一种骨植入物裂纹检测系统及其可植入式射频识别传感器的制作方法

1.本发明属于骨植入物裂纹检测技术领域，具体涉及一种骨植入物裂纹检测系统及其可植入式射频识别传感器。


背景技术：

2.骨植入物是临床上用于替代、支撑、修复、补充原始骨骼的医疗器。骨植入物在人体期间承受复杂的生理环境和力学载荷，常发生裂纹等失效行为，直接影响骨折愈合效果，导致愈合延迟、不愈合、骨组织坏死等临床症状，给患者生理和心理带来负面影响。因此，非常有必要对骨植入物的体内完整性进行系统的研究，对植入物的疲劳危险点及疲劳寿命进行预测，并做出相应的临床措施。
3.由于个体差异性和骨折类型的多样性，骨植入物裂纹产生及断裂的具体机制尚不清晰。此外，目前植入物在人体内的失效分析均基于仿真模拟或断裂后取出进行体外测试，基于仿真模拟的方式无法反映骨植入物在人体内的实际情况，不能对骨植入物完整性进行精准分析，进而为相应的临床措施提供准确可靠的数据支撑；基于体外测试的方式需要进行手术才能实现完整性分析，且不能及时对骨植入物在人体内的完整性进行检测。因此亟需一种能够实时准确进行体内原位植入物裂纹检测的系统。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种可植入式射频识别传感器。本发明采用射频识别传感技术，实现骨植入物裂纹形状、位置、尺寸的实时和精准检测。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种可植入式射频识别传感器，所述传感器安装在骨植入物表面，与所述骨植入物一起被植入生物体内；
7.所述传感器包括基板和设置在所述基板上的辐射体；
8.所述辐射体和所述骨植入物之间形成谐振腔，以感知所述骨植入物裂纹特征。
9.目前，通常采用仿真模拟分析的方式对骨植入物裂纹进行预测，然而该种方式与生物体内骨植入物裂纹萌生和扩展实际情况不相符，不能准确可靠的实现对骨植入物的疲劳危险点和疲劳寿命进行预测；而采用体外测试，该种方式首先需要进行手术将骨植入物取出，同时无法实时获取骨植入物断裂情况，实现及时响应。基于此，本实施例提出的射频识别传感器利用射频识别检测技术，能够实时获取升入体内骨植入物断裂情况，及时制定响应策略，降低了风险。
10.优选的，本发明的辐射体包括矩形传感单元和圆形编码单元。
11.优选的，本发明的矩形传感单元包括两个基本的辐射模式：tm
10
和tm
01
；两种基本辐射模式对应的谐振频率为：
12.[0013][0014]
其中，f
10
为tm
10
辐射模式对应的谐振频率，f
01
为tm
01
辐射模式对应的谐振频率，c为真空中的光速，l为矩形传感单元的长度，δlc为裂纹引起的矩形传感单元长度方向电气长度的增加量，w为矩形传感单元的宽度，δwc为裂纹引起的矩形传感单元宽度方向电气长度的增加量，ε
re
为有效介电常数。
[0015]
优选的，本发明的圆形编码单元的谐振频率为：
[0016][0017]
其中，c为真空中的光速，re为圆形编码单元的有效半径，εr为基板的介电常数。
[0018]
第二方面，本发明提出了如上所述的一种可植入式射频识别传感器的参数确定方法，包括：
[0019]
选择所述传感器的工作频率和具有生物相容性的所述基板材料；
[0020]
根据生物组织对电磁场的辐射及吸收特性，结合所述传感器及所述骨植入物植入部位、深度，建立所述传感器仿真计算模型，优化所述辐射体的形状、尺寸以及所述基板的厚度；
[0021]
计算所述传感器及体外读取器之间的能量耦合系数，确定所述传感器最终结构参数。
[0022]
优选的，本发明的生物组织对电磁场的辐射及吸收特性获取方式具体为：
[0023]
根据生物组织解剖结构，以各器官为单位分为不同层或不同区域，建立形态模型；
[0024]
对形态模型中各层或各区域赋以相应的电磁参数，构造电磁模型；
[0025]
基于电磁模型分析生物组织对电磁场的辐射及吸收特性。
[0026]
第三方面，本发明提出了如上所述的一种可植入式射频识别传感器的工作方法，包括：
[0027]
通过对生物体内的所述传感器进行外部电磁激励，使得所述传感器对入射的电磁波产生反射信号；
[0028]
通过体外读取器接收该反射信号并进行解耦处理，得到所述骨植入物裂纹特征，从而实现实时感知所述骨植入物的裂纹萌生和扩展情况。
[0029]
第四方面，本发明提出了一种骨植入物裂纹检测系统，包括如上所述的可植入式射频识别传感器和体外读取器；
[0030]
所述体外读取器用于为所述识别传感器提供电磁激励，并接收和处理所述传感器传输的反射信号，得到所述骨植入物裂纹特征。
[0031]
优选的，本发明的体外读取器包括信号源、信号分离装置、接收单元、信号处理单元和天线；
[0032]
所述信号源通过所述天线为所述传感器提供连续波激励信号，并进行功率输出；
[0033]
所述信号分离装置用于将所述天线接收到的传感器的反射信号和连续波激励信号分离，并负责将所述信号源的输出功率按照参考信号分配给所述接收单元；
[0034]
所述接收单元用于对所述反射信号、参考信号和传输信号的幅相参数进行测试分
析；
[0035]
所述信号处理单元用于根据所述接收单元输出的信息，完成对所述骨植入物裂纹信息解耦，提取裂纹特征。
[0036]
优选的，本发明的信号处理单元还可根据实际需要进行结果显示。
[0037]
本发明具有如下的优点和有益效果：
[0038]
本发明采用射频识别天线传感技术，实现骨植入物裂纹实时检测，具有低成本、无源、无线、高集成度的优势。
[0039]
本发明提出的裂纹传感器能够实现和骨植入物表面共形，并且具有良好的生物相容性。
[0040]
本发明提出的裂纹传感器，其和骨植入物一起植入患者体内，通过体外读取器可实时掌握骨植入物裂纹萌生和扩展情况，为临床措施提供准确可靠的数据支撑，最大限度保证被植入者的健康。
[0041]
本发明可根据传感器植入人体的位置，结合人体组织的电磁特性，可设计不同的裂纹传感器；检测过程中无需被植入者的位置固定，提高了检测的灵活性和适应性。
附图说明
[0042]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0043]
图1为本发明实施例的可植入式射频识别传感器结构示意图。
[0044]
图2为本发明实施例的可植入式射频识别传感器俯视图。
[0045]
图3为本发明实施例中不同裂纹方向对谐振模式的影响示意图。(a)为裂纹平行于传感单元的宽度方向；(b)为裂纹平行于传感单元的长度方向。
[0046]
图4为本发明实施例的裂纹检测系统原理框图。
[0047]
附图中标记及对应的零部件名称：
[0048]
1-基板，2-辐射体，21-传感单元，22-编码单元，3-骨植入物，4-裂纹，5-电流路径。
具体实施方式
[0049]
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
[0050]
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。
[0051]
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装
置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
[0052]
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
[0053]
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
[0054]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0055]
实施例1
[0056]
本实施例提供了一种可植入式射频识别传感器，如图1所示，本实施例的裂纹传感器由基板1和布置在基板1上的辐射体2组成，其中，辐射体2包括传感单元21和编码单元22。本实施例利用体外读取器裂对纹传感器的反向散射信号的特征作为骨植入物裂纹产生和量化的参数。
[0057]
将传感器安装在骨植入物(接骨板)3表面，骨植入物3等同于天线传感器的接地平面，由微带天线理论可知，辐射体2和接地平面之间形成了特定谐振频率的谐振腔。
[0058]
本实施例的射频识别传感器中的编码单元数量根据实际需要设置，而编码单元和传感单元的形状根据谐振频率对裂纹信息的敏感程度进行设置，本实施例中，编码单元要求其对应的谐振频率对裂纹及读取方向不敏感，因此采用圆形，其谐振频率相对固定；传感单元要求其对裂纹信息敏感，还要能够区分裂纹方向，因此采用矩形，矩形的长度方向和宽度方向的谐振频率因尺寸差别所以存在比较大的差异，不同方向读取就可以获得裂纹的大小和方向信息。如图1所示，本实施例的射频识别传感器包括4个不同直径的圆形编码单元22，且该4个编码单元22布置在矩形传感单元21的外围。
[0059]
本实施例的射频识别传感器的工作原理为：
[0060]
矩形传感单元包括两个基本的辐射模式(tm
10
和tm
01
)，不同辐射模式下的电流分布不同，骨植入物裂纹的产生会使电流分布的路径发生变化，进而使该辐射模式下天线传感器的电气路径增加，使得相应辐射模式下射频识别传感器的谐振频率发生变化。如图3所示，当裂纹平行于矩形传感单元的宽度方向，会使长度方向的电气长度增加，影响tm
10
辐射模式对应的谐振频率f
10
，tm
01
辐射模式对应的谐振频率f
01
不受影响。当裂纹平行于矩形传感单元的长度方向，会使宽度方向的电气长度增加，影响tm
01
辐射模式对应的谐振频率f
01
，tm
01
辐射模式对应的谐振频率f
01
不受影响。当裂纹方向和矩形传感单元的边缘存在一定的
角度时，长度方向和宽度方向的电气长度都会增加，影响tm
10
和tm
01
辐射模式对应的谐振频率f
10
和f
01
。两种基本辐射模式对应的谐振频率，计算如下：
[0061][0062][0063]
其中，c为真空中的光速，l为矩形传感单元的长度，δlc为裂纹引起的矩形传感单元长度方向电气长度的增加量，w为矩形传感单元的宽度，δwc为裂纹引起的矩形传感单元宽度方向电气长度的增加量，ε
re
为有效介电常数，计算如下：
[0064][0065]
其中，εr为传感器基板的介电常数，h为传感器基板的厚度。rfid传感器圆形编码单元其谐振频率计算如下：
[0066][0067]
式中re为圆形编码单元的有效半径，由下式确定；
[0068][0069]
其中，r为编码单元的半径，h为传感器基板的厚度。
[0070]
本实施例的射频识别传感器工作过程为：
[0071]
将射频识别传感器安装在骨植入物表面，并与骨植入物一起植入生物体内；
[0072]
通过对射频识别传感器进行外部电磁激励，使得射频识别传感器对入射的电磁波产生反向散射信号；
[0073]
通过外部读取器接收该反向散射信号并进行解耦处理，得到骨植入物裂纹特征，从而可以实时感知骨植入物的裂纹萌生和扩展状况，对骨植入物的疲劳危险点和疲劳寿命进行预测。
[0074]
生物组织的电磁阻抗特性是电磁场与生物体之间相互作用的基础，射频识别传感器作为可植入医疗器件，不仅要具有良好的生物相容性，还需要考虑生物组织对电磁波能量吸收带来的传输损耗及生物效应。本实施例根据生物组织解剖结构，以各器官为单位分为不同层或不同区域，建立形态模型；然后对各层或区域赋以相应的电磁参数，构造电磁模型；分析生物组织对电磁场的辐射及吸收特性，确保体外读取器和体内传感器之间的正常通信并减小射频场对生物组织的影响。
[0075]
本实施例还提出了上述可植入式射频识别传感器的参数确定方法，可植入式射频识别传感器的电磁辐射和器件尺寸应该满足生物医学的要求，体积小的同时能够进行高效率的能量传输和无线数据通讯。因此，其参数确定方法具体包括：
[0076]
选择传感器合适的工作频率和具有生物相容性的基板材料；
[0077]
根据生物组织对电磁场的辐射及吸收特性，结合传感器及骨植入物植入的部位、深度，建立传感器仿真计算模型，优化传感器辐射体的形状、尺寸以及基板的厚度；
[0078]
计算射频识别传感器及体外读取器之间的能量耦合系数，确定可植入式射频识别传感器最终结构参数。
[0079]
实施例2
[0080]
本实施例提出了一种骨植入物裂纹检测系统，包括上述实施例1提出的射频识别传感器和体外读取器。
[0081]
如图4所示，本实施例的体外读取器由信号源、信号分离装置、接收单元、信号处理单元和天线组成。
[0082]
其中，信号源负责提供天线的连续波激励信号，具有大范围频率扫描和功率扫描的功能。本实施例的信号源采用合成扫频信号源提供激励信号，采用自动电平增益控制和衰减器两部分完成功率扫描控制和调节，自动电平增益控制保证输入信号功率的稳定和功率扫描控制(即对功率进行微调)，衰减器完成大范围功率扫描调节(即对功率进行粗调)。
[0083]
信号分离装置将天线收集到的射频识别传感器的反射信号和连续波激励信号的分离，并负责将信号源的输出功率按固定比例(参考信号)分配给接收单元。为了防止发射信号对接收信号处理的干扰，本实施例的信号分离装置采用功分器和定向耦合器分别完成对激励信号和反射信号的提取。其中，定向耦合器用于分离不同方向的信号，对应激励信号和接收信号的分离。因为发射功率强度较高，直接测量其功率实现难度较大，因此利用功分器用于将信号源传出的信号分配一部分给信号测量装置。
[0084]
接收单元完成对参考信号、反射信号、传输信号的幅度、相位等参数的测试分析；接收单元扫频处理过程中保证和信号源的频率同步扫描。本实施例的接收单元采用调谐接收机抑制谐波和寄生信号，以达到良好的测试灵敏度和动态范围。
[0085]
信号处理单元完成对骨植入物裂纹信息进行反演和解耦(预先设置一系列不同形状、位置、尺寸的裂纹，获取传感器对应的信号特征，建立信号特征和裂纹信息的关系，实际检测过程中，获取了信号特征之后，根据信号特征和裂纹之间的关系即可获得裂纹信息)，并提取裂纹特征，并按照需要的方式进行结果显示。本实施例的信号处理单元通过引入模式识别算法用于特征提取并分离干扰，提高裂纹检测的灵敏度和鲁棒性。
[0086]
本实施例的检测系统工作原理如下：
[0087]
体外读取器通过频率扫描和功率扫描方式发射电磁波激励安装在体内骨植入物上的射频识别传感器，射频识别触感器的辐射体和骨植入物形成谐振腔，将对入射的电磁波产生反向散射信号，不同形状、位置、尺寸的裂纹将会产生不同的响应使读取器接收到不同的散射吸纳后，对接收信号进行解耦并提取裂纹特征，可以实时感知骨植入物的裂纹萌生和扩展情况，对骨植入物的疲劳危险点和疲劳寿命进行预测。
[0088]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可植入式射频识别传感器，其特征在于，所述传感器安装在骨植入物(3)表面，与所述骨植入物(3)一起被植入生物体内；所述传感器包括基板(1)和设置在所述基板(1)上的辐射体(2)；所述辐射体(2)和所述骨植入物(3)之间形成谐振腔，以感知所述骨植入物(3)裂纹特征。2.根据权利要求1所述的一种可植入式射频识别传感器，其特征在于，所述辐射体(2)包括矩形传感单元(21)和圆形编码单元(22)。3.根据权利要求2所述的一种可植入式射频识别传感器，其特征在于，所述矩形传感单元(21)包括两个基本的辐射模式：tm
10
和tm
01
；两种基本辐射模式对应的谐振频率为：两种基本辐射模式对应的谐振频率为：其中，f
10
为tm
10
辐射模式对应的谐振频率，f
01
为tm
01
辐射模式对应的谐振频率，c为真空中的光速，l为矩形传感单元的长度，δl
c
为裂纹引起的矩形传感单元长度方向电气长度的增加量，w为矩形传感单元的宽度，δw
c
为裂纹引起的矩形传感单元宽度方向电气长度的增加量，ε
re
为有效介电常数。4.根据权利要求2所述的一种可植入式射频识别传感器，其特征在于，所述圆形编码单元的谐振频率为：其中，c为真空中的光速，r
e
为圆形编码单元的有效半径，ε
r
为基板的介电常数。5.如权利要求1-4任一项所述的一种可植入式射频识别传感器的参数确定方法，其特征在于，包括：选择所述传感器的工作频率和具有生物相容性的所述基板材料；根据生物组织对电磁场的辐射及吸收特性，结合所述传感器及所述骨植入物植入部位、深度，建立所述传感器仿真计算模型，优化所述辐射体的形状、尺寸以及所述基板的厚度；计算所述传感器及体外读取器之间的能量耦合系数，确定所述传感器最终结构参数。6.根据权利要求5所述的参数确定方法，其特征在于，所述生物组织对电磁场的辐射及吸收特性获取方式具体为：根据生物组织解剖结构，以各器官为单位分为不同层或不同区域，建立形态模型；对形态模型中各层或各区域赋以相应的电磁参数，构造电磁模型；基于电磁模型分析生物组织对电磁场的辐射及吸收特性。7.如权利要求1-4任一项所述的一种可植入式射频识别传感器的工作方法，其特征在于，包括：
通过对生物体内的所述传感器进行外部电磁激励，使得所述传感器对入射的电磁波产生反射信号；通过体外读取器接收该反射信号并进行解耦处理，得到所述骨植入物裂纹特征，从而实现实时感知所述骨植入物的裂纹萌生和扩展情况。8.一种骨植入物裂纹检测系统，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的可植入式射频识别传感器和体外读取器；所述体外读取器用于为所述识别传感器提供电磁激励，并接收和处理所述传感器传输的反射信号，得到所述骨植入物裂纹特征。9.根据权利要求8所述的一种骨植入物裂纹检测系统，其特征在于，所述体外读取器包括信号源、信号分离装置、接收单元、信号处理单元和天线；所述信号源通过所述天线为所述传感器提供连续波激励信号，并进行功率输出；所述信号分离装置用于将所述天线接收到的传感器的反射信号和连续波激励信号分离，并负责将所述信号源的输出功率按照参考信号分配给所述接收单元；所述接收单元用于对所述反射信号、参考信号和传输信号的幅相参数进行测试分析；所述信号处理单元用于根据所述接收单元输出的信息，完成对所述骨植入物裂纹信息解耦，提取裂纹特征。10.根据权利要求9所述的一种骨植入物裂纹检测系统，其特征在于，所述信号处理单元还可根据实际需要进行结果显示。

技术总结
本发明公开了骨植入物裂纹检测系统及其可植入式射频识别传感器，所述传感器安装在骨植入物表面，与所述骨植入物一起被植入生物体内；所述传感器包括基板和设置在所述基板上的辐射体；所述辐射体和所述骨植入物之间形成谐振腔，以感知所述骨植入物裂纹特征。本发明采用射频识别传感技术，实现骨植入物裂纹形状、位置、尺寸的实时和精准检测。尺寸的实时和精准检测。尺寸的实时和精准检测。


技术研发人员：汪俊 田鹏 李铭 吴晓东
受保护的技术使用者：成都泽康智骨科技有限公司
技术研发日：2022.01.25
技术公布日：2023/8/5