一种基于脉冲电流的低能耗柔性无创血流监测装置

1.本发明属于医用传感器技术领域，尤其是涉及一种基于脉冲电流的低能耗柔性无创血流监测装置。


背景技术：

2.血管疾病在人类疾病死亡原因中已接近首位，血液流量的监测在该类疾病的临床治疗过程中至关重要。传统血流监测技术主要是通过医院的大型医疗设备监测实现，主要包括血管多普勒超声和数字减影血管造影。但是该两种监测方法需要专业的大型医疗设备，不能让患者简便、及时获取血液流量信息。
3.穿戴式血流监测技术引起了广泛关注，主要分为光体积描记技术、便携式超声多普勒技术和血流热力学分析技术。其中，光体积描记技术为利用光电元件检测心脏泵血导致的皮肤透光性能变化反映血流量的，其不足在于主要用于测量浅层皮下血管的血流量。专利cn112426577a公开了一款植入式光体积描记血流测量设备，该设备采集72小时的数据，需要长时间的准备。便携式超声多普勒技术的原理与传统血管超声多普勒技术类似，但其不足在于便携与精度不能兼顾，因此其流量监测精度有限。专利cn112155600a、cn204909456u、cn210931524u、cn213551925u公开了腕带式超声多普勒血流测速设备，缩小了超声设备的体积。清华大学冯雪团队在《science advance》(vol.7,no.44,2021)上发表的flexible doppler ultrasound device for the monitoring of blood flow velocity中将超声探头布置于柔性基底上，形成与皮肤直接粘结的柔性血流监测器件，进一步减小血流监测设备的体积，提高可穿戴性。血液热力学分析技术是基于热力学原理对血液流量进行间接测量，其中专利cn106999060a公开了一种用于分析温度特性和热传导特性的表皮器件；专利cn111970962a公开了一款脑脊液引流管流量测量装置，扩展了该技术的应用领域。但是由于血流上下游的温度差异与流量大小的关系并非是单调相关，且持续加热导致器件能耗大、无线监测时间短。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于脉冲电流的低能耗柔性无创血流监测装置，该装置采用间歇供能加热，具有低能耗、柔性等特点，能实现肤表血液流量的长时间监测。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种基于脉冲电流的低能耗柔性无创血流监测装置，该装置是基于热力学原理的穿戴式无创血液流量监测电子装置，包括后端处理模块、导线和前端测试模块，所述的前端测试模块包括依次叠放的前端中层封装、测试模块和底层封装，所述的测试模块包括测试电路基底，以及平铺在测试电路基底上的温度模块，所述的后端处理模块与前端测试模块通过导线连接。
7.进一步地，所述的温度模块为阵列温度单元，所述的温度单元由金属丝盘绕而成，
各温度单元之间通过配套电路连接，所述的测试电路基底为采用绝缘耐高温聚合物材料的柔性薄片，包括但不限于pdms或pi。
8.进一步地，所述的配套电路为采用金属导线(包括但不限于金、铜和铝)的可伸缩弯曲结构。
9.相较于完整金属片，由相互分离的温度单元所组成的阵列结构能提升前端测试模块的柔性。温度单元在焦耳热作用下充当热源，同时由于温阻效应电阻值也能反映温度，因此温度单元即充当热源，又充当温度传感作用，这有效简化了测试模块结构。此外，温度单元通入脉冲电流，采用间歇供能加热，通过温度-时间曲线获得稳态温度，通过不同流量下的电阻温升规律，获得流量与温度的映射关系。相对于直流电流，基于脉冲电流的温升曲线达到稳态所需时间更短，分辨率更高，同时能耗低，可延长器件的续航时间。
10.进一步地，所述的温度单元材料为金属导线(包括但不限于金、铜和铝)，温度单元的形状包括但不限于圆形、矩形、菱形、椭圆形、扇形及六边形，温度单元的阵列包括但不限于线性阵列和圆周阵列。
11.进一步地，所述的后端处理模块包括依次叠放的顶层封装、处理模块、后端中层封装；所述的处理模块包括处理电路基底，以及固定在处理电路基底上的无线通信模块、微处理器芯片、电池模块和信号调理电路。
12.进一步地，所述的处理电路基底采用硬质绝缘材料或柔性绝缘材料，所述的信号调理电路包括惠斯通电桥、低通滤波器、运算放大器和模数转换器，所述的惠斯通电桥和低通滤波器采用电阻电容网络，所述的运算放大器、模数转换器、无线通信模块、微处理器芯片采用贴片式封装的小型商用模块。
13.进一步地，所述的电池模块对温度模块的供电方式为脉冲电流，电池模块包括电池和三极管，通过用微处理器芯片控制三极管的启断，从而对温度模块进行脉冲加热，所述的电池采用纽扣电池。
14.进一步地，所述的处理模块和测试模块的边缘处设有对外连接器接口，测试模块的接口一方面对温度单元提供电能，另一方面可以传输温度单元的电压值，用于测量温度单元的电阻值；所述的前端测试模块中，封装均匀覆盖于所述的温度模块表面，实现除接口之外位置的对外绝缘。
15.进一步地，所述的测试模块通过对外连接器接口与惠斯通电桥的被测臂相连，惠斯通电桥与低通滤波器相连，低通滤波器与运算放大器相连，运算放大器与模数转换器相连，模数转换器与微处理器芯片相连，微处理器芯片与无线通信模块相连。
16.进一步地，所述的前端测试模块与患者皮肤接触(包括但不限于范德华力粘接、交待粘接、耦合剂粘接)；所述的后端处理模块叠放于前端测试模块上，或通过软排线链接放置在远端。
17.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
18.(1)本发明基于脉冲电流供能，实现间歇式加热，有效减少能耗，延长器件的工作时间；
19.(2)本发明的温度模块由相互分离的温度单元阵列组成，其中温度单元为金属导线盘绕而成，且温度单元之间通过可伸缩的弯曲结构连接，具有高机械柔性；
20.(3)本发明的温度模块兼顾热源和传感功能，即通过焦耳热效应发挥热源作用，通
过温阻效应发挥温度传感作用，具有结构简单、设计集成的特点。
附图说明
21.图1为本发明的整体结构示意图；
22.图2为图1的爆炸图；
23.图3为实施例1中脉冲电流和直流电流的温度-时间曲线对比；
24.图4为实施例1中在足背测量血流示意图；
25.图5为实施例1中前端测试模块结构设计方案；
26.图6为实施例2中前端测试模块结构设计方案。
27.图中标识：
28.1—后端处理模块；2—导线；3—前端测试模块；11—顶层封装；12—处理模块；13—后端中层封装；31—前端中层封装；32—测试模块；33—底层封装；121—处理电路基底；122—无线通信模块；123—微处理器芯片；124—电池；125—信号调理电路；321—温度模块；322—测试电路基底。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的目的、技术方案及优点进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅是本发明的一部分实施例，并不是全部的实施例。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。
30.本发明采用的各种组件和原材料均为本领域的常用市售产品，例如：
31.pdms封装采用美国道康宁公司生产的sylgard184聚二甲基硅氧烷膜；
32.运算放大器采用美国德州仪器生产的opa2277ua精密运算放大器；
33.模数转换器采用美国德州仪器生产的ads1148十六位模数转换器；
34.无线通信模块采用hc05蓝牙模块；
35.微处理器芯片采用意大利意法半导体公司生产的stm32f103c8t6系列芯片；
36.惠斯通电桥、低通滤波器采用本领域的常规组件。
37.实施例1
38.如图1和图2所示的基于脉冲电流的的低能耗柔性无创血流监测装置包括后端处理模块1、导线2和前端测试模块3三部分。其中后端处理模块1可分为顶层pdms封装11、处理模块12、后端中层pdms封装13，其中处理模块12包括处理电路基底121，无线通信模块122，微处理器芯片123，电池模块124，信号调理电路125；其中前端测试模块3可分为前端中层pdms封装31、测试模块32、底层pdms封装33，其中前端测试模块3包括温度模块321，测试电路基底322。所述顶层pdms封装11、处理模块12、后端中层pdms封装13都呈薄片状，依次叠放构成本装置后端处理模块1；前端中层pdms封装31、测试模块32、底层pdms封装33也都呈薄片状，依次叠放构成本装置前端测试模块3；后端处理模块1与前端测试模块3之间依靠导线2实现电气连接。
39.在一种优选的实施方式中，所述前端测试模块3的测试电路基底322为采用绝缘耐高温聚合物材料的柔性薄片(本实施例中选用美国道康宁公司生产的sylgard184聚二甲基
硅氧烷膜)，配套电路采用直接印制在测试电路基底322上的铜导线。
40.在本实施方案中，温度模块321为阵列的温度单元，温度单元为细铜丝盘绕而成的小型蚊香盘区域，如图5所示，小型蚊香盘区域的形状为圆形，9个温度单元平铺在测试电路基底322上，其阵列为3
×
3的矩形结构。
41.在本实施方案中，所述测试模块32包含阵列的温度单元，其对称轴线与血管中心线平行；处理模块12和测试模块32的边缘存在集中的对外连接器接口，这两个连接器接口通过导线2连接(如图2)，其中导线将温度模块321和电池模块124相连，实现对温度单元的供能，同时导线也将温度模块321和信号调理电路125相连，传输温度单元的电压数据，便于得到温度单元的电阻值信息。
42.在本实施方案中，所述后端处理模块1的处理电路基底121采用柔性绝缘材料(本实施例中选用美国道康宁公司生产的sylgard184聚二甲基硅氧烷膜)，信号调理电路125包括惠斯通电桥、低通滤波器、运算放大器和模数转换器，惠斯通电桥和低通滤波器采用电阻电容网络，运算放大器采用精密运算放大器，模数转换器采用16位ads1148模数转换器、无线通信模块122采用hc05蓝牙模块，微处理器芯片123采用stm32f103c8t6芯片，电池模块124的电池采用纽扣电池。
43.在本实施方案中，测试模块32的圆形铜丝单元通过对外连接器接口与惠斯通电桥的被测臂相连，惠斯通电桥与低通滤波器相连，低通滤波器与运算放大器相连，运算放大器与模数转换器相连，模数转换器与微处理器芯片123相连，微处理器芯片123与无线通信模块122相连，电池模块124为所有ic元件供能。
44.在本实施方案中，采用脉冲电流对金属单元进行加热，同时对比同等峰值功率密度的直流电流，得到如图3所示的温度-时间曲线，可以看出脉冲电流相对于直流电流到达稳态时间更短，消耗电能更少。
45.在本实施方案中，如图4所示，在设备使用时，设备被置于患者足背动脉血管正上方，测试模块32与患者皮肤之间仅隔一层底部pdms封装33。
46.在本实施方案中，所述前端测试模块3和后端处理模块1共同实现三个功能，包括：转化信号、处理信号、发送信号。所述前端测试模块3的铜丝蚊香盘的电阻值会随着温度的提高而变化，使得信号调理电路125中惠斯通电桥“wb”不平衡，输出携带测点温度信号的电压信号，之后经过低通滤波器滤除高频噪声，经过运算放大器放大信号电压值，经过模数转换器转换为数字信号，数字信号传递给微处理器芯片123以备发送；微处理器芯片123通过无线通信模块122向患者的通信设备递送血液流量信息，通信设备通过温度变化幅度和流量的关系计算流量大小，患者通过应用软件阅读该信息。
47.实施例2
48.如图1和图2所示的基于脉冲电流的的低能耗柔性无创血流监测装置包括后端处理模块1、导线2和前端测试模块3三部分。其中后端处理模块1可分为顶层pdms封装11、处理模块12、后端中层pdms封装13，其中处理模块12包括处理电路基底121，无线通信模块122，微处理器芯片123，电池模块124，信号调理电路125；其中前端测试模块3可分为前端中层pdms封装31、测试模块32、底层pdms封装33，其中前端测试模块3包括温度模块321，测试电路基底322。所述顶层pdms封装11、处理模块12、后端中层pdms封装13都呈方形薄片状，依次叠放构成本装置后端处理模块1；前端中层pdms封装31、测试模块32、底层pdms封装33都呈
圆形薄片状，依次叠放构成本装置前端测试模块3；后端处理模块1与前端测试模块3之间依靠导线2实现电气连接。
49.在一种优选的实施方式中，所述前端测试模块3的测试电路基底322为采用绝缘耐高温聚合物材料的柔性薄片(本实施例中选用美国道康宁公司生产的sylgard184聚二甲基硅氧烷膜)，温度模块321采用整体呈圆形的六边形铜片单元的组合，配套电路采用直接印制在测试电路基底322上的铜导线。
50.在本实施方案中，温度模块321为阵列的温度单元，温度单元为细铜丝盘绕而成的小型蚊香盘区域，如图6所示，小型蚊香盘区域的形状为正六边形，温度单元圆周阵列并平铺在测试电路基底322上。
51.在本实施方案中，所述测试模块32包含一组温度单元，这些温度单元圆形分布，其圆心投影位于血管中心线上；处理模块12和测试模块32的边缘存在集中的对外连接器接口，这两个连接器接口通过导线2连接(如图2)，其中导线将温度模块321和电池模块124相连，实现对温度单元的供能，同时导线也将温度模块321和信号调理电路125相连，传输温度单元的电压数据，便于得到温度单元的电阻值信息。
52.在本实施方案中，所述后端处理模块1的处理电路基底121采用柔性绝缘材料(本实施例中选用美国道康宁公司生产的sylgard184聚二甲基硅氧烷膜)，信号调理电路125包括惠斯通电桥、低通滤波器、运算放大器和模数转换器，惠斯通电桥和低通滤波器采用电阻电容网络，运算放大器采用精密运算放大器，模数转换器采用16位ads1148模数转换器、无线通信模块122采用hc05蓝牙模块，微处理器芯片123采用stm32f103c8t6芯片，电池模块124的电池采用纽扣电池。
53.在本实施方案中，测试模块32的六边形铜丝单元通过对外连接器接口与惠斯通电桥的被测臂相连，惠斯通电桥与低通滤波器相连，低通滤波器与运算放大器相连，运算放大器与模数转换器相连，模数转换器与微处理器芯片123相连，微处理器芯片123与无线通信模块122相连，电池模块124为所有ic元件供能。
54.在本实施方案中，在设备使用时，设备被置于患者颈部动脉体表，前端测试模块3的圆心投影在血管轴线上，测试模块32与患者皮肤之间仅隔一层底层pdms封装33。
55.在本实施方案中，所述前端测试模块3和后端处理模块1共同实现三个功能，包括：转化信号、处理信号、发送信号。所述前端测试模块3的铜丝蚊香盘的电阻值会随着温度的提高而变化，使得信号调理电路125中惠斯通电桥“wb”不平衡，输出携带测点温度信号的电压信号，之后经过低通滤波器滤除高频噪声，经过运算放大器放大信号电压值，经过模数转换器转换为数字信号，数字信号传递给微处理器芯片123以备发送；微处理器芯片123通过无线通信模块122向患者的通信设备递送血液流量信息，通信设备通过温度变化幅度和流量的关系计算流量大小，患者通过应用软件阅读该信息。
56.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。