CN103565424A

CN103565424A - 一种基于石墨烯电容微阵列的柔性脉象检测探头

Info

Publication number: CN103565424A
Application number: CN201210273910.8A
Authority: CN
Inventors: 郭福生; 孙志敏; 于庆凯
Original assignee: 郭福生
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2014-02-12

Abstract

本发明属于生物医学检测仪器领域，主要涉及一种脉象检测装置，包括探头刚性主体、柔性硅胶衬垫、压力传感柔性薄膜、固定压力传感柔性薄膜的紧固件和弹性连接件，柔性硅胶衬垫的平面端与探头刚性主体紧密粘合；压力传感柔性薄膜由石墨烯电容微阵列柔性薄膜构成，其底层紧贴在柔性硅胶衬垫的弧面上；紧固件和弹性连接件将压力传感薄膜的两端分别固定在探头刚性主体的两侧，其中一端紧密固定，另一端可随接触面的压力变化而伸缩。该脉象检测探头一是显著提升了脉象信息的空间分辨率；二是扩展了脉象检测探头的压力量程范围，使其上限值达到2.5千克力；三是提高了脉象检测探头的稳定性和耐用性；其结构特征较好地实现了仿生医生指腹的功能。

Description

一种基于石墨烯电容微阵列的柔性脉象检测探头

技术领域

本发明属于生物医学检测仪器领域，主要涉及一种脉象检测装置。

技术背景

脉诊是我国传统医学中重要而最具特色的诊断方法之一，它是中医辨证的一个重要依据，在中医临床诊断中具有极其重要的意义。从20世纪50年代起，我国的科技工作者就致力于脉诊客观化的研究，探究脉象的本质特征，通过建立特征模型、构造血流动力学方程、绘制脉象图等方式进行分析研究，在脉象的形成机制及其生理病理意义等方面取得了一些有益的成果。

脉搏中携带着丰富的人体健康状况信息，中医切脉诊断是依靠医生指端的触觉、压觉、震动觉等感受器来探测脉象局部及整体信息的，现代脉学理论通常将指端感受到的脉象信息分解为：脉位、脉力、脉率、脉律、脉宽、脉长、流利度、紧张度等八个维度特征，通过分析这八维信息来识别中医常见的28脉。因此，如何有效获取真实全面的高质量脉象信息，是脉诊客观化研究最基础、最关键而又不可回避的难题之一。

二十多年来，脉象检测设备的发展取得了多方面的技术进步，但在核心技术指标上并未获得实质性的突破，总体上依然存在一些较为严重的不足和问题，一是脉象传感器的空间分辨率太低，采集到的脉象信息量严重不足，导致它对脉长、脉宽、流利度、紧张度等指标的检测精度不够。目前大多数脉象仪为单触点式，在寸、关、尺的某一部位上只能采集一路信号，该类设备根本无法检测脉宽及脉长等信息；虽然也有部分阵列式脉象检测探头可以同时采集多路信号，但或者由于其集成度不高，或者由于其核心材料固有的机械或电磁特性制约，而使单部探头在横向与纵向上分布的压力敏感单元数量依然有限，其脉象信息的空间分辨率大于1.5mm。如专利申请号为201010508173.6、200610119382.5、200820075107.2的脉象检测设备，其空间分辨率大于等于2mm，如果按中医脉象诊断的最低要求来设计，则至少需要45路信号，则上述三种传感器至少需要90条数据线，如按100路设计，则需要200条数据线，如此多的数据线，使传感器的总体积很难做小，同时也带来稳定性等方面的其它问题。临床实验表明，如果脉象检测探头的空间分辨率大于0.8mm，则系统对脉长、脉宽的检测精度过低而使它对部分有着重要临床诊断价值的脉型(如细脉、儒脉、微脉、弱脉、革脉、芤脉、紧脉等)进行识别判读时，往往准确率太低而极易引发误诊。这些因素制约着脉象检测设备的推广应用。

二是传感器的稳定性、耐用性较低。现有的阵列式脉象检测探头大部分由结构独立的分离式压力敏感单元通过机械连接部件组合而成，因其结构过于复杂精细，而致连接脆弱，其稳定性、抗冲击性、耐用性偏低，有些阵列式传感器(如PVDF薄膜传感器)稳定性较好，但分辨率又太低，不能较好地适应真实的临床环境。

三是脉象检测探头的压力量程范围不足(通常在0～1千克力之间)，有时难以满足实际需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足：一是将脉象采集信息的空间分辨率显著提升，使该项指标完全满足临床需要；二是扩展脉象检测探头的压力量程范围；三是提高脉象检测探头的稳定性和耐用性。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种基于石墨烯电容微阵列的柔性脉象检测探头，主要包括探头刚性主体(10)、柔性硅胶弧形衬垫(9)、压力传感柔性薄膜(8)、紧固件(12)和弹性连接件(11)，如图6所示。柔性硅胶弧形衬垫(9)的平面端与探头刚性主体(10)紧密粘合；压力传感柔性薄膜(8)的底层紧贴在柔性硅胶弧形衬垫(9)的弧面上；紧固件(12)和弹性件(11)将压力传感柔性薄膜(8)的两端分别固定在探头刚性主体(10)的左右两侧，其中一端紧密固定，另一端可以随接触面的压力变化而伸缩。这种微阵列柔性结构较好地实现了仿生医生指腹的功能。

如图1所示，在上述脉象检测探头中，压力传感柔性薄膜由五层薄膜材料构成，从上到下依次为硅胶顶层(1)、多层石墨烯层(2)、聚酯塑料层(3)、金属薄膜层(4)、聚酯塑料底层(5)，其中顶层表面还分布有MxN阵列的硅胶小触点(6)；第三层内刻蚀有MxN阵列的圆孔；顶层表面分布的硅胶小触点与第三层内的圆孔一一精确对齐；五层薄膜材料紧密结合构成了电容式微阵列压力传感柔性薄膜，如图1、图4、图5所示。以现有的微电子加工工艺，单位面积上的电容微阵列数量可达30×30个/平方厘米，脉象检测探头的空间分辨率可小于0.35mm。

其测量原理是，当外力作用到电容器两侧的时候，第一层硅橡胶薄膜和第二层多层石墨烯薄膜向里弯曲，第二层多层石墨烯和金属薄膜的间距会发生改变，从而使电容发生改变，通过电路检测电容变化而感知压力变化，如图2、图3所示。

石墨烯具有优异的力学、热学及电学性能。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚韧，如果用石墨烯制成普通塑料膜包装袋(厚度约100纳米)，那么它将承受大约两吨重的物品；其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度，它为目前世上电阻率最小的材料。由于石墨烯具有优异的力学、热学、电学性质，因此该压力传感柔性薄膜的稳定性和耐用性远远高于现有的阵列式压力传感器，其压力量程范围也有大幅提高；另外，石墨烯电容微阵列柔性薄膜的灵敏度也很好，可以感知一个小蚊子落上去的压力变化。

如图4、图5所示，该压力传感柔性薄膜的第二层和第四层采用巧妙的空间排列结构，将信号线大幅降低；薄膜的电极分为两组，一组连接石墨烯，另一组连接金属；通过这两组电极的各种组合可监测各个探测单元电容的变化，在图5中，A1-B1可监测S1，A1-B3可检测S7，其它电容变化以此类推。20×20阵列的传感器仅需40根信号线，与专利申请号为201010508173.6、200610119382.5、200820075107.2的脉象检测设备相比，信号线至少降低了一个数量级，从而既使传感器空间分辨率大幅提高，又可将体积做的很小，还可实现寸、关、尺三部同时检测而能够适应大部分人群。电路部分主要包含两个模块，一个是扫描开关，另一个是电容测模块，用一千赫兹的扫描速率，并可以10万赫兹的加载信号测量电容，然后转换为压力信号。

附图说明

图1为本发明中压力传感柔性薄膜的组成结构示意图。

图中：1、硅胶顶层，2、多层石墨烯层，3、聚酯塑料层，4、金属薄膜层，5、聚酯塑料底层，6、硅胶小触点，7、圆孔。

图2、图3为本发明中压力传感柔性薄膜的压力测量原理图。

图4、图5为本发明中采用3×3阵列的压力传感柔性薄膜立体结构示意图。

图6为本发明具体实施例的组成结构图。

图中：8、压力传感柔性薄膜，9、柔性硅胶弧形衬垫，10、探头刚性主体，11、弹性连接件，12、紧固件。

具体实施方式

如图6所示，本发明的实施例中压力传感柔性薄膜是在8×8平方毫米的区域内集成20×20阵列的石墨烯电容，共计400个压力敏感单元；压力传感柔性薄膜从上到下各层厚度分别为10微米、5纳米、5微米、50纳米、50微米。

本实施例中通过一个扫描开关模块切换压力敏感单元，并用电容测模块来测量电容，其中扫描开关的扫描速率为一千赫兹，并以10万赫兹的加载信号测量电容，然后将电容微阵列测量数据数字化后送入计算机，转换成二维压力矩阵数值，连续采集这些脉动信号的二维压力分布数据，得到可视化的三维脉象实时动态影像，对这些脉象信号的二维压力数据分析处理，给出所测脉象的脉名判读结果。

Claims

1.一种基于石墨烯电容微阵列的柔性脉象检测探头，主要包括探头刚性主体(10)、柔性硅胶弧形衬垫(9)、压力传感柔性薄膜(8)、弹性连接件(11)、紧固件(12)，其特征是：柔性硅胶弧形衬垫(9)的平面端与探头刚性主体紧密粘合，压力传感柔性薄膜(8)的聚酯塑料底层(5)紧贴在柔性硅胶弧形衬垫(9)的弧面上，紧固件(12)将压力传感柔性薄膜(8)的一端固定在刚性主体(10)的右侧面上，弹性连接件(11)将压力传感柔性薄膜的另一端连接到刚性主体(10)左侧面上。

2.如权利要求1所述脉象检测探头，其特征是：压力传感柔性薄膜(8)由五层薄膜材料构成，从上到下依次为硅橡胶顶层(1)、多层石墨烯层(2)、聚酯塑料层(3)、金属薄膜层(4)、聚酯塑料底层(5)。

3.如权利要求1所述脉象检测探头，其特征是：压力传感柔性薄膜的顶层表面还分布有MxN的硅胶小触点(6)阵列；第三层内刻蚀有MxN的圆孔(7)阵列；顶层表面分布的硅胶小触点与第三层内的圆孔在垂直薄膜的方向上一一对齐。

4.如权利要求3所述脉象检测探头，其特征是：压力传感柔性薄膜根据预设的阵列方式MxN，其第二层薄膜切割成M或N条石墨烯薄片，第四层薄膜切割成相应的N或M条金属薄片，每层的相邻薄片之间留有一定间隙，彼此绝缘，这两层薄膜的切割方向互相垂直。

5.如权利要求4所述脉象检测探头，其特征是：压力传感柔性薄膜的电极分为两组，一组连接石墨烯薄片，另一组连接金属薄片，每层上的电极数与该层的切片数目相等，电极总数为M+N。

6.如权利要求3～5所述脉象检测探头，其特征是：压力传感柔性薄膜在横向与纵向的信息空间分辨率为4mm～0.35mm。