颅内生理参数采集装置和应用
颅内生理参数采集装置和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及医用生理数据的采集装置和对该采集装置的应用，具体的讲是颅内生理参数采集装置和应用。
【背景技术】
[0002]重型颅脑损伤是神经外科常见急症之一，具有较高的致死致残率。颅脑损伤后，脑组织的挫伤、应激反应或者出血导致血管痉挛、栓塞、压迫狭窄或者微循环损伤，引起脑组织组织代谢、分泌异常(如缺血缺氧，脑脊液分泌异常等)，脑积液循环受阻或各种有害成分如二氧化碳和乳酸等蓄积引起脑组织水肿或者脑积液增多，导致颅内压增高，颅内压的持续增高又进一步导致脑组织代谢、分泌异常，形成恶性循环。颅内压持续增高，可导致脑组织受压移位而发生脑疝；若颅内压增高超过3.33kPa(25mmHg)即可引起严重的脑功能丧失，甚至造成脑死亡。对重型颅脑损伤患者采取亚低温治疗显示出明显优势，临床对该治疗方案日渐重视，已有很多国内外学者发表了采用亚低温治疗重型颅脑损伤的文献，而治疗过程中都需要准确的控制颅内温度。现有的产品如美国强生公司的codman颅内压探条和法国Sophysa公司的颅内压探条均采用压电感应芯片采集颅内压力和温度数据；美国integra公司的camino颜内压探条采用光纤光干涉原理采集颜内压力和温度数据。国内有采用诱发电位(如闪光视觉诱发电位)技术的无创颅内压监护仪，这些产品由于准确率低，操作复杂，如患者视神经受损或头部缠有纱布，将无法对患者进行监测。有创颅内压监测一直都被国内外医护人员视为颅内压监测的“金标准”。
[0003]由于受制于脑损伤的认识和技术条件限制，早期研发的这些产品，都没有将脑氧分压、脑二氧化碳分压、脑PH等脑代谢物质纳入监测范围。
[0004]已有大量医学研宄文献表明:在重型颅脑伤后脑氧分压值〈lOmmHg，可认为是脑缺氧的阈值；伤后24小时内脑氧分压值<5mmHg预示病人预后不良；脑组织氧分压测定可指导医护人员是否选择过度换气。有时虽然颅内压在正常范围，脑缺血依然存在，并且这种脑缺血能直接影响患者的预后，如弥漫性脑损伤(包括弥漫性轴索损伤、弥漫性脑肿胀、弥漫性微血管痉挛和缺氧性脑损害)；在美国创伤昏迷数据库中(TCDB)，弥漫性脑损伤占55%，其中12.6%的患者无影像学改变，颅内压在正常范围内。所以相比颅内压值，脑氧分压值能更敏感地体现脑组织的供血供氧状态，可以尽早发现脑缺血缺氧情况，以便及时采取措施提高脑组织氧分压，使神经细胞氧代谢得到改善，预防高颅压的出现。目前最新的TBI(脑创伤)救治指南就包含了脑组织氧分压(Pbt02)的监测。因此对于重型颅脑损伤患者脑氧分压联合颅内压监测既可及时有效地指导纠正脑缺血缺氧情况，又可正确地指导脱水剂的应用，在重型颅脑损伤患者的治疗中具有良好的效果和重要的价值。而二氧化碳分压、PH等数据能更广泛的反映重型颅脑损伤后脑组织的代谢情况，能为医护人员提供更充分的诊疗依据。
[0005]现在仅有的脑组织氧分压监测仪是integra公司的LICOX产品，采用的是clark溶氧电极技术，使用时需要施加电流和消耗周围组织氧，并且氧透过膜和电极容易老化，容易受其他气体、溶剂等的干扰，长时间存放后需要校准，所以没有得到神经外科医生的广泛认可，逐渐退出中国市场。其它通过近红外光线在颅脑外监测血氧饱和度的方法，受制于个体颅骨厚度不同，准确率较低，并且得到的是氧合数据，是间接的组织氧含量数据，因此现在主要用于颅骨非常薄的新生儿监护。
[0006]近年来，光化学传感器因其高灵敏度，高选择性等特点逐渐受到关注。这类传感器是基于某些有机染料、多环芳烃或过渡金属有机络合物在合适的光激发下会发射荧光(或磷光)，氧、二氧化碳等分子或氢离子等化学物质能与荧光物质分子之间发生物理或化学作用，使荧光(或磷光)强度减弱、增强或者使荧光寿命发生变化。根据荧光强度变化或者荧光寿命变化的程度可以确定氧、二氧化碳等分子或氢离子等颅内化学物质的浓度。荧光化学传感器不消耗被测物质，选择性高，反应灵敏，一次校准后可长时间连续使用。因此这类技术的产品逐渐替代clark溶氧电极，受到环境、工业领域的认可。常规使用的荧光化学传感器是将光纤一端的包覆膜去掉，将荧光敏感膜涂敷在裸露玻璃纤维尖端上形成敏感区，这样的传感器如果整合到其他传感器探条上，尖端敏感区大部分将被遮挡，与监测环境接触的敏感区太小，效率低。同时这样的传感器在插入人体组织时尖端极易损坏。
[0007]温度对于荧光物质荧光强度有着显著的影响。如荧光猝灭过程中可能发生:1.动态猝灭(猝灭剂与荧光物质的激发态分子之间的相互作用)，2.静态猝灭(猝灭剂与荧光物质的基态分子之间的相互作用)。对于动态猝灭，通过公式推导得Stern-Volmer方程式:F0/F = 1+KSV[Q] = l+KJjQ]，其中Ksv为动态猝灭常数，Kq为动态荧光猝灭速率常数，Ttl为无猝灭剂时荧光分子的平均寿命；对于静态猝灭，推导公式=FcZF = 1+KS[Q]，其中Ks为静态猝灭常数，Ftl为无猝灭剂时的荧光强度，F为有猝灭剂时的荧光强度。动态猝灭依赖于扩散，因此荧光物质的猝灭常数将随温度的升高而增加，温度升高荧光强度减小；而对于静态猝灭，温度升高则导致基态配合物稳定性下降，因此静态猝灭常数将随温度的升高而减小，温度升高荧光强度增强。有文献研宄显示动态荧光猝灭，温度升高1°C，荧光强度下降I?10 %不等。因此采用荧光光纤技术检测氧、二氧化碳等分子或氢离子等化学物质的浓度时，需要对不同温度下荧光的变化与被检测物质浓度之间的函数关系进行修正，这样计算得到的浓度才是真实准确的数据。
[0008]CN102205162B的中国专利介绍了一种将外引流管和颅内压、温度整合在一起的装置，该装置能满足监测脑积水过多引起的颅内压增高情况，同时具有引流脑积水的用途。但是在实际使用当中，颅内压的增高并不一定都是脑积水过多造成，还有很多原因:脑组织的占位性病变、脑出血、颅内各种炎症、脑缺血缺氧或者中毒导致的脑组织水肿等都不需要引流脑脊液，特别是脑组织水肿到达一定程度后脑室完全消失，更是不能使用带引流管的监测探条。该发明将压力感应芯片设置在引流管内，如果引流孔堵塞，所得颅内压力数据不准确将误导医护人员。反应温度变化的传感器位于探头内部，没有和脑组织直接接触，所测得的温度变化要迟于实际的颅内温度变化。CN102499665B介绍的一种基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，其原理是基于光纤光干涉原理检测颅内压力和温度。该专利将法布里-泊罗腔的压力应变隔膜直接置于探头最前端，与脑组织直接接触而无任何保护装置。由于压力应变隔膜的厚度决定了这种传感器的灵敏度，越薄越灵敏，但是这种无保护的探头在穿刺脑组织时，压力应变隔膜存在受力过大而破碎的危险。公开号CN103417197A和CN103829936A的专利中均采用法布里-泊罗腔技术检测颅内压力和温度，并对压力应变隔膜和信号传导光纤作了一些改进。这些专利只对颅内压力和 温度进行监测，没有将氧分压等脑代谢数据纳入监测范围，有明显的局限性。
[0009]此外在US4752115A的美国专利中介绍了直接在光纤顶端涂抹氧敏感物质监测环境中氧含量的技术方案，但这种形式光纤顶尖端无保护容易损坏。在公开号CN202005754U和US5127405A文献中记载了将荧光光纤技术应用到监测血液中化学物质:氧气、二氧化碳、氢离子等，这些专利中将多种荧光敏感物质置于一根光纤的末端，荧光物质被保护膜覆盖，保护膜能选择性透过氧和/或二氧化碳。这样存在的问题是:1.激发光需要同时能激发两种荧光物质，波长范围可能较宽，同时产生的荧光之间存在相互干扰的可能，对于需要精密监测的颅内代谢情况，这样的结构将导致监测数据的不准确以及探条或信号分析装置异常复杂的问题；2.涂有荧光物质的尖端没有受到有效保护，容易在穿刺过程中破损。专利公开文本US5005576A、US2009075321A1和US20090216097设计的可监测人体内氧分子、二氧化碳或氢离子的探条，他们为光纤荧光敏感的尖端提供了一个坚硬的保护套便于穿刺，使用半透膜选择被检测物质的种类，通过荧光的变化反应被检测物质的浓度。这样的设计，由于使用多根信号光纤，涂有荧光物质的尖端被并行排列在同一截面上，使得尖端体积巨大，对患者损伤较大；同时每个尖端荧光区域只一部分可被使用，对激发光和荧光的使用率都非常低，所得信号较弱。同时，以上发明都不能监测人体内部压力和温度情况，更没有通过温度对荧光数据进行校准，有明显的局限性，不适用于重型颅脑损伤监测精确要求。
[0010]美国专利US8694069描述了一种多参数荧光光纤探条用于人体组织的监测；专利设计将人体组织的各种代谢物质的监测纳入保护范围；其荧光敏感区域为探条侧壁上特殊的空腔孔径，光纤一端与这种空腔孔径紧密相接，荧光物质置于空腔孔径内，空腔孔径口覆盖有选择性半透膜；专利将温度监测纳入保护范围。该专利不足之处:1.空腔内放置荧光物质，激发光需要从光纤进入空腔，荧光则需要从空腔返回到光纤；由于空腔和光纤是两种不同的介质，光线在不同物质中的折射率不同，荧光从空腔向光纤传播时，荧光的大部分被反射回空腔。这样的设计不能最大限度的将产生的荧光反馈回光纤，使得返回信号弱，信号噪音和信号不宜区分。2.待测物质需要透过空腔侧面的选择性透过膜才能进入空腔，空腔内外待测物质的浓度并不能完全一致，空腔内的待测物浓度变化会迟于空腔外的浓度变化，造成监测数据的不准和延迟。3.该专利没有给出压力传感器明确的设计方法，而现有的技术还不能获得高灵敏度的荧光压力传感器。4.由于每个荧光传感器都需要校准，为能实现即插即用的便捷性，校准时的零点数据、温度参数和计算函数应该作为荧光传感器的一个组成部分，因此探条必须要具有保存零点数据和温度参数的功能，否则其每次使用都需要校准。
[0011]因此，现有的各种装置都不能满足对重型颅脑损伤患者颅内情况的监测要求，包括微创、安全、多参数、高灵敏等。
【发明内容】
[0012]本发明提供了一种颅内生理参数采集装置和应用，可以同时采集颅内多个生理参数，不仅可以有效保护颅内组织和采集装置，而且可通过自动校正使检测参数能有更高的准确度。
[0013]本发明的颅内生理参数采集装置，具有以插入端为前端并在长度方向延伸的基体，在由前端向后长度方向的外侧面间隔设有用于检测生理参数的传感单元的检测窗口，所述的生理参数包括物理参数和化学物质参数，其中检测物理参数的传感单元至少包括压力传感单元和温度传感单元中的一种；检测化学物质参数的传感单元至少包括氧分压传感单元、二氧化碳分压传感单元和PH值传感单元中的一种，并且检测化学物质参数的各传感单元通过光传导结构连接到激发光源，在其检测窗口上覆有与所述激发光源对应的荧光结构，荧光结构可被激发光激发产生荧光，当氧分子、二氧化碳分子、氢离子等脑组织代谢物质与所述荧光结构中的荧光物质接触后，能引起荧光强度或荧光寿命的变化，激发产生的荧光反射回光传导结构后经处理，即可根据荧光强度或寿命的变化计算出氧分子、二氧化碳分子、氢离子等化学物质的浓度。各光传导结构与各物理参数的传感单元的信号传输结构均以相互独立的结构分别连接到信号处理单元和/或显示单元。本发明的采集装置可以通过一个创口同时检测多个必要的物理参数和化学物质参数，降低了对患者的脑组织损伤。并且是将各传感单元的检测窗口设置在插入端的侧面，这样就避免了传统将传感器设在插入端前端面易于损坏的问题。同时，还可以通过温度参数的反馈进一步对其它生理参数进行相应的校正，提高各数据的准确性。各检测物理参数和化学物质参数的传感单元分别由独立的结构与处理单元连接，从而可以使各种不同的参数间不会相互干扰。其中，所述的处理单元与显示单元，以及存储模块等可以为相互分离的，也可以是结合为一体的。
[0014]上述所述的荧光结构，一般可以采用由高分子材料和有机染料、多环芳烃或过渡金属有机络合物等组成的荧光敏感膜的形式，例如钌或铑等过渡金属有机络合物与高分子材料组成的荧光敏感膜形式。
[0015]优选的，在检测化学物质参数的传感单元的检测窗口与所述光传导结构之间设有能使激发光对所述荧光结构的入射角< 45°的反射面。现有的各种生理数据采集装置针对荧光数据的采集经常不准确，原因之一是激发光无论是常规的直线传播，还是光纤中的全反射传播，都仅有少量激发光激发到荧光结构，大部分激发光都被反射或折射损失掉，甚至还有激发光的传播方向与荧光结构是平行的，这样对荧光结构的有效激发光量很有限。而本发明中设置的反射面能够根据光传导结构的性质进行相应的角度设置，使激发光最大程度的照射到荧光结构上，使被反射的激发光最少，被激发的荧光量最多，将激发光被最大限度的得到利用，从而大幅度提高了检测数据的准确性。
[0016]进一步的，所述的压力传感单元中包括压电型传感元件，例如压电芯片等，其信号经金属的信号传输结构输出。实验得知，利用现有的压电式压力传感方式比目前已有报道常用的光纤光干涉的探测方式探测到的压力数值更加稳定可靠，而且灵敏度也更高。检测化学物质参数的传感单元中可以包括常规的荧光光纤传感元件，用于感应激发出的荧光。
[0017]进一步的，所述的温度传感单元中包括热电偶或热电阻类型的测温元件，其信号经金属的信号传输结构输出。热电偶或热电阻温度传感器不但应用广泛、结构简单、成本低，而且热电偶E分度号的一级热偶丝精度可以达到± 0.5°C，高精度热电阻精度可以达到±0.15°C，完全满足人体温度检测需要，并且有足够的灵敏度和准确性。
[0018]所述的各光传导结构为光纤结构，并且与各信号传输结构均与所述基体的轴线平行排列，以方便与相应导管配合。
[0019]优选的，所述插入端的插入端面为圆滑弧面，这样插入端在插入穿刺时，不但能够保护颅内组织，而且还降低了穿刺的阻力。
[0020]进一步的，所述插入端的至少非检测窗口 部的外表面覆盖有与生物相容的高分子或金属的层结构，例如可以为304或316不锈钢，以及钛合金、聚四氟乙烯、聚酰胺、硅橡胶或聚碳酸酯等，同时各信号传导结构外也可以设有所述的层结构。在插入端内还填充有高分子填充结构。这样能够避免患者体内出现过敏、排异、感染等风险。
[0021]为了避免采集对象的创面过大，优选是将所述插入端的直径设置为< 80mm，传输结构的直径< 5mmο
[0022]可选的一种方式为，所述各生理参数传感单元中，检测物理参数的传感单元位于检测化学物质参数的传感单元之前，以方便实际使用中使检测颅内压力、温度的传感器可位于脑实质或脑室，而用于检测氧/ 二氧化碳分压、PH值等化学物质的传感器一般可只在脑实质区域的工作方式。更优选的方式为所述各生理参数传感单元的检测窗口分别在所述基体长度方向的同一外侧面部位间隔排布，这样既可以单独使用本发明的采集装置，也可以将该采集装置方便的安装于如常用导管等其它植入器械上一同使用。
[0023]本发明还提供了上述采集装置在颅内生理参数采集中的应用。
[0024]由于所激发荧光中的荧光物质的猝灭常数可随温度的不同而变化，因此为了进一步提高检测的准确性，在本发明上述颅内生理参数采集装置的实际控制电路结构中，可进一步在温度检测输出电路中增加反馈电路，根据通过采集装置检测到的温度数据和荧光信号计算包括颅内氧分子、二氧化碳分子和/或氢离子在内的颅内代谢物质的浓度，并且通过检测的实时温度数据修正至少包括化学物质参数在不同温度下的信号漂移误差。这些反馈校正或修正的原理及相应的电路结构，都已是目前容易实现的常规和成熟技术。
[0025]本发明的颅内生理参数采集装置和应用，能够同时采集颅内多个生理参数，特别是为重型颅脑损伤患者的诊治能够提供更加及时、准确、丰富的参考数据和反馈治疗效果，能够及时有效地指导纠正患者脑缺血缺氧情况，又能够正确地指导脱水剂的应用以降低颅内压力。所采集到的各生理参数具有很高的准确性，而且在采集过程中能够有效保护颅内组织和采集装置以及各传感单元。
[0026]以下结合实施例的【具体实施方式】，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
【附图说明】
[0027]图1为本发明颅内生理参数采集装置的纵向剖面示意图。
[0028]图2为图1装置中的化学传感器内部激发光反射示意图。
[0029]图3为本发明型颅内生理参数采集装置的总电路示意框图。
[0030]图4为图3中压力传感单元的电路图。
[0031]图5为图3中温度传感单元的电路图。
[0032]图6为图3中光电转换电路。
[0033]图7为图3中的电源电路。
【具体实施方式】
[0034]如图1所示本发明的颅内生理参数采集装置，具有以插入端为前端并在长度方向延伸的基体，插入端的前端面为圆滑弧面2，以在刺穿时保护颅内组织。插入端的外表面覆盖有与生物相容的高分子层结构3，如聚四氟乙烯、聚酰胺、硅橡胶或聚碳酸酯等，避免患者体内出现过敏、排异、感染等风险。在由前端向后长度方向的外侧面间隔设有用于检测生理参数的传感单元的检测窗口，所述的生理参数包括物理参数和化学物质参数，其中检测物理参数的传感单元包括具有压电型传感元件的压力传感单元I和具有热电阻测温元件的温度传感单元12，其中热电阻测温元件优选高精度热电阻，精度要求〈±0.5摄氏度。压电传感元件优选是压电芯片(也可以采用光纤光干涉元件)，压电芯片的长X宽〈lmmXlmm，使用时颅内压力作用于压电芯片表面的电阻膜，引起电阻的变化，通过检测电信号的变化情况获得颅内实时压力数据，压电芯片表面的电阻膜上面还覆盖有一层生物相容的保护膜，减少患者体内出现过敏、排异、感染等风险。
[0035]检测化学物质参数的传感单元包括氧分压传感单元4、二氧化碳分压传感单元13和/或PH值传感单元(图中未示出)，并且检测化学物质参数的各传感单元均通过光纤结构的光传导结构8连接到激发光源，以及在各检测窗口上均覆有与所述激发光源对应的荧光结构10。所述的荧光结构10可以为由高分子材料和有机染料、多环芳烃或过渡金属有机络合物等组成的荧光敏感膜，其中优选钌或铑等过渡金属有机络合物与高分子材料组成的荧光敏感膜。荧光结构10可被激发光激发产生荧光，当氧分子、二氧化碳分子、氢离子等脑组织代谢物质与所述荧光中的荧光物质接触后，能引起荧光强度或荧光寿命的变化现象，激发产生的荧光反射回光传导结构8后经处理，即可根据荧光的变化计算出氧分子、二氧化碳分子、氢离子等化学物质的浓度。
[0036]检测物理参数的传感单元的检测窗口位于检测化学物质参数的传感单元的检测窗口之前，并且在检测物理参数的传感单元检测窗口上覆盖有厚度〈1mm的高分子膜11，减少人体生理对采集装置的反应意外，还尽量减小了高分子膜11对监测数据产生的误差。位于最前端的检测窗口与插入端的前端面间距约0.1_，压力传感单元检测窗口和温度传感单元检测窗口间距>0.1mm，最前端的检测窗口和第一个化学物质参数传感单元检测窗口的间距>0.5mm。检测各物理参数的传感单元的金属导线结构信号传输结构7与检测化学物质参数的传感单元的光纤结构等光传导结构8分别以相互独立的方式连接到信号处理单元。各信号传输结构7和光传导结构8均与所述基体的轴线平行排列，以方便与相应导管配合。每根金属导线或光纤的直径应< 5_，这样便于控制最终的信号传输结构直径在80_以内。各信号传输结构7和光传导结构8连接后端的信号接口单元5后，通过电信号转换接口 51和光信号转换接口 52经常规的USB接口或多针插脚接口与外界通用的医用监护仪或显示设备(如飞利浦多参数监护仪，迈瑞多参数监护仪，笔记本电脑等)连接，将通过插入端采集的数据进行显示。信号接口单元5内部设有记忆芯片和信号处理芯片，激发光源和光电转换器也可设于其中。各传感单元的零点数据、校准参数、信号换算函数等基本信息被记录在所述的记忆芯片内，信号处理芯片能够调取处理后的即时温度数据，并将其作为校准参数用于计算采集的即时荧光信号。
[0037]如图1和图2所示，在检测化学物质参数的传感单元的检测窗口与所述光传导结构8之间设有能使激发光(图2箭头所示)对所述荧光结构的入射角β < 45°反射面9，反射面9可以为玻璃或高分子透明实心结构。反射面9的角度根据光传导结构单模或多模的性质做相应的设置，使激发光和荧光得到最大程度的利用，极大提高采集数据的准确性。
[0038]荧光结构10的制备方法之一为:采用溶胶一凝胶法制备氧传感膜:荧光物质选用钌络合物Ru (ph2phen) 32+，溶胶-凝胶法制备可透过氧分子 的硅薄膜。将硅醇盐四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷、交联剂二甲基二甲氧基硅烷与pH-Ι (pH以盐酸调节)的水混合，乙醇或甲醇为共溶剂，醇与水的摩尔比为4:1。钉化合物加入到前驱液中，混合液搅拌I小时。钉化合物的浓度为2.5 μ g/mL。强烈搅拌后，溶胶在70°C下陈化18小时，提高水解和缩聚。而后在无气流条件下以硅胶片或显微镜玻片为基体铺膜，硅胶片或显微镜玻片均以去离子水、甲醇和丙酮洗涤，并用去离子水漂洗。然后在70°C下干燥18小时，即得厚度为0.0lmm的透明传感膜。将制备好的传感膜按需要切割成片，将切割好的传感膜用胶水固定于传感器上。传感膜中的?!了络合物Ru (ph2phen) 32+被470nm激发光照射后能发出630 - 680mm的荧光。
[0039]激发光源采用欧司朗LB W5SN-GYHZ-25蓝光激光二极管，能产生470nm波长的蓝光。光纤选用浙江新势力光电公司生产的分劈式Y型光纤，型号:NY200-2-VIS-M。
[0040]如图3所示，总体电路方面，压力数据的采集用芯微科的CMAD070P压力传感芯片，5伏电压驱动，以差分信号反应压力数值；温度数据的采集用晶品电子公司的TH03热电阻(负温度系数热敏电阻器NTC);光信号数据的采集使用美国TAOS公司的TSL12T光电传感器芯片；信号处理芯片采用意法半导体公司的STM32型单片机。
[0041]如图4所示，在压力传感单元I中，压电芯片CMAD070P将压力信号转变为电压信号，经过专用仪表放大器INA128将电压信号放大，精密运算放大器0PA177作为射随(射基跟随)缓冲，对前一芯片信号进行补充，经过处理的差分电压信号被传送给信号处理单片机 STM32。
[0042]如图5所示的温度传感单元的电路图。温度数据的采集使用负温度系数的热敏电阻器NTC，热敏电阻器NTC用作分压放大，当温度影响热敏电阻器NTC变化时，相应的分压电压也发生变化。为提高温度检测的精度，采用REF29XX系列电压基准源，使热敏电阻器获得稳定的电压。热敏电阻器采集的温度信号，采用低噪音精密轨至轨运放OPA2365，使信号进一步放大并提高精度，可以达到0.01摄氏度的精度。处理后的信号进一步被传送给信号处理单片机STM32。
[0043]如图6所不的光电转换电路，光信号被光电传感器芯片TSL12T米集后被转换为电压信号，电压信号被精密运算放大器OPA177进一步放大并起到一个射随缓冲作用，处理后的信号进一步被传送给信号处理单片机STM32。
[0044]如图7所示，在系统的电源电路中，发光二极管D3是电源显示灯，二极管SS510放置电路接反，过流保护丝Fl和稳压二极管D5都是电源过载保护器，降压转换器TPS5430将正电压转为负电压，通过第一稳压芯片LM7905能输出稳定的负电压，电阻R20和R21对电源电压实时监测，电阻R20和R21对输入电源起分压作用，通过单片机STM32采集电压分析电源输入的供电大小，通过第二稳压芯片LM7805能输出稳定的正电压，主控芯片AMS1117将5伏电压将至3.3伏，为单片机提供电源。
[0045]主控芯片采用意法半导体公司的STM32F103VCT6型号单片机，各传感信号依次接入单片机的对应管脚，如PA0、PA1、PA2等管脚。单片机可以计算各传感信号的调零值、函数计算、以及通过实时温度数据修正其它参数信号漂移误差等数据。单片机的所有程序通过 JTAG端口下载，所有处理的信号通过端口 USART与PC电脑、其它显示设备等连接并通信。
【主权项】
1.颅内生理参数采集装置，其特征为:具有以插入端为前端并在长度方向延伸的基体，在由前端向后长度方向的外侧面间隔设有用于检测生理参数的传感单元的检测窗口，所述的生理参数包括物理参数和化学物质参数，其中检测物理参数的传感单元至少包括压力传感单元(I)和温度传感单元(12)中的一种；检测化学物质参数的传感单元至少包括氧分压传感单元(4)、二氧化碳分压传感单元(13)和pH值传感单元中的一种，至少检测化学物质参数的各传感单元通过光传导结构(8)连接到激发光源，并且在其检测窗口上覆有与所述激发光源对应的荧光结构(10);各光传导结构(8)与各物理参数的传感单元的信号传输结构(7)均以相互独立的结构分别连接到信号处理单元和/或显示单元。2.如权利要求1所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:在检测化学物质参数的传感单元的检测窗口与所述光传导结构(8)之间设有能使激发光对所述荧光结构的入射角(45。的反射面(9) ο3.如权利要求1或2所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:所述的压力传感单元(I)中包括压电型传感元件，其信号经金属的信号传输结构(7)输出。4.如权利要求1或2所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:所述的温度传感单元(12)中包括热电偶或热电阻类型的测温元件，其信号经金属的信号传输结构(7)输出。5.如权利要求1或2所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:所述插入端的插入端面为圆滑弧面(2)。6.如权利要求1或2所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:所述插入端的至少非检测窗口部的外表面覆盖有与生物相容的高分子或金属的层结构(3)，插入端内填充有高分子填充结构。7.如权利要求1或2所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:所述插入端的直径(80mm，传输结构的直径< 5mm。8.如权利要求1或2所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:所述检测物理参数的传感单元位于检测化学物质参数的传感单元之前，优选为所述各生理参数传感单元的检测窗口在所述基体长度方向的同一外侧面部位间隔排布。9.权利要求1至8之一所述的采集装置在颅内生理参数采集中的应用。10.如权利要求9所述的应用，其特征为:根据通过采集装置检测到的温度数据和荧光信号计算包括颅内氧分子、二氧化碳分子和/或氢离子在内的颅内代谢物质的浓度，并且通过检测的实时温度数据修正至少包括化学物质参数在不同温度下的信号漂移误差。
【专利摘要】本发明涉及颅内生理参数采集装置和应用，在采集装置中具有以插入端为前端并在长度方向延伸的基体，在由前端向后长度方向的外侧面间隔设有用于检测生理参数的传感单元的检测窗口，检测化学物质参数的各传感单元均通过光传导结构连接到激发光源，各检测窗口上均覆有与所述激发光源对应的荧光结构；各检测窗口经相互独立的信号传输结构连接到信号处理单元。本发明可以同时采集颅内多个生理参数，能够提供更加及时、准确、丰富的参考数据，为临床救治工作提供更可靠的依据和支持。
【IPC分类】A61B5/1455, A61B5/03, A61B5/01
【公开号】CN104905781
【申请号】CN201510075705
【发明人】林昌军
【申请人】林昌军
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年2月13日
【技术领域】
[0001]本发明涉及医用生理数据的采集装置和对该采集装置的应用，具体的讲是颅内生理参数采集装置和应用。
【背景技术】
[0002]重型颅脑损伤是神经外科常见急症之一，具有较高的致死致残率。颅脑损伤后，脑组织的挫伤、应激反应或者出血导致血管痉挛、栓塞、压迫狭窄或者微循环损伤，引起脑组织组织代谢、分泌异常(如缺血缺氧，脑脊液分泌异常等)，脑积液循环受阻或各种有害成分如二氧化碳和乳酸等蓄积引起脑组织水肿或者脑积液增多，导致颅内压增高，颅内压的持续增高又进一步导致脑组织代谢、分泌异常，形成恶性循环。颅内压持续增高，可导致脑组织受压移位而发生脑疝；若颅内压增高超过3.33kPa(25mmHg)即可引起严重的脑功能丧失，甚至造成脑死亡。对重型颅脑损伤患者采取亚低温治疗显示出明显优势，临床对该治疗方案日渐重视，已有很多国内外学者发表了采用亚低温治疗重型颅脑损伤的文献，而治疗过程中都需要准确的控制颅内温度。现有的产品如美国强生公司的codman颅内压探条和法国Sophysa公司的颅内压探条均采用压电感应芯片采集颅内压力和温度数据；美国integra公司的camino颜内压探条采用光纤光干涉原理采集颜内压力和温度数据。国内有采用诱发电位(如闪光视觉诱发电位)技术的无创颅内压监护仪，这些产品由于准确率低，操作复杂，如患者视神经受损或头部缠有纱布，将无法对患者进行监测。有创颅内压监测一直都被国内外医护人员视为颅内压监测的“金标准”。
[0003]由于受制于脑损伤的认识和技术条件限制，早期研发的这些产品，都没有将脑氧分压、脑二氧化碳分压、脑PH等脑代谢物质纳入监测范围。
[0004]已有大量医学研宄文献表明:在重型颅脑伤后脑氧分压值〈lOmmHg，可认为是脑缺氧的阈值；伤后24小时内脑氧分压值<5mmHg预示病人预后不良；脑组织氧分压测定可指导医护人员是否选择过度换气。有时虽然颅内压在正常范围，脑缺血依然存在，并且这种脑缺血能直接影响患者的预后，如弥漫性脑损伤(包括弥漫性轴索损伤、弥漫性脑肿胀、弥漫性微血管痉挛和缺氧性脑损害)；在美国创伤昏迷数据库中(TCDB)，弥漫性脑损伤占55%，其中12.6%的患者无影像学改变，颅内压在正常范围内。所以相比颅内压值，脑氧分压值能更敏感地体现脑组织的供血供氧状态，可以尽早发现脑缺血缺氧情况，以便及时采取措施提高脑组织氧分压，使神经细胞氧代谢得到改善，预防高颅压的出现。目前最新的TBI(脑创伤)救治指南就包含了脑组织氧分压(Pbt02)的监测。因此对于重型颅脑损伤患者脑氧分压联合颅内压监测既可及时有效地指导纠正脑缺血缺氧情况，又可正确地指导脱水剂的应用，在重型颅脑损伤患者的治疗中具有良好的效果和重要的价值。而二氧化碳分压、PH等数据能更广泛的反映重型颅脑损伤后脑组织的代谢情况，能为医护人员提供更充分的诊疗依据。
[0005]现在仅有的脑组织氧分压监测仪是integra公司的LICOX产品，采用的是clark溶氧电极技术，使用时需要施加电流和消耗周围组织氧，并且氧透过膜和电极容易老化，容易受其他气体、溶剂等的干扰，长时间存放后需要校准，所以没有得到神经外科医生的广泛认可，逐渐退出中国市场。其它通过近红外光线在颅脑外监测血氧饱和度的方法，受制于个体颅骨厚度不同，准确率较低，并且得到的是氧合数据，是间接的组织氧含量数据，因此现在主要用于颅骨非常薄的新生儿监护。
[0006]近年来，光化学传感器因其高灵敏度，高选择性等特点逐渐受到关注。这类传感器是基于某些有机染料、多环芳烃或过渡金属有机络合物在合适的光激发下会发射荧光(或磷光)，氧、二氧化碳等分子或氢离子等化学物质能与荧光物质分子之间发生物理或化学作用，使荧光(或磷光)强度减弱、增强或者使荧光寿命发生变化。根据荧光强度变化或者荧光寿命变化的程度可以确定氧、二氧化碳等分子或氢离子等颅内化学物质的浓度。荧光化学传感器不消耗被测物质，选择性高，反应灵敏，一次校准后可长时间连续使用。因此这类技术的产品逐渐替代clark溶氧电极，受到环境、工业领域的认可。常规使用的荧光化学传感器是将光纤一端的包覆膜去掉，将荧光敏感膜涂敷在裸露玻璃纤维尖端上形成敏感区，这样的传感器如果整合到其他传感器探条上，尖端敏感区大部分将被遮挡，与监测环境接触的敏感区太小，效率低。同时这样的传感器在插入人体组织时尖端极易损坏。
[0007]温度对于荧光物质荧光强度有着显著的影响。如荧光猝灭过程中可能发生:1.动态猝灭(猝灭剂与荧光物质的激发态分子之间的相互作用)，2.静态猝灭(猝灭剂与荧光物质的基态分子之间的相互作用)。对于动态猝灭，通过公式推导得Stern-Volmer方程式:F0/F = 1+KSV[Q] = l+KJjQ]，其中Ksv为动态猝灭常数，Kq为动态荧光猝灭速率常数，Ttl为无猝灭剂时荧光分子的平均寿命；对于静态猝灭，推导公式=FcZF = 1+KS[Q]，其中Ks为静态猝灭常数，Ftl为无猝灭剂时的荧光强度，F为有猝灭剂时的荧光强度。动态猝灭依赖于扩散，因此荧光物质的猝灭常数将随温度的升高而增加，温度升高荧光强度减小；而对于静态猝灭，温度升高则导致基态配合物稳定性下降，因此静态猝灭常数将随温度的升高而减小，温度升高荧光强度增强。有文献研宄显示动态荧光猝灭，温度升高1°C，荧光强度下降I?10 %不等。因此采用荧光光纤技术检测氧、二氧化碳等分子或氢离子等化学物质的浓度时，需要对不同温度下荧光的变化与被检测物质浓度之间的函数关系进行修正，这样计算得到的浓度才是真实准确的数据。
[0008]CN102205162B的中国专利介绍了一种将外引流管和颅内压、温度整合在一起的装置，该装置能满足监测脑积水过多引起的颅内压增高情况，同时具有引流脑积水的用途。但是在实际使用当中，颅内压的增高并不一定都是脑积水过多造成，还有很多原因:脑组织的占位性病变、脑出血、颅内各种炎症、脑缺血缺氧或者中毒导致的脑组织水肿等都不需要引流脑脊液，特别是脑组织水肿到达一定程度后脑室完全消失，更是不能使用带引流管的监测探条。该发明将压力感应芯片设置在引流管内，如果引流孔堵塞，所得颅内压力数据不准确将误导医护人员。反应温度变化的传感器位于探头内部，没有和脑组织直接接触，所测得的温度变化要迟于实际的颅内温度变化。CN102499665B介绍的一种基于光纤传感的微型颅内多参数传感器，其原理是基于光纤光干涉原理检测颅内压力和温度。该专利将法布里-泊罗腔的压力应变隔膜直接置于探头最前端，与脑组织直接接触而无任何保护装置。由于压力应变隔膜的厚度决定了这种传感器的灵敏度，越薄越灵敏，但是这种无保护的探头在穿刺脑组织时，压力应变隔膜存在受力过大而破碎的危险。公开号CN103417197A和CN103829936A的专利中均采用法布里-泊罗腔技术检测颅内压力和温度，并对压力应变隔膜和信号传导光纤作了一些改进。这些专利只对颅内压力和 温度进行监测，没有将氧分压等脑代谢数据纳入监测范围，有明显的局限性。
[0009]此外在US4752115A的美国专利中介绍了直接在光纤顶端涂抹氧敏感物质监测环境中氧含量的技术方案，但这种形式光纤顶尖端无保护容易损坏。在公开号CN202005754U和US5127405A文献中记载了将荧光光纤技术应用到监测血液中化学物质:氧气、二氧化碳、氢离子等，这些专利中将多种荧光敏感物质置于一根光纤的末端，荧光物质被保护膜覆盖，保护膜能选择性透过氧和/或二氧化碳。这样存在的问题是:1.激发光需要同时能激发两种荧光物质，波长范围可能较宽，同时产生的荧光之间存在相互干扰的可能，对于需要精密监测的颅内代谢情况，这样的结构将导致监测数据的不准确以及探条或信号分析装置异常复杂的问题；2.涂有荧光物质的尖端没有受到有效保护，容易在穿刺过程中破损。专利公开文本US5005576A、US2009075321A1和US20090216097设计的可监测人体内氧分子、二氧化碳或氢离子的探条，他们为光纤荧光敏感的尖端提供了一个坚硬的保护套便于穿刺，使用半透膜选择被检测物质的种类，通过荧光的变化反应被检测物质的浓度。这样的设计，由于使用多根信号光纤，涂有荧光物质的尖端被并行排列在同一截面上，使得尖端体积巨大，对患者损伤较大；同时每个尖端荧光区域只一部分可被使用，对激发光和荧光的使用率都非常低，所得信号较弱。同时，以上发明都不能监测人体内部压力和温度情况，更没有通过温度对荧光数据进行校准，有明显的局限性，不适用于重型颅脑损伤监测精确要求。
[0010]美国专利US8694069描述了一种多参数荧光光纤探条用于人体组织的监测；专利设计将人体组织的各种代谢物质的监测纳入保护范围；其荧光敏感区域为探条侧壁上特殊的空腔孔径，光纤一端与这种空腔孔径紧密相接，荧光物质置于空腔孔径内，空腔孔径口覆盖有选择性半透膜；专利将温度监测纳入保护范围。该专利不足之处:1.空腔内放置荧光物质，激发光需要从光纤进入空腔，荧光则需要从空腔返回到光纤；由于空腔和光纤是两种不同的介质，光线在不同物质中的折射率不同，荧光从空腔向光纤传播时，荧光的大部分被反射回空腔。这样的设计不能最大限度的将产生的荧光反馈回光纤，使得返回信号弱，信号噪音和信号不宜区分。2.待测物质需要透过空腔侧面的选择性透过膜才能进入空腔，空腔内外待测物质的浓度并不能完全一致，空腔内的待测物浓度变化会迟于空腔外的浓度变化，造成监测数据的不准和延迟。3.该专利没有给出压力传感器明确的设计方法，而现有的技术还不能获得高灵敏度的荧光压力传感器。4.由于每个荧光传感器都需要校准，为能实现即插即用的便捷性，校准时的零点数据、温度参数和计算函数应该作为荧光传感器的一个组成部分，因此探条必须要具有保存零点数据和温度参数的功能，否则其每次使用都需要校准。
[0011]因此，现有的各种装置都不能满足对重型颅脑损伤患者颅内情况的监测要求，包括微创、安全、多参数、高灵敏等。
【发明内容】
[0012]本发明提供了一种颅内生理参数采集装置和应用，可以同时采集颅内多个生理参数，不仅可以有效保护颅内组织和采集装置，而且可通过自动校正使检测参数能有更高的准确度。
[0013]本发明的颅内生理参数采集装置，具有以插入端为前端并在长度方向延伸的基体，在由前端向后长度方向的外侧面间隔设有用于检测生理参数的传感单元的检测窗口，所述的生理参数包括物理参数和化学物质参数，其中检测物理参数的传感单元至少包括压力传感单元和温度传感单元中的一种；检测化学物质参数的传感单元至少包括氧分压传感单元、二氧化碳分压传感单元和PH值传感单元中的一种，并且检测化学物质参数的各传感单元通过光传导结构连接到激发光源，在其检测窗口上覆有与所述激发光源对应的荧光结构，荧光结构可被激发光激发产生荧光，当氧分子、二氧化碳分子、氢离子等脑组织代谢物质与所述荧光结构中的荧光物质接触后，能引起荧光强度或荧光寿命的变化，激发产生的荧光反射回光传导结构后经处理，即可根据荧光强度或寿命的变化计算出氧分子、二氧化碳分子、氢离子等化学物质的浓度。各光传导结构与各物理参数的传感单元的信号传输结构均以相互独立的结构分别连接到信号处理单元和/或显示单元。本发明的采集装置可以通过一个创口同时检测多个必要的物理参数和化学物质参数，降低了对患者的脑组织损伤。并且是将各传感单元的检测窗口设置在插入端的侧面，这样就避免了传统将传感器设在插入端前端面易于损坏的问题。同时，还可以通过温度参数的反馈进一步对其它生理参数进行相应的校正，提高各数据的准确性。各检测物理参数和化学物质参数的传感单元分别由独立的结构与处理单元连接，从而可以使各种不同的参数间不会相互干扰。其中，所述的处理单元与显示单元，以及存储模块等可以为相互分离的，也可以是结合为一体的。
[0014]上述所述的荧光结构，一般可以采用由高分子材料和有机染料、多环芳烃或过渡金属有机络合物等组成的荧光敏感膜的形式，例如钌或铑等过渡金属有机络合物与高分子材料组成的荧光敏感膜形式。
[0015]优选的，在检测化学物质参数的传感单元的检测窗口与所述光传导结构之间设有能使激发光对所述荧光结构的入射角< 45°的反射面。现有的各种生理数据采集装置针对荧光数据的采集经常不准确，原因之一是激发光无论是常规的直线传播，还是光纤中的全反射传播，都仅有少量激发光激发到荧光结构，大部分激发光都被反射或折射损失掉，甚至还有激发光的传播方向与荧光结构是平行的，这样对荧光结构的有效激发光量很有限。而本发明中设置的反射面能够根据光传导结构的性质进行相应的角度设置，使激发光最大程度的照射到荧光结构上，使被反射的激发光最少，被激发的荧光量最多，将激发光被最大限度的得到利用，从而大幅度提高了检测数据的准确性。
[0016]进一步的，所述的压力传感单元中包括压电型传感元件，例如压电芯片等，其信号经金属的信号传输结构输出。实验得知，利用现有的压电式压力传感方式比目前已有报道常用的光纤光干涉的探测方式探测到的压力数值更加稳定可靠，而且灵敏度也更高。检测化学物质参数的传感单元中可以包括常规的荧光光纤传感元件，用于感应激发出的荧光。
[0017]进一步的，所述的温度传感单元中包括热电偶或热电阻类型的测温元件，其信号经金属的信号传输结构输出。热电偶或热电阻温度传感器不但应用广泛、结构简单、成本低，而且热电偶E分度号的一级热偶丝精度可以达到± 0.5°C，高精度热电阻精度可以达到±0.15°C，完全满足人体温度检测需要，并且有足够的灵敏度和准确性。
[0018]所述的各光传导结构为光纤结构，并且与各信号传输结构均与所述基体的轴线平行排列，以方便与相应导管配合。
[0019]优选的，所述插入端的插入端面为圆滑弧面，这样插入端在插入穿刺时，不但能够保护颅内组织，而且还降低了穿刺的阻力。
[0020]进一步的，所述插入端的至少非检测窗口 部的外表面覆盖有与生物相容的高分子或金属的层结构，例如可以为304或316不锈钢，以及钛合金、聚四氟乙烯、聚酰胺、硅橡胶或聚碳酸酯等，同时各信号传导结构外也可以设有所述的层结构。在插入端内还填充有高分子填充结构。这样能够避免患者体内出现过敏、排异、感染等风险。
[0021]为了避免采集对象的创面过大，优选是将所述插入端的直径设置为< 80mm，传输结构的直径< 5mmο
[0022]可选的一种方式为，所述各生理参数传感单元中，检测物理参数的传感单元位于检测化学物质参数的传感单元之前，以方便实际使用中使检测颅内压力、温度的传感器可位于脑实质或脑室，而用于检测氧/ 二氧化碳分压、PH值等化学物质的传感器一般可只在脑实质区域的工作方式。更优选的方式为所述各生理参数传感单元的检测窗口分别在所述基体长度方向的同一外侧面部位间隔排布，这样既可以单独使用本发明的采集装置，也可以将该采集装置方便的安装于如常用导管等其它植入器械上一同使用。
[0023]本发明还提供了上述采集装置在颅内生理参数采集中的应用。
[0024]由于所激发荧光中的荧光物质的猝灭常数可随温度的不同而变化，因此为了进一步提高检测的准确性，在本发明上述颅内生理参数采集装置的实际控制电路结构中，可进一步在温度检测输出电路中增加反馈电路，根据通过采集装置检测到的温度数据和荧光信号计算包括颅内氧分子、二氧化碳分子和/或氢离子在内的颅内代谢物质的浓度，并且通过检测的实时温度数据修正至少包括化学物质参数在不同温度下的信号漂移误差。这些反馈校正或修正的原理及相应的电路结构，都已是目前容易实现的常规和成熟技术。
[0025]本发明的颅内生理参数采集装置和应用，能够同时采集颅内多个生理参数，特别是为重型颅脑损伤患者的诊治能够提供更加及时、准确、丰富的参考数据和反馈治疗效果，能够及时有效地指导纠正患者脑缺血缺氧情况，又能够正确地指导脱水剂的应用以降低颅内压力。所采集到的各生理参数具有很高的准确性，而且在采集过程中能够有效保护颅内组织和采集装置以及各传感单元。
[0026]以下结合实施例的【具体实施方式】，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
【附图说明】
[0027]图1为本发明颅内生理参数采集装置的纵向剖面示意图。
[0028]图2为图1装置中的化学传感器内部激发光反射示意图。
[0029]图3为本发明型颅内生理参数采集装置的总电路示意框图。
[0030]图4为图3中压力传感单元的电路图。
[0031]图5为图3中温度传感单元的电路图。
[0032]图6为图3中光电转换电路。
[0033]图7为图3中的电源电路。
【具体实施方式】
[0034]如图1所示本发明的颅内生理参数采集装置，具有以插入端为前端并在长度方向延伸的基体，插入端的前端面为圆滑弧面2，以在刺穿时保护颅内组织。插入端的外表面覆盖有与生物相容的高分子层结构3，如聚四氟乙烯、聚酰胺、硅橡胶或聚碳酸酯等，避免患者体内出现过敏、排异、感染等风险。在由前端向后长度方向的外侧面间隔设有用于检测生理参数的传感单元的检测窗口，所述的生理参数包括物理参数和化学物质参数，其中检测物理参数的传感单元包括具有压电型传感元件的压力传感单元I和具有热电阻测温元件的温度传感单元12，其中热电阻测温元件优选高精度热电阻，精度要求〈±0.5摄氏度。压电传感元件优选是压电芯片(也可以采用光纤光干涉元件)，压电芯片的长X宽〈lmmXlmm，使用时颅内压力作用于压电芯片表面的电阻膜，引起电阻的变化，通过检测电信号的变化情况获得颅内实时压力数据，压电芯片表面的电阻膜上面还覆盖有一层生物相容的保护膜，减少患者体内出现过敏、排异、感染等风险。
[0035]检测化学物质参数的传感单元包括氧分压传感单元4、二氧化碳分压传感单元13和/或PH值传感单元(图中未示出)，并且检测化学物质参数的各传感单元均通过光纤结构的光传导结构8连接到激发光源，以及在各检测窗口上均覆有与所述激发光源对应的荧光结构10。所述的荧光结构10可以为由高分子材料和有机染料、多环芳烃或过渡金属有机络合物等组成的荧光敏感膜，其中优选钌或铑等过渡金属有机络合物与高分子材料组成的荧光敏感膜。荧光结构10可被激发光激发产生荧光，当氧分子、二氧化碳分子、氢离子等脑组织代谢物质与所述荧光中的荧光物质接触后，能引起荧光强度或荧光寿命的变化现象，激发产生的荧光反射回光传导结构8后经处理，即可根据荧光的变化计算出氧分子、二氧化碳分子、氢离子等化学物质的浓度。
[0036]检测物理参数的传感单元的检测窗口位于检测化学物质参数的传感单元的检测窗口之前，并且在检测物理参数的传感单元检测窗口上覆盖有厚度〈1mm的高分子膜11，减少人体生理对采集装置的反应意外，还尽量减小了高分子膜11对监测数据产生的误差。位于最前端的检测窗口与插入端的前端面间距约0.1_，压力传感单元检测窗口和温度传感单元检测窗口间距>0.1mm，最前端的检测窗口和第一个化学物质参数传感单元检测窗口的间距>0.5mm。检测各物理参数的传感单元的金属导线结构信号传输结构7与检测化学物质参数的传感单元的光纤结构等光传导结构8分别以相互独立的方式连接到信号处理单元。各信号传输结构7和光传导结构8均与所述基体的轴线平行排列，以方便与相应导管配合。每根金属导线或光纤的直径应< 5_，这样便于控制最终的信号传输结构直径在80_以内。各信号传输结构7和光传导结构8连接后端的信号接口单元5后，通过电信号转换接口 51和光信号转换接口 52经常规的USB接口或多针插脚接口与外界通用的医用监护仪或显示设备(如飞利浦多参数监护仪，迈瑞多参数监护仪，笔记本电脑等)连接，将通过插入端采集的数据进行显示。信号接口单元5内部设有记忆芯片和信号处理芯片，激发光源和光电转换器也可设于其中。各传感单元的零点数据、校准参数、信号换算函数等基本信息被记录在所述的记忆芯片内，信号处理芯片能够调取处理后的即时温度数据，并将其作为校准参数用于计算采集的即时荧光信号。
[0037]如图1和图2所示，在检测化学物质参数的传感单元的检测窗口与所述光传导结构8之间设有能使激发光(图2箭头所示)对所述荧光结构的入射角β < 45°反射面9，反射面9可以为玻璃或高分子透明实心结构。反射面9的角度根据光传导结构单模或多模的性质做相应的设置，使激发光和荧光得到最大程度的利用，极大提高采集数据的准确性。
[0038]荧光结构10的制备方法之一为:采用溶胶一凝胶法制备氧传感膜:荧光物质选用钌络合物Ru (ph2phen) 32+，溶胶-凝胶法制备可透过氧分子 的硅薄膜。将硅醇盐四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷、交联剂二甲基二甲氧基硅烷与pH-Ι (pH以盐酸调节)的水混合，乙醇或甲醇为共溶剂，醇与水的摩尔比为4:1。钉化合物加入到前驱液中，混合液搅拌I小时。钉化合物的浓度为2.5 μ g/mL。强烈搅拌后，溶胶在70°C下陈化18小时，提高水解和缩聚。而后在无气流条件下以硅胶片或显微镜玻片为基体铺膜，硅胶片或显微镜玻片均以去离子水、甲醇和丙酮洗涤，并用去离子水漂洗。然后在70°C下干燥18小时，即得厚度为0.0lmm的透明传感膜。将制备好的传感膜按需要切割成片，将切割好的传感膜用胶水固定于传感器上。传感膜中的?!了络合物Ru (ph2phen) 32+被470nm激发光照射后能发出630 - 680mm的荧光。
[0039]激发光源采用欧司朗LB W5SN-GYHZ-25蓝光激光二极管，能产生470nm波长的蓝光。光纤选用浙江新势力光电公司生产的分劈式Y型光纤，型号:NY200-2-VIS-M。
[0040]如图3所示，总体电路方面，压力数据的采集用芯微科的CMAD070P压力传感芯片，5伏电压驱动，以差分信号反应压力数值；温度数据的采集用晶品电子公司的TH03热电阻(负温度系数热敏电阻器NTC);光信号数据的采集使用美国TAOS公司的TSL12T光电传感器芯片；信号处理芯片采用意法半导体公司的STM32型单片机。
[0041]如图4所示，在压力传感单元I中，压电芯片CMAD070P将压力信号转变为电压信号，经过专用仪表放大器INA128将电压信号放大，精密运算放大器0PA177作为射随(射基跟随)缓冲，对前一芯片信号进行补充，经过处理的差分电压信号被传送给信号处理单片机 STM32。
[0042]如图5所示的温度传感单元的电路图。温度数据的采集使用负温度系数的热敏电阻器NTC，热敏电阻器NTC用作分压放大，当温度影响热敏电阻器NTC变化时，相应的分压电压也发生变化。为提高温度检测的精度，采用REF29XX系列电压基准源，使热敏电阻器获得稳定的电压。热敏电阻器采集的温度信号，采用低噪音精密轨至轨运放OPA2365，使信号进一步放大并提高精度，可以达到0.01摄氏度的精度。处理后的信号进一步被传送给信号处理单片机STM32。
[0043]如图6所不的光电转换电路，光信号被光电传感器芯片TSL12T米集后被转换为电压信号，电压信号被精密运算放大器OPA177进一步放大并起到一个射随缓冲作用，处理后的信号进一步被传送给信号处理单片机STM32。
[0044]如图7所示，在系统的电源电路中，发光二极管D3是电源显示灯，二极管SS510放置电路接反，过流保护丝Fl和稳压二极管D5都是电源过载保护器，降压转换器TPS5430将正电压转为负电压，通过第一稳压芯片LM7905能输出稳定的负电压，电阻R20和R21对电源电压实时监测，电阻R20和R21对输入电源起分压作用，通过单片机STM32采集电压分析电源输入的供电大小，通过第二稳压芯片LM7805能输出稳定的正电压，主控芯片AMS1117将5伏电压将至3.3伏，为单片机提供电源。
[0045]主控芯片采用意法半导体公司的STM32F103VCT6型号单片机，各传感信号依次接入单片机的对应管脚，如PA0、PA1、PA2等管脚。单片机可以计算各传感信号的调零值、函数计算、以及通过实时温度数据修正其它参数信号漂移误差等数据。单片机的所有程序通过 JTAG端口下载，所有处理的信号通过端口 USART与PC电脑、其它显示设备等连接并通信。
【主权项】
1.颅内生理参数采集装置，其特征为:具有以插入端为前端并在长度方向延伸的基体，在由前端向后长度方向的外侧面间隔设有用于检测生理参数的传感单元的检测窗口，所述的生理参数包括物理参数和化学物质参数，其中检测物理参数的传感单元至少包括压力传感单元(I)和温度传感单元(12)中的一种；检测化学物质参数的传感单元至少包括氧分压传感单元(4)、二氧化碳分压传感单元(13)和pH值传感单元中的一种，至少检测化学物质参数的各传感单元通过光传导结构(8)连接到激发光源，并且在其检测窗口上覆有与所述激发光源对应的荧光结构(10);各光传导结构(8)与各物理参数的传感单元的信号传输结构(7)均以相互独立的结构分别连接到信号处理单元和/或显示单元。2.如权利要求1所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:在检测化学物质参数的传感单元的检测窗口与所述光传导结构(8)之间设有能使激发光对所述荧光结构的入射角(45。的反射面(9) ο3.如权利要求1或2所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:所述的压力传感单元(I)中包括压电型传感元件，其信号经金属的信号传输结构(7)输出。4.如权利要求1或2所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:所述的温度传感单元(12)中包括热电偶或热电阻类型的测温元件，其信号经金属的信号传输结构(7)输出。5.如权利要求1或2所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:所述插入端的插入端面为圆滑弧面(2)。6.如权利要求1或2所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:所述插入端的至少非检测窗口部的外表面覆盖有与生物相容的高分子或金属的层结构(3)，插入端内填充有高分子填充结构。7.如权利要求1或2所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:所述插入端的直径(80mm，传输结构的直径< 5mm。8.如权利要求1或2所述的颅内生理参数采集装置，其特征为:所述检测物理参数的传感单元位于检测化学物质参数的传感单元之前，优选为所述各生理参数传感单元的检测窗口在所述基体长度方向的同一外侧面部位间隔排布。9.权利要求1至8之一所述的采集装置在颅内生理参数采集中的应用。10.如权利要求9所述的应用，其特征为:根据通过采集装置检测到的温度数据和荧光信号计算包括颅内氧分子、二氧化碳分子和/或氢离子在内的颅内代谢物质的浓度，并且通过检测的实时温度数据修正至少包括化学物质参数在不同温度下的信号漂移误差。
【专利摘要】本发明涉及颅内生理参数采集装置和应用，在采集装置中具有以插入端为前端并在长度方向延伸的基体，在由前端向后长度方向的外侧面间隔设有用于检测生理参数的传感单元的检测窗口，检测化学物质参数的各传感单元均通过光传导结构连接到激发光源，各检测窗口上均覆有与所述激发光源对应的荧光结构；各检测窗口经相互独立的信号传输结构连接到信号处理单元。本发明可以同时采集颅内多个生理参数，能够提供更加及时、准确、丰富的参考数据，为临床救治工作提供更可靠的依据和支持。
【IPC分类】A61B5/1455, A61B5/03, A61B5/01
【公开号】CN104905781
【申请号】CN201510075705
【发明人】林昌军
【申请人】林昌军
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年2月13日
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