一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置
阅读说明：本技术 一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置 (Cerebral blood flow monitoring device based on inductance remote measuring technology ) 是由 张茂婷 孙建 陈明生 李�根 许佳 陈镜伯 王凤 白泽霖 徐林 庄伟� 张海生 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置,包括脑血流传感器(1)、电感遥测芯片(2)、单片机(3)和上位机(4)；本发明提出一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置,该装置能够实现无创、实时、床旁长时间监测脑血流。(The invention discloses a cerebral blood flow monitoring device based on an inductance remote measuring technology, which comprises a cerebral blood flow sensor (1), an inductance remote measuring chip (2), a singlechip (3) and an upper computer (4); the invention provides a cerebral blood flow monitoring device based on an inductive telemetry technology, which can realize non-invasive, real-time and bedside long-time monitoring of cerebral blood flow.)
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，具体是一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置。
背景技术
脑血管疾病是一种严重危及人类健康和生命的疾病，具有很高的发病率、致残率和死亡率。正常的脑血流供给是对脑功能恢复正常的一项重要评价内容。因此，脑血流的实时检测与监护对提高脑血管疾病患者的诊断水平和治疗效果具有重要临床意义。
随着医学技术的发展，目前脑血流的监测方法越来越多。比如Kety-Schmidt法通过惰性气体N2O间接测量全脑脑血流量，是较为经典的一种方法，但是这种方法是有创的；经颅多普勒(transcranial Doppler，TCD)是利用低频超声波的多普勒效应来实现检测的。是一种无创的检测方法。但其结果受颅骨密度、医护人员操作熟练程度影响；近红外光谱(near-infrafred spectroscopy,NIRS)测得的脑血流值通常偏低，而且每次差异明显，需要取多次重复测量的平均值作为可靠值，并且只能测量浅表脑血流；正电子发射断层扫描(Positron Emission Computed Tomography,PET)被称为评估脑血流动力学的“金标准”。然而，PET检测技术要求高，价格昂贵。另外，通过对本地多家三甲医院神经内科、神经外科等相关科室实地调研，大多数重症监护室目前缺乏能够实时监护患者脑区血供的床旁设备。仅仅依靠患者常规生命体征监护以及医生每日程序性的影像学检查申请，在病情进展迅速的情况下，有一定的时间窗效应，容易延误最佳治疗时机。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，包括脑血流传感器、电感遥测芯片、单片机和上位机。
所述脑血流传感器贴置于用户头颅外侧，脑血流传感器的投影位置与大脑半球翼点位置重叠。
所述脑血流传感器包括两层PCB线圈。所述两层PCB线圈间隔布置，且位于同一水平线上。每层PCB线圈包括n匝线圈，n匝线圈为n个等位的同心圆。
所述脑血流传感器磁场强度从中心沿轴向和径向衰减。
所述脑血流传感器的谐振频率满足下式：
式中，f为脑血流传感器的谐振频率；L为脑血流传感器的谐振电感；C为脑血流传感器的电容。
所述脑血流传感器产生覆盖大脑中动脉所在区域的交流磁场。所述交流磁场在大脑中动脉所在区域产生涡流，并产生二次磁场。
在磁场作用下，大脑中动脉所在区域内血管的脑血流引起脑血流传感器谐振频率变化，使得脑血流传感器监测得到大脑中动脉所在区域血管的脑血流信号，并传输至电感遥测芯片。
所述电感遥测芯片接收脑血流信号，并将所述脑血流信号转化为脑血流数字信号。所述电感遥测芯片将脑血流数字信号传输至单片机。
所述电感遥测芯片的工作频率范围为1KHz-10MHz。
所述单片机将脑血流数字信号发送至上位机。
所述上位机根据t时间内的脑血流数字信号显示脑血流的变化。
进一步，还包括为脑血流传感器、电感遥测芯片、单片机供电的供电模块。
值得说明是的，本发明结合脑血流节律性搏动的电特性基础和工业电感遥测芯片的电感测量原理。脑血流血容量的变化及其节律性搏动会对谐振电路产生较大的影响，当脑血流速度发生变化时，单位时间内通过某段血管的血流量将发生变化。因此，有节律的脑血流速度变化会带来有节律的脑血流体积变化，进而带来电路谐振频率的变化。通过电感遥测芯片检测谐振频率的变化来得到脑血流的变化。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提出一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，该装置能够实现无创、实时、床旁长时间监测脑血流。本发明具有低成本、适用范围广泛、操作技术要求低等优点，有望实现对脑血管疾病患者简单快捷的床旁监护，破除时间窗效应。本发明可以为老龄家庭、社区医院、基层和偏远医疗单位提供一种成本低、体积小，简易快速监护脑血流的设备，降低疾病负担，节约社会资源。
本发明体积小、功耗低、可实现床旁长时间监护。本发明采用无创非接触技术，对医护人员友好，操作难度低，也省去了备皮等繁琐工作，降低了医护人员的工作量。
附图说明
图1为本发明基于电感遥测技术的脑血流监测装置的系统框图；
图2为脑血流传感器；
图3为互感电路示意图；
图4为基于电感遥测技术的脑血流监测装置；
图5为健康志愿者脑血流实测图；
图6为健康志愿者TCD图；
图7为健康志愿者脑血流时域图与TCD对比图；
图中：脑血流传感器1、电感遥测芯片2、单片机3和上位机4。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，包括脑血流传感器1、电感遥测芯片2、单片机3和上位机4。
所述脑血流传感器1贴置于用户头颅外侧，脑血流传感器1的投影位置与大脑半球翼点位置重叠。
所述脑血流传感器1包括两层PCB线圈。所述两层PCB线圈间隔布置，且位于同一水平线上。每层PCB线圈包括n匝线圈，n匝线圈为n个等位的同心圆。
所述脑血流传感器1磁场强度从中心沿轴向和径向衰减。
所述脑血流传感器1的谐振频率满足下式：
式中，f为脑血流传感器1的谐振频率。L为脑血流传感器1的谐振电感。C为脑血流传感器1的电容。
所述脑血流传感器1产生覆盖大脑中动脉所在区域的交流磁场。所述交流磁场在大脑中动脉所在区域产生涡流，并产生二次磁场。
在磁场作用下，大脑中动脉所在区域内血管的脑血流引起脑血流传感器1谐振频率变化，使得脑血流传感器1监测得到大脑中动脉所在区域血管的脑血流信号，并传输至电感遥测芯片2。
所述电感遥测芯片2接收脑血流信号，并将所述脑血流信号转化为脑血流数字信号。所述电感遥测芯片2将脑血流数字信号传输至单片机3。
所述电感遥测芯片2的工作频率范围为1KHz-10MHz。
所述单片机3将脑血流数字信号发送至上位机4。
所述上位机4根据t时间内的脑血流数字信号显示脑血流的变化。
该脑血流监测装置还包括为脑血流传感器1、电感遥测芯片2、单片机3供电的供电模块。
实施例2：
一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，包括脑血流传感器1、电感遥测芯片2、单片机3和上位机4。
所述脑血流传感器1产生覆盖大脑中动脉所在区域的交流磁场。所述交流磁场在大脑中动脉所在区域产生涡流，并产生二次磁场。
在磁场作用下，大脑中动脉所在区域内血管的脑血流引起脑血流传感器1谐振频率变化，使得脑血流传感器1监测得到大脑中动脉所在区域血管的脑血流信号，并传输至电感遥测芯片2。
所述电感遥测芯片2接收脑血流信号，并将所述脑血流信号转化为脑血流数字信号。所述电感遥测芯片2将脑血流数字信号传输至单片机3。
所述单片机3将脑血流数字信号发送至上位机4。
所述上位机4根据t时间内的脑血流数字信号显示脑血流的变化。
实施例3：
一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，主要结构见实施例2，其中，所述脑血流传感器1贴置于用户头颅外侧，脑血流传感器1的投影位置与大脑半球翼点位置重叠。
实施例4：
一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，主要结构见实施例2，其中，所述脑血流传感器1包括两层PCB线圈。所述两层PCB线圈间隔布置，且位于同一水平线上。每层PCB线圈包括n匝线圈，n匝线圈为n个等位的同心圆。
实施例5：
一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，主要结构见实施例2，其中，所述脑血流传感器1磁场强度从中心沿轴向和径向衰减。
实施例6：
一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，主要结构见实施例2，其中，所述电感遥测芯片2的工作频率范围为1KHz-10MHz。
实施例7：
一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，主要结构见实施例2，其中，所述脑血流传感器1的谐振频率满足下式：
式中，f为脑血流传感器1的谐振频率。L为脑血流传感器1的谐振电感。C为脑血流传感器1的电容。
实施例8：
一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，主要结构见实施例2，其中，还包括为脑血流传感器1、电感遥测芯片2、单片机3供电的供电模块。
实施例9：
一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，主要结构见实施例2，其中，所述电感遥测芯片2为LDC1612。
实施例10：
一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，主要结构见实施例2，其中，所述单片机3为主控MSP430F5528。
实施例11：
一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置。由脑血流传感器、电感遥测芯片(LDC1612)、单片机、平板电脑四部分构成。该装置可实现无创、实时、床旁长时间监测脑血流。
所述脑血流传感器是根据人体颅骨翼点解剖学结构和大脑半球中动脉区域的脑血流信号特点，设计出的符合人体工学的脑血流传感器。使用环氧树脂制作PCB线圈，铜层厚度0.035mm，6cm几何尺寸的双层PCB线圈，上下各5匝(基底厚度1.6mm)等位的同心圆(半径：5mm,10mm,15mm,20mm,25mm)。脑血流传感器磁场强度从中心沿轴向及径向衰减，高场强区大小与线圈几何尺寸相当，适合中深度的脑血流测量。将脑血流传感器置于颅脑半球翼点位置感应大脑中动脉及其附近的脑血流信号。
所述LDC1612的频率范围为1KHz-10MHz。系统激励频率越高，灵敏度越高。在满足电磁辐射国家标准的前提下，也为了结合匹配电路电感配件型号选型，项目组选定8MHz作为脑血流传感器的工作频率，按此工作频率来进行传感器仿真设计和匹配。传感器实测电感为2.78uH。
由LC谐振定律
则有
可计算出，在8MHz谐振时，需要使用142pF电容，由0402或0603贴片电容规格选定使用150pF(±10％)电容。
所述LDC1612用于采集和处理脑血流传感器感应到的脑血流信号，将其转化为数字信号通过I2C接口传输到单片机。LDC1612的工作原理为：外接线圈(脑血流传感器)产生交流磁场覆盖作为大脑半球主要供血来源的大脑中动脉及其附近的其他血管，交流磁场在大脑中动脉附近产生涡流，并产生二次磁场。脑血流有节律的变化将导致谐振频率的节律变化。电感遥测芯片通过测量谐振回路的振荡频率，并将其转换成数字信号显示出来。因此可以通过电感遥测芯片检测谐振频率的变化来得到脑血流的变化。
所述单片机通过USB接口与平板电脑连接。将实时采集到的脑血流信号在平板电脑上显示出来。
实施例12：
参见图1至图5，一种基于电感遥测技术的脑血流监测装置，包括脑血流传感器、LDC1612、单片机、平板电脑四部分。脑血流传感器及测量模块直径仅6cm，厚度为1.2cm，通过USB接口连接上平板电脑就可以实时监测脑血流信号。该装置小巧，便于置于床旁或者随身携带。
图1为系统整体架构图，置于颅脑半球翼点位置的脑血流传感器首先感应大脑中动脉及其附近的脑血流信号，LDC1612将其转化为数字信号并传输到单片机，单片机通过USB接口与平板电脑连接，最后在平板电脑上实时显示脑血流信号。
图2为脑血流传感器，是根据人体颅骨翼点解剖学结构和大脑半球中动脉区域的脑血流信号特点，设计出的符合人体工学的脑血流传感器。使用环氧树脂制作PCB线圈，铜层厚度0.035mm，6cm几何尺寸的双层PCB线圈，上下各5匝(基底厚度1.6mm)等位的同心圆(半径：5mm,10mm,15mm,20mm,25mm)。该传感器磁场强度从中心沿轴向及径向衰减，高场强区大小与线圈几何尺寸相当，适合中深度的脑血流测量。8MHz为此传感器的工作频率。
图3为互感电路示意图，所示LDC1612工作时，外接线圈(脑血流传感器)产生交流磁场B1覆盖作为大脑半球主要供血来源的大脑中动脉及其附近的其他血管，交流磁场B1在大脑中动脉附近产生涡流，并产生二次磁场B1’。当脑血流速度加快，单位时间内通过某段血管的血流量将增大，这就导致B1’变小，进而带来电路谐振电感Lcoil变小，根据公式因此谐振频率f将增大。当脑血流速度变慢，单位时间内通过某段血管的血流量将减小，结果最终导致f减小。脑血流有节律的变化将导致谐振频率的节律变化。LDC1612可以测量谐振回路的振荡频率，并将其转换成数字信号。因此可以通过LDC1612检测谐振频率的变化来得到脑血流的变化。
图4为基于电感遥测技术的脑血流监测装置，该装置使用脑血流传感器替换原线圈，通过USB接口将LDC1612和平板电脑连接起来。脑血流传感器放置在大脑翼点位置检测脑血流信号，随后将感应到的脑血流信号通过LDC1612传输至单片机，最后在平板电脑的GUI软件显示界面上显示实时监测的脑血流信号。
图5为健康志愿者脑血流实测图，选择身体健康的志愿者，年龄18-85周岁，性别不限。入选标准(试验前，受试者必须满足以下所有要求方可入组)为：1)身体健康；2)无心脏病、高血压等相关病史；3)体内无植入性医疗器械；4)磁共振SWAN序列金标准确诊的无脑等相关疾病的健康志愿者；将脑血流传感器固定在测试者右侧翼点位置，如图5所示。设置GUI软件参数。数据测量时间为5分钟。
图7为健康志愿者脑血流时域图与TCD对比。通过频谱分析得到脑血流波形的频率为1.071Hz，以此频率计算心率为HR1＝1.071×60≈64bmp。从同一志愿者TCD测试结果来看(图6)，志愿者此时的心率为58bmp。本装置通过脑血流计算的心率与实测心率基本一致。通过与TCD对比分析我们可以验证基于电感遥测技术的脑血流监测装置检测的结果为脑血流。
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