一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于超声导波的人体插管菌膜抑制系统。系统包括主控系统(1)、信号发射子系统(2)、超声导波耦合子系统(3)、人体插管(4)、导波振动反馈子系统(5)。工作原理为：信号发射子系统(2)发射多路(或单路)猝发电信号，施加到多个轴对称排列的(或单个)超声换能器(31)上；通过导波耦合子系统(3)将超声信号高效地耦合到人体插管(4)上；利用人体插管(4)表面产生的机械振动进行菌膜抑制；通过导波振动反馈子系统(5)实时检测人体插管(4)表面的振动幅度，实现稳定地闭环控制。本发明专利技术能使人体插管(4)表面产生稳定可控的机械振动效应，抑制细菌在人体插管(4)表面的粘连，降低临床感染的概率。

A stable and efficient suppression system of ultrasonic guided waves based on human mycoderm intubation

The invention discloses a suppression system of ultrasonic guided waves based on human mycoderm intubation. The system consists of a master control system (1), a signal emission subsystem (2), an ultrasonic guided wave coupling subsystem (3), a human cannula (4), and a guided wave vibration feedback subsystem (5). Working principle: signal transmission subsystem (2) transmitting multiple (or single) burst signal applied to a plurality of axially symmetrical arrangement (or single) ultrasonic transducer (31); the wave guide coupling subsystem (3) of the ultrasonic signal efficiently coupled to the cannula (4) on the human body the use of the human body; intubation (4) surface mechanical vibration generated by biofilm inhibition; through guided wave vibration feedback subsystem (5) real-time detection of human intubation (4) surface vibration amplitude, realize stable closed-loop control. The invention can produce stable and controllable mechanical vibration effect on the surface of the human cannula (4), inhibit the adhesion of bacteria on the surface of the human cannula (4), and reduce the probability of clinical infection.

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统
本专利技术属超声医学仪器与设备领域，涉及一种超声非侵入式人体菌膜抑制系统，特别是涉及一种超声非侵入式人体留置气管插管及导尿管的菌膜抑制系统。
技术介绍
人体插管，如导尿管、气管插管等，已被广泛应用于临床。不幸的是，长时间置入人体的插管装置往往会导致细菌感染，成为发病、甚至死亡的一个主要原因。细菌在自然生长状态下存在游离和菌膜两种形式，游离状态下的细菌粘连到插管装置表面后，会形成矩阵形式复杂结构的菌膜，据NIH统计，超过80％的细菌感染与菌膜有关，其中大部分(大于65％)，与长时间置入体内的医疗装置相关。据申请人所进行的文献及专利资料检索，2006年，Hazen使用100-300千赫兹的超声激励对人体置入的导尿管进行了菌膜抑制实验，通过对其施加超声振动，有效抑制了导尿管上的菌膜生长。2011年，Kopel在表面波抗菌文献中，阐述了人体插管上的超声振动，也能够有效抑制菌膜的产生。Hazen和Kopel的研究结果证明了超声导波对于菌膜抑制的有效性，分析了表面波对菌膜抑制的机理主要是机械振动效应抑制了游离细菌在导尿管表面的粘连，从而抑制了菌膜的生成。Hazen和Kopel所使用的超声激励方法是在导尿管管端施加超声平面波，能在导尿管上产生0.2-2纳米的振动。按照文献中的方法进行人体插管超声激励，振动传播距离很短，因为人体插管一般都是软PVC材料，其存在非常大的振动衰减，Hazen的文献中也只是使用了6厘米长的导尿管进行实验。然而，人体插管的长度一般为几十厘米，甚至更长，文献中的方法显然是不够实用的；其次，文献中并未给出具体的频率选择方法，所使用的超声激励方法，会导致人体插管上出现非常多的传播模式，包括纵振波、扭曲波、弯曲波，这也是造成振动传播距离短的原因之一；再次，另外，文献中的方法也无法精确控制人体插管上的振动幅度，菌膜抑制的效果无法得到精确的控制，安全性也无法保证。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于超声导波的高效稳定的人体插管(4)菌膜抑制系统，能够解决前面提及的振动传播距离短、传播模式多、无法精确控制振动幅度、安全性差等问题。本专利技术采用的技术方案是：为改善振动传播距离短的问题，本专利技术中提出超声斜入射方式，并采用可变角度的导波耦合子系统(3)，能够将超声信号高效地耦合到人体插管(4)上；根据不同的人体插管(4)，可以通过更换不同倾角的耦合支架(32)，达到最优化的耦合。为改善传播模式多的问题，本专利技术采用的超声激励方式为轴对称激励，在耦合支架(32)上等间隔对称发射超声信号，可以减少导波的传播模式，尽量避免扭曲波和弯曲波，通过合理的频率选择提高振动的传播效率。为改善无法精确控制的问题，本专利技术采用“控制-发射-测量-反馈-控制”方式的闭环控制，以达到设定的精确振动幅度要求。为解决安全性的问题，本专利技术在超声换能器(31)表面进行温度检测，以避免温度过高时，对人体造成的安全隐患。由于本专利技术采用的新颖的导波耦合子系统(32)，可以将超声信号高效地传导到人体插管(4)表面，插管表面可以获得更大幅度的振动，振动的传播距离相应会更远；由于本专利技术采用了闭环的控制方式，也可以使得人体插管(4)表面的振动幅度得到稳定控制，避免了因为接触不良或耦合性能差造成的振动幅度变化；同时解决治疗过程中的烫伤风险。附图说明图1是本专利技术一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统的实施例原理图；图2是本专利技术实施例的导波频散曲线及频率选择示意图；图3是本专利技术实施例的信号发射子系统原理图；图4是本专利技术实施例的信号发射子系统简化工作流程图；图5是本专利技术实施例的导波振动反馈子系统原理图；图6是本专利技术实施例的主控系统原理图；图7是本专利技术实施例的主控系统简化工作流程图。附图中各部件的标记分别为：1.主控系统，2.信号发射子系统，3.导波耦合子系统，4.人体插管，5.导波振动反馈子系统；11.主控制器，12，人机界面，13发射通信线，14反馈通信线2，21.发射控制器，22.信号母板，221.插槽，23.信号子板，31.超声换能器，32.耦合支架，33.耦合楔批，34.紧固盖，35.支架紧固装置，36.换能器紧固装置，51.反馈控制器，52，激光测振装置，53振动测量点。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。参阅图1，图中示出了一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统的实施例原理图。系统包括主控系统(1)、信号发射子系统(2)、超声导波耦合子系统(3)、人体插管(4)、导波振动反馈子系统(5)。工作原理为：信号发射子系统(2)发射多路(或单路)猝发电信号，施加到多个轴对称排列的(或单个)超声换能器(31)上；通过导波耦合子系统(3)将超声信号高效地耦合到人体插管(4)上；利用人体插管(4)表面产生的机械振动进行菌膜抑制；通过导波振动反馈子系统(5)实时检测人体插管(4)表面振动测量点(53)的振动幅度，实现稳定地闭环控制。超声导波耦合子系统(3)的功能是将超声换能器(31)发射的超声信号高效地传导到人体插管(4)上，其包含具有一定入射角度θ的耦合支架(32)，紧固于耦合支架(32)上的超声换能器(31)或压电片，倾斜角度为θ的耦合楔批(33)，用于紧固耦合支架(32)与耦合楔批(33)的紧固盖(34)，耦合支架(32)与紧固盖(34)间的支架紧固装置(35)，超声换能器(31)与耦合支架(32)间的换能器紧固装置(36)，其中的耦合支架(32)和耦合楔批(33)的倾斜角度θ相同；为减少人体插管(4)上的导波模式，将多个超声换能器(31)按照轴对称方式等间隔地紧固于耦合支架(32)上用于产生轴对称超声激励，也可以仅使用一个超声换能器(31)用于单点超声激励；经耦合后的输出信号耦合到人体插管(4)上；通过导波振动反馈子系统(5)实时检测人体插管(4)上振动测量点(53)的振动幅度，并反馈给主控系统(1)；为保证各装置间的高效耦合，在选择超声导波耦合子系统(3)包含的耦合支架(32)、耦合楔批(33)时，所使用的材料及参数要求与人体插管接近；同时，超声换能器(31)与耦合支架(32)之间、耦合支架(32)与耦合楔批(33)之间、耦合楔批(33)与人体插管(4)之间均填充医用超声耦合剂，以防止各装置间因为配合不严密导致超声反射；使用的超声换能器(31)型号包含普通平面换能器、压电片、聚焦换能器，超声换能器(31)与耦合支架(32)间的换能器紧固装置(36)，包含螺钉、卡扣、粘贴方式。为将超声信号高效地耦合到人体插管(4)上，需要首先明确人体插管(14)的导波特性，以便选取合理的激发频率。参阅图2，图中示出了本专利技术实施例的导波频散曲线及频率选择示意图，频散曲线根据人体插管(14)的材料参数通过数值计算获得。激发频率点的选择原则包含以下两条：一是所选频率点上的各模式导波频散都不能太明显，因为严重的频散会导致波形发生很到的畸变；二是所选频率点导波模式不能太多，因为模式太多会导致导波信号的快速衰减。在实施例中，对于成人用气管插管进行了数值计算，从上述所述的第一条原则看，能选的频率点为5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统，该系统包括主控系统(1)、信号发射子系统(2)、超声导波耦合子系统(3)、人体插管(4)、导波振动反馈子系统(5)，其特征在于：主控系统(1)包含主控制器(11)和人机界面(12)，主控制器(11)通过发射通信线(13)与信号发射子系统(2)连接，用于控制信号发射子系统(2)的各路信号输出；主控制器(11)通过反馈通信线(14)与导波振动反馈子系统(5)连接，用于检测人体插管(4)表面的实时振动幅度；实现“控制‑发射‑测量‑反馈‑控制”方式的闭环控制；信号发射子系统(2)包含一个发射控制器(21)和多个信号发射通道，每个通道之间相互独立；每个通道由信号合成、信号放大、温度检测、自适应匹配电路组成；各通道输出信号的参数由发射控制器(21)发送通信指令控制；使用的声波信号频率，通过计算人体插管的导波频散曲线后获取，获取依据为频散曲线平坦且导波模式少的原则；超声导波耦合子系统(3)将超声换能器(31)发射的超声信号高效地传导到人体插管(4)上，包含具有一定入射角度θ的耦合支架(32)，紧固于耦合支架(32)上的超声换能器(31)或压电片，倾斜角度为θ的耦合楔批(33)，用于紧固耦合支架(32)与耦合楔批(33)的紧固盖(34)，耦合支架(32)与紧固盖(34)间的支架紧固装置(35)，超声换能器(31)与耦合支架(32)间的换能器紧固装置(36)；其中的耦合支架(32)和耦合楔批(33)的倾斜角度θ相同，范围为0度至90度；可以使用多个超声换能器(31)按照轴对称方式紧固于耦合支架(32)上用于产生轴对称超声激励，也可以仅使用一个超声换能器(31)用于单点超声激励；经耦合后的输出信号到达人体插管(4)的振动测量点(53)时，振动幅度为1皮米‑100微米；其中的耦合楔批(33)中心的开孔直径与人体插管(4)匹配，直径范围为3‑25毫米；其中的耦合支架(32)材料包含金属、玻璃、塑料，其中的耦合楔批(33)材料包含金属、玻璃、塑料；导波振动反馈子系统(5)包含一个反馈控制器(51)和一路激光测振装置(52)，用于检测人体插管(4)表面的振动幅度；反馈控制器(51)与主控系统(1)之前采用双向通信方式连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统，该系统包括主控系统(1)、信号发射子系统(2)、超声导波耦合子系统(3)、人体插管(4)、导波振动反馈子系统(5)，其特征在于：主控系统(1)包含主控制器(11)和人机界面(12)，主控制器(11)通过发射通信线(13)与信号发射子系统(2)连接，用于控制信号发射子系统(2)的各路信号输出；主控制器(11)通过反馈通信线(14)与导波振动反馈子系统(5)连接，用于检测人体插管(4)表面的实时振动幅度；实现“控制-发射-测量-反馈-控制”方式的闭环控制；信号发射子系统(2)包含一个发射控制器(21)和多个信号发射通道，每个通道之间相互独立；每个通道由信号合成、信号放大、温度检测、自适应匹配电路组成；各通道输出信号的参数由发射控制器(21)发送通信指令控制；使用的声波信号频率，通过计算人体插管的导波频散曲线后获取，获取依据为频散曲线平坦且导波模式少的原则；超声导波耦合子系统(3)将超声换能器(31)发射的超声信号高效地传导到人体插管(4)上，包含具有一定入射角度θ的耦合支架(32)，紧固于耦合支架(32)上的超声换能器(31)或压电片，倾斜角度为θ的耦合楔批(33)，用于紧固耦合支架(32)与耦合楔批(33)的紧固盖(34)，耦合支架(32)与紧固盖(34)间的支架紧固装置(35)，超声换能器(31)与耦合支架(32)间的换能器紧固装置(36)；其中的耦合支架(32)和耦合楔批(33)的倾斜角度θ相同，范围为0度至90度；可以使用多个超声换能器(31)按照轴对称方式紧固于耦合支架(32)上用于产生轴对称超声激励，也可以仅使用一个超声换能器(31)用于单点超声激励；经耦合后的输出信号到达人体插管(4)的振动测量点(53)时，振动幅度为1皮米-100微米；其中的耦合楔批(33)中心的开孔直径与人体插管(4)匹配，直径范围为3-25毫米；其中的耦合支架(32)材料包含金属、玻璃、塑料，其中的耦合楔批(33)材料包含金属、玻璃、塑料；导波振动反馈子系统(5)包含一个反馈控制器(51)和一路激光测振装置(52)，用于检测人体插管(4)表面的振动幅度；反馈控制器(51)与主控系统(1)之前采用双向通信方式连接。2.如权利要求1所述的一种基于超声导波的高效稳定的人体插管菌膜抑制系统，其特征在于：所述超声导波耦合子系统(3)，使用的超声换能...

【专利技术属性】
技术研发人员：章东，郭霞生，王焕磊，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32