膀胱压力检测系统的制作方法

本实用新型涉及膀胱压力检测系统，属于医疗器械领域。

背景技术：

脊髓损伤不仅会造成患者截瘫平面以下感觉及运动功能障碍，而且会损伤排尿功能，影响患者的生活质量，如引起泌尿系统感染等，严重者可危及生命。临床实践证明间歇导尿或者通过其他方式刺激患者定时排尿可使60%～80%的脊髓损伤患者维持或基本维持有效控尿状态，同时能很好的维护上尿路功能，是一种有效的无创膀胱功能康复治疗方法。但导尿措施的应用要求掌握患者的膀胱安全容量，即膀胱内相对压力达到40 cmH2O（1 mmH2O= 9. 8 Pa）时的有效容量。现阶段膀胱压力检测主要采用微创方式将集成有无线射频功能的膀胱压力检测模块植入到膀胱内部，测量压力信息并通过无线的方式传输至体外。但是，压力检测模块一般采用电池供电，使用寿命受电池电量的限制，在电量耗尽后必须再次手术重新植入膀胱压力检测模块，加剧了患者的痛苦和经济负担。随着无线充电技术的发展，有些改进的膀胱压力检测模块能够通过无线充电的方式对膀胱内部的压力检测部分进行充电，但仍受电池使用年限的限制且电池存在泄漏等隐患。

技术实现要素：

本实用新型发明的膀胱压力检测系统，是一种无需电池供电、结构简单、体积小、工作稳定、功耗低的长寿命膀胱压力检测系统，该系统由体外控制器部分和体内检测部分组成。体外控制器部分根据松耦合变压器的原理实现向体内检测部分的能量供给，从而实现体内检测部分压力信息的无源测量。该系统的压力测量范围为0～180 cmH2O，测量精度为5 mmH2O，最高测量频率可达1 kHz，最大测量间距为10 cm，较好地满足了膀胱压力检测装置的应用需求。与传统膀胱压力检测装置相比，体内检测部分无需电池进行供电，且压力信息的传输无需导线连接，在简化电路设计的同时克服了电池供电带来的种种弊端。

本实用新型的技术方案为：膀胱压力检测系统，包括两部分：一是植入体内进行膀胱压力检测的体内检测部分，二是对检测到的膀胱压力进行显示和达到有效容量时进行声光报警的体外控制器部分。体外控制器部分由微控制器、人机交互界面、无线模块、电源模块、供电管理和高频逆变驱动以及耦合线圈的初级线圈组成，微控制器分别与人机交互界面、无线模块、电源模块、供电管理相连，供电管理与电源模块、高频逆变驱动相连，高频逆变驱动与耦合线圈的初级线圈相连。体内检测部分由耦合线圈的次级线圈、整流滤波电路、稳压电路、微控制器、压力检测模块和无线模块构成，耦合线圈的次级线圈与整流滤波电路相连，整流滤波电路与稳压电路相连，稳压电路分别与压力检测模块、微控制器和无线模块相连。

根据本发明优选的，所述体外控制器部分高频逆变驱动的H桥采用4个N沟道功率MOSFET；所述N沟道功率MOSFET为内部集成有两个N-MOS的IRF7503，其最高工作电压55 V，导通电阻低至50 mW，最大漏极电流为3 A，且工作效率高达90%以上，可以很好地实现系统功能并降低整体功耗；MOS驱动器选用具有两路输出的HIP4081。

根据本发明优选的，所述体外控制器部分的电源模块采用输出电压可调的升降压稳压电路，将电池电压升压或者降压后经过高频逆变驱动提供给初级线圈，从而为体内检测部分提供稳定电能。

根据本发明优选的，所述体内检测部分的稳压电路选择TPS54160作为稳压芯片，其输入电压范围最高为60 V，最低为3.5 V，输出可以稳定在3.3 V，输出电流可达500 mA，静态电流仅为116μA。

根据本发明优选的，所述体内检测部分的压力检测模块选用Consensic公司的压力传感器CPS120 作为检测器，CPS120测量范围为5～120 kPa，分辨率为0.01 kPa，是绝压型传感器，采用3 V供电，工作电流最大为2 mA，内部集成有14位的A/D转换器。

本实用新型的有益效果为：1、通过松耦合技术，实现了由体外控制部分向体内检测部分的能源供给，从而实现了体内检测部分无需电池供电即可完成压力信息的检测，克服了传统膀胱压力检测装置内置电源容量有限、体积大、潜在安全隐患等问题；2、通过无线传输的方式，实现体内检测部分和体外控制部分的双向通信，简化了传统膀胱压力检测系统的电路设计。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型体外控制器部分高频逆变驱动电路拓扑图。

图3为本实用新型体外控制器部分电源模块电路图。

图4为本实用新型体内检测部分稳压电路图。

图5为本实用新型体内检测部分压力检测电路图。

具体实施方式

图1所示为膀胱压力检测系统结构示意图，包括两部分：一是植入体内进行膀胱压力检测的体内检测部分，二是对检测到的膀胱压力进行显示和达到有效容量时进行声光报警的体外控制器部分。

体外控制器部分由微控制器、人机交互界面、无线模块、电源模块、供电管理和高频逆变驱动以及耦合线圈的初级线圈组成，微控制器分别与人机交互界面、无线模块、电源模块、供电管理相连，供电管理与电源模块、高频逆变驱动相连，高频逆变驱动与耦合线圈的初级线圈相连。微控制器是体外控制器的核心，主要功能是：1、控制人机交互界面使其与外界进行信息交互以及压力值等的显示；2、通过无线模块接收体内检测部分传输的压力信息；3、控制供电管理模块和高频逆变驱动，使其产生一定的交变电流为体内检测部分提供能量。整个体外控制器部分由电池供电。

体内检测部分主要作用是通过线圈接收外界的能量供给、通过微控制器的控制完成膀胱压力信息检测并通过无线模块传输给体外控制器部分进行显示，由耦合线圈的次级线圈、整流滤波电路、稳压电路、微控制器、压力检测模块和无线模块构成，耦合线圈的次级线圈与整流滤波电路相连，整流滤波电路与稳压电路相连，稳压电路分别与压力检测模块、微控制器和无线模块相连。

为了实现无线传能，体外控制器部分需要高频逆变驱动模块将供电管理输出的直流电压转化为交变电压为初级线圈供电。本实用新型高频逆变驱动模块采用H 桥驱动将主控模块产生的低压高频直流脉冲转换为高压高频交流脉冲，经过松耦合变压器的初级线圈产生高频电磁场，为内部检测模块供电。图2所示为体外控制器部分高频逆变驱动电路拓扑图，其中高频逆变驱动的H桥采用4个N沟道功率MOSFET，与传统的由两个N-MOS和两个P-MOS组成的H桥驱动相比，能够减小导通电阻，增大导通电流，并可降低系统的功耗，增强系统的可靠性。

根据无线无源膀胱压力检测装置对无线供电电压和电流的要求，本设计选用的N沟道功率MOSFET为内部集成有两个N-MOS的IRF7503，其最高工作电压55 V，导通电阻低至50 mW，最大漏极电流为3 A，且工作效率高达90%以上，可以很好地实现系统功能并降低整体功耗。MOS 驱动器选用具有两路输出的HIP4081。

由于长寿命膀胱压力检测系统的体内检测部分由体外部分通过松耦合线圈供给能量，当初级线圈与次级线圈中心未对齐或者是患者胖瘦程度不同导致系统无线传能效率不同时，需要通过体外控制器的电源部分调节加在初级线圈上的电压大小，以保证为体内检测部分提供稳定的能源供给。

根据以上要求，设计了一种输出电压可调的升降压稳压电路，将电池电压升压或者降压后经过高频逆变驱动提供给初级线圈，从而为体内检测部分提供稳定电能。体外控制器部分电源模块电路图如图3所示。

图3中的S1、S2、S3为可控开关，为了能够输出更大的电流，均选用N型MOS管。S1、S2、S3与电感L和电容C构成了可调升降压稳压电路；R1、R2和运放A构成了反馈电路，将可调升降压稳压电路的输出电压经过分压后通过跟随器输入到微控制器的AD输入端，为可调升降压稳压电路提供闭环控制。其中，S1、S2、S3通过微控制器的PWM模块控制，且S1、S2的控制波形相同，S3的控制波形与S1、S2的刚好相反，最终输出电压Vout的计算公式近似为：

（Ⅰ），

式(Ⅰ)中，Vin为输入电压，Ps为S1、S2控制波形的占空比。由式(Ⅰ)可知，通过调节控制端PWM 的占空比并结合反馈电路，即可实现对输出电压的精准控制。

体内检测部分稳压电路图如图4所示。无线耦合线圈在进行能量传输时，当次级线圈与初级线圈距离不一致或者中心位置矫正不准时，体内检测部分的滤波电路输出电压有较大浮动，即稳压电路的输入电压波动较大，为了输出稳定的电压为后续电路提供电能，选择TPS54160作为稳压芯片，其输入电压范围最高为60 V，最低3.5 V，输出可以稳定在3.3 V，输出电流可达500 mA，静态电流仅为116μA。

体内检测部分压力检测电路图如图5所示。膀胱内部压力在排尿点时约为40cmH2O（相对标准大气压）。为了准确测定膀胱内压，所选择的压力传感器必须具有足够的压力检测范围，且功耗低、体积小，综合各项要求最终选择Consensic公司的压力传感器CPS120作为检测器。CPS120测量范围为5～120 kPa，分辨率为0.01 kPa，是绝压型传感器，采用3 V供电，工作电流最大为2 mA，内部集成有14 位的A/D转换器。