CN105816176A - 一种柔性呼吸监测装置 - Google Patents

Abstract

一种柔性呼吸监测装置，属于可延展柔性电子器件与健康监测领域。本发明的技术特点是利用柔性呼吸监测传感器对呼吸信号进行监测，装置直接与皮肤舒适贴合，利用呼吸信号分析模块进行信号的采集、传输、处理及反馈。本装置利用由柔性呼吸监测传感器、呼吸信号分析模块、电极组成的系统对使用者呼吸行为特征(频率，幅值)，尤其是呼吸暂停事件，进行舒适方便的监测，无需面罩、鼻塞等物理支撑，小型、轻量、最大程度减小呼吸监测对使用者生活质量造成的负面影响；其中，柔性呼吸监测传感器的传感功能层采用柔性可延展结构，采用生物兼容薄膜作为封装和基底层，保证使用过程中的安全性与舒适性。

Description

一种柔性呼吸监测装置

技术领域

本发明涉及一种柔性呼吸监测装置，可用于但不限于睡眠呼吸障碍的检测。

背景技术

呼吸作为人体与外界进行气体交换的活动，其频率、深度是反映人体健康状况的基本生理指标。睡眠呼吸障碍是在睡眠过程中出现呼吸暂停、呼吸变浅、呼吸不规律等呼吸失调症状的疾病。呼吸暂停带来的直接后果是体内二氧化碳过多，血氧饱和度下降，体内PH值下降，若得不到缓解的长时间呼吸暂停将可能导致永久性大脑损伤，甚至致死。美国睡眠医学学会有关呼吸事件的最新判读规则中指出判定呼吸暂停时需采用口鼻热敏传感器，当呼吸深度下降且小于基础值90％，持续至少10s时，可以标定为一次呼吸暂停事件(持续时间的90％内满足深度下降的标准)。随着肥胖人口的增多、健康医疗水平与意识的提升，睡眠呼吸障碍带来的健康困扰与社会负面影响日益严重。睡眠呼吸障碍的精确诊断与个性化治疗正面临重大挑战。

由于其存在于广泛，且直接影响个人及家人日常生活质量，睡眠呼吸障碍的检测和治疗已经吸引了广泛的研究、商业兴趣。以其中睡眠呼吸暂停综合症为例，目前主要治疗方式为持续气道正压维持法(CPAP)即利用呼吸机防止气道堵塞，以缓解呼吸暂停症状；另外还有利用牙套、舌套佩戴，改善由于舌后跟肌肉松弛造成的气道堵塞；利用中空鼻塞进行气道物理扩张等方式；利用血氧判断呼吸频率，监控呼吸暂停与否，呼吸暂停时用电刺激进行治疗的红外线电子针灸腕带；以及基于穴位刺激的指环、耳塞等等。呼吸监测传感器的研究中多采用基于带微结构光纤探头、热敏电阻、表面声波器以及鼻塞气压传感等呼吸监测传感器。

以上针对睡眠呼吸障碍的检测和治疗方式均需依赖于一定形式的鼻塞或面罩，仪器体积大，且有线连接，某种程度上影响其正常睡眠质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于柔性可延展电子器件的柔性呼吸监测装置，使其在睡眠中可实时监测呼吸信号(包括频率、幅值、呼吸暂停)，且具有体积小、重量轻、体表贴合度好、测量精准、佩戴舒适方便、信号无线传输等特点。

本发明的技术方案如下：

一种柔性呼吸监测装置，其特征在于，该装置包括柔性呼吸监测传感器和呼吸信号处理模块，所述柔性呼吸监测传感器与呼吸信号处理模块之间采用柔性互连导线相连接，柔性呼吸监测传感器贴合于人体鼻孔下方皮肤表面用于获取呼吸信号；通过呼吸信号处理模块对呼吸信号进行采集，经AD转换及放大处理之后通过该模块中的无线传输单元进行无线传输，送至显示终端，或利用呼吸信号处理模块中的存储单元进行储存。

上述技术方案中，所述柔性呼吸监测传感器包括柔性封装层、传感功能层和柔性基底层。所述传感功能层采用柔性可延展结构。所述传感功能层还包括一层用于增强结构强度的保护层，该保护层采用弹性模量高于柔性基底层的聚合物薄膜。

本发明所述柔性基底层采用聚合物薄膜。所述聚合物薄膜采用具有生物兼容性的聚合物薄膜。具有生物兼容性的聚合物薄膜为具有多孔微结构的聚合物薄膜。所述的具有多孔微结构的聚合物薄膜采用多孔聚氨酯薄膜或多孔二甲基硅氧烷薄膜。

本发明的技术特征还在于：该装置还包括电极，该电极直接与皮肤贴合，跟呼吸信号处理模块之间用柔性互连导线相连，在发生呼吸暂停事件时给予电刺激。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①柔性呼吸监测传感器可以舒适地贴合在人体体表，监测使用者呼吸信号(包括呼吸频率、呼吸幅值以及其它)，使用者无需佩戴面罩或鼻塞，呼吸道形态不受强制物理改变，使用者睡眠质量最大程度得到保障。②由于柔性呼吸监测传感器以柔软贴合的方式直接与人体皮肤集成，其相对位置不受使用者运动影响，具有更稳定的信号采集物理基础。③呼吸信号分析模块使得患者可以摆脱现有监测装置中的各种连线与传输数据线，或存储装置以及相关的固定装置，使得呼吸监测过程具有相当的舒适性。呼吸信号分析模块实现的信号实时采集与无线传输不仅方便及时监测与反馈，更对高危人群及高危情形的救治具有重要意义。

总之，本装置体积小、重量轻、体表贴合度好、测量精准、佩戴舒适方便、信号无线传输等特点使得本发明可以促进针对睡眠呼吸暂停综合症的精确诊断与个性化医疗的实现。

附图说明

图1是本发明中提出的一种柔性呼吸监测装置的功能逻辑示意图，包括三个主要组成部分：呼吸信号监测模块、呼吸信号处理模块以及呼吸信号显示分析模块。

图2是本发明中提出的一种柔性呼吸监测装置佩戴示意图，柔性呼吸监测传感器位于人体鼻孔下方皮肤表面，呼吸信号分析模块与电极贴合于面部其他位置，电极与柔性呼吸监测传感器和呼吸信号分析模块之间采用柔性互连导线相连接。

图3是本发明中提出的一种柔性呼吸监测装置中重要组成部分，即柔性呼吸监测传感器1的基本结构截面示意图。

图4是本发明中提出的一种柔性呼吸监测装置中重要组成部分，即柔性呼吸监测传感器1的传感功能层5可采用的柔性可延展结构的平面图形。

图中：1-柔性呼吸监测传感器；2-呼吸信号分析模块；3-电极；4-封装层；5-传感功能层；6-基底层；7-S型柔性可延展结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明具体内容。

图1是本发明中提出的一种柔性呼吸监测装置的功能逻辑示意图，包括三个主要组成部分：呼吸信号监测模块1、呼吸信号处理模块2以及呼吸信号显示分析模块。呼吸信号监测模块包括柔性呼吸监测传感器1，主要功能是将呼吸信号转换成可测的电学参数，实现呼吸信号的获取。

柔性呼吸监测传感器1贴合于人体鼻孔下方皮肤表面用于获取呼吸信号。利用呼吸过程中，口鼻呼出、吸入气体的温度、湿度、气体成分变化，通常呼出气体温度/湿度/二氧化碳高于吸入气体，获取呼吸信号的方式可以是监测口鼻呼吸气体的温度变化、湿度变化或气体成分变化。所监测呼吸信号主要包括呼吸幅值与频率，其他如呼出气体温度、呼出气体湿度等参数因监测方式略有差异。

呼吸信号处理模块2包含信号采集与处理单元、存储单元或无线传输单元以及用于反馈的电极3。柔性呼吸监测传感器1监测到的呼吸信号经过信号采集与处理单元进行采集与处理，通过存储单元进行存储，或通过无线传输单元直接传输到显示终端，进行显示与进一步分析。同时信号采集与处理单元对异常信号进行判断，并发出信号控制电极进行放电刺激。

图2是本发明中提出的一种柔性呼吸监测装置佩戴示意图，柔性呼吸监测传感器1位于人体鼻孔下方皮肤表面，呼吸信号分析模块2与电极3贴合于面部其他位置，电极3与柔性呼吸监测传感器1和呼吸信号分析模块2之间采用柔性互连导线相连接。

该呼吸信号分析模块2采用商业芯片与柔性印刷电路板集成的方式实现，使得该模块在保证信号传输与控制精度与稳定性的前提下具有相当的柔性，可与人体集成。

柔性呼吸监测传感器1的基本结构包括柔性封装层4、传感功能层5和柔性基底层6，截面示意图如图3所示。基于口鼻呼出、吸入气体的温度、湿度、气体成分变化的事实，柔性呼吸监测传感器1利用温度、湿度、气体成分敏感材料作为传感功能层5，进行呼吸信号监测。传感功能层5采用硬薄膜软基底的柔性可延展结构，如岛桥结构、波浪状屈曲结构、S型、自相似或分形结构等，如图4所示。柔性可延展结构的特征在于，软基底承受面内拉压变形时，薄膜结构将在拉压变形大于一定阈值时发生离面变形，降低传感功能层5内应变水平。柔性呼吸监测传感器1采用生物兼容薄膜作为基底层6和/或封装层4。生物兼容薄膜是具有多孔微结构的聚合物薄膜(如多孔聚氨酯薄膜或多孔二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜等)。薄膜上分布的微纳米多孔微结构的孔径大于水蒸气、气体分子直径，小于液态水滴直径。薄膜上分布的微纳米多孔微结构的孔径大于水蒸气、气体分子直径，小于液态水滴直径，具有防水透气的生物兼容性，使得器件可以在分泌汗液的皮肤体表可以不因汗液发生短路失效，同时器件贴附下的皮肤可以正常排汗与呼吸。在增强器件结构强度方面，如果柔性呼吸监测传感器1的传感功能层5面内拉伸刚度太小，该传感功能层5还可包括一层用于增强结构强度的保护层。该保护层可以是弹性模量较大的超薄聚合物薄膜，如聚酰亚胺。为保证器件本身的可延展性，该保护层可以按照功能层的布局被图案化。

柔性呼吸监测传感器1采集到的模拟信号将在AD转换之后采用呼吸信号分析模块2进行无线传输。呼吸信号分析模块2可以采用的具体实施方式有蓝牙、NFC以及RFID等无线通讯技术。采集所得信号进行处理后得到呼吸幅值与频率，根据美国睡眠医学学会公布的睡眠医学手册中提出的睡眠呼吸事件判断标准进行判断，针对异常呼吸事件给出相应反馈。还可以将呼吸行为信号传输到手机、笔记本等应用终端进行进一步分析或大数据分享，形成使用者的睡眠呼吸事件数据库。

本发明的技术特征还在于：一种柔性呼吸监测方法，柔性呼吸监测装置获取呼吸信号，将所述呼吸信号进行数据处理，提取呼吸信号的振幅与频率。利用所得呼吸参数值，按照美国睡眠医学学会公布的睡眠医学手册中提出的睡眠呼吸事件判断标准进行判断，针对异常呼吸事件给出相应反馈。如呼吸暂停事件，当呼吸信号的振幅值低于某一阈值且持续时间高于某一阈值时，认定一次呼吸暂停事件。在呼吸暂停事件发生达到一定次数后，参照相关标准，通过电极3对人体体表进行一定频率、一定功率的电刺激，提醒患者改变睡姿，从而改善睡眠中呼吸暂停症状。

具体实施例如下：

实施例1：一种基于温度传感的柔性呼吸监测装置

本实施例是一种基于温度传感的柔性呼吸监测装置，基本原理是利用纳米金属条带的温阻效应监测呼出吸入气体中存在的温度差进行呼吸信号监测。呼出气体温度接近人体肺部温度，而吸入气体温度接近室温，通过温度传感器监测这一温度变化即可对呼吸信号进行监测，由此可得到反应呼吸行为的波形图，波形图的振幅反映了呼出气体温度的绝对值，同时也反映呼吸幅值，对波形图进行傅里叶变换，可得呼吸频率，被监测者的呼吸信息(频率、幅值、呼出气体温度)都得到捕捉与监控。

一种基于温度传感的柔性呼吸监测装置，包括基于金属金(Au)温阻效应的柔性温度传感器，基于低功耗蓝牙的呼吸信号分析模块2，以及基于金属金的柔性电极3。柔性呼吸监测传感器1与呼吸信号分析模块2之间采用柔性互连导线ACF相连。该呼吸监测装置通过以薄膜形式无感地贴合在人体鼻子下方，嘴唇上方的位置，对使用者睡眠中的呼吸情况进行实时监测，无需面罩与鼻塞等辅助结构，可最大程度减轻睡眠中呼吸监测对使用者睡眠质量产生的负作用。

其中，柔性呼吸监测传感器1的制备方法如下：

1)在硅基片上依次沉积牺牲层PMMA/保护层PI/纳米金属层Au；

2)利用光刻将纳米金属层Au/保护层PI图案化，形成温度传感功能层5；其中图案如图3所示。

3)在引出电极处连接上引出导线ACF线；

4)刻蚀牺牲层PMMA；

5)利用转印技术，溶液转印方法，将纳米金属层/保护层集成到生物兼容的柔性基底，具有多孔微结构的半透膜上，形成基底层6；

6)利用生物兼容柔性薄膜，具有多孔微结构的半透膜进行封装，形成封装层4，完成柔性呼吸监测传感器1制备。

呼吸信号分析模块2采用商业低功耗蓝牙芯片和微处理器裸片，利用薄膜电池提供电源，在柔性基底上集成，互连导线采用打印电路技术形成。

柔性呼吸监测传感器1与呼吸信号分析模块2之间，柔性电极3与呼吸信号分析模块2之间均采用柔性互连导线ACF用热固化方式连接。

柔性电极制备方法如下：

1)在硅基片上依次沉积牺牲层PMMA/保护层PI/纳米金属层Au；

2)利用光刻将纳米金属层Au/保护层PI图案化，形成电极功能层；

3)在引出电极处连接上引出导线ACF线；

4)刻蚀牺牲层PMMA；

5)利用转印技术，溶液转印方法，将电极功能层/保护层集成到生物兼容的柔性基底，具有多孔微结构的半透膜上，形成基底层/保护层/电极功能层结构；完成柔性电极制备。

实施例2：一种基于湿度传感的柔性呼吸监测装置

本实施例是一种基于湿度传感的柔性呼吸监测装置，基本原理是利用具有微纳结构及化学修饰的光纤薄膜对环境中水蒸气含量敏感的特性监测呼出吸入气体中湿度变化，进行呼吸信号监测(Kang,Y.,Ruan,H.,Wang,Y.,Arregui,F.J.,Matias,I.R.,&Claus,R.O.(2006).Nanostructuredopticalfibresensorsforbreathingairflowmonitoring.MeasurementScienceandTechnology,17(5),1207.)。由此可得到反应呼吸行为的波形图，波形图的振幅反映了呼出气体湿度的相对值，同时也反映呼吸幅值，对波形图进行傅里叶变换，可得呼吸频率，被监测者的呼吸信息(频率、幅值、呼出气体相对湿度值)都得到捕捉与监控。

一种基于湿度传感的柔性呼吸监测装置，包括柔性湿度传感器，基于低功耗蓝牙的呼吸信号分析模块2，以及基于金属铂的普通电极3。柔性湿度传感器与呼吸信号分析模块2之间采用柔性互连导线ACF相连。该呼吸监测装置通过以薄膜形式无感地贴合在人体鼻子下方，嘴唇上方的位置，对使用者睡眠中的呼吸情况进行实时监测，无需面罩与鼻塞等辅助结构，可最大程度减轻睡眠中呼吸监测对使用者睡眠质量产生的负作用。

Claims (9)

1.一种柔性呼吸监测装置，其特征在于，该装置包括柔性呼吸监测传感器(1)和呼吸信号处理模块(2)，所述柔性呼吸监测传感器(1)与呼吸信号处理模块(2)之间采用柔性互连导线相连接，柔性呼吸监测传感器(1)贴合于人体鼻孔下方皮肤表面用于获取呼吸信号；通过呼吸信号处理模块(2)对呼吸信号进行采集，经AD转换及放大处理之后通过该模块中的无线传输单元进行无线传输，送至显示终端，或利用呼吸信号处理模块(2)中的存储单元进行储存。

2.如权利要求1所述的一种柔性呼吸监测装置，其特征在于，所述柔性呼吸监测传感器(1)包括柔性封装层(4)、传感功能层(5)和柔性基底层(6)。

3.如权利要求2所述的一种柔性呼吸监测装置，其特征在于，所述传感功能层(5)采用柔性可延展结构。

4.如权利要求2所述的一种柔性呼吸监测装置，其特征在于，所述传感功能层(5)还包括一层用于增强结构强度的保护层，该保护层采用弹性模量高于柔性基底层的聚合物薄膜。

5.如权利要求2所述的一种柔性呼吸监测装置，其特征在于，所述柔性基底层(6)采用聚合物薄膜。

6.如权利要求5所述的一种柔性呼吸监测装置，其特征在于，所述聚合物薄膜采用具有生物兼容性的聚合物薄膜。

7.如权利要求6所述的一种柔性呼吸监测装置，其特征在于，具有生物兼容性的聚合物薄膜为具有多孔微结构的聚合物薄膜。

8.如权利要求7所述的一种柔性呼吸监测装置，其特征在于，所述的具有多孔微结构的聚合物薄膜采用多孔聚氨酯薄膜或多孔二甲基硅氧烷薄膜。

9.如权利要求1～8任一权利要求所述的一种柔性呼吸监测装置，其特征在于，该装置还包括电极(3)，该电极(3)直接与皮肤贴合，跟呼吸信号处理模块(2)之间用柔性互连导线相连，在发生呼吸暂停事件时给予电刺激。