CN201005704Y

CN201005704Y - 体内植入式生化参数自动监测系统装置

Info

Publication number: CN201005704Y
Application number: CNU2007201395206U
Authority: CN
Inventors: 庞德兴; 刘少清; 于海涛
Original assignee: Aopude Electronic Science & Technology Co Ltd Baotou
Current assignee: Aopude Electronic Science & Technology Co Ltd Baotou
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2017-02-15

Abstract

本实用新型涉及体内植入式生化参数自动监测系统装置，属于生物医学、FPGA、移动网络等领域。特点是：由生化参数传感器和电子标签读写器以及无线网络组成，生化参数传感全封闭玻璃管内封装有生化传感器，生化传感器正、负极间有填充物，正、负极接RFID模块的驱动电路，RFID模块与天线及电磁感应线圈相连接；生化参数传感器和电子标签读写器通过无线网络通信。本实用新型可有效、方便、及时、准确地监测糖尿病病人的血糖浓度，避免了糖尿病人定期检测血糖浓度的烦恼。RFID芯片组频率也可按照需要随时进行修改。本装置可结合不同的生化传感器来实现对某些特定疾病进行预防和跟踪。

Description

体内植入式生化参数自动监测系统装置

一、技术领域

本实用型涉及体内植入式生化参数自动监测系统装置，属于生物医学、FPGA、移动网络等领域。

二、背景技术

目前，防止由于糖尿病导致的多种并发症的有效措施之一是及时、准确地监测病人的血糖浓度。而使用广泛的方法是直接采血鉴定法包括专业鉴定以及家庭简易血糖测量仪等。该种方法的主要缺点是费事费时，不能及时发现问题，同时，也给糖尿病人带来很多痛苦和不便，特别是对于离医院较远，病情较重行动不便的病人，往往由于不能及时到医院测定血糖而贻误治疗的最佳时机。在发达国家目前也有用人体植入式血糖测定技术，但也只能达到单一的血糖参数测定目的，对于高血糖并发症的多种生化参数诸如酮症、酸碱平衡失调等参数不能同时进行测定，同时，对于人体内多种生化参数的测定，也缺乏有效的监测方式和方法。

当前使用和正在研制的基于RFID射频技术的体内植入式生化参数自动监测系统装置都以微处理器为基础的RFID芯片集成。在这种系统内，所有的生化参数监测系统都是与RFID芯片内核电路做在一起，一个完整的系统只是针对一个特定的生化参数监测系统。

此外，现在国外商业用的植入式血糖测量产品，如美国的Medtronic MiniMed(CGMS，http://www.minimed.com/products/cgms/index.html)，Abbott-Therasense(Navigator，http://www.mendosa.com/navigator.htm)，都不是微型完全植入式系统，每次测量用的传感器最多只能用几天就要更换，长期使用很容易引起感染，对病人造成极大的不便和痛苦。最近发布的美国专利US 7125382(Embedded bio-sensor system)的设计思想是在传统的RFID芯片内核中包含有血糖传感器，这种设计的缺点在于一个系统只能配置一种专用血糖监测系统，且工作频率固定。

三、发明内容

本实用新型解决的技术问题是：提供一种可以轻易地对所监测的生化系统进行修改和更换，而且对于所使用的RFID的芯片组的频率也可以按照需要随时进行修改，可同时测定高血糖并发症的多种生化参数诸如酮症、酸碱平衡失调，省时、方便，给病人造成的痛苦小，不易引起感染的体内植入式生化参数自动监测系统装置。

技术解决方案：本实用新型由生化参数传感器和电子标签读写器以及无线网络组成，生化参数传感器是由：全封闭玻璃管、生化传感器、RFID模块、天线及电磁感应线圈组成，全封闭玻璃管内封装有生化传感器，生化传感器为两端封闭的玻璃管，玻璃管上、下两端为正、负极，正、负极之间设有填充物，正、负极接RFID模块的驱动电路，RFID模块与天线相连接，天线两端设有电磁感应线圈；电子标签读写器是由：天线、变频电路、外部生化传感器模块、GSM/GPRS/CDMA模块、GPS模块/电源电路、模数转换电路、FPGA优化模块、RFID读写电路组成；生化参数传感器和电子标签读写器之间通过无线网络通信。

生化传感器可以是血糖传感器、蛋白传感器、体液酸碱度传感器、尿酮传感器。

生化传感器为两极或三极传感器。

RFID模块含有生化传感信号处理系统、RFID芯片组模数转换器、RFID芯片组中央处理电路、RFID芯片组接收发信号电路、RFID芯片电源接收模块；生化传感信号处理系统中包括：差分信号电路，放大电路，信号处理电路，参考电压，模数转换接口；RFID芯片组中央处理电路包含：FPGA(Field-ProgrammableGate Array)电路、滤波电路、编码、中断、纠码电路；RFID芯片组电源接收模块包括：LC谐振电路。

模数转换接口为10位或多于10位模数转换接口。

电磁感应线圈的频率可以根据需要来改变与天线相对应。

电子标签读写器中RFID读写电路包括：RF信号发射电路、RF信号接收电路、数据通讯电路、数据显示电路、RFID信号接收发芯片组、信号处理电路、滤波电路、放大电路。

无线网络包含：GSM/GPRS/CDMA/RF无线网络。

生化传感器中的填充物可以是高分子通透膜。

本实用新型可以在微处理器为基础的RFID芯片上集成。通过采用在RFID芯片组内核外部通过添加模数转换器与外部各种体内植入式生化参数监测系统连接。这样也可以保持RFID芯片内核结构不变的条件下，只是通过改变外部电路就可以实现多种体内植入式生化参数自动监测系统与RFID芯片的集成。

体内植入式生化参数自动监测系统装置可以有效、方便、及时、准确地对人体内各种生化参数进行监测，由于整个系统体积很小，采取全植入式技术，该方法最大限度地减少了因采血对病人造成的疼痛。

本实用新型具有以下特点：

1.体内植入式生化参数自动监测系统装置的电子标签模块/生化传感器为一独立、全植入于系统，该系统完全植入于人体皮下部位，其中的生化传感器探头可以通过测量与之接触的血液，或通过与之接触的体液进而直接或间接地对各种生化参数进行有效也准确的测量。

2.由该监测系统测得的各种参数通过加密的无线网络系统和电子标签读写器进行数据交换，使得数据采集方便、快速、可靠。

3.该系统的生化传感器/电子标签模块采用玻璃与聚四氟乙烯塑料双保护包装设计，使的其电化学性能、机械性能、以及对人体肌体的稳定性都得到优化。

4.体内植入式生化参数自动监测系统装置的生化传感器/电子标签模块采用无电源设计原理，因而使用寿命可大大地延长，体积大幅度地减小，也使得芯片的植入操作非常简便。

5.体内植入式生化参数自动监测系统装置的生化传感器/电子标签模块设计由于采用的两种特殊的设计，即，RFID芯片组设计采用FPGA，或RFID芯片通过其数模转换器接口与各种外部生物学参数传感器电路相连接，从而使得该系统可以只通过其软件对系统的工作方式、传感器类型、工作频率进行选择。

6.FPGA的使用，可以大幅度地简化整个子系统的设计，对于多传感器系统的优化具有重要意义。

7.FPGA的使用，使得一个系统可以同时配置多种传感器和多种工作频率，使得系统的设计成本大幅度地降低。

8.FPGA的使用，也使得电子标签读写器的设计大大地得到简化，一个读写器可以通过内部设置，可以在多个不同的频率下工作。而该系统的传感器/电子标签子系统的工作方式和工作频率，则可以通过有电子标签读写器发送指令而得以实现。

9.体内植入式生化参数自动监测系统装置的另一个特点是在RFID芯片组不变的情况下，只通过改变与其数模转换器连接的外部传感器电路模块，即可容易地改变系统的监测参数。而这种外部传感器的改变不涉及RFID芯片组内部结构。

10，该系统也可以采用结合两种设计原理的组合，即：RFID芯片组设计采用FPGA，同时采用通过其数模转换器与多种外部生化传感器系统连接。该种组合可以进一步地提高系统对不同传感器系统和不同工作频率的的适应性。

11.体内植入式生化参数自动监测系统装置的电子标签读写器还可以加入手机通讯模块进入手机网络，以便于更方便和更有效地进行数据传输。

12.体内植入式生化参数自动监测系统装置的电子标签读写器还可以加入GPS全球定位系统，从而在传输生化参数的同时，还可以确定该电子标签的地理位置，电子标签读写器可以是固定。

13.体内植入式生化参数自动监测系统装置的RFID模块/生化传感器子系统可以用注射器植入于皮下，也可以通过小型手术进行。

14.体内植入式生化参数自动监测系统装置还可以用于植入式动物身份鉴别及体内温度等生物参数的自动监测。

四、附图说明

图1为本实用新型体生化参数传感器监控系统连接示意图；

图2为本实用新型电子标签(RFID)生化参数传感器连接示意图；

图3为本实用新型生化传感器电路原理连接示意图；

图4为本实用新型RFID读写电路连接图；

图5为本实用新型两极血糖传感器驱动电路图；

图6为本实用新型三极血糖传感器电路图；

图7为本实用新型血糖传感器截面放大；

图8为本实用新型血糖传感器左视放大图；

图9为本实用新型生化参数传感器结构示意图。

五、具体实施方式

本实用新型由生化参数传感器100和电子标签读写器200以及无线网络300组成，生化参数传感器100是由：全封闭玻璃管外包装110、生化传感器120、RFID模块130、天线及电磁感应线圈140组成，全封闭玻璃管外包装110内封装有生化传感器120，生化传感器120为两端封闭的玻璃管121，玻璃管121上、下两端为正、负极124，正、负极124接RFID模块130的驱动电路，正、负极124之间设有填充物125，RFID模块130与天线及电磁感应线圈140，天线两端设有电磁感应线圈；电子标签读写器200是由：天线210、变频电路220、外部生化传感器模块230、GSM/GPRS/CDMA模块240、GPS模块/电源电路250、模数转换电路260、FPGA优化模块270、RFID读写电路280组成；生化参数传感器100和电子标签读写器200之间通过无线网络300通信。

体内植入式生化参数自动监测系统装置采用最先进的电子标签(RFID RadioFrequency Identification)技术，采用两种集成方式，一种技术以FPGA(Field-Programmable Gate Array)为RFID芯片组为基础来设计，另一种采用在RFID芯片组内核外部通过添加模数转换器与外部各种体内植入式生化参数监测系统连接，将整个射频电路，微处理器，生化传感器集合成为一个体积很小的芯片。整个系统如图2所示：

100为基于电子标签(RFID)的无源植入式人体生化参数传感器，在人体皮肤内，110为全封闭玻璃管外包装，120为生化传感器，130为RFID模块，140为天线及电磁感应线圈。

其中RFID模块所用的能量来自电子标签读写器的电磁场，这种能量传递属于电感偶合。电子标签内置的电感线圈除了用于偶合来自电子标签读写器的电磁场能量外，同时也用做标签本身的接发收天线线圈。电子标签内部集成的生化传感器与RFID芯片组的连接通过芯片的模数转换器接口(A/D转换器).。所有与生化传感器有关的电路对于RFID芯片组都属于外部设备。这些外部设备通过数据总线的方式将其所采集的数据输入至RFID芯片组的信号输入端。

RFID模块内部数据信号传输过程如图3所示：

120为生化传感器，131为生化传感信号处理系统其中包括：差分信号，放大器，信号处理电路，参考电压流，10位或多于10位模数转换接口；132为RFID芯片组模/数转换器，133为RFID芯片组中心处理器，134为RFID芯片组接收发信号电路，135为RFID芯片组接收电源，140为天线及电磁感应线圈组成了基于RFID的无源植入式人体生化参数传感器电路。

信号的传递过程是：其中生化传感器120把信号传给生化传感信号处理系统131由RFID芯片组模/数转换器132转换成数字信号，所采用的无线频率是125K/130KHz。RFID芯片组中心处理器132把信号传递给RFID芯片组接收发信号电路134，通过天线及电磁感应线圈140来接收发出信号。

生化参数经过生化传感器输入至生化传感器信号处理系统，其中的参考电压为特定生化传感器所需的驱动电压，如对于两极血糖传感器，可以采用0.7伏直流电源驱动，其驱动负载一般在几个微安到几百个微安之间变化。生化参数经过生化传感器输入至生化传感器信号处理系统，其中的参考电压为特定生化传感器所需的驱动电压，如对于两极血糖传感器，可以采用0.7伏直流电源驱动，其驱动负载一般在几个微安到几百个微安之间变化。对于三极血糖传感器，可以采用0.040伏直流电源驱动，其驱动负载一般在几个纳安到几十个纳安之间变化。该信号经过信号处理电路处理后，送到模数转换器，然后送到RFID芯片组的中心处理系统，经过适当调制和加密后，送到RFID信号组信号接发收电路，经过功率放大后由RF接发收天线向邻近的电子标签读写器发出。

电子标签读写器RFID电路连接如图4所示：

281为RF信号发射电路，282为RF信号接收电路，283为数据通讯电路284为数据显示电路，285为RFID信号接收发芯片组，286为信号处理电路，由RF信号接收电路282接收信号，经信号处理电路286把信号分别送到RF信号发射电路281以及RFID信号接收发芯片组285，再经过RFID信号接收发芯片组285把信号送到284数据显示电路和数据通讯电路283。

电子标签读写器接收到由邻近的电子标签发来的有关信号，经过信号处理电路处理后，送到RFID信号接发收芯片组285，经过适当处理(信号整形、解调等)后，送到数据显示电路或送到数据通讯系统电路。

两极血糖传感器与RFID模块的电路连接如图5：

其中0.7伏直流驱动电源由U1A及其相关电路组成的电路产生，并输出至两极血糖传感器。血糖传感器的另一极与U1B的负输入端相连。信号由U1B放大后通过R6和C5组成的滤波电路偶合到电子标签的RFID芯片组的数模转换器接口。

U1A的3脚接滤波电容C3，U1A的1脚、2脚接0.7V传感器的一脚，U1B6脚接传感器的另一个脚，U1B7脚接滤波电阻R6，U1B的5脚接放大滤波电路的R4。

三极血糖传感器电路如图6：

其中的WE，RE，CE分别为三极血糖传感器的工作电极，参考电极和补偿电极。EDrive提供所需的0.04伏驱动电源，信号从Ioutput以电流信号的方式输出。

基于电子标签(RFID)的无源植入式人体生化参数传感器示意图如图7、图8、图9所示：

121为玻璃管，122为PTFE(聚四氟乙烯)层，123为传感器的电极，124为正、负极接RFID芯片驱动电路，125为填充物，110为玻璃封装外表层，126为血糖检测区。

附图7、图8、图9中，聚四氟乙烯材料为电子标签的最外部保护层，该保护层不仅为电子标签提供优良的机械、力学、化学性能如抗拉，抗压，抗腐蚀，各种性能稳定，同时也是目前医学和生物学界最好的对生物肌体无害的医用材料之一。该层内部的玻璃封装管对电子标签提供进一步的机械、化学性能保护。该保护层也是较好的电子标签芯片组的密封材料。电镀血糖电极可以采用多种方法形成，如，可采用电化学渡，化学沉积，物理气相沉积，离子镀等等。该镀层穿过电子标签的保护外层上形成的穿孔，该穿孔最后用适当的填充材料密封。

Claims

1.体内植入式生化参数自动监测系统装置，其特征在于：由生化参数传感器(100)和电子标签读写器(200)以及无线网络(300)组成，生化参数传感器(100)是由：全封闭玻璃管(110)、生化传感器(120)、RFID模块(130)、天线及电磁感应线圈(140)组成，全封闭玻璃管(110)内封装有生化传感器(120)，生化传感器(120)为两端封闭的玻璃管(121)，玻璃管(121)上、下两端为正、负极(124)接RFID模块(130)的驱动电路，正、负极(124)之间设有填充物(125)，RFID模块(130)与天线(140)相连接，天线(140)两端设有电磁感应线圈；电子标签读写器(200)是由：天线(210)、变频电路(220)、外部生化传感器模块(230)、GSM/GPRS/CDMA模块(240)、6PS模块/电源电路(250)、模数转换电路(260)、FPGA优化模块(270)、RFID读写电路(280)组成；生化参数传感器(100)和电子标签读写器(200)之间通过无线网络(300)通信。

2.权利要求1所述的体内植入式生化参数自动监测系统装置，其特征在于：生化传感器(120)可以是血糖传感器、蛋白传感器、体液酸碱度传感器、尿酮传感器。

3.权利要求1或2所述的体内植入式生化参数自动监测系统装置，其特征在于：生化传感器(120)为二极或三极传感器。

4.根据权利要求1所述的体内植入式生化参数自动监测系统装置，其特征在于：RFID模块(130)含有生化传感信号处理系统(131)、RFID芯片组模数转换器(132)、RFID芯片组中央处理电路(133)、RFID芯片组接收发信号电路(134)、RFID芯片电源接收模块(135)；生化传感信号处理系统(131)中包括：差分信号电路，放大电路，信号处理电路，参考电压，模数转换接口；RFID芯片组中央处理电路(133)包含：FPGA电路、滤波电路、编码、中断、纠码电路；RFID芯片组电源接收模块(135)包括：LC谐振电路。

5.根据权利要求1所述的体内植入式生化参数自动监测系统装置，其特征在于：模数转换接口为10位或多于10位模数转换接口。

6.根据权利要求1所述的体内植入式生化参数自动监测系统装置，其特征在于：电磁感应线圈(140)的频率可以根据需要来改变与天线(210)相对应。

7.根据权利要求1所述的体内植入式生化参数自动监测系统装置，其特征在于：电子标签读写器(200)中RFID读写电路(280)包括：RF信号发射电路(281)、RF信号接收电路(282)、数据通讯电路(283)、数据显示电路(284)、RFID信号接收发芯片组(285)、信号处理电路(286)、滤波电路、放大电路。

8.根据权利要求1所述的体内植入式生化参数自动监测系统装置，其特征在于：无线网络(300)包含：GSM/GPRS/CDMA/RF无线网络。

9.根据权利要求1所述的体内植入式生化参数自动监测系统装置，其特征在于：生化传感器(120)中的填充物(125)可以是高分子通透膜。