设于所述导热隔板上。外壳顶端的嵌入式的导热隔板，温度传感器设于所述导热隔板上；外壳外部还有导热包覆层，包覆层与外壳、与周围组织紧密连接，使得热量变化信息从外界向温度传感器的传递路径中不再存在低导热系数的、影响热传递的高分子外壳和空气隙，也就不会产生大的温度梯度。由此，温度传感器接收到的温度信号与动物体温更接近，测温更准。高导热设计使得外界温度变化的信息能够更快地传导到温度传感器的表面，传感器周围的温度也能更快地随着外界温度的变化而变化，这样带来的第二个有益效果就是温度传感器的测温延迟更小。
Description
技术领域
本发明属于动物体温检测技术领域，具体涉及一种植入式测温装置。
背景技术
体温是动物机体内在活动的客观反映，是否出现体温异常是判断动物是否健康的重要生理指征。实时监测动物体温可以及时有效地判断动物是否染病，是动物疫病早期诊断的重要方法之一。
当前，牧场对动物的测温主要通过直肠测温法、红外测温法、耳标测温法完成，这些方法在时效性、安全性、准确性、传输距离以及可靠性上存在不足。
传统直肠测温法耗时长、效率低，容易产生应激反应，还有交叉感染的风险；红外测温法由于动物体表辐射率的差异，辐射功率受辐射距离和环境条件影响，在测温准确性问题还存在很大问题；耳标测温法则在安全性、准确性、测温距离及可靠性上存在问题。为此需要一种更准确的动物体温测量方法，最准确的方法是将传感器植入进行原位测温。
公开号为CNll3143205A的发明申请公开了一种体内测温胶囊的监测系统，包括多个测温胶囊、体外接受器和控制平台，所述测温胶囊用于采集体内温度数据并利用BLE传输方式向体外输送数据。授权公告号为CN219613840U的实用新型公开了一种动物皮下植埋测温装置，其中无线通讯模块采用了2.4G，RFID射频识别芯片。公开号为CN11463 1787A的发明申请公开了一种动物皮下植埋主动测温装置，其可以实时连续监测被测动物的皮下温度，并通过蓝牙无线将温度发送给接收装置，有效传输距离可达到5m，适合进行长期连续监测。
但是，现有技术存在许多不足之处：
(1)测温能力问题。上述现有技术中都只是简单地将测温功能电路放入胶囊内，然后植入体内实现测温功能，缺少如何实现精准测温的设计，即如何将外部热量变化信息，透过多个异质界面，准确快速地导入到温度传感器上，提升测温的时效性以及准确性。
(2)植入安全性问题。上述现有技术中都使用生物相容外壳解决材料层面生物相容性问题，如使用Bioglass 8625生物玻璃管外壳或PD702高分子外壳。但是没有考虑模量不匹配导致的应力刺激问题，尤其是在植入后如果没有固定，在动物运动过程中容易产生移动和挤压，诱导出现损伤和炎症，甚至导致组织坏死。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种植入式测温装置，兼具精准测温能力和植入安全性。
一种植入式测温装置，包括：
外壳、功能电路模块和电源模块；其中，
所述功能电路模块包括温度传感器和无线通讯元件；
所述功能电路模块和所述电源模块设于所述外壳内，所述功能电路模块和所述电源模块电连接；
所述外壳的一端端部设有开口，且开口处使用导热隔板封闭，所述温度传感器设于所述导热隔板上；
所述温度传感器为封装好的温度传感芯片，所述导热隔板的内侧预置有焊接位点，所述温度传感芯片通过与所述焊接位点焊接固定在所述导热隔板的内侧；
或者，所述温度传感器为温度敏感薄膜，所述温度传感器通过溅射沉积形成在所述导热隔板表面。
外壳的形状优选为胶囊型，胶囊型外壳形状植入到动物皮肤内后，对动物的影响较小，也能使本发明功能电路模块、电源模块有更优的布局。外壳材质选用高强度、耐磨、耐冲击、耐酸碱、耐水解的绝缘生物相容材料，如特种高分子材料、生物玻璃，优选为无线信号衰减少的高分子材料，如PEEK(聚醚醚酮)。
优选的，所述植入式测温装置还包括包覆层，所述包覆层包裹至所述外壳上，所述包覆层的材料为生物相容的水凝胶类复合组织粘合剂。
更优选的，所述水凝胶类复合组织粘合剂的成分为丙烯酰胺、[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵、琼脂糖共聚物与活性纳米硅球的复合物。其中，共聚物与活性纳米硅球质量比在10000：1-1000：1，优选10000∶1-5000∶1。活性纳米硅球的尺寸在100nm-1μm，优选100-250nm。复合方式为先在外壳表面刷活性纳米硅球分散液，然后将共聚物的表面贴合具有分散液的外壳上。活性纳米硅球与普通纳米硅球的区别是表面存在大量高活性的Si-O键。
相较于普通粘结剂，本发明包覆层所用材料除了导热效果好，还具有低模量、高可延展、高生物相容性，同时能够与组织高强度粘合的效果。本发明测温装置可以在动物体内组织和测温装置之间实现有效的缓冲，缓解两者之间的力学不匹配问题。同时，也可以将植入系统固定在初始植入位置，使得植入系统在动物运动过程中，不会产生频繁或者大幅度的位移，保证了长期植入下不同时间段采集的温度数据的纵向可对比性，也提高了植入测温价值，这也在一定程度上提升了植入系统的安全性，最终减少由应力刺激导致的炎症和损伤。
本发明中包覆层的设置可以与导热隔板、温度传感器的设置协同起作用，能够实现更好的测温效果，测温能力更强更准。可以使得温度传导过程更加顺畅，能够精准地反应测温对象的生理数据，适用于对生理温度采集要求更高的应用场景。
优选的，温度敏感薄膜的厚度为0.5～10μm。
更优选的，所述温度传感器为温度敏感薄膜时，所述温度传感器通过溅射沉积形成在所述导热隔板的内侧或外侧，
形成在外侧时，所述温度传感器连接所述无线通讯元件的线路从所述导热隔板侧面绕过。
优选的，所述导热隔板嵌入到所述外壳开口处。导热隔板可以通过在外壳制备过程中直接嵌入到外壳的相应位置，使得外壳一端端部的开口能够完全被导热隔板封闭，确保良好的密封性。
优选的，所述导热隔板的材质为生物相容性的金属或导热陶瓷。更优选的，所述导热隔板的材质为以下任意一种：医用不锈钢，钴基或钛基合金，氧化铝或氧化锆陶瓷。
进一步优选的，所述导热隔板的材质为以下任意一种：医用不锈钢，钴基或钛基合金，氧化铝或氧化锆陶瓷。
进一步优选的，所述温度传感器为多层层状结构的温度敏感薄膜；
当所述导热隔板的材质为生物相容性的金属时，所述温度传感器从远离所述导热隔板到靠近导热隔板的各层成分分别为：SiO2层、Au或Pt层、Cr或Ti层、SiO2层。从靠近导热隔板一层先沉积，第一层SiO2沉积层的作用是绝缘，沉积方法是PVD沉积，沉积厚度不低于200nm；第二层Cr或Ti沉积层的作用是增强敏感薄膜的结合力，沉积方法是磁控溅射或E-Beam，沉积厚度为10-50nm；第三层Au或Pt沉积层是温度敏感层，用于感知外界温度的变化，沉积方法是磁控溅射或E-Beam，沉积厚度为100-250nm；第四层SiO2沉积层的作用是绝缘，沉积方法是PVD沉积，沉积厚度不低于100nm。
当所述导热隔板的材质为生物相容性的导热陶瓷时，所述温度传感器从远离所述导热隔板到靠近导热隔板的各层成分分别为：SiO2层、Au或Pt层、Cr或Ti层。各层沉积方法和厚度同上述当所述导热隔板的材质为生物相容性的金属时。
在普通方案中，使用封装好的温度传感芯片进行测温，芯片通过焊接固定在所述导热隔板的内侧。在进一步的方案里，温度传感器不用封装好的温度传感芯片，而是直接沉积在导热隔板表面，做成一体化结构，从而获得更精准地测温能力。这里沉积可以选择导热隔板的内侧沉积或者外侧沉积。一般情况下选择内侧沉积，可通过软排线热压或者漆包线焊接连接。为获得更精准的测温效果，在最激进的方案中，温度传感器沉积在导热隔板外侧，电气连接通过软排线热压，或者外壳上用于嵌入导热隔板的嵌入槽中预留有电气连接点，通过电气连接点与温度传感器输出位点直接压接实现。
优选的，所述外壳由两半拼接组装而成，拼接处内侧具有卡扣锁止结构。卡扣锁止结构的具体结构可以使用现有技术中常用的结构，比如一侧有扣孔，另一侧设有扣点，两半组装时通过扣点扣入扣孔中实现组装在一起。
优选的，所述电源模块设于外壳内远离所述温度传感器的一侧，所述无线通讯元件位于温度传感器和电源模块之间。电源模块使用低自放电的微型纽扣电池，电源模块与无线通讯元件之间除连接导线外不直接接触，并且电源模块与无线通讯元件之间还设置有隔热层，如发泡材料隔热层，设置隔热层的目的是将电源模块与其他功能电路进行分离，减少电源模块供能时，自身产生的热量向无线通讯元件以及温度传感器的传递，从而减小温度测量误差。
优选的，所述无线通讯元件为低功耗蓝牙模块，单向无连接地定期向外界广播温度数据。所述无线通讯元件利用蓝牙通讯的手段，使用低功耗主控芯片和26MHz晶振，以单向无连接的方式，定期地把获取到的温度数据向外界广播数据，从而无线传输到外部的接收终端。其中，所述无线通讯元件典型的广播周期为1分钟、10分钟或1小时。
优选的，所述电源模块与所述无线通讯元件之间，以及无线通讯元件与所述温度传感器之间的连接电路使用柔性电子技术设计而成，通过分形结构设计可以获得相比于传统FPC电路更好的可弯曲性，同时实现一定的可延展性。柔性电路设计在电路集成度和小型化中可以获得更好的优势，从而节约出更多的空间用于提升电池容量，增加测温装置续航时间。
由于本发明植入式测温装置只是定期地向外单向广播温度数据，不存在与网关之间的双向通讯，也不存在其他的复杂唤醒机制，电路元件选型和电路设计都进行了低功耗考虑；而且，连接电路的柔性化设计可以留出更大的空间安放电池，因此测温装置具有长寿命的特性。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)测温能力更强。得益于外壳顶端的嵌入式的导热隔板，温度传感器与导热隔板贴合设置或一体化设计；再结合外壳外部的导热包覆层，以及包覆层与外壳之间，包覆层与周围组织之间基于活性纳米硅球实现的紧密连接，使得热量变化信息从周围组织向温度传感器的传递路径中不再存在低导热系数的、影响热传递的高分子外壳和空气隙，也就不会产生由于传热能力不足而出现的大的温度梯度。由此，温度传感器接收到的温度信号与外界动物体温更接近，也就是温度传感器测温更准。
(2)高导热设计使得外界温度变化的信息能够更快地传导到温度传感器的表面，传感器周围的温度也能更快地随着外界温度的变化而变化，这样带来的第二个有益效果就是温度传感器的测温延迟更小。
(3)得益于温度传感器与导热隔板贴合设置或一体化设计，使得功能电路模块占据外壳内腔的体积更小，从而在相同体积的外壳内腔下，可以使用更大的电源，进一步提高测温续航能力。
附图说明
图1为本发明植入式测温装置的结构示意图。
图2为导热隔板与溅射沉积的温度敏感薄膜的结构示意图。
图3为温度敏感薄膜沉积在导热隔板外侧的结构示意图。
图4为温度敏感薄膜的多层结构示意图，其中，A：导热隔板为生物相容性的金属，B：导热隔板为生物相容性的导热陶瓷。
附图标记：
外壳1，导热隔板2，温度传感器3，无线通讯元件4，电源模块5，隔热层6，卡扣锁止结构7，连接导线8，包覆层9。
具体实施方式
如图1和2所示，一种植入式测温装置，包括外壳1，设于外壳内、用于测温的功能电路，以及用于给功能电路供电的电源模块5，所述功能电路包括温度传感器3和无线通讯元件4，外壳1的一端端部设有开口，且开口处使用导热隔板2封闭。
外壳1材质选用高强度、耐磨、耐冲击、耐酸碱、耐水解的绝缘生物相容材料，如特种高分子材料、生物玻璃，优选为信号衰减少的高分子材料，如PEEK(聚醚醚酮)。外壳1由两半拼接组装而成，拼接处内侧具有卡扣锁止结构7。卡扣锁止结构7的具体结构可以使用现有技术中常用的结构，比如一侧有扣孔，另一侧设有扣点，两半组装时通过扣点扣入扣孔中实现组装在一起。
导热隔板2嵌入到外壳1中。导热隔2板的材质为生物相容性的金属或导热陶瓷。导热隔板2可以通过在外壳1制备过程中直接嵌入到外壳1的相应位置，使得外壳1一端端部的开口能够完全被导热隔板2封闭，确保良好的密封性。导热隔板2的材质为以下任意一种：医用不锈钢，钴基或钛基合金，氧化铝或氧化锆陶瓷。
在一种实施方式中，温度传感器3使用封装好的温度传感芯片，导热隔板2的内侧预置有焊接位点，温度传感芯片通过与所述焊接位点焊接固定在导热隔板2的内侧。温度传感芯片使用现有技术中商业化可购买的温度传感器芯片。
在一种实施方式中，温度传感器3直接沉积在导热隔板2表面，做成一体化结构，从而获得更精准地测温能力，也就是温度传感器3为温度敏感薄膜，通过溅射沉积形成在导热隔板2表面。温度敏感薄膜的厚度为0.5～10μm。温度敏感薄膜通过溅射沉积形成在导热隔板2的内侧或外侧。一般情况下选择内侧沉积，可通过软排线热压或者漆包线焊接连接。为获得更精准的测温效果，在最激进的方案中，温度传感器3沉积在导热隔板2外侧，电气连接通过软排线热压，或者，如图3所示，外壳1上用于嵌入导热隔板2的嵌入槽中预留有电气连接点，通过电气连接点与温度传感器3输出位点直接压接实现。
如图4所示，温度敏感薄膜为多层层状结构。当导热隔板2的材质为生物相容性的金属时，温度传感器3从远离导热隔板2到靠近导热隔板2的各层成分分别为：SiO2层、Au或Pt层、Cr或Ti层、SiO2层。从靠近导热隔板2一层先沉积，第一层SiO2沉积层的作用是绝缘，沉积方法是PVD沉积，沉积厚度不低于200nm；第二层Cr或Ti沉积层的作用是增强敏感薄膜的结合力，沉积方法是磁控溅射或E-Beam，沉积厚度为10-50nm；第三层Au或Pt沉积层是温度敏感层，用于感知外界温度的变化，沉积方法是磁控溅射或E-Beam，沉积厚度为100-250nm；第四层SiO2沉积层的作用是绝缘，沉积方法是PVD沉积，沉积厚度不低于100nm。
当导热隔板2的材质为生物相容性的导热陶瓷时，温度传感器3从远离导热隔板2到靠近导热隔板2的各层成分分别为：SiO2层、Au或Pt层、Cr或Ti层。各层沉积方法和厚度同上述当导热隔板2的材质为生物相容性的金属时。
电源模块5设于外壳1内远离温度传感器3的一侧，无线通讯元件4位于温度传感器3和电源模块5之间。电源模块5使用低自放电的微型纽扣电池，电源模块5与无线通讯元件4之间除连接导线8外不直接接触，并且电源模块5与无线通讯元件4之间还设置有隔热层6，如发泡材料隔热层，将两者进行分离，目的是减少电源模块供能时，自身产生的热量向无线通讯元件4以及温度传感器3的传递，从而减小温度测量误差。
无线通讯元件4为低功耗蓝牙模块，单向无连接地定期向外界广播温度数据。无线通讯元件4利用蓝牙通讯的手段，使用低功耗主控芯片和26MHz晶振，以单向无连接的方式，定期地把获取到的温度数据向外界广播数据，从而无线传输到外部的接收终端。其中，无线通讯元件4典型的广播周期为1分钟、10分钟或1小时。
电源模块5与无线通讯元件4之间，以及无线通讯元件4与温度传感器3之间的连接电路使用柔性电子技术设计而成，通过分形结构设计可以获得相比于传统FPC电路更好的可弯曲性，同时实现一定的可延展性。柔性电路设计在电路集成度和小型化中可以获得更好的优势，从而节约出更多的空间用于提升电池容量，增加测温装置续航时间。
由于本发明植入式测温装置只是定期地向外单向广播温度数据，不存在与网关之间的双向通讯，也不存在其他的复杂唤醒机制，电路元件选型和电路设计都进行了低功耗考虑；而且，连接电路的柔性化设计可以留出更大的电池空间，可以在被植入动物皮下后实现长时间的有效工作。
外壳1的外表面还包裹有包覆层9，包覆层9的材料为生物相容的组织粘合剂，优选组织粘合剂为水凝胶类复合组织粘合剂。
包覆层具有低模量、高可延展、高导热、高生物相容性，同时能够与组织高强度粘合的效果。可以保证测温装置具有更好的应用效果：(1)实现测温系统与组织之间的模量匹配，减少由于模量不匹配导致的应力刺激。(2)实现测温系统在体内的固定，可以有效减少动物在日常运动中，植入传感器在体内的移动和挤压，由此可以带来两个效果，第一是进一步减少应力刺激，第二是可以保证在长期的测温过程中，温度数据是从同一个位置测量得到的，消除由测温位点差异引入的误差，使得温度数据可以在时间维度上进行纵向比较，进而提高测温价值。(3)进一步提升植入物的生物相容性。(4)保证植入物周围热量快速高效且均匀地传递到温度传感器上。
水凝胶类复合组织粘合剂可以很好地符合上述要求，水凝胶类复合组织粘合剂选用由丙烯酰胺、[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵、琼脂糖共聚物与活性纳米硅球的复合体。复合方式为先在外壳表面刷活性纳米硅球分散液，然后将共聚物的表面贴合具有分散液的外壳上。其中，共聚物与活性纳米硅球质量比在10000∶1-1000∶1，优选10000∶1-5000∶1。活性纳米硅球的尺寸为在100nm-1μm，优选100-250nm。活性纳米硅球与普通纳米硅球的区别是表面存在大量高活性的Si-O键。复合体的弹性模量为50KPa-1MPa，优选为50-200KPa。在上述范围内，水凝胶类复合组织粘合剂包覆层的热导率大于0.55W m-1K-1，有效解决了传统水凝胶粘合剂热导率低(小于0.5W m-1K-1)，包覆后影响传热效率的问题。
高导热的包覆层9也能够将测温系统周围组织的热量快速均匀地传递到温度传感器3上。基于包覆层9的测温系统有效固定，能够确保植入系统长期地处在初始植入位置附近，保证了长期植入下不同时间段采集的温度数据的纵向可对比性，也提高了植入测温价值。
低模量高可延展包覆层的存在可以在动物体内组织和本发明植入式测温装置内部结构之间实现有效的缓冲，使得原先两者之间严重的力学不匹配问题得以缓解；同时，包覆层9的组织粘合特性可以将植入系统固定在初始植入位置，使得植入系统在动物运动过程中，不会产生频繁或者大幅度的位移，这也在一定程度上提升了植入系统的安全性，最终减少由应力刺激导致的炎症和损伤。包覆层9的高生物相容性也能进一步提升植入测温系统植入后的组织亲和性，减少排斥反应。
相较于在测温胶囊装置外包覆本发明所述包覆层，以及相较于本发明测温装置中包覆层使用常规水凝胶组织粘合剂，本发明实施例中热量从周围组织向装置温度传感器的温度梯度更小，热传导更顺畅，由此测得的测温数据更准确，响应更灵敏。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种植入式测温装置，其特征在于，包括：
外壳、功能电路模块和电源模块；其中，
所述功能电路模块包括温度传感器和无线通讯元件；
所述功能电路模块和所述电源模块设于所述外壳内，所述功能电路模块和所述电源模块电连接；
所述外壳的一端端部设有开口，且开口处使用导热隔板封闭，所述温度传感器设于所述导热隔板上；
所述温度传感器为封装好的温度传感芯片，所述导热隔板的内侧预置有焊接位点，所述温度传感芯片通过与所述焊接位点焊接固定在所述导热隔板的内侧；
或者，所述温度传感器为温度敏感薄膜，所述温度传感器通过溅射沉积形成在所述导热隔板表面。
2.根据权利要求1所述植入式测温装置，其特征在于，还包括包覆层，所述包覆层包裹至所述外壳上，所述包覆层的材料为生物相容的水凝胶类复合组织粘合剂。
3.根据权利要求2所述植入式测温装置，其特征在于，所述水凝胶类复合组织粘合剂成分为丙烯酰胺、[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵、琼脂糖共聚物与活性纳米硅球的复合物。
4.根据权利要求3所述植入式测温装置，其特征在于，丙烯酰胺、[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化铵、琼脂糖共聚物与活性纳米硅球的质量比在10000∶1-1000∶1；活性纳米硅球的尺寸在100nm-1μm。
5.根据权利要求1所述植入式测温装置，其特征在于，所述温度传感器为温度敏感薄膜时，所述温度传感器通过溅射沉积形成在所述导热隔板的内侧或外侧；
形成在外侧时，所述温度传感器连接所述无线通讯元件的线路从所述导热隔板侧面绕过。
6.根据权利要求1所述植入式测温装置，其特征在于，所述导热隔板嵌入到所述外壳开口处；
所述导热隔板的材质为生物相容性的金属或导热陶瓷。
7.根据权利要求6所述植入式测温装置，其特征在于，所述导热隔板的材质为以下任意一种：医用不锈钢，钴基或钛基合金，氧化铝或氧化锆陶瓷。
8.根据权利要求6所述植入式测温装置，其特征在于，所述温度传感器为多层层状结构的温度敏感薄膜；
当所述导热隔板的材质为生物相容性的金属时，所述温度传感器从远离所述导热隔板到靠近导热隔板的各层成分分别为：SiO2层、Au或Pt层、Cr或Ti层、SiO2层；
当所述导热隔板的材质为生物相容性的导热陶瓷时，所述温度传感器从远离所述导热隔板到靠近导热隔板的各层成分分别为：SiO2层、Au或Pt层、Cr或Ti层。
9.根据权利要求1所述植入式测温装置，其特征在于，所述电源模块设于外壳内远离所述温度传感器的一侧，所述无线通讯元件位于温度传感器和电源模块之间，并且，所述无线通讯元件与电源模块之间具有隔热层。
10.根据权利要求1所述植入式测温装置，其特征在于，所述无线通讯元件为低功耗蓝牙模块，单向无连接地定期向外界广播温度数据。
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|---|---|---|---|
| CN202311798243.XA CN117918796A (zh) | 2023-12-25 | 2023-12-25 | 一种植入式测温装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202311798243.XA CN117918796A (zh) | 2023-12-25 | 2023-12-25 | 一种植入式测温装置 |
Publications (1)
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| CN117918796A true CN117918796A (zh) | 2024-04-26 |
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ID=90765367
Family Applications (1)
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| CN202311798243.XA Pending CN117918796A (zh) | 2023-12-25 | 2023-12-25 | 一种植入式测温装置 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-12-25 CN CN202311798243.XA patent/CN117918796A/zh active Pending
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