一種用於人體微創型壓力與溫度在體實時監測集成系統的製作方法
2023-06-06 21:12:21
本發明涉及生物醫療技術領域，特指一種用於人體微創型壓力與溫度在體實時監測集成系統。
背景技術：
光纖傳感器作為一種新型的傳感器件，具有傳統傳感器無法比擬的優勢，如：測量精度高、測量動態範圍大、響應速度快、不受電磁幹擾、防爆防燃、防腐蝕、易於遠距離測量和復用、尺寸小、結構簡單、機械強度高等。早期的光纖主要應用於通訊領域，後隨著光纖傳感技術的發展，光纖光柵傳感器、光纖陀螺傳感器、光纖法布裡-珀羅傳感器等逐漸在化工、橋梁、航空、軍事等得到廣泛的應用，而由特殊材料製成的光纖傳感器也在生物醫學傳感中得到應用，如光纖測氧計、光纖血流計、光纖體溫計等。
在臨床醫學治療和微創手術過程中，對體內心血管、顱內、脊柱、骨髓、膀胱、腎臟等器官和部位的壓力和溫度測量具有十分重要的意義。例如顱內壓是神經外科臨床和科研的重要觀測指標。顱腔容納著腦組織、腦脊液和血液三種內容物，使顱內保持一定的壓力，稱為顱內壓(intracranial pressure,ICP)。顱內壓增高(increased intracranial pressure)是神經外科常見臨床病理症候群，是顱腦損傷、腦腫瘤、腦出血、腦積水和顱內炎症等所共有徵象，顱內壓增高會引發腦疝危象，可使病人因呼吸循環衰竭而死亡，因此對顱內壓增高及時診斷和正確處理，十分重要；心包穿刺具有穿刺失敗和穿孔的高風險。如果可以為心臟病專家提供心包壓力頻率信號，這樣可以更安全地行心包穿刺，並為某些心臟病患者提供重要的治療方法；腎結石雷射微創治療過程中，由於雷射對結石部位進行碎石時會產生較高溫度，需要用冷卻水進行衝洗冷卻，而水壓過高又會導致損壞腎臟，因此對雷射碎石過程中壓力和溫度的同時監測可確保相應臟器無損傷。
目前，生物微壓傳感器已有相關的研究和應用，如公開號為CN103040456A，公開日為2013年04月17日，公開了一種半橋晶片植入式顱壓傳感器，採用電類敏感晶片，實現顱壓監測，但存在以下問題：1)需要將晶片植入顱內，難以實現微創監測；2)所用晶片為電類晶片，若發生漏電等問題會損壞腦內神經單元，導致醫療事故。加拿大FISO公司提出了各類用於人體壓力監測的全光纖型F-P壓力傳感器，可以避免電類晶片帶來的問題，但其製作工藝難度較大，同時只能實現人體內壓力單值監測，無法測量同時實現溫度監測。
技術實現要素：
針對以上問題，本發明提供了一種用於人體微創型壓力與溫度在體實時監測集成系統，實現人體體內心血管、顱內、脊柱、骨髓、膀胱、腎臟等器官和部位壓力與溫度的同時在線監測，使醫護人員及時了解情況，以便對病人進行及時的治療和處理，其具有測量準確，傳感探針結構簡單、尺寸小、創傷小、相容性好，同時採用全光型探測不會損害神經單元。
為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：
一種用於人體微創型壓力與溫度在體實時監測集成系統，包括計算機、無線傳輸模塊、數據採集單元、集成解調模塊、傳輸光纖與柔性光纖F-P壓力與溫度複合傳感探針，柔性光纖F-P壓力與溫度複合傳感探針通過傳輸光纖與集成解調模塊對應連接，集成解調模塊通過通訊接口與數據採集單元對應連接，數據採集單元與無線傳輸模塊對應連接，無線傳輸模塊與計算機對應設置。
進一步而言，系統通過傳輸光纖將光源導入人體待測部位的柔性光纖F-P複合傳感探針中，同時將傳感探針探測到的F-P複合腔幹涉信號光傳輸回解調單元，通過對該幹涉信號光進行解調獲得待測壓力和溫度。
進一步而言，所述柔性光纖F-P壓力與溫度複合傳感探針包括光纖F-P壓力與溫度複合傳感敏感片、傳輸光纖、聚醯亞胺柔性套管等，探針外徑為400～500μm，其中光纖F-P壓力與溫度複合傳感敏感片通過粘接劑粘接在聚醯亞胺柔性套管內，傳輸光纖一端加套圈後通過粘接劑粘接在聚醯亞胺柔性套管內，整體結構尺寸在微米量級，且為全柔性材料，保證探針可方便進入人體待測器官或部位。
進一步而言，光纖F-P壓力與溫度複合傳感敏感片採用單晶矽與玻片鍵合，壓力敏感F-P微腔和溫度敏感F-P微腔採用微機電工藝(MEMS)製作成一體化微型結構，外徑為200～300μm，其中壓力敏感腔腔長為110±10μm，敏感片厚度2～5μm，溫度敏感腔腔長為320±10μm。
進一步而言，所述傳輸光纖前端加工成聚焦的球形結構並鍍有增透膜，傳輸光纖外塗覆聚醯亞胺。
進一步而言，所述集成解調模塊包括光源、傳感信號解調單元與耦合器，耦合器採用1*2耦合器，耦合器一端連接於光源與傳感信號解調單元，耦合器另一端連接於傳輸光纖。
進一步而言，所述傳感信號解調單元將探測到的複合傳感幹涉光譜信號，通過傅立葉頻域運算獲得不同腔長對應的頻率，並轉換為各自的腔長變化，同時獲得所測器官和部位的溫度和壓力值。
進一步而言，所述無線傳輸模塊可將系統測得的數值直接顯示於病房的顯示監測系統與手術平臺，也通過移動互聯技術發送到醫護人員的手機上實行遠程監控。
本發明有益效果：
1.光纖F-P壓力與溫度複合傳感探針柔性好、尺寸小、創傷小、生物相容性好，系統測量精度高，易於與移動物聯網技術融合，能較好地應用於微創手術中的人體顱內等部位和器官的監測；
2.通過同時實現人體顱內等部位和器官的壓力與溫度實時監測，為醫療人員提供手術和治療的重要參考，如在火雷射微創碎腎結石治療過程中，壓力和溫度的同時在線在體監測可確保臟器無損傷；
3.探測採用純光監測，對人體沒有損害，基本不存在安全隱患；
4.光纖F-P壓力與溫度複合傳感敏感片採用MEMS工藝製備而成，易於實現批量化生產，重複性和一致性好。
附圖說明
圖1是本發明實時監測的光纖F-P壓力與溫度複合傳感測量系統圖；
圖2是本發明實時監測的光纖F-P壓力與溫度複合傳感器結構圖。
圖3是本發明實時監測的集成解調模塊具體組成圖。
1.計算機；2.無線傳輸模塊；3.數據採集單元；4.集成解調模塊；5.傳輸光纖；6.柔性光纖F-P壓力與溫度複合傳感探針；7.光纖F-P壓力與溫度複合傳感敏感片；8.聚醯亞胺套管；9.光源；10.傳感信號解調單元；11.耦合器。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明的技術方案進行說明。
如圖1、圖2和圖3所示，本發明所述一種用於人體微創型壓力與溫度在體實時監測集成系統，包括計算機1、無線傳輸模塊2、數據採集單元3、集成解調模塊4、傳輸光纖5與柔性光纖F-P壓力與溫度複合傳感探針6，柔性光纖F-P壓力與溫度複合傳感探針6通過傳輸光纖5與集成解調模塊4對應連接，集成解調模塊4通過通訊接口與數據採集單元3對應連接，數據採集單元3與無線傳輸模塊2對應連接，無線傳輸模塊2與計算機1對應設置。以上所述構成本發明基本結構。
本發明採用這樣的結構設置，其工作原理：通過柔性光纖F-P壓力與溫度複合傳感探針6對人體內相應部位和器官的壓力與溫度進行探測，再通過傳輸光纖5輸入將信號輸入至集成解調模塊4，集成解調模塊4通過通訊接口將信號輸入至數據採集單元3，數據採集單元3再將採集到的信號傳輸至無線傳輸模塊2，無線傳輸模塊2再通過無線傳輸到遠程計算機1上，有效實現人體內器官和局部的壓力與溫度的同時在線監測，以便對病人進行及時的治療和處理，其傳感探針尺寸小、創傷小、生物相容性好，系統測量精度高，易於與移動物聯網技術融合。
更具體而言，所述柔性光纖F-P壓力與溫度複合傳感探針6包括包括光纖F-P壓力與溫度複合傳感敏感片7、傳輸光纖5、聚醯亞胺柔性套管8等，探針外徑為400～500μm，其中光纖F-P壓力與溫度複合傳感敏感片7通過粘接劑粘接在聚醯亞胺柔性套管8內，傳輸光纖5一端加套圈後通過粘接劑粘接在聚醯亞胺柔性套管8內。採用這樣的結構設置，整體結構尺寸在微米量級，且為全柔性材料，保證探針可方便進入人體待測器官或部位。
更具體而言，所述光纖F-P壓力與溫度複合傳感敏感片7採用單晶矽與玻片鍵合，壓力敏感F-P微腔和溫度敏感F-P微腔採用微機電工藝(MEMS)製作成一體化微型結構，外徑為200～300μm，前端為壓力敏感腔(如圖2所示，端面c與端面d)，腔長為110±10μm，敏感膜片厚度為2～5μm，後端設為溫度敏感腔(如圖2所示，端面b與端面c)，腔長為320±10μm。本發明所述單晶矽和玻片經刻蝕後由皮秒雷射切割再進行拋磨處理，最後進行鍵合，採用這樣的結構設置，可同時實現壓力和溫度的在體實時監測。
更具體而言，所述傳輸光纖5前端加工成聚焦的球形結構並鍍有增透膜，傳輸光纖外塗覆聚醯亞胺。採用這樣的結構設置，有效避免產生端面a和端面b之間形成F-P腔，並有效實現傳感幹涉信號的接收。
更具體而言，所述集成解調模塊4包括光源9、傳感信號解調單元10與耦合器11，耦合器11採用1*2耦合器，耦合器11一端連接於光源9與傳感信號解調單元10，耦合器11另一端連接於傳輸光纖5。採用這樣的結構設置，探測採用純光監測，對人體沒有損害，基本不存在安全隱患。
更具體而言，所述傳感信號解調單元10將探測到的複合傳感幹涉光譜信號，通過傅立葉頻域運算獲得不同腔長對應的頻率，並轉換為各自的腔長變化，同時獲得所測器官和部位的溫度和壓力值。
更具體而言，所述無線傳輸模塊2可將系統測得的數值直接顯示於病房的顯示監測系統與手術平臺，也通過移動互聯技術發送到醫護人員的手機上實行遠程監控。
上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。