超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統的制作方法
【專利摘要】一種超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統，包括有實時獲得膀胱三維數據的三維超聲探頭、用于向系統提供電源的電源模塊，以及：第一現場可編程門陣列，與三維超聲探頭相連；第二現場可編程門陣列，分別與第一現場可編程門陣列以及與設置在電極陣列模塊上用于實時監測電極溫度的溫度感應裝置相連；脈沖放大單元，與第二現場可編程門陣列的輸出相連；電極陣列模塊，與脈沖放大單元的輸出端相連；治療信息保存模塊，連接第二現場可編程門陣列。本發明通過超聲三維影像準確定位膀胱位置，根據生理結構確定逼尿肌和尿道外括約肌的位置，以不同頻率和幅度的脈沖刺激逼尿肌和尿道外括約肌，能夠在三維超聲導航下準確且無創地刺激膀胱完成排尿過程。
【專利說明】超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種促進自主排尿系統。特別是涉及一種用于治療脊髓損傷引起的排尿功能障礙的超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統。
【背景技術】
[0002]脊髓是控制逼尿肌和尿道肌、外括約肌功能活動的初級排尿中樞，也是傳導膀胱尿道的感覺沖動和高級排尿中樞之間的共同通路。脊髓損傷是指外界直接或間接因素引起脊髓結構和功能的損害，導致損傷水平以下脊髓神經功能的障礙。據脊髓損傷者委員會2011年統計，我國約有100萬脊髓損傷者，且以每年I萬人的速度遞增。神經源性膀胱是脊髓損傷合并癥之一，主要表現為殘余尿量增多、尿潴留及尿失禁等，若不及時治療，則可能引發泌尿系統感染、腎結石、腎積水等一系列并發癥，嚴重者可造成腎功能衰減，是脊髓損傷所致患者死亡的主要原因,給患者家庭和社會帶來巨大傷害。
[0003]目前對于膀胱功能障礙治療方法主要包括導尿法、手術治療、磁刺激療法和電刺激療法等。導尿法易引發尿路感染且給患者生活帶來不便，手術治療和植入式電刺激治療給患者帶來巨大的痛苦且價格昂貴，磁刺激治療難以刺激深度神經。治療膀胱功能障礙理想的方法是電刺激方法，但現有電刺激治療設備存在如下缺點:1)電刺激位置的確定不科學，如中國專利便攜式無創膀胱治療儀(200910104124.3)，將電極貼放于膀胱周圍穴位，但是它的設計無法從體外獲得膀胱位置信息，也不能根據不同人的膀胱調節電刺激位置，刺激位置不具有 科學性。2)排尿過程中膀胱形狀，大小都會發生變化，這會導致電刺激失效，現階段設備無法根據該變化調整刺激點位置，同時增加無效刺激。3)無法區分刺激失效和尿液排凈，不對膀胱容積進行實時監控，無剩余尿量反饋機制，不能確定尿液是否有殘留，只能在失效是停止刺 激或者隨機換位刺激，這會造成電刺激過度或者尿潴留。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是，提供一種具有定位功能的排尿功能障礙治療系統，能夠在三維超聲導航下準確且無創地刺激膀胱完成排尿過程的超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統。
[0005]本發明所采用的技術方案是:一種超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統，包括有實時獲得膀胱三維數據的三維超聲探頭、用于向系統提供電源的電源模塊，還設置有:
[0006]第一現場可編程門陣列，與所述的三維超聲探頭相連，用于接收膀胱三維數據，進行三維重建得到膀胱三維影像和膀胱容積信息；
[0007]第二現場可編程門陣列，分別與所述的第一現場可編程門陣列以及與設置在電極陣列模塊上用于實時監測電極溫度的溫度感應裝置相連，根據膀胱容積信息以及三維探頭與電極陣列模塊的相對位置關系以及實時電極溫度，確定是否啟動或關閉電刺激以及啟動電刺激的位置和強度，并輸出相應的脈沖信號；
[0008]脈沖放大單元，與所述的第二現場可編程門陣列的輸出相連，接收并放大第二現場可編程門陣列所輸出的脈沖信號，并輸出給電極陣列模塊；
[0009]電極陣列模塊，與所述的脈沖放大單元的輸出端相連，根據脈沖放大單元輸出的信號，對患者相應位置進行電刺激幫助排尿；
[0010]治療信息保存模塊，連接第二現場可編程門陣列，用于存儲膀胱結構圖和治療全過程中所使用的電極位置和刺激時間。
[0011]還設置有與所述的第二現場可編程門陣列的信號輸入端相連的鍵盤，以及與所述的第二現場可編程門陣列的信號輸出端相連的顯示單元。
[0012]所述的電極陣列模塊為腰帶式電極陣列模塊，包括有主體、分別連接在主體的兩側用于與腰部固定的拉伸帶和均勻分布在主體上的n個獨立電極，所述的主體的中心部形成有用于插入三維超聲探頭的預留窗口，所述的n個電極分別連接脈沖放大單元，所述的n是48~100的整數。
[0013]所述的脈沖放大單元包括有與電極陣列模塊中所設置的n個電極相對應連接的n個結構完全相同的脈沖放大模塊，其中任一個脈沖放大模塊都包括有一個DA轉換模塊Ul、一個第一運算放大器U2和一個第二運算放大器U3，其中，所述的DA轉換模塊Ul的參考電壓端連接用于提供恒定電壓的恒壓源VKEF，該參考電壓端還分別通過電容C1和電容C2接地，以及通過電阻R1連接第一運算放大器U2的反相輸入端，所述DA轉換模塊Ul的信號輸入端連接第二現場可編程門陣列的信號輸出端，所述的DA轉換模塊Ul的輸出端連接第一運算放大器U2的同相輸入端，所述第一運算放大器U2的反相輸入端通過電阻R2連接第一運算放大器U2的輸出端，第一運算放大器U2的輸出端通過電容連接C3連接第二運算放大器U3的同相輸入端，所述第一運算放大器U2的輸出端還分別通過電阻R3接地，以及連接+ 5V電壓和一 5V電壓，所述第二運算放大器U3的同相輸入端還通過電阻R4接地，所述第二運算放大器U3的反相輸入端依次通過電阻R5和電容C4接地，該第二運算放大器U3的反相輸入端還通過電阻R6接第二運算放大器U3的輸出端，所述第二運算放大器U3的輸出端連接所述電極陣列模塊中所設置的n個電極中的一個電極，該輸出端還依次通過電阻R7和電容C7接地，所述第二運算放大器U3還連接電壓V。。和恒定負壓一 VEE。
[0014]本發明的超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統，具有定位功能的排尿功能障礙治療系統，通過超聲三維影像準確定位膀胱位置，并能根據生理結構確定逼尿肌和尿道外括約肌的位置，并以不同頻率和幅度的脈沖刺激逼尿肌和尿道外括約肌，能夠在三維超聲導航下準確且無創地刺激膀胱完成排尿過程，以無創手段幫助患者自主排尿，幫助患者減少殘余尿、尿潴留。本發明通過三維超聲探頭和三維重建算法實時顯示膀胱三維結構圖，能實時調整刺激位置，保證刺激的有效性和準確性；通過腰帶式電極陣列模塊根據電極所在位置的膀胱深度和肌肉屬性確定最適頻率和強度的脈沖信號，保證最佳刺激效果；通過膀胱三維結構圖，確定尿量殘余量，保證刺激及時停止，避免無效刺激和過度刺激。本發明定位準確、刺激脈沖信號選擇科學、體積小、價格經濟、操作方便，對患者無創、無副作用，適用于家庭或醫院住院的排尿功能障礙患者。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的整體構成結構示意圖；
[0016]圖2是本發明的 電極陣列模塊的結構示意圖；[0017]圖3是本發明的脈沖放大單元的電路原理圖；
[0018]圖4是本發明的三維超聲控頭的結構示意圖；
[0019]圖5是本發明的使用實例；
[0020]圖6是本發明鍵盤的面板示意圖。
[0021]圖中
[0022]1:第二現場可編程門陣列2:第一現場可編程門陣列
[0023]3:脈沖放大單元4:電極陣列模塊
[0024]5:溫度感應裝置6:顯示單元
[0025]7:治療信息保存模塊 8:鍵盤
[0026]9:電源模塊10:三維超聲探頭
【具體實施方式】
[0027]下面結合實施例和附圖對本發明的超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統做出詳細說明。
[0028]根據肌肉力學原理，人體排尿過程是通過收縮逼尿肌使得膀胱內壓力增加，同抑制尿道外括約肌使得尿道打開，兩組肌肉協同作用完成排尿東西。人體中，逼尿肌屬平滑肌，而尿道外括約肌屬橫紋肌，橫紋肌在高頻率脈沖刺激下會出現疲勞，收縮力下降使得尿道打開，平滑肌在較低頻率信號下易收縮，在高頻率脈沖刺激下易出現抽搐。因此，給兩種肌肉施加不同頻率的電刺激，可以實現逼尿肌收縮的同時尿道外括約肌舒張，最終使得尿液排出體外。
[0029]根據上述特點，本發明提供一種將電極陣列模塊與三維超聲探頭相結合，可以定位膀胱逼尿肌和尿道外括約肌，同時根據肌肉所處深度，確定以不同頻率和脈沖強度刺激逼尿肌和尿道外括約肌，完成一次協調的排尿動作的系統。
[0030]如圖1所示，本發明的超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統，包括有實時獲得膀胱三維數據的三維超聲探頭10、用于向系統提供電源的電源模塊9，還設置有:
[0031]第一現場可編程門陣列(FPGA) 2，與所述的三維超聲探頭10相連，用于接收膀胱三維數據，通過形成在其內的三維重建模塊處理進行三維重建得到膀胱三維影像和膀胱容積信息；
[0032]第二現場可編程門陣列(FPGA) 1，用作控制部分，分別與所述的第一現場可編程門陣列2以及與設置在電極陣列模塊4上用于實時監測電極溫度的溫度感應裝置5相連，根據膀胱容積信息以及三維探頭10與電極陣列模塊4的相對位置關系以及實時電極溫度，確定是否啟動或關閉電刺激幫助排尿以及啟動電刺激的位置和強度，并輸出相應的脈沖信號。當確定需開始排尿時，則通過形成在其內的三維定位模塊進行定位，再根據三維探頭10與腰帶式電極陣列模塊4的相對位置關系，確定應啟動的電刺激位置。本發明所述的溫度感應裝置5可以采用溫度傳感器。
[0033]作為控制模塊的第二現場可編程門陣列(FPGA) I集成度很高，可完成復雜的時序與組合邏輯電路功能。控制模塊主要功能是產生仿生理脈沖信號和控制脈沖放大單元、電極陣列模塊。根據相關醫學理論，I~IOHz的頻率可引起肌肉的單個收縮，20~30Hz可以引起肌肉的不完全強直收縮，50Hz可引起肌肉的完全強直收縮。由此，本膀胱自主排尿系統控制模塊輸出的脈沖頻率為I~IOOHz。輸出脈沖信號應滿足人體生理特性的脈沖，實現對膀胱的肌肉的選擇性刺激。采用有極性的刺激波形刺激神經，會引起周圍肌肉組織的損傷并伴隨刺激部位的不適，而采用無極性的刺激波形，能減少肌肉組織的損傷。本膀胱自主排尿系統設計采用雙相脈沖波。
[0034]脈沖放大單元3，與所述的第二現場可編程門陣列I的輸出相連，接收并放大第二現場可編程門陣列1所輸出的脈沖信號，并輸出給電極陣列模塊4 ;
[0035]電極陣列模塊4，與所述的脈沖放大單元3的輸出端相連，根據脈沖放大單元3輸出的信號，對患者相應位置進行電刺激幫助排尿；
[0036]治療信息保存模塊7，連接第二現場可編程門陣列1，主要功能是用于保存病人的病例，存儲膀胱結構圖和治療全過程中所使用的電極位置和刺激時間，方便醫生后續觀察和診斷和患者的下次治療。
[0037]還有與所述的第二現場可編程門陣列I的信號輸入端相連的鍵盤8，以及與所述的第二現場可編程門陣列I的信號輸出端相連的顯示單元6。
[0038]如圖2所示，所述的電極陣列模塊4為腰帶式電極陣列模塊，包括有主體44、分別連接在主體44的兩側用于與腰部固定的拉伸帶41和均勻分布在主體44上的n個獨立電極42，所述的主體44的中心部形成有用于插入三維超聲探頭10的預留窗口 43，所述的n個電極42分別連接脈沖放大單元3，所述的n是48~100的整數。
[0039]腰帶式電極陣列模塊中由可獨立控制的電極構成的電極陣列在以橫豎相交規則的方式整齊排列，每個電極片可分別輸出不同頻率和強度的脈沖信號，以刺激膀胱不同位置處的肌肉。腰帶式電極陣列模塊中間所留圓孔，為放置三維超聲探頭處，根據探頭的掃描方式和探測深度等信息，確定超聲三維影像與電極的相對位置關系。腰帶式電極陣列模塊可通過兩側的拉伸帶固定于患者下腹部。腰帶式電極陣列模塊受第二現場可編程門陣列I控制，根據膀胱三維重建結果。
[0040]如圖5所示，所述的電極陣列模塊4，通過拉伸帶41固定在患者下腹部，將三維超聲探頭置于腰帶電極陣列模塊中間位置，根據探頭的掃描方式和探測深度等信息，確定超聲三維影像與電極的相對位置關系。多個獨立發射電脈沖信號的電極中，每個電極的沖脈信號的強度和頻率能夠根據溫度感應裝置5和三維超聲探頭10所反饋的信息，自適應地由電極42所在位置的膀胱深度和肌肉屬性確定。通常，對膀胱逼尿肌使用低頻脈沖信號刺激，對尿道外括約肌使用高頻脈沖信號刺激，使得逼尿肌收縮同時尿道外括約肌舒張，以無創的手段幫助排尿功能障礙患者完成一次協調的自主排尿。
[0041]脈沖放大單元3主要功能是對第二現場可編程門陣列I輸出的脈沖信號實現放大，其受FPGA芯片控制，按實際需要將脈沖信號放大至合適的幅度，輸出至腰帶式電極陣列模塊。
[0042]如圖3所示，所述的脈沖放大單元3包括有與電極陣列模塊4中所設置的n個電極42相對應連接的n個結構完全相同的脈沖放大模塊，其中任一個脈沖放大模塊都包括有一個DA轉換模塊U1、一個第一運算放大器U2和一個第二運算放大器U3，其中，所述的DA轉換模塊Ul的參考電壓端連接用于提供恒定電壓的恒壓源Vkef，該參考電壓端還分別通過電容C1和電容C2接地，以及通過電阻R1連接第一運算放大器U2的反相輸入端，所述DA轉換模塊Ul的信號輸入端連接第二現場可編程門陣列I的信號輸出端，所述的DA轉換模塊Ul的輸出端連接第一運算放大器U2的同相輸入端，所述第一運算放大器U2的反相輸入端通過電阻R2連接第一運算放大器U2的輸出端，第一運算放大器U2的輸出端通過電容連接C3連接第二運算放大器U3的同相輸入端，所述第一運算放大器U2的輸出端還分別通過電阻&接地，以及連接+ 5V電壓和一 5V電壓，所述第二運算放大器U3的同相輸入端還通過電阻R4接地，所述第二運算放大器U3的反相輸入端依次通過電阻R5和電容C4接地，該第二運算放大器U3的反相輸入端還通過電阻R6接第二運算放大器U3的輸出端，所述第二運算放大器U3的輸出端連接所述電極陣列模塊4中所設置的n個電極中的一個電極,該輸出端還依次通過電阻R7和電容C7接地，所述第二運算放大器U3還連接電壓\c和恒定負壓一Vee。
[0043]圖4是本發明所述的三維超聲探頭10，包括有壓電晶體103以及分別與壓電晶體103相連的360度旋轉電機101和120度扇形旋轉電機102。三維超聲探頭10實現對膀胱超聲信號的采集，本發明中，采用三維超聲探頭中心頻率為2.5MHz，掃描方式為二維陣列式，三維超聲探頭置于電極陣列中間位置。三維超聲探頭采集超聲信號傳輸至三維重建模塊，經三維重建算法重建后顯示膀胱結構圖，用以實現對膀胱電刺激的準確定位。根據三維膀胱重建結構圖，控制模塊調整電極陣列的輸出脈沖信號，實現對膀胱的準確刺激。
[0044]本發明的電源模塊9為本系統各器件提供合適的電壓，采用電池供電。在本模塊中通過穩壓器將電壓變為3.3V、1.5V、5V，其中3.3V、1.5V分別給FPGA提供I/O電壓和內核工作電壓。在穩壓器附近使用電感和電容濾除電壓紋波。
[0045]鍵盤9包含:開始鍵91、停止鍵92、保存鍵93、時間鍵94、、強度鍵95、頻率鍵96、位置選擇鍵97、向上鍵98、向左鍵99、向右鍵910、向下鍵911，其面板結構如圖6所示。通過鍵盤上的開始鍵啟動本發明；停止鍵用于停止當前運行的進程；時間鍵、頻率鍵、強度鍵分別用來調節電刺激的時間、頻率和強度；位置選擇鍵、向上鍵、向下鍵、向左鍵、向右鍵用于選擇刺激位置，保存鍵用于保存治療信息。
[0046]本發明中，每個電極能同時發射不同脈沖信號，該脈沖信號由第二現場可編程門陣列產生，并經過脈沖放大模塊放大，脈沖放大模塊的輸出端鏈接腰帶式電極陣列模塊，再通過對應的電極輸出到人體，治療完成后，治療信息保存模塊存儲膀胱結構圖和治療全過程中所使用的電極位置和刺激時間，電源模塊為所述膀胱自主排尿系統各器件提供工作電壓，鍵盤啟動和控制所述膀胱自主排尿系統，溫度感應裝置實時監測電極溫度。
[0047]本發明的超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統的工作流程為:
[0048]I)預先為患者設定需啟動治療的膀胱容積最低閾值；
[0049]2)將三維超聲探頭放置于腰帶式電極陣列模塊中心預留窗口處，通過三維超聲探頭找到患者的膀胱位置后，使用腰帶式電極陣列模塊的拉伸帶將二者固定；
[0050]3)第一現場可編程門陣列2通過三維重建計算出當時膀胱容積，若到達預先設定最低閾值，則通過三維定位模塊，確定需刺激的位置`和肌肉屬性等信息，并傳遞給第二現場可編程門陣列I ;
[0051]4)根據這些信息，作為控制模塊的第二現場可編程門陣列I控制腰帶式電極陣列模塊，選擇有效的電刺激位置，以神經與逼尿肌連接處和尿道外括約肌為主要刺激點，對逼尿肌采用低頻脈沖刺激，對尿道外括約肌采用高頻脈沖刺激，刺激強度根據患者的敏感程度和肌肉距離電極的位置關系確定；[0052]5)排尿過程中膀胱形狀和大小會發生變化，這會使得電刺激失效，此時應通過三維膀胱實時圖像，重新確定刺激點；
[0053]6)當排尿停止，則停止電刺激，啟用三維超聲容積檢測，若尿液一排空，則完成本次治療，保存治療信息；
[0054]7)若仍有殘余尿量則調整電刺激位置，適當增加刺激強度，再次啟動電刺激；
[0055]8)重復4)到7)過程，直到治療完成。
[0056]本發明的超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統，通過三維超聲測容和電刺激的結合，實現對膀胱電刺激的準確定位，同時對不同的肌肉以不同的頻率刺激，幫助患者無創的實現排尿，代替膀胱已喪失的收縮排尿功能。在刺激神經肌肉的同時，也刺激傳入神經，加上不斷重復的運動模式信息 ，傳入神經系統，幫助患者逐漸恢復膀胱原有的運動功能。
【權利要求】
1.一種超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統，包括有實時獲得膀胱三維數據的三維超聲探頭(10)、用于向系統提供電源的電源模塊(9 )，其特征在于，還設置有: 第一現場可編程門陣列(2)，與所述的三維超聲探頭(10)相連，用于接收膀胱三維數據，進行三維重建得到膀胱三維影像和膀胱容積信息； 第二現場可編程門陣列(1)，分別與所述的第一現場可編程門陣列(2)以及與設置在電極陣列模塊(4)上用于實時監測電極溫度的溫度感應裝置(5)相連，根據膀胱容積信息以及三維探頭(10)與電極陣列模塊(4)的相對位置關系以及實時電極溫度，確定是否啟動或關閉電刺激以及啟動電刺激的位置和強度，并輸出相應的脈沖信號； 脈沖放大單元(3)，與所述的第二現場可編程門陣列(I)的輸出相連，接收并放大第二現場可編程門陣列(I)所輸出的脈沖信號，并輸出給電極陣列模塊(4 ); 電極陣列模塊(4)，與所述的脈沖放大單元(3)的輸出端相連，根據脈沖放大單元(3)輸出的信號，對患者相應位置進行電刺激幫助排尿； 治療信息保存模塊(7)，連接第二現場可編程門陣列(I )，用于存儲膀胱結構圖和治療全過程中所使用的電極位置和刺激時間。
2.根據權利要求1所述的超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統，其特征在于，還設置有與所述的第二現場可編程門陣列(I)的信號輸入端相連的鍵盤(8)，以及與所述的第二現場可編程門陣列(I)的信號輸出端相連的顯示單元(6)。
3.根據權利要求1所述的超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統，其特征在于，所述的電極陣列模塊(4)為腰帶式電極陣列模塊，包括有主體(44)、分別連接在主體(44)的兩側用于與腰部固定的拉伸帶(41)和均勻分布在主體(44)上的n個獨立電極(42)，所述的主體(44)的中心部形成有用于插入三維超聲探頭(10)的預留窗口(43)，所述的n個電極(42)分別連接脈沖放大單元(3)，所述的n是48~100的整數。
4.根據權利要求1或3所述的超聲三維影像引導的膀胱自主排尿系統，其特征在于，所述的脈沖放大單元(3)包括有與電極陣列模塊(4)中所設置的n個電極(42)相對應連接的n個結構完全相同的脈沖放大模塊，其中任一個脈沖放大模塊都包括有一個DA轉換模塊Ul、一個第一運算放大器U2和一個第二運算放大器U3，其中，所述的DA轉換模塊Ul的參考電壓端連接用于提供恒定電壓的恒壓源Vkef，該參考電壓端還分別通過電容C1和電容C2接地，以及通過電阻R1連接第一運算放大器U2的反相輸入端，所述DA轉換模塊Ul的信號輸入端連接第二現場可編程門陣列(I)的信號輸出端，所述的DA轉換模塊Ul的輸出端連接第一運算放大器U2的同相輸入端，所述第一運算放大器U2的反相輸入端通過電阻R2連接第一運算放大器U2的輸出端，第一運算放大器U2的輸出端通過電容連接C3連接第二運算放大器U3的同相輸入端，所述第一運算放大器U2的輸出端還分別通過電阻R3接地，以及連接+ 5V電壓和一 5V電壓，所述第二運算放大器U3的同相輸入端還通過電阻R4接地，所述第二運算放大器U3的反相輸入端依次通過電阻R5和電容C4接地，該第二運算放大器U3的反相輸入端還通過電阻R6接第二運算放大器U3的輸出端，所述第二運算放大器U3的輸出端連接所述電極陣列模塊(4)中所設置的n個電極中的一個電極，該輸出端還依次通過電阻R7和電容C7接地，所述第二運算放大器U3還連接電壓\c和恒定負壓一 VEE。
【文檔編號】A61N1/36GK103611218SQ201310513101
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】王延群, 葉青盛, 方思敏, 計建軍 申請人:中國醫學科學院生物醫學工程研究所