一种血管内柔性自供能流速传感器
阅读说明：本技术 一种血管内柔性自供能流速传感器 (Flexible self-powered flow velocity sensor in blood vessel ) 是由 吴俊� 洪剑龙 徐晗 臧傲泽 蒋晓轩 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种血管内柔性自供能流速传感器,其包括流速传感模块、数据采集模块、自供能能源转换模块、无线通信模块；其中,流速传感模块包含柔性基底、电极层、柔性表面层；自供能能源转换模块包含整流桥、能量获取模块、稳压模块。本发明提出的一种血管内柔性自供能流速传感器可在血管内实时监测流速,发送到外部设备,方便患者及其家人、医生查看情况；其成本低、检测过程无辐射、且设备可实现自供能,无需定期取出更换电源。(The invention relates to a flexible self-powered flow velocity sensor in a blood vessel, which comprises a flow velocity sensing module, a data acquisition module, a self-powered energy conversion module and a wireless communication module, wherein the flow velocity sensing module is connected with the data acquisition module; the flow velocity sensing module comprises a flexible substrate, an electrode layer and a flexible surface layer; the self-powered energy conversion module comprises a rectifier bridge, an energy acquisition module and a voltage stabilizing module. The flexible self-powered flow velocity sensor in the blood vessel can monitor the flow velocity in the blood vessel in real time and send the flow velocity to external equipment, so that a patient, family members of the patient and a doctor can conveniently check the conditions; the device has low cost, no radiation in the detection process, self-energy supply of the device and no need of taking out and replacing the power supply regularly.)
技术领域
本发明涉及医疗检测技术领域，具体涉及一种血管内柔性自供能流速传感器。
背景技术
动脉粥样硬化是冠心病、脑梗死、外周血管病的主要原因。主要原因是动脉内病变后形成脂质、复合糖类积聚、出血，形成血栓，进而纤维组织增生及钙质沉着，并有动脉中层的逐渐蜕变和钙化，导致动脉壁增厚变硬、血管腔狭窄。病变如果发展至血管堵塞，则该动脉所供应的组织或器官将缺血或坏死。
目前处理这类血管堵塞问题，可采用血管支架介入方式或人工血管置换堵塞部分血管的方式解决，但术后需要采用超声波、动脉造影、X射线检查等方式检查血管是否再次堵塞，需要病人定期至医院使用昂贵大型设备检查，对患者家庭时间、金钱造成大量损失，同时借助这些方式对人体有比较严重的辐射。
本发明希望从血管内内置传感器的方式解决上述问题，然而血管内植入物一般植入后就不会再取出来，因此要求传感器能够长期稳定地在血管内存在。因此为了实现长期的监测供能，就要求传感器本身具备自供能效果。在血管内，最容易利用的能量就是血管中血液传输的机械能，TENG是利用这样的能量的一种有效方法。血管这样的管状形态，其内部的电荷密度会随着流速大小的变化而发生变化。而血液传输本身是周期性流速变化的，因而对应的电荷密度也是周期性变化的，这样的性质非常适合设计为TENG。
为此，本发明提供了一种血管内柔性自供能流速传感器，通过监测血管中的流速变化，判断血管是否发生血栓乃至堵塞等问题，同时能够利用血管中的机械能实现自供能能力，可长期进行工作，为解决上述问题提供帮助。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种血管内柔性自供能流速传感器，传感器基于固液界面的电双层原理实现血管内血液流速传感，同时还可通过电量采集，实现自供能的流速传感应用。
一种血管内柔性自供能流速传感器，包括流速传感模块、数据采集模块、自供能能源转换模块和无线通信模块；
流速传感模块分别连接数据采集模块和自供能能源转换模块，自供能能源转换模块的输出端连接数据采集模块以及无线通讯模块，数据采集模块与无线通讯模块连接；
本发明的传感器置于血管中，当血液流过流速传感模块表面时，流由于血液变化的流速，使得流速传感模块产生交流电压信号，数据采集模块以足够的频率采集流速传感模块的交流电压信号，并将采集到的交流电压信号发送到无线通信模块，自供能能源转换模块用于将流速传感模块产生的交流电压转化为恒定直流电压，并给数据采集模块和无线通信模块提供工作电压，实现能量的自供给，无需额外电池等其他能源；无线通信模块将接收到的电流和电压数据发送到外部数据处理终端。外部数据处理终端可采用手机、电脑等平台，获取电压数据后，通过上位机程序进行数据处理，并计算出实际的血液流速大小，通过血液流速大小可以判断血管当前是否发生血栓或堵塞等问题。
所述流速传感模块包括依次设置的柔性基底、电极层和柔性表面层；数据采集模块、自供能能源转换模块和无线通信模块均位于柔性基底和柔性表面层之间，受到柔性基底和柔性表面层的包裹。
所述柔性表面层采用具备负电荷或正电荷亲和性的柔性材料；
柔性基底和柔性表面层均可选用PDMS、Ecoflex、PVDF、PTFE、PVC或BOPP等有机聚合物材料，柔性基底和柔性表面层的厚度均控制在1μm～1mm之间；
电极层采用Ag或Au，厚度控制在0.1μm～10μm之间。
所述自供能能源转换模块包括整流桥、能量获取模块和稳压模块；
整流桥、能量获取模块和稳压模块依次连接，流速传感模块输出端连接整流桥的输入端，流速传感模块产生的交流电，经过整流桥后，变成直流电，整流桥的输出端连接能量获取模块，能量获取模块通过整流桥从流速传感模块获取电能，能量获取模块的输出端连接稳压模块，稳压模块用于将能量获取模块输出的电压控制在工作电压Vcc，给数据采集模块和无线通信模块提供工作电压。
所述能量获取模块包含电源管理芯片PMIC和储能电容；电源管理芯片PMIC和储能电容连接；储能电容连接稳压模块的输入端，PMIC用于将输入的电能存储在储能电容，以及控制储能电容的电能输出到稳压模块。稳压模块包括低压差稳压芯片。
本发明提供的血管内柔性自供能流速传感器具体工作原理如下：当血管内血液流过流速传感模块表面，流速传感模块的柔性表面层和血液直接接触，形成固液接触；由电双层原理可知，血液和柔性表面层会产生相反电荷。其中，当柔性表面层材料具备负电荷亲和性时，柔性表面层内表面带负电荷，而血液与柔性表面层接触部分聚集正电荷；当柔性表面层材料具备正电荷亲和性时，柔性表面层内表面带正电荷，而血液与柔性表面层接触部分聚集负电荷。为了解释方便，下面采用负电荷亲和性的柔性表面层进行举例描述：血液的流速大小影响血液与柔性表面层电荷密度，也就直接影响血液接触面聚集的正电荷多少，当血液速度变快时，聚集的正电荷量变少，为了电极层、柔性表面层、以及血液与柔性表面层接触部分的电势平衡，电极层中会补充正电荷；反之，当血液流速变慢时，血液与柔性表面层接触部分聚集的正电荷量变多，同样为了电势平衡，电极层中会减少正电荷数量。因而，在液体流速变化的情况下，电极层中会发生电荷的流动变化，形成相应的电流，电极层和地之间的电势差会发生变化。同时，血液流速的变化量直接影响电极层流过的电流量；由于血管中血流变化频率可认为保持不变，且血液的流速由于心脏脉动而产生周期性变化，因此血管的血液流速增加时，对应的流速变化幅度也会变大，电极中流过的电流幅度也会因此变大，电极层和地之间的电压幅度也会变大。因而可通过检测流速传感模块电压或电流峰峰值得到流速变化幅度大小，在血管流速监测中，得到了血管流速变化幅度，即可知道血管中流速大小。通过血管流速大小变化规律，可推测血管是否发生血栓、堵塞等问题。同时，电极流过的电压或电流经过自供能能源转换模块可存储作为传感器的供能电源。
与现有技术相比，本发明提出的一种血管内柔性自供能流速传感器有如下优点：本发明可在血管内实时监测流速，发送到外部设备，方便患者及其家人、医生查看情况；其成本低、检测过程无辐射、且设备可实现自供能，无需定期取出更换电源。
附图说明
图1为本发明的血管内柔性自供能流速传感框图；
图2为本发明的柔性自供能流速传感器工作原理图；
图3为本发明的流速传感模块摩擦电压在不同流速变化下的测试结果图。
其中，1、柔性基底；2、电极层；3、柔性表面层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例1
针对进行血管支架介入治疗，本发明提供的流速传感设置在血管支架内表面，针对动脉瘤支架，柔性基底1采用PVDF固定于支架内部，在柔性基底1上堆积10μm的Ag电极层2，并在柔性基底1表面设置数据采集模块、自供能能源转换模块和无线通信模块，再堆积100μm的PDMS柔性表面层3，PDMS柔性表面层3覆盖Ag电极层2、数据采集模块、自供能能源转换模块和无线通信模块，其中柔性表面层3朝向血管支架中心。当支架介入手术完成后，传感器的柔性表面层3直接与血液接触。患者术后，支架内会流过流速周期性幅度变化的血液流体，频率与脉搏频率相同。
如图2所示，当PDMS柔性表面层3流过血液时，PDMS柔性表面层3作为负电荷亲和的材料，其表面内会聚集负电荷，对应的血液中与柔性表面层3的接触面会聚集正电荷；当血液流速变快时，血液中与PDMS柔性表面层3接触表面聚集的正电荷量变少，为了Ag电极层2、PDMS柔性表面层3、血液接触面中的电势平衡，Ag电极层2中会补充正电荷；当血液流速变慢时，血液与PDMS接触表面聚集的正电荷量变多，同样为了电势平衡，Ag电极层2中会减少正电荷数量。由于血管内血液流速是周期性变化大小的，Ag电极层2因此会流过周期性变化的电压或电流。
如图1所示：血液从流速传感模块流过后，流速传感模块产生交流电压信号，数据采集模块采集流速传感模块的交流电压，并将交流电压信号发送到无线通讯模块，通过无线通讯模块发送到外部数据处理终端。自供能能源转换模块用于将流速传感模块产生的电能存储起来，且控制在恒定直流电压下，并给数据采集模块和无线通信模块提供工作电压，实现能量的自供给，无需额外电池等其他能源。
当患者植入支架中的血管正常时，血液的流速大小会保持在一定幅值范围内变化。
当患者植入支架中的血管发生血栓时，由于血管血流量保持不变，而血管的半径减小，因而传感器获取的流速大小会增大，超出正常幅值，流速传感模块产生的电流或电压幅值也发生变化，从而可以发现流速超出正常幅值；当传感器发现流速超出正常幅值后，可判断出患者植入支架发生血栓。
当患者植入支架中的血管发生堵塞时，血管血流阻塞，传感器测出的流速大小为0；因而当传感器发现流速变为0后，可判断出患者植入支架发生堵塞。该信息可发送给患者及其家人、医生查看情况。
实施例2
针对进行人工血管开放式医疗手术，本发明的传感器可依附于人工血管内表面，传感器柔性基底1可以是人工血管表面，在人工血管内表面依次堆积Ag电极层2、柔性表面层3，其中柔性表面层3朝向人工血管内中心，柔性表面层3覆盖Ag电极层2、数据采集模块、自供能能源转换模块和无线通信模块。工作过程与实施例1相似。
实施例3
为了测试不同流速变化下，流速传感模块的电压幅度与流速的关系，本实施例中单独制备了流速传感模块，并对其在不同流速变化下产生的交流电压信号幅度值进行测量。本实施例中的流速传感模块采用1mm厚的PVC薄膜作为柔性表面层3、10μm厚的Ag作为电极层2、以及100μm厚的PDMS材料作为柔性基底1。流速传感模块被弯曲成管状，其中，柔性表面层3朝内，柔性基底1朝外；弯曲成管状后的流速传感模块长度为20mm，直径为6mm。采用蠕动泵为流速传感模块提供不同流速的液体，液体从管状流速传感模块中流过，流速变化分别为：0～100ml/min，0～200ml/min，0～500ml/min，0～1000ml/min，0～1500ml/min；通过DMM7510数字万用表测其变化电压，如图3可以看出，其产生的电压最大幅值分别为：10mV，20mV，35mV，45mV，60mV。由测量结果可以看出，该传感模块在不同流速变化情况下，有不同的电压幅值表现，对于相同的液体流速和电压幅值形成对应关系，所以从电压幅值也可以推测出经过传感模块的流速。该实验结果证明了流速传感模块的可行性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。