文摘
长期监测更可能比间歇或短期监测诊断心房纤维性颤动准确。在这项研究中,植入一个心电图仪(ECG)传感器实时监测心房纤颤的病人。植入式传感器由一个微控制器单元,模拟-数字转换器,一个信号发射器,天线和两个电极。从两个电极和传感器检测ECG信号传输这些外部接收器由病人。因为传感器不断传送信号,其电池消耗率非常高;因此,传感器包括一个无线电力传输模块,允许其从外部电源无线充电。集成传感器的近似尺寸3毫米×4毫米×14毫米,这是小到可以插入到病人不需要大手术。信号和电力传输数据采样率和频率的单位是300样本/ s和430赫兹,分别。验证了传感器,实验小动物。
1。介绍
有许多健康问题的治疗需要不断监测生命体征从几个身体器官。尽管病人通常是住院治疗,继续观察使用有线设备来测量生命体征,远程患者必须呆在家里和昂贵的监测设备和专门的医务人员,从而增加医疗支出和降低人力资源可用在医院。几项研究已经因此最近进行的研究和开发便携式植入式生物医学设备,和在这一领域的进展提供了福利在降低成本方面,病人自由运动,不间断的医疗诊断数据流监控。无线生物医学设备可以提供增强的灵活性和效率监测数据的最小干扰(1),并根据生物医学传感器网络可以创建分发患者信息在多个平台有效的解决方案。
糖尿病和心血管疾病是两个需要有效的健康状况,24小时监控。发达国家百分之二十四的人口有糖尿病和心血管疾病等相关并发症,这普遍的健康问题,只能通过积极监测血糖水平(BGL) [2]。
最常见的生命体征监测健康诊断是:(我)血糖水平;(2)血压和脉搏率;(3)心电图仪(心电图);(iv)呼吸功效。进步的使用无线技术在生物医学植入物的设计开辟了途径明显改善医疗和诊断系统的有线设备被替换为对身体植入传感器。生物医学植入组成的监测系统可以无线传输数据啊病人健康相关的关键信息。植入生命体征监控啊允许24小时监测和健康管理,提供使用无线手持设备上更新协议。一系列医疗诊断可以执行使用植入物的监测参数,如血压、血糖水平和心脏响应。然而,有效的入侵监测使用无线生物医学植入物有许多事先必须解决的挑战。
最近有几个无创性心电监测ZioPatch等市场。贴片保险丝低功耗电子产品和标准化的通信。心电图补丁记录3铅ECG信号和tissue-contact阻抗和包括一个3 d加速计身体活动监测。在本地的数据处理和分析,和相关的事件和信息通过无线连接BLE传播。然而,patch-type非侵入式传感器不适合用户24小时。植入式传感器的优点是更适合人类7天24小时持续监测。对植入物的研究在过去十年中取得了长足的进展,正在积极追求由于植入的可行性在范围广泛的应用程序包括医学、健康、和体育。及时诊断已成为慢性疾病患者的一个主要好处的连续监测卫生指标可以显著帮助减少紧急事件。无线生物医学植入物的设计是一个艰巨的任务,然而,有许多操作系统必须解决的挑战。一些重要的关键问题如下。(我)功率要求。生物医学植入物不同功率要求根据他们的操作问题。提高植入一生和交流的范围,因为过度的功耗增加医疗植入物可以认真组织损伤的机会(3),一般要求低功耗。植入物可以使用电池供电或无线电力传输;然而,电池是笨重和危险,需要经常性的更换,而无线电力允许连续的权力交接,使它更适合24小时监控系统。(2)传感器和通信。准确地阅读和监控来自人体需要敏感的传感器和信号放大单元。算法对信号的解释也必须精心设计迎合任何信号模式异常及时。无线系统也必须精心设计符合电力需求和传播范围(4]。(3)植入物的大小。植入大小严重影响整体设计(5]。电力需求、载波频率和换能器的设计都是主要由植入物的大小,进而由体内植入放置的地方。较小的植入物也允许微创手术。(iv)可靠性。植入式医疗设备的可靠性和有效性,其主要目的,是要使积极监控和紧急情况下及时的警告。尤其是在心脏情况下,紧急情况下可以避免通过使用植入物可以产生可靠的测量。良好的可靠性也将减少手术需要定期为了安装更换。维持未来需求确保生物医学植入的可行性技术,长期的可靠性是至关重要的。上述问题时,必须牢记设计一个植入,因为他们代表了植入技术的发展的主要限制因素。在这项研究中,一个植入式心电图传感器使用无线通信和电力传输。生活在当代社会的增加速度和相关依赖烟草,酒精和咖啡因,心脏病,如心律失常患者的数量正在增加。心律失常(也称为心脏节律障碍)是由异常引起的射血分数和表现为不规则的心跳更快(心动过速)或(心动过缓)比平时慢心率。它可以随时随地发生意外,可以导致呼吸困难,头晕,晕厥;在严重情况下,会导致心脏骤停的由于noncontraction心室,导致危及生命的心肌梗死(心脏病发作)。一个心电描记法(或心电图仪)(ECG)可用来检测心脏异常,从而预测心律失常。心电图产生电势变化的图形与心跳记录的模式有关。使用一个测量心电图可以执行补丁,或插入式心电图传感器。使用最广泛的标准patch-type 12导心电图,心电图传感器电极的附着在四肢和心脏附近的前胸部,以测量和记录心电图信号使用标准的肢体,单极肢,和胸部。 However, in the case of arrhythmia a short-term ECG measurement is of little help because of the short duration of symptoms; it is therefore necessary to use an ECG device that can be carried by the patient and has electrodes attached to the body’s surface. The heart rhythm can be recorded using either a Holter monitor or an implantable loop recorder (ILR) surgically inserted under the skin. Unfortunately, the Holter monitor is inconvenient as it disrupts daily activities because it must be worn constantly. Although the insertion-type ILR is more comfortable as it is implanted into the body and does not need to be carried, its use requires surgical intervention for implantation, which raises safety and confidence issues. In addition, a similar surgical procedure is necessary at the end of battery life to either replace or remove it, which again raises safety and cost issues.
劳工关系的缺点是可以克服的通过使用quasipermanent电池充电通过无线电力传输。虽然这在技术上是可行的,对人体的影响的进一步调查之前必须进行这样的系统可以被认为是安全可靠的。因此,在这项研究中一个插入式无线心电传感器开发及其性能在人体幻影测试使用热成像相机。植入的传感器被进行进一步的试验动物模型。基于这些测试的结果,可以确定任何潜在的问题,可能发生在一个无线心电传感器的使用。
2。系统设计概念
在本节中,植入式心电图传感器的设计理念。数值模拟进行验证原理的传感器和触觉图像伪组织夹杂物。
2.1。心脏的心电图测量和电极
监测心脏活动通常是通过记录心电图仪(ECG)信号在临床环境中,需要病人的实际存在的设施。ECG信号是由多个电活动开始从右心房窦的顶部。窦房结的信号生成和传播通过房室(AV)节点。一个心动周期由P波、T波和QRS波群,所有这一切都被威廉弦线。窦房结释放电子脉冲时,它会创建一个心房的基础去极化导致心房收缩,这是感觉到作为一个P波。信号再经过AV节点,QRS波群信号引起的心室去极化,紧随其后的是一代的T波从心室复极化的节点。
通过心电图信号监测心脏活动使用至少三个电极放置在特定的点在皮肤上为了心脏产生的电子信号成分。霍尔特监控器就是这样一个诊断设备,通常用于主动监测心脏活动的主要心脏手术后(6]。霍尔特监测技术已被证明有能力但很大,必须使用电线连接到电极限制病人的自由流动,并要求连续放置电极长期监测。标准霍尔特监控因此无法提供光滑,无缝不引人注目的连续监测,尽管霍尔特设备在过去的几年中发展成为完整的无线自由小型化模块,他们仍然需要进一步改进,以确保完全不引人注目的监控体系结构。
在这项研究中,Ag / AgCl电极。一个心电图痕迹的电极电势之间的差异的身体表面;然而,动作电位,引起心肌的收缩和舒张只有1 mV,这是非常难以衡量。因此有必要放大心电图数据使它容易可感知的人类的眼睛;这是通过使用一个运算放大器(放大器),放大输入电势以产生一个输出潜在的增强用户所期望的水平。在这项研究中,一个仪表放大器使用运算放大器是捏造和配置放大超细心电图约100倍使用带通滤波器(BPS)。的当前消费提出了心电图传感器是大约11 mA和噪音的产生是成反比的长度内的无线通信天线传感器。传统上,心电图传感器需要三个电极看作是积极的,消极的,和地面。在拟议的系统中,然而,地面电极发出,只有两个电极。在主传感器的身体,在身体的左右,两个电极连接。
2.2。遥测方法
当前使用的系统健康监测采用各种方法之间传递信息的传感器和数据显示模块。这两个单位之间的数据通常是共享使用电线,这就增加了系统的冗余和限制病人的运动。尽管wire-based通信设备提供了一个健壮的方法在健康监测系统和低成本,它减少了正常的运动能力的病人在她的日常工作。
在有线系统产生另一个问题是不适当的连接电线的各种原因,从而严重中断系统和给病人带来严重的后果。连续的即兴创作和研究正在进行开发智能健康监测系统和许多其他通信技术出现,无线通信是最合适的沟通方法,减少需要有线传感器和设备之间的连接。无线技术使intrabody沟通补充持续健康监测系统不需要承认病人和连接电线。无线通信允许实时监测生命体征未连接显示设备在接近病人以及通过互联网远程观察医生。无线连接也可以帮助病人追踪自己的健康指标使用智能手机或pda与植入物或可穿戴传感器实时。这可以导致更好的健康管理和健康相关的紧急情况提示警报。
生物医学植入是一个充满活力的技术,表明承诺改善实时医疗诊断。研究表明,植入物可用于提供反馈控制;例如,一个植入变异是用来记录神经信号在脑机接口控制假肢或四肢瘫痪6,7]。植入物,使用无线通信可以极大地减少缺点归因于线连接,与有线脑深部系统据报道,植入式cardiodefibrillators,心脏起搏器8]。
在这项研究中,医疗植入通信服务(麦克风)用作通信协议。中等收入国家在402 - 405 MHz的频率范围,通常是用来穿在身上监测系统和植入物之间的通信。植入式天线在这个频率范围内开发从心脏起搏器和心脏传感器传输数据;然而,监管限制在医院充分利用有限体内无线区域网络(WBANs)。
2.3。无线电力的生物医学植入物
提供足够的力量生物医学植入物是目前面临的主要挑战限制在这样的设备功能和性能。功耗影响植入的许多特征,包括大小、处理能力、传播范围和寿命。
电池可以植入物长时间利用需要极低功耗设计技术。的平均功耗电池中使用起搏器是8μW和典型的电池包括90%的总大小的植入,需要定期更换每隔几年通过昂贵的侵入性手术(9,10]。耗电植入机械pump-based心脏和骨科植入物等需要大量的能量函数,使电池电源选项等植入低效的问题11,12]。因此,生物医学植入技术的前景和适用性目前严重限制了不可用足够的电源,可以成功解决问题,通过使用无线电力传输技术能够提供不间断电源,以确保持续的监控和沟通的植入物。
在这项研究中,使用了近场无线电力传输系统。假设电感耦合产生的辐射场不是快速变化;的位移电流在低频率不影响生成的字段,它可以被忽略。这是通常被称为准静态近似。使用这种近似,磁场被发现集中在附近的来源。这样的问题可以用毕奥萨伐尔定律分析解决或通过使用扩散方程找到一个解决方案。
许多技术实现耦合功率在文献中已经报道的链接。在一项研究[13),作者用自已谐振耦合线圈功率60 W灯泡距离2米的效率为40%。这是通过nonradiating磁感应使用谐振回路:采用两个相同的螺旋线圈耦合元素,一个标准的科耳皮兹振荡器和一个铜线圈感应元素用于生成MHz的频率范围。铜环源线圈耦合的感应力量进一步传播和电灯泡担任电力传输系统的负载。实验结果表明,权力交接使用非辐射的磁耦合可以实现一系列的线圈的半径8 ~ 9倍。作者还提出了一个定量模型的精度在5%左右来解释的权力转移。
2.4。电路设计
一个心电图痕迹表面的电极电势之间的差异的身体。然而,动作电位,引起心肌的收缩和放松是关于1 mV,因此很难测量;在这个设计中,运算放大器(运算放大器)是用来放大心电图数据。一个运放放大输入电势用户所期望的水平,产生一个输出潜力增强这个预期的水平。在这项研究中一个使用运算放大器测量放大器是捏造和配置用于超细ECG信号的放大100倍使用带通滤波器(带通滤波器)。该心电图传感器的电流消耗约为11 mA和噪音一代无线通信天线的长度成反比在传感器。图1显示了植入式心电图传感器的电路设计。
2.5。包装
包装材料必须选择生物相容性,以避免造成人体组织的炎症或坏死。此外,他们需要满足插入位置的强度标准,不应该吸收电波穿过它们。还需要考虑到包装设计,以避免任何风险所导致的组织损伤传感器插入和postinsertion运动。异物感觉需要最小化减少对象的大小。直通的需要满足一些要求,电导率应确保内部电路和电极之间,应该尽量减少噪音和气密性应维护。在这项研究中,聚合物薄膜的弹性是开发利用电极密封方法。
心电图传感器电极必须有一个electrode-to-electrode≥40毫米的距离和≥5毫米的电极宽度。为了满足要求电极,他们使用钛制作的。刚性包装材料需要涂层保护组织,必须使用适当的加入熔加入技术完全阻止任何相互作用人体和传感器的内部环境;为此,可以使用粘合剂或激光。在这项研究中,粘合剂用于生产包装的原型。聚二甲基硅氧烷(PDMS)和医疗环氧合适的粘合剂,虽然PDMS,聚对二甲苯,聚乙烯,乙二醇,硅胶可以作为涂层材料的生物相容性在大量研究证实。图2心电图显示了打包植入式传感器。
提出了系统的完整的图如图3。
3所示。实验结果
3.1。自动封口的气密性测试
测试自动封口的气密性进行两个步骤。在第一步中,包装是浸没在去离子的水(DI)一小时不包括传感器和第二测试包含传感器的包装是浸没在去离子水5个小时。测试结果表明,该材料与粘合剂是密封的。图3显示了使用封装传感器的自动封口的测试。
3.2。热测试
线圈充电准备与心电图传感器的无线电力传输。建立一个无线发射和接收但,网络驱动下的环境心电图数据测量、设备准备,发射电流与真正的心电图和连接到心电图传感器。红外相机是用来测量温度传感器本身的温度变化;温度变化测量起始之前电力传输,然后持续了一小时后开始传播,目的是确定平均温度的变化。图4显示了热测试实验装置。
从实验中,我们发现基线平均温度为23.5°C。然后温度急剧上升了约3.0°C约10分钟后,继续上升到27.2°C,一个小时。这个温度远低于36.9°c的平均温度的室内水既是人类的身体可以假定打包传感器不会接受插入人体相当大的温度变化一次。图5显示了热测试实验装置和图6显示了插入实验中使用的动物模型。
3.3。插入实验中使用的动物模型
在使用传感器在人体之前,有必要测试仪器的体内安全保证的有效操作插入式心电图测量系统在测量生理功能及其功效在接收外部信号。一头猪因此用作sensor-implanted动物模型,因为动物的生理特征类似于人类。选择的物种是一个汉福德迷你猪,因为它的心脏大小非常类似于人类。女猪的特定病原体免费(SPF)质量没有怀孕史,46-60公斤,和50-57-week旧购自Optipharm Medipig(来自韩国忠北、韩国)。
插入行手术在大邱高科技医学复杂如下。麻醉诱导使用Zoletil (Tiletamine / Zolazepam)(2.5毫克/公斤,IM)和甲苯噻嗪(2.3毫克/公斤,IM)和维护与异氟烷(1 - 3%)。乳酸林格液的解决方案(5 mL / kg / h IV)是管理参考。麻醉后,左前的胸衣是脱毛和消毒酒精和聚维酮。了一个口子左5和7之间的肋骨和分离使用钝性剥离皮肤下4毫米的深度。传感器被放置在现场,和皮肤缝合。在完成无线心电传感器植入,猪的心电图数据接收到无线网络,如图7。在这个数据,两个领导不断纠正。在目前的实验中,我们尝试一个短期的动物实验。在未来的工作中,将进行长期实验以保证该传感器安全问题。
4所示。讨论
当前的能耗相对较高是由于植入传感器和外部之间的实时通信工作站300 /秒的采样率。减少能耗,降低采样率或离散的沟通方法可以被认为是在未来的工作。在当前的动物实验中,两头猪进行了研究。猪与人类相似的重量被认为与IRB(机构审查委员会)的指导方针。在本文中,我们提出的实时数据传输设备。原因是原始数据应该修正来确定异常心电图的医生没有计算机辅助诊断系统。
5。结论
这项研究表明,使用quasipermanent心电图采用双重循环螺旋状磁谐振式无线电力传输系统传感器不需要手术替换。超小天线(20毫米宽10毫米长度)与一个螺旋形状的金属模式开发和用于减小传感器大小而获得足够的电长度。人体的幻影,也有类似的电性质的人类皮肤在中等收入国家的乐队,用10%的误差范围的测量值(特定的电容率= 43.2,导电率= 0701 S / m),是发达国家和用于验证通信天线的性能。包装使用的密封加入粘合剂和生物相容性也实验验证。最后,传感器插入手术进行实验室猪和成功的心电图数据通过无线网络了。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是支持格兰特(r0101 - 15 - 0147)的技术创新项目资助的知识经济部(MKE,韩国)和支持的研发项目的贸易、工业和能源韩国(计划未来行业先进的技术开发,10044353),和支持基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由教育部(2014 r1a1a2056420)。