CN112263233A

CN112263233A - 一种基于导管的人体内部压力传感阵列

Info

Publication number: CN112263233A
Application number: CN202010672291.4A
Authority: CN
Inventors: 李儒雅; 樊瑜波; 王雅馨
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2021-01-26

Abstract

本发明公开了一种基于导管的人体内部压力传感阵列，其包括载体导管、压力传感器阵列。其中所述压力传感器阵列包括至少一个压力传感器，所述压力传感器包括压力敏感层、电信号传导层、连线，其中所述电信号传导层包括至少一个电极。所述压力敏感层能够感应压力并将所述压力转换为电信号，所述电信号传导层能够采集所述电信号，并通过所述电极、连线传导所述电信号。一个或多个所述压力传感器分布在所述载体导管外侧形成压力传感器阵列。

Description

一种基于导管的人体内部压力传感阵列

技术领域

本发明涉及传感器技术领域。具体地，本发明涉及一种基于导管的人体内部压力传感阵列。

背景技术

人体内部的肌肉活动、各组织的相互作用以及医疗器械与人体的相互作用是十分复杂的，不同的活动及作用也会在人体内部产生不同的压力信息。如吞咽过程中，随着食物从口腔进入胃部时，食管在不同位置出现的压力；肠镜进入肠道时，与肠道内壁作用产生的压力；气道发生塌陷产生呼吸暂停时，塌陷部位产生的压力。了解这些压力信息对患者的病情判断或医生手术的进行有着重要的意义。而现有的对患者体内的力学信息的测量大多是依靠间接测量或医生经验估计，最终数据的可靠性有待进一步提高。如果有可以直接测量人体内部压力变化的设备，可以提供更全面的信息便于对患者状况更全面的了解。

以阻塞型睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea hypopneasyndrome，OSAHS)为例。阻塞型睡眠呼吸暂停低通气综合征的患者睡眠时会反复出现上呼吸道部分或完全阻塞，从而引起呼吸暂停或低通气，频发血氧饱和度下降和睡眠结构紊乱，进而导致血管、心脏、脑等多器官组织损伤，已经被明确为高血压、心力衰竭、心律失常等疾病发生发展的常见危险因素，是一种对身体多器官多***造成损害的全身性疾病，会严重影响患者健康及生活质量。目前临床普遍采用的诊断OSAHS的″金标准″工具是多导睡眠监测仪(polysomnography，PSG)，近年便携式睡眠监测仪也开始采用。上述***可以对呼吸暂停、低通气及血氧饱和度下降进行总体的监测与诊断，也就是在宏观上对是否堵塞及阻塞的严重程度进行评估，但有两个缺点。一个是评估的间接性。PSG通过获得的口鼻外侧气流胸廓运动间接反映呼吸通道的阻塞和低通气变化，不能直接反映该病发病过程中具体发病环节最重要的病理变化，即上呼吸道的具体塌陷堵塞改变。其二，PSG只能对上呼吸道进行宏观上定性与定量，不能确定具体阻塞平面，即不能对具体的阻塞部位及每个阻塞部位的堵塞程度进行准确分析、监测与诊断。

通过外科手术去除解剖部位的阻塞是治疗OSAHS的重要方式之一，术前准确获得堵塞部位的信息、对阻塞区域进行精准手术是提高疗效的关键，所以针对OSAHS患者进行阻塞定位诊断具有重要的临床意义。目前存在的睡眠呼吸暂停定位阻塞***有apneagraph及flextube。apneagraph的原理是通过气压传感器采集呼吸通道不同位置的气压并计算其差异进行阻塞定位；flextube略复杂一些，不同压力下声音传导导管对声音的传播会造成影响，通过间接测量这种声音传播变化获得导管周围的压力变化对呼吸阻塞进行定位。目前无相关的国产产品的介绍和中国拥有的自主知识产权设计的介绍。

除此之外，有些医疗器械在进入人体后，没有客观的标准判断其与人体内部组织的接触压力，以肠镜检查为例。在临床上，对于出现不明原因的下腹疼痛、腹部肿块等情况的病人往往需要进行肠镜检查。肠镜是内窥镜的一种，是一个直径约为1cm的细长、可弯曲的医学设备，经过***、直肠进入大肠，可对大肠、结肠内部情况进行观察，是一种常用的对大肠、结肠进行检查的方法。在临床上，肠镜检查的风险之一是发生肠道穿孔，肠道穿孔的一个常见原因是肠镜对肠道产生的机械压力，尤其是在肠镜头部和肠道弯曲部。目前只能根据医生经验以及肠镜视野避免产生过大的机械压力，因此缺少一种可以直接对肠镜与肠道内壁之间的接触压力进行测定的客观方法。

综上所述，人体内部压力信息对于临床诊断等存在重要意义，但目前对于压力信息的获得缺少客观、直接的方法，因此迫切需要一种能够对人体内部接触压力进行直接测量的器件来解决这一问题。

发明内容

本发明提出了一种基于导管的人体内部压力传感阵列，能够为上述问题提供一种全新的解决方案，为实现此目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于导管的人体内部压力传感阵列，其包括：载体导管；压力传感器阵列，包括至少一个压力传感器；其中，所述的导管用于所述压力传感器的安装载体；所述压力传感器可将压力信号转换为电学信号。

在进一步的实施例中所述压力传感器，包括：压力敏感层；电信号传导层，其中包括至少一个电极；连线；其中，所述压力敏感层能够感应压力并将所述压力转换为电信号；所述电信号传导层能够采集所述电信号，并通过所述电极传导所述电信号；所述连线通过所述电极连出，并能传导所述电极传导的电信号。

在进一步的实施例中，所述压力敏感层和所述电信号传导层直接或通过绝缘层贴合在一起，形成能够紧密贴附在所述载体导管外侧的薄膜状整体。

在进一步的实施例中，所述压力敏感层、所述电信号传导层和所述的绝缘层围成封闭或非封闭的腔室。

在进一步的实施例中，所述的压力传感器，其中所述压力敏感层为电阻式压力敏感层、电容式压力敏感层、压电式压力敏感层、摩擦电式压力敏感层、离子式压力敏感层中的一种或多种。

在进一步的实施例中，所述离子式压力敏感层，包括：离子材料层；电极层，其中包括至少两个电极；其中，所述的离子材料层或电极层可以由外界压力作用而产生形变，从而影响所述的电极形成的电容。

在进一步的实施例中，所述的载体导管可以为单独导管，也可为已有医用设备的导管部分。

在进一步的实施例中，所述的传感器阵列及连线，通过单独连线或分组连线接出。

在进一步的实施例中，所述的连线，通过在所述载体导管上穿孔，由所述载体导管外部进入内部，并在其内部连出。

在进一步的实施例中，所述的压力传感器阵列可包含任意数量的所述压力传感器。

在进一步的实施例中，所述的压力传感器阵列中的各所述压力传感器可同时独立测量压力信号。

通过上述内容可知，本发明阐述了一种基于导管的人体内部压力传感阵列，并且其灵敏度、量程可灵活适配。本发明的优点包括但不限于能够测量人体内部的接触压力。本发明所涉及的装置尤其适合于通过对人体内部压力的测量，从而辅助疾病诊断及其他置入式医疗设备的使用。

在下面的附图和具体实施方式中阐述了本发明的一些示例性实施例的细节。根据附图和具体实施方式以及权利要求的记载，其他特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1图示了根据本发明实施例的基于导管的人体内部压力传感阵列的示意图；

图2图示了根据本发明实施例的一种离子式压力传感器的示意图；

图3图示了根据本发明实施例的一种传感器的包裹式的缠绕方法示意图；

图4图示了根据本发明实施例的一种传感器的弹簧式的缠绕方法示意图；

图5图示了根据本发明实施例的一种导线走线方式；

图6图示了根据本发明实施例的一种阻塞型睡眠呼吸暂停低通气综合征的阻塞定位设备；

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请的部分示例性实施例，而未穷尽全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员不难对这些实施例中的技术特征和手段连同现有技术进行另外的可能的其他组合，这样所获得的所有其他实施例的技术方案均落入本申请的精神和范围内，都属于本申请所意图保护的范围。

可以以许多方式来实施本发明，例如可实现为一种装置、一种方法、一种计算机程序产品。一般来说，除非另有说明或逻辑上的必然限制，在本发明的范围内所公开的过程的步骤的顺序可以改变。

下面结合图示本发明的原理的附图来提供本发明实施例的详细描述。虽然结合此类实施例来描述本发明，但是本发明不局限于任何实施例。在下面的详细描述中陈述许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。所提供的细节是为了达到示例的目的，然而可以在没有这些具体细节中的一些或所有的情况下根据权利要求来实践本发明。为了清晰明了，并未详细描述在与本发明有关的技术领域中已知的技术，以使本发明重点突出。

本发明公开了一种基于导管的人体内部压力传感阵列。如图1所示，该发明包括载体导管、压力传感器阵列，其中该压力传感器阵列包括至少一个压力传感器。压力传感器包括压力敏感层、电信号传导层、连线，其***号传导层包括至少一个电极。该压力敏感层能够将压力信号转换为电信号，电信号传导层能够采集所述电信号，并通过所述电极传导所述电信号，该连线通过所述电极连出，并能传导所述电极传导的电信号。该压力传感器贴合在载体导管外部，在工作中压力传感器与待测位点直接接触，该连线通过载体导管上的开口进入导管内部，并从导管内部连出。

在人体内部，随着***的改变、不同的生理活动等会产生人体内部特定部位压力的变化，这对一些疾病的诊断具有重要的意义。例如，由阻塞型睡眠呼吸暂停低通气综合征引起的睡眠呼吸暂停，上呼吸道部分或全部发生阻塞，其对应的压力会产生相应的变化。此外，一些置入式医用设备进入人体后也会产生接触压力，了解该压力信息可为医生进行该器件的操作或病情检查提供帮助。例如，肠镜检查过程中可能会因为操作不当使得肠镜对肠壁产生过大的机械压力而造成肠道穿孔，了解该接触压力有利于避免此情况。通过安装在导管上的压力传感器阵列，随导管一同进入人体，可直接检测特定部位的接触压力。优选地，该压力传感器为薄膜整体，该薄膜整体便于贴附在导管表面。优选地，该压力传感器的压力敏感层和电信号传导层均由柔性材料制成，以满足对导管曲面良好的贴附性。压力敏感层可以是固体、液体、或复合材料。压力敏感层的材料在待测部位的压力作用下发生微位移，进而使压力敏感材料的物理、化学特性发生改变，进而产生电学信号变化，引起传导层的电信号改变，进一步由传导层传输。电信号传导层可以是固体、液体、或复合材料，如金属、导电液、导电薄膜、导电织物、石墨烯等。电信号传导层周围可有绝缘材料或将导电介质附着于绝缘物质上构成电信号传导层。电信号传导层可以为一层膜的导电表面。导电表面可以有多种实现方式，例如电传导活性的导电表面和各种导电材料，如薄膜的铟锡氧化物(ITO)，也可通过质子掺杂激活材料的不同氧化态实现导电。电信号传导层也可为金属类材料(如黄金、铝、银、铜、铁等，及其合金、液态金属汞、镓合金等金属)；纳米结构(如单原子导体、纳米管、纳米颗粒和纳米线等)；非金属颗粒(如炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳富勒烯的氧化锌纳米线、氧化铟、锗硅、砷化镓等)；某些导电的有机材料(如聚苯二氧基噻吩(3，4-enthy lenedioxythiophene)、聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)、聚苯胺(polyaniline，PANI)、poly(3-hexylthiophene-2，5-diyl)(P3HT)导电聚合物，以及这些材料的组合。绝缘层材料可以为各种非导电材料，包括SU-8胶、玻璃、聚合物、Avatrel、双面胶、塑料、BCB PPA(苯并环丁烯)、聚酰亚胺、硅橡胶(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯。优选地，绝缘层可以由柔性绝缘材料构成，便于传导被测部位的压力。

在一些实例中，压力敏感层为电阻式压力敏感层、电容式压力敏感层、压电式压力敏感层、摩擦电式压力敏感层、离子式压力敏感层中的一种或多种。

在进一步实例中，压力传感器的压力敏感层与电信号传导层通过直接贴合或通过绝缘胶贴合的方式，形成不带有腔室或带有腔室的薄膜整体。

以离子式薄膜压力传感器为例，其压力敏感层为离子式压力敏感层，该传感器基于电双层(electrical double layer，EDL)实现压力传感功能。电极材料和电解质相接触的界面形成电双层，在静电作用下，正负电极分别吸引电解质中带有相反电荷的离子，最终在电极-电解质界面两侧形成了凝聚层。电荷因为电极-电解质之间存在的势垒无法跨越界面中和，所以在电极-电解质接触界面的两侧形成了稳定的电容。电双层的电容由以下公式给出：

C_H＝ε₀ε_rA/d

其中，C_H为双电层电容，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，A为电极层与离子功能材料层接触的比表面积，d为双电层厚度。当器件受到压力，电极层与功能材料层的接触面积A产生变化，引起电双层电容的变化，实现将压力信号转换为电信号。电双层厚度d为纳米级常数，因此可获得高于传统电容型压力传感器的输出。离子式薄膜压力传感器基于EDL原理进行设计，其具有电极与离子功能材料的接触面积可随器件受到的压力大小而变化的结构，从而检测压力信号。如图2所示，展示了一种离子式柔性薄膜压力传感器的结构。传感器两层通过绝缘层进行结合，具有一个腔室结构。在压力作用下，电极与压力敏感层相接触，该接触面积随压力大小变化，进而使得形成的EDL电容值变化，实现将压力信号转化为电信号。

在进一步实例中，载体导管，优选地，使用生物相容性好的材料，以保证不对人体产生伤害。优选地，该载体导管为柔性导管，以满足顺应人体内部生理弯曲的需要。如硅胶软管，因其生物相容性好且柔软，既可以保证安全性，又可以随人体内部结构进行适当弯曲。在工作时，载体导管置入人体内部感兴趣的区域。载体软管的尺寸、长度均可随检测目标进行调节。该载体导管内部可增加引导丝，使导管进入人体后保持一定形状，不随组织运动、***变化等发生弯折或移动。

在进一步实例中，由于薄膜型压力传感器具有柔性，可以贴合载体软管，因此可以选择采用缠绕的方式将压力传感器安装于载体导管外侧，缠绕方式可根据器件特点进行变化。例如，如图3所示，可以将压力传感器的长度与载体导管的截面周长相匹配，将压力传感器通过缠绕的方式包裹于载体软管外侧。例如，如图4所示，在缠绕过程中可以将压力传感器倾斜一定角度，如弹簧状缠绕于载体导管外侧。

在进一步实例中，如图5所示，传感器连线通过载体软管上的开口，由软管外部进入其内部，并从软管的一端连出。

在基于导管的压力传感器阵列的配置下，在不同场景下，可实现对多种人体内部压力信号的采集。

例如，如图6所示，展示的为本发明在阻塞型睡眠呼吸暂停低通气综合征的阻塞定位中的应用。将多个压力传感器按照人体上呼吸道的解剖特点针对感兴趣的区域分布在载体导管上，再经鼻孔置入下咽部。到达位置后，压力传感器阵列可以监测物体接触传感器时产生的接触压力。在呼吸道软组织塌陷导致管腔堵塞时，粘膜会接触压力传感器并产生一定的挤压压力P1，随着呼吸道负压的增加，粘膜对压力传感器的挤压压力会逐渐增大，峰值为P2，其后随着微觉醒的发生，阻塞解除，在解除时伴有用力吸气引起的高频粘膜振动，此时高频的振动会对压力传感器进行一定频率的连续性拍击，进而获得鼾声期拍击压力P3。传感器的设置依据人体解剖特点安装，如针对软腭、后舌根等好发部位进行压力传感器的排布。从而实时、准确的获得OSAHS患者睡眠时上呼吸道不同生理状态时(通畅、堵塞、开放伴打鼾时)的压力水平及压力变化模式，既可以直接反映睡眠呼吸道阻塞情况，诊断疾病；也可以判断具体的阻塞平面，协助手术方案的制定、提高治疗效果。在具体使用中，也可配合数据分析模块、用户显示模块等，对采集的压力信号进行处理、分析，得出阻塞位置、阻塞程度等相关信息。

Claims

1.一种基于导管的人体内部压力传感阵列，其包括：

载体导管；

压力传感器阵列，包括至少一个压力传感器；

其中，所述的导管用于所述压力传感器的安装载体；所述压力传感器可将压力信号转换为电学信号。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，包括：

压力敏感层；

电信号传导层，其中包括至少一个电极；

连线；

其中，所述压力敏感层能够感应压力并将所述压力转换为电信号；所述电信号传导层能够采集所述电信号，并通过所述电极传导所述电信号；所述连线通过所述电极连出，并能传导所述电极传导的电信号。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其中所述压力敏感层和所述电信号传导层直接或通过绝缘层贴合在一起，形成能够紧密贴附在所述载体导管外侧的薄膜状整体。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其中，所述压力敏感层、所述电信号传导层和所述的绝缘层围成封闭或非封闭的腔室。

5.根据前述任一权利要求所述的压力传感器，其中所述压力敏感层为电阻式压力敏感层、电容式压力敏感层、压电式压力敏感层、摩擦电式压力敏感层、离子式压力敏感层中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的压力传感器，其中，所述离子式压力敏感层，包括：

离子材料层；

电极层，其中包括至少两个电极；

其中，所述的离子材料层和/或电极层可以由外界压力作用而产生形变，从而影响所述的电极形成的电容。

7.根据权利要求1所述的载体导管，其上可贴合一个或多个所述压力传感器。

8.根据权利要求1或7所述的载体导管，可以为单独导管，也可为已有医用设备的导管部分。

9.根据权利要求1所述的传感器阵列及连线，通过单独连线或分组连线接出。

10.根据权利要求1所述的连线，通过在所述载体导管上穿孔，由所述载体导管外部进入内部，并在其内部连出。

11.根据权利要求1所述的压力传感器阵列，可包含任意数量的所述压力传感器。

12.根据权利要求1、2所述的压力传感器阵列中的各所述压力传感器可同时独立测量压力信号。