CN105411595B - 一种穿戴式体表生理生化参数监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种穿戴式体表生理生化参数监测系统。该系统包括控制端、以及与体表接触的穿戴式体表生理生化传感检测模块，该生理生化传感检测模块用于检测体表汗液的生化参数；穿戴式体表生理生化传感检测模块包括智能化检测与通讯模块、生化信号检测模块、电源模块，其中智能化检测与通讯模块包括微处理器、无线通讯模块、LCD显示模块、按键模块。本发明为无创型检测生化参数设备，能够随时检测使用者的身体状况，无时间限制性。同时采用微结构设计和微加工工艺，使生化参数检测传感器小型化，并将其集成于穿戴式运动状态生命体征监护系统中，使系统能在监测运动状态下生理状态，同时监测生化状态。

Description

一种穿戴式体表生理生化参数监测系统

技术领域

本发明属于医疗保健领域，涉及一种穿戴式体表生理生化参数监测系统，特别是人体运动状态的生理生化参数测量领域。

背景技术

人体在运动状态，机体的各项生理生化指标都会发生变化，如心率加快，体温上升，汗液排出，乳酸、尿素等代谢产物随汗液排出，同时体内的电解质，如Na⁺、K⁺、Cl^－等一同随汗液排出。国内外大量研究证明，机体多种具有重要生理作用的离子的缺失，使细胞中一系列生理活动如生物信号转导、含金属离子辅酶的酶蛋白功能、能量代谢、细胞运动等严重紊乱，机体感到极度疲倦、眩晕，并可能发生肌肉病理性痉挛、精神紊乱、神经传导阻碍，甚至昏迷，死亡。因此，在运动状态监测这些生理生化参数的变化，对人体健康状态及运动能力的判断起着重要作用。

当前的穿戴式健康监护系统只有少数生理参数的监护，如心率，体温等，而缺乏对生化参数的监测。如中国专利CN104523250A公布了一种穿戴式健康医疗腕表，可佩戴于手腕上，监测人体的温度和心率。如中国专利CN103330551A公布了一种基于穿戴式传感器的老年人健康监护背心，可监测血压，心率和体温参数。现有的穿戴式运动状态健康监护设备只能检测少数几个生理参数，对人体运动过程中的健康状况只能做初步的判断。而对由于运动所引起的体内生化物质的变化，如乳酸，尿素，酸碱度变化，电解质如Na⁺、K⁺、Cl^－等的流失等，没有相应的设备可进行实时监测。而这些生化参数的变化是引起生理参数变化的根本原因。因此相对于生理参数的变化，生化参数的变化更能反映人体运动过程中生理机能的变化过程，通过对生化参数的检测和控制，可预防在运动过程中过度运动或不恰当的运动方式对身体造成的伤害。

现有的对运动过程中人体生化参数的变化的检测手段一般为通过指尖采血，并使用生化分析仪对血液样本进行分析，得出运动前后血液中各种生化参数的变化。使用该种方法进行生化参数的检测，一方面其测试点极为分散，难以在整个运动过程进行监测；另一方面指端采血为有创方式，频繁的采血会给运动员带来一定的痛苦，并存在感染风险。因此研发小型化可穿戴式的运动状态生化参数检测系统，通过对运动状态的生理生化指标进行实时监测，可以对人体健康状态及体能极限进行评估和预测，科学指导运动过程。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种穿戴式体表生理生化参数监测系统，解决了现有技术中生化参数检测仪器体积大，不方便携带且不能对运动状态的生化变化指标进行实时检测的问题。

现有的生化参数检测设备一般为生化分析仪，体积大，无法对运动过程中的生化参数进行实时监测，只能通过运动前后采集血样进行分析，无法了解运动过程中的实时变化情况，因此无法及时发现运动过度的阈值或者运动对身体伤害的具体过程。本发明通过传感器微结构设计和微加工工艺，将多种生化传感器进行微型化和集成化设计，并结合智能化检测和通讯系统，组成穿戴式生化参数监护系统，使之可对运动过程中的生化参数变化进行实时监测。同时，该系统还可集成生理信号检测传感器和运动参数传感器。

本发明的技术方案是这样实现的：

穿戴式体表生理生化参数监测系统，包括控制端、以及与体表直接接触的穿戴式体表生理生化传感检测模块，该生理生化传感检测模块用于检测体表汗液的酸碱度、离子浓度、乳酸浓度、尿素含量等生化参数中的一种或几种；该控制端可为智能手机，用于控制穿戴式生理生化传感检测模块工作，并接收穿戴式生理生化传感检测模块的数据，同时可将数据上传至服务器。

所述的穿戴式体表生理生化传感检测模块包括智能化检测与通讯模块、生化信号检测模块、电源模块，其中智能化检测与通讯模块包括微处理器、无线通讯模块、LCD显示模块、按键模块；微处理器的第一输出端与无线通讯模块的输入端信号连接，第二输出端与LCD显示模块的输入端信号连接，第一输入端与无线通讯模块的输出端相号连接，第二输入端与按键模块的输出端信号连接，第三信号输入端与生化信号检测模块的输出端信号连接；电源模块为其他模块供电；

所述的微处理器用于读取生化信号检测模块的数据并将数据通过无线通讯模块传输至控制端；

所述的按键模块可对穿戴式体表生理生化参数监测系统的控制参数进行输入；

所述的LCD显示模块接收微处理器传送的测量结果，并将其进行显示；

所述的无线通讯模块可以是蓝牙模块。

所述的生化参数检测模块包括但不限于乳酸传感器、PH传感器、Na⁺传感器、K⁺传感器、尿素传感器中的一种或几种。

所述的乳酸传感器、PH传感器、Na⁺传感器、K⁺传感器和尿素传感器均由微加工工艺制作，其中乳酸传感器和尿素传感器为电化学酶传感器，PH传感器、Na⁺传感器、K⁺传感器为全固态离子选择性传感器。

进一步地，所述的穿戴式体表生理生化传感检测模块还包括生理信号检测模块，生理信号检测模块的输出端与微处理器的第四输入端信号连接，其中生理信号检测模块包括但不限于心率传感器、温度传感器中的一种或多种；

进一步地，所述的穿戴式体表生理生化传感检测模块还包括运动参数检测模块，运动参数检测模块的输出端与微处理器的第五输入端信号连接，其中运动参数检测模块包括但不限于加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器中的一种或几种。

进一步地，所述穿戴式体表生理生化传感检测模块还包括汗液导流微通道阵列和汗液存储腔，其中汗液导流微通道阵列的一端直接与人体皮肤直接接触，另一端与汗液存储腔的一端连通，汗液存储腔的另一端与生化参数检测模块中各传感器的检测端连通；所述的汗液导流微通道阵列的通道孔径约为10um～300um，高度约为1mm～5mm，汗液存储腔内设有亲水性填充材料，用于汗液的富集和存储，供生化检测传感器测试所需。

进一步地，所述的生化参数检测模块为可拆卸结构，便于更替生化参数检测模块。

本发明的有益效果在于：

本发明通过微结构设计和微加工工艺，使生化参数检测传感器小型化，并将其集成于穿戴式运动状态生命体征监护系统中，使系统能在监测运动状态下的生理参数的同时监测生化参数，如体内乳酸浓度变化，Na⁺浓度变化，K⁺浓度变化，尿素浓度变化，PH变化等，对运动状态下的人体健康状态和运动能力做出更准确的判断。

本发明系统为无创检测使用者生化参数，且能够随时检测使用者的身体状况，无时间限制性。

本发明采用汗液导流微通道阵列和汗液存储腔结构进行汗液的收集和储存，对汗液的量要求很低，满足广大使用者的要求。

附图说明

图1为本发明穿戴式体表生理生化参数监测系统的示意图；

图2为本发明穿戴式体表生理生化参数监测系统中穿戴式生命体征传感检测模块的示意图；

图3为本发明穿戴式体表生理生化参数监测系统的一种可行的结构示意图；

图4为本发明穿戴式体表生理生化参数监测系统中生化检测传感器的结构示意图；

图5为图4沿AA’面的剖视图；

图6为图4沿BB’面的剖视图；

图7为本发明穿戴式体表生理生化参数监测系统的另一种可行的结构示意图；

其中人体1，穿戴式生命体征传感检测模块2，控制端3，服务器4，智能化检测与通讯模块21，生化信号检测模块22，生理信号检测模块23，运动参数检测模块24，汗液存储腔25，汗液导流微通道阵列26，外壳27，基座28，电源模块29，微处理器211，无线通讯模块212，按键模块213，LCD显示模块214，智能化检测与通讯模块电路结构215，连接接头216，乳酸传感器221，尿素传感器222，Na⁺传感器223，K⁺传感器224，PH传感器225,绝缘材料227，生理生化传感检测模块电路结构2291，智能化检测与通讯模块信号连接焊盘2292，电极槽2293，微导线2294，生理生化传感检测模块信号连接焊盘2295，传感器基底228，心率传感器231，温度传感器232，乳酸传感器工作电极导电层2211，乳酸传感器工作电极酶反应层2212，乳酸传感器参比电极导电层2213，乳酸传感器参比电极Ag/AgCl层2214，PH传感器工作电极导电层2251，PH传感器工作电极Ag/AgCl层2252，PH传感器工作电极固态导电聚合物层2253，PH传感器工作电极离子选择透过层2254，PH传感器参比电极导电层2261，PH传感器参比电极Ag/AgCl层2262，PH传感器参比电极固态导电聚合物层2263，PH传感器参比电极高分子聚合物层2264，心率传感器231，温度传感器232，加速度传感器241，陀螺仪242，地磁传感器243。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，穿戴式体表生理生化参数监测系统，包括固定于在人体1上的穿戴式生命体征传感检测模块2，控制端3和服务器4。穿戴式生命体征传感检测模块2固定于体表，用于检测体表汗液的酸碱度、离子浓度、乳酸浓度、尿素含量等生化参数中的一种或几种，同时还可检测运动状态参数，并将数据发送给控制端3，控制端3可为智能手机，控制端3可控制穿戴式生命体征传感检测模块2的工作状态，同时可将生命体征数据上传至服务器4。

穿戴式生命体征传感检测模块2可通过多种形式，如制作成腕表，运动头带，护腕，护臂，运动臂包等形式佩戴在人体上，或制作成可夹持的形式，卡在运动头带，护腕或护臂上。

如图2所示，穿戴式生命体征传感检测模块2，包括智能化检测与通讯模块21，生化信号检测模块22，生理信号检测模块23以及运动参数检测模块24、电源模块29，电源模块29为其他模块供电。其中，智能化检测与通讯模块21包括微处理器211、无线通讯模块212、按键模块213、LCD显示模块214。微处理器211读取生化信号检测模块22，生理信号检测模块23及运动参数检测模块24的数据并将数据结果通过LCD显示模块214显示，同时将数据通过无线通讯模块212传输至控制端3，无线通讯模块212可以为蓝牙模块。按键模块213可用于对穿戴式生命体征传感检测模块2的控制信号的输入。

生化信号检测模块22包括乳酸传感器221，尿素传感器222，Na⁺传感器223，K⁺传感器224和PH传感器225，分别用于检测汗液中的乳酸浓度，尿素浓度，Na⁺浓度，K⁺浓度和PH值。乳酸和尿素分别为糖无氧酵解和蛋白分解的终产物，因此其浓度变化情况可反应机体的代谢水平及训练负荷。汗液中钠、钾、氯、钙离子浓度,可反映机体水盐代谢的水平，为运动补液提供依据。

生理信号检测模块23包括心率传感器231和温度传感器232，分别用于反映佩戴者的脉率、体温。

运动参数检测模块24包括加速度传感器241，陀螺仪242和地磁传感器243，分别用于反映佩戴者测量运动过程中的加速度，速度，运动方向等参数。

图3所示为本发明穿戴式体表生理生化参数监测系统的一种可行的结构，该穿戴式体表生理生化参数检测系统的结构由两部分组成。A部分主要为智能化检测与通讯模块21，固定于穿戴式结构上，如腕表，运动头带，护腕，护臂，运动臂包等，包括外壳27，安装于外壳27上的LCD显示模块214和按键模块213，以及固定于外壳27上的智能化检测与通讯模块电路结构215。微处理器211，无线通讯模块212和电源模块29分别制作于智能化检测与通讯模块电路结构215上。智能化检测与通讯模块电路结构215的背面设有弹性结构的连接接头216，用于智能化检测与通讯模块21和生化参数检测模块22之间的信号连接。

B部分为可拆卸和更换的生化参数检测模块22以及相应的汗液导流存储单元。28为基座，用于固定生化参数检测模块22。生化参数检测模块22包括通过微加工工艺制作于传感器基底228表面的乳酸传感器221，尿素传感器222，Na⁺传感器223，K⁺传感器224和PH传感器225。传感器基底228的材料可以为硅，石英，玻璃，聚氯乙烯，聚丙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任意一种。这里提及的微加工工艺可以为微电子加工工艺或者是丝网印刷加工工艺，详细的传感器结构和加工过程将在具体实施方式的后半部分进行描述。

生理生化传感检测模块电路结构2291用于生化参数检测模块22与智能化检测与通讯模块21之间的信号连接。当生化参数检测传感器采用丝网印刷加工工艺制作时，传感器基底228通过生理生化传感检测模块电路结构2291两端的电极槽2293进行固定。如图4中的传感器结构所示，传感器基底228的两端分别有传感器的电极接口，传感器基底228可推进并固定于生理生化传感检测模块电路结构2291的电极槽2293中，此时，传感器基底228两端的传感器电极接口恰好与电极槽2293上的相应的导电层连接，可将传感器的信号输出。当生化参数检测传感器采用微电子工艺制作时，如图7所示，传感器基底228固定于生理生化传感检测模块电路结构2291上，生理生化传感检测模块电路结构2291的背面有生理生化传感检测模块信号连接焊盘2295，可通过微导线2294连接至传感器基底228两端的传感器电极接口，从而将传感器的信号引出。在两种不同的信号连接方式中，生理生化传感检测模块电路结构2291的正面都有与传感器基底228两端的传感器电极接口相对应的智能化检测与通讯模块信号连接焊盘2292，用于A部分的智能化检测与通讯模块21与B部分的生化参数检测模块22之间的信号连接。

A、B两部分通过外壳27和基座28上的卡槽结构进行组装和固定，当A、B两部分组装成整体后，制作于智能化检测与通讯模块电路结构215上的弹性结构的连接接头216与制作与生理生化传感检测模块电路结构2291上相对应的智能化检测与通讯模块信号连接焊盘2292刚好一一对上，并通过弹性结构的连接接头216压合牢固，保证信号的可靠传输。

图3中的B部分中26为汗液导流微通道阵列，该微通道阵列通过微加工工艺在硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯或纸基等材料上制作而成，汗液导流微通道阵列26的通道孔径约为10um～300um，高度约为1mm～5mm。体表的汗液经毛细作用进入汗液导流微通道阵列26，并沿通道向上，进入汗液存储腔25。汗液存储腔25中有亲水性填充材料，可将汗液进行进一步富集和存储，供生化检测传感器测试所需。由于人体在运动过程中运动量及个人体质的不同，出汗的量也会有较大的差别，使用本发明中所设计的汗液导流微通道阵列26可以在汗液量较少的情况下将汗液进行富集，保证测量数据的可靠性与准确性。

本发明中的生化参数检测模块22中的传感器由微加工工艺制作，可通过丝网印刷技术或微电子技术加工而成。图4所示的为由丝网印刷技术制作的生化参数检测模块22的一种可行的结构。传感器制作在以聚氯乙烯，聚丙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯为材料的传感器基底228上。图4的左半部分为乳酸传感器221和尿素传感器222，右半部分为Na⁺传感器223，K⁺传感器224和PH传感器225。乳酸传感器221和尿素传感器222为电化学酶传感器，具有相同的传感器结构和制备过程。本发明中使用的电化学酶传感器可以由双电极构成(即工作电极和参比电极)，也可以由三电极构成(即工作电极、参比电极和对电极)，实际使用中根据需要选择，本发明中以双电极为例进行说明。以乳酸传感器221为例，如图4以及图5中对图4沿AA’的剖面结构所示，乳酸传感器221由工作电极(包括工作电极导电层2211和工作电极酶反应层2212)和参比电极(包括参比电极导电层2213和参比电极Ag/AgCl层2214)。乳酸传感器的制备过程如下：在传感器基底228上刷上一层导电银浆，作为传感器的导电层，然后在工作电极导电层2211上涂覆一层工作电极酶反应层2212。乳酸传感器的工作电极酶反应层2212为乳酸酶和碳浆的混合物，碳浆可增加工作电极酶反应层2212的导电性，碳浆可与酶混合使用，也可先涂覆碳浆，再在其上层涂覆酶。参比电极导电层2213表面通过氯化，形成参比电极Ag/AgCl层2214。当工作电极和参比电极制作完成之后，在电极的非工作区域涂覆上一层绝缘材料227。电极的导电层表面未涂覆绝缘材料的部分用于与生理生化传感检测模块电路结构2291之间的信号连接。当汗液中的乳酸到达工作电极表面后，与工作电极酶反应层2212中的乳酸酶发生反应，通过测量反应电流的大小即可得到相应的乳酸浓度。尿素传感器222的结构和制备方法与乳酸传感器221一致，将其中的乳酸酶换成尿素酶即可。

图4的右半部分为Na⁺传感器223，K⁺传感器224和PH传感器225，均为全固态离子选择性传感器，具有相同的结构和制备过程。以PH传感器225为例，如图4右半部分以及图6中对图4沿BB’的剖面结构所示，其结构包括工作电极(包括工作电极导电层2251，工作电极Ag/AgCl层2252，工作电极固态导电聚合物层2253和工作电极离子选择透过层2254)和参比电极(包括参比电极导电层2261，参比电极Ag/AgCl层2262，参比电极固态导电聚合物层2263和参比电极高分子聚合物层2264)。其制备过程如下：在传感器基底228上涂覆一层导电银浆，分别形成传感器工作电极导电层2251和参比电极导电层2261。然后将银浆的表面氯化，形成工作电极Ag/AgCl层2252和参比电极Ag/AgCl层2262，接着分别在工作电极Ag/AgCl层2252和参比电极Ag/AgCl层2262的表面上涂覆一层固态导电聚合物，如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)，聚吡咯，聚噻吩，聚苯胺等，形成工作电极固态导电聚合物层2253和参比电极固态导电聚合物层2263，作为测试离子与导电层之间的电子传递介质。最后在工作电极固态导电聚合物层2253的表面覆盖一层H⁺离子选择性膜，作为离子选择透过层2254，而参比电极固态导电聚合物层2263的表面覆盖的高分子聚合物层2264不具有H⁺离子选择性透过性，因此，汗液中的透过离子选择透过层2254，到达工作电极表面，并相对参考电极形成电势差，从而可以得到H⁺的浓度，测量得汗液的PH。当工作电极和参比电极制作完成之后，在电极的非工作区域涂覆上一层绝缘材料227。电极的导电层表面未涂覆绝缘材料的部分用于与生理生化传感检测模块电路结构2291之间的信号连接。

同样的，Na⁺传感器223，K⁺传感器224的表面分别覆盖有Na⁺离子选择性膜和K⁺离子选择性膜，用于不同离子的特异性选择。由于参比电极不需任何离子透过，只需形成参考电位即可，因此三个不同的离子传感器使用同一个参比电极。

传统的离子选择性传感器中的内参溶液一般选用饱和KCl溶液，离子选择性膜一般选用玻璃膜，因此传感器体积大，不能用于穿戴式测量设备中。本发明中采用固态导电聚合物代替传统的导电溶液，并且选用容易成膜的聚氯乙烯材料进行掺杂，形成离子选择性膜同时采用微加工工艺，使得各传感器电极的大小以及各层材料的厚度得到准确的控制，大大减小了传感器的体积，实现了传感器微型化。

图7中所示的为本发明的另一种实施方式，即在生化参数检测的基础上，增加了生理参数和运动参数的检测。由于生理参数检测主要包括体温，脉率等，需要直接与人体接触，所以如图4中B部分所示，生理信号检测模块23所包含的传感器心率传感器231和温度传感器232均固定在B部分的基座底部，佩戴之后，可直接接触人体皮肤，测量相应的数据。运动参数检测模块包括加速度传感器241，陀螺仪242和地磁传感器243，由于这些传感器的成本较高，且在测试运动状态的过程中无需与人体接触，故将其安装于智能化检测与通讯模块21的智能化检测与通讯模块电路结构215上。加速度传感器241，陀螺仪242和地磁传感器243的结合可测量运动过程中的速度，加速度，运动方向等参数。

本发明通过微结构设计和微加工工艺的应用，将传统的生化参数检测微型化，并将其应用至穿戴式运动状态生化参数的监测中，用于对汗液中的乳酸，Na⁺，K⁺，尿素浓度变化以及PH变化等参数进行实时监控，同时结合生理参数和运动状态监测，对运动状态下的人体健康状态和运动能力做出更科学准确的判断。

在附图和以上描述中详细说明和描述了本发明，但是这些说明和描述应视作说明性或示例性而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和后附权利要求书来实践所主张的发明，本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的其他变化。

Claims (6)

1.一种穿戴式体表生理生化参数监测系统，其特征在于包括控制端、以及与体表接触的穿戴式体表生理生化传感检测模块，该生理生化传感检测模块用于检测体表汗液的生化参数；该控制端用于控制穿戴式生理生化传感检测模块工作，并接收生理生化传感检测模块的数据，同时可将数据上传至服务器；

所述的穿戴式体表生理生化传感检测模块包括智能化检测与通讯模块、生化参数检测模块、电源模块、汗液导流微通道阵列、汗液存储腔，其中智能化检测与通讯模块包括微处理器、无线通讯模块、LCD显示模块、按键模块；微处理器的第一输出端与无线通讯模块的输入端信号连接，第二输出端与LCD显示模块的输入端信号连接，第一输入端与无线通讯模块的输出端信号连接，第二输入端与按键模块的输出端信号连接，第三信号输入端与生化参数检测模块的输出端信号连接；电源模块为其他模块供电；汗液导流微通道阵列的一端与人体皮肤直接接触，另一端与汗液存储腔的一端连通，汗液存储腔的另一端与生化参数检测模块中各传感器的检测端连通；

所述的汗液导流微通道阵列的通道孔径为10um～300um，高度为1mm～5mm，所述的汗液存储腔内设有亲水性填充材料，用于汗液的富集和存储，供生化检测传感器测试所需；

所述的生化参数检测模块采用全固态离子选择性传感器，采用固态导电聚合物代替传统的导电溶液，并且选用容易成膜的聚氯乙烯材料进行掺杂，形成离子选择性膜，同时采用微加工工艺制作。

2.如权利要求1所述的一种穿戴式体表生理生化参数监测系统，其特征在于所述的穿戴式体表生理生化传感检测模块还包括生理信号检测模块，生理信号检测模块的输出端与微处理器的第四输入端信号连接。

3.如权利要求2所述的一种穿戴式体表生理生化参数监测系统，其特征在于所述的生理信号检测模块包括但不限于心率传感器、温度传感器中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的一种穿戴式体表生理生化参数监测系统，其特征在于所述的穿戴式体表生理生化传感检测模块还包括运动参数检测模块，运动参数检测模块的输出端与微处理器的第五输入端信号连接。

5.如权利要求4所述的一种穿戴式体表生理生化参数监测系统，其特征在于所述的运动参数检测模块包括但不限于加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器中的一种或几种。

6.如权利要求1所述的一种穿戴式体表生理生化参数监测系统，其特征在于所述的生化参数检测模块为可拆卸结构。