CN106073798A - 基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，属于医疗仪器领域。植入式组件植入体内，位于体外的可穿戴设备通过无源NFC技术与植入式组件进行通信并提供电能。可穿戴设备将植入式组件传出的测量数据和可穿戴设备中传感器得到的测量数据可以由可穿戴设备显示出来，也可通过无线技术发送至移动终端设备反馈测量结果。本发明通过无源NFC技术可以实现可穿戴设备和植入式设备之间的数据传输和能量输送，从而将可穿戴设备和植入式设备联合使用构成分布式传感结构，最大程度减小植入式设备的规模，并有效解决植入式设备供电问题。

Description

基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统
技术领域
本发明涉及一种基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，属于医疗仪器领域。
背景技术
个性化医疗(Personalized medicine)是目前医疗行业的发展趋势之一，要求对单个患者或特定群体依据其自身不同情况制定针对性医疗方案，从而实现最大程度提高疗效，降低不良反应。实现个性化医疗的难点之一就是实时准确地提取患者的身体健康信息。随着生物传感技术的发展，人体健康相关的多种目标物质和健康指标的快速准确检测逐渐成为可能，为实现个性化医疗提供更全面的检测数据和更方便快捷的检测手段。
目前实现人体目标物质和健康指标实时监测的方法主要分为两种，即植入式生物传感技术和可穿戴生物传感技术。其中所用酶型生物传感器工作原理如图4所示。植入式生物传感技术将生物传感器植入人体组织，可直接测量人体内部目标物质含量，但为了减少对人体的影响，其尺寸和材料有严格的限制，另外，植入式生物传感器的供电和数据传输问题也是限制其实用化的主要因素之一。可穿戴生物传感技术将生物传感器置于体表，通过对体表代谢产物的检测间接反映体内目标物质含量，对人体影响小，更换方便，易于实用化推广，但测量准确度相对较低。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，将植入式生物传感技术和可穿戴生物传感技术相结合，提出分布式实时健康监测系统的设计。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，包括：包括植入式组件、可穿戴设备、移动终端设备和云服务设备。
植入式组件植入体内，位于体外的可穿戴设备通过无源NFC技术与植入式组件进行通信并提供电能。可穿戴设备将植入式组件传出的测量数据和可穿戴设备中传感器得到的测量数据可以由可穿戴设备显示出来，也可通过无线技术发送至移动终端设备反馈测量结果。移动终端设备可以将测量结果通过无线网络发送至云服务设备进行存储和分析，也可从云服务设备下载历史测量数据和分析结果。
植入式组件由第一传感器、第一信号采集电路、第一控制模块和无源NFC模块组成；连接关系：第一传感器输出端与第一信号采集电路输入端相连，第一信号采集电路输出端与第一控制模块的AD采集端口相连；第一控制模块的通信端口与无源NFC通信模块的通信端口相连；无源NFC通信模块的供电端口分别与第一信号采集电路和第一控制模块的供电端口相连；
可穿戴设备由第二传感器、第二信号采集电路、第二控制模块、NFC通信模块、供电模块、无线通信模块和显示模块组成；第二传感器与第二信号采集电路相连，第二信号采集电路的输出端与第二控制模块的AD采集端口相连；NFC通信模块、无线通信模块、显示模块的通信端口分别与第二控制模块的通信端口相连；供电模块的输出端口分别与第二信号采集电路、第二控制模块、NFC通信模块、无线通信模块和显示模块的供电端口相连；
优选的，所述植入式组件电路板采用柔性印刷电路制作，在电路表面涂刷防水涂层，并在除电极以外部分包裹聚二甲基硅氧烷等生物相容性材料。
优选的，所述第一控制模块选用STMicroelectronics N.V.的STM8L152系列单片机及其应用电路。
优选的，所述无源NFC通信模块中的无源NFC芯片选用STMicroelectronics N.V.的M24LR04E-R包含电能采集的动态NFC/RFID标签芯片。
优选的，所述植入式组件中传感器采用酶型葡萄糖电化学传感器。
优选的，所述第二控制模块选用STMicroelectronics N.V.的STM32F103系列单片机及其应用电路。
优选的，所述NFC通信模块的NFC芯片及其应用电路选用STMicroelectronicsN.V.的CR95HF系列多协议非接触式收发器芯片及其应用电路。
优选的，所述无线通信模块中的蓝牙模块选用STMicroelectronics N.V.的BlueNRG低功耗蓝牙通信芯片及其应用电路。
优选的，所述可穿戴设备中的电路使用柔性印刷电路制造，电路外部由柔性橡胶外壳保护。
有益效果
本发明中，通过无源NFC技术可以实现可穿戴设备和植入式设备之间的数据传输和能量输送，从而将可穿戴设备和植入式设备联合使用构成分布式传感结构，最大程度减小植入式设备的规模，并有效解决植入式设备供电问题。再通过蓝牙模块，可实现由可穿戴设备将植入式设备和可穿戴设备中各个传感器的测量数据发送至移动终端设备以供用户使用，也可由移动终端设备进一步发送至云服务设备，实现对数据的储存和管理。
附图说明
图1为本发明提供的基于植入式和可穿戴生物传感技术的分布式实时健康监测系统组成方框图；
图2A为本发明所述植入式组件俯视图；
图2B为本发明所述植入式组件侧视图；
图2C为本发明所述植入式组件皮下植入效果示意图；
图2D为本发明所述植入式组件腕部皮下植入示意图；
图3为本发明所述可穿戴设备设计示意图；
图4为酶型葡萄糖传感器原理示意图。
其中，1—植入式组件、2—可穿戴设备、3—移动终端设备、4—云服务设备、5—第一传感器、6—第一信号采集电路、7—第一控制模块、8—无源NFC模块、9—第二传感器、10—第二信号采集电路、11—第二控制模块、12—NFC通信模块、13—供电模块、14—无线通信模块、15—植入式组件电路板、16—生物相容性材料、17—无源NFC芯片及其辅助电路、18—第一NFC线圈、19—表皮组织、20—手臂、21—NFC芯片及其应用电路、22—第二NFC线圈、23—稳压和电源管理电路、24—锂离子电池、25—蓝牙模块、26—天线、27—柔性橡胶外壳、28—弹性表带、29—心率传感器、30—温度传感器、31—显示模块。
具体实施方式
下文参考附图详细描述本发明实施方式。然而，本发明不限于以下实施方式。
实施例1
一种基于植入式和可穿戴生物传感技术的分布式实时健康监测系统，包括：植入式组件1、可穿戴设备2、移动终端设备3和云服务设备4四个部分，如图1所示。
所述植入式组件1由第一传感器5、第一信号采集电路6、第一控制模块7和无源NFC模块8组成。使用柔性印刷电路板进行制造，构成植入式组件电路板15，将无源NFC芯片及其辅助电路17和第一NFC线圈18连接构成无源NFC模块8。将无源NFC模块8的通信端口与第一控制模块7的通信端口相连，将无源NFC模块8的供电端口与第一信号采集电路6和第一控制模块7的供电端口相连。将第一传感器5与第一信号采集电路6的输入端相连，第一信号采集电路6的输出端与第一控制模块7的AD采集端口相连。在第一传感器5以外的部分包裹聚二甲基硅氧烷等生物相容性材料16，如图2A、图2B所示。所述植入式组件使用时植入手背一侧腕部皮下，如图2C、图2D所示。
所述第一控制模块7选用STMicroelectronics N.V.的STM8L152系列单片机及其应用电路。
所述无源NFC芯片选用STMicroelectronics N.V.的M24LR04E-R包含电能采集的动态NFC/RFID标签芯片。
所述植入式组件1中传感器5采用酶型葡萄糖电化学传感器，采用三电极体系进行测试，其中工作电极修饰有电子介体和葡萄糖氧化酶；参比电极选用Ag/AgCl电极；辅助电极选用铂电极。采用恒电势电路，保持工作电极与参比电极电势差恒定，通过测量流经工作电极的电流作为葡萄糖浓度的检测信号。
可穿戴设备2由第二传感器9、第二信号采集电路10、第二控制模块11、NFC通信模块12、供电模块13和无线通信模块14组成。如图3A、图3B所示。使用柔性印刷电路板制造，将NFC芯片及其应用电路21与第二NFC线圈22连接构成NFC通信模块12。将NFC通信模块的通信端口与第二控制模块11的NFC通信端口相连。将第二传感器9和第二信号采集电路10的输入端相连，第二信号采集电路10的输出端与第二控制模块11的AD采集端口相连。心率传感器29、温度传感器30的输出端与第二控制模块的测量通信端口相连。蓝牙模块25和天线26相连接，组成无线通信模块14。无线通信模块14的通信端口与第二控制模块11的无线通信端口相连。显示模块31的控制端口与第二控制模块11相连，用于显示测量结果。锂离子电池24与稳压和电源管理电路23连接，构成供电模块13，供电模块13的供电端口与可穿戴设备2中各个模块的供电端口相连，为各个模块供电。使用柔性橡胶外壳27对可穿戴设备进行包裹，保护内部电路。通过弹性表带28将可穿戴设备固定于手腕处使用。
所述可穿戴设备2中传感器包括Na离子选择性电极、K离子选择性电极、Ag/AgCl参比电极组成的电位型电化学传感器9、温度传感器30、心率传感器29。
所述第二控制模块11选用STMicroelectronics N.V.的STM32F103系列单片机及其应用电路。
所述NFC芯片及其应用电路21选用STMicroelectronics N.V.的CR95HF系列多协议非接触式收发器芯片及其应用电路。
所述蓝牙模块25选用STMicroelectronics N.V.的BlueNRG低功耗蓝牙通信芯片及其应用电路。
工作过程：通过微创植入技术，将植入式组件1植入手背一侧腕部皮下，如图2C、图2D所示。可穿戴设备2佩戴于手腕，并保持第二NFC线圈22位于第一NFC线圈18上方，如图3所示。通过手机等移动终端设备3进行操作，与可穿戴设备2进行蓝牙通信，发送测量指令。可穿戴设备2接收到测量指令后开始进行测量，并通过NFC通信模块12与植入式组件1进行NFC通信，发送测量指令并提供电能。此时植入式组件1激活启动，通过第一传感器5和第一信号采集电路6进行测量，并将测量数据通过无源NFC技术反馈给可穿戴设备2，可穿戴设备2将由第二传感器9和第二信号采集电路10测得的数据以及植入式组件1反馈数据通过蓝牙技术实时传输至移动终端设备3直接反馈给用户。移动终端设备3也可以通过无线网络将数据发送至云服务设备4进行分析、分享和存储，或从云服务设备4下载历史测量数据和分析结果。

Claims (10)

1.基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，其特征在于：包括植入式组件(1)、可穿戴设备(2)、移动终端设备(3)和云服务设备(4)；
植入式组件(1)植入体内，位于体外的可穿戴设备(2)通过无源NFC技术与植入式组件(1)进行通信并提供电能；可穿戴设备(2)将植入式组件(1)传出的测量数据和可穿戴设备(2)中传感器得到的测量数据由可穿戴设备(2)的显示模块(31)显示出来，或者通过无线技术发送至移动终端设备(3)反馈测量结果；移动终端设备(3)将测量结果通过无线网络发送至云服务设备(4)进行存储和分析；移动终端设备(3)从云服务设备(4)下载历史测量数据和分析结果。
2.如权利要求1所述的基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，其特征在于：所述植入式组件(1)由第一传感器(5)、第一信号采集电路(6)、第一控制模块(7)和无源NFC模块(8)组成；连接关系：第一传感器(5)输出端与第一信号采集电路(6)输入端相连，第一信号采集电路(6)输出端与第一控制模块(7)的AD采集端口相连；第一控制模块(7)的通信端口与无源NFC通信模块(8)的通信端口相连；无源NFC通信模块(8)的供电端口分别与第一信号采集电路(6)和第一控制模块(7)的供电端口相连。
3.如权利要求2所述的基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，其特征在于：所述无源NFC模块(8)是由无源NFC芯片及其辅助电路(17)和第一NFC线圈(18)连接构成的。
4.如权利要求1所述的基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，其特征在于：所述可穿戴设备(2)由第二传感器(9)、第二信号采集电路(10)、第二控制模块(11)、NFC通信模块(12)、供电模块(13)、无线通信模块(14)和显示模块(31)组成；第二传感器(9)与第二信号采集电路(10)相连，第二信号采集电路(10)的输出端与第二控制模块(11)的AD采集端口相连；NFC通信模块(12)、无线通信模块(14)、显示模块(31)的通信端口分别与第二控制模块(11)的通信端口相连；供电模块(13)的输出端口分别与第二信号采集电路(10)、第二控制模块(11)、NFC通信模块(12)、无线通信模块(14)和显示模块(31)的供电端口相连。
5.如权利要求4所述的基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，其特征在于：所述NFC通信模块(12)由NFC芯片及其应用电路(21)与第二NFC线圈(22)连接构成。
6.如权利要求3或4所述的基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，其特征在于：所述可穿戴设备(2)中的第二NFC线圈(22)在使用过程中置于植入式组件(1)中的第一NFC线圈(18)上方。
7.如权利要求1所述的基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，其特征在于：构成所述植入式组件(1)的植入式组件电路板(15)采用柔性印刷电路制作，在电路表面涂刷防水涂层，并在除电极以外部分包裹聚二甲基硅氧烷等生物相容性材料(16)；所述可穿戴设备(2)中的电路使用柔性印刷电路制造，电路外部由柔性橡胶外壳(27)保护。
8.如权利要求1或2所述的基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，其特征在于：所述第一控制模块(7)选用STMicroelectronics N.V.的STM8L152系列单片机及其应用电路；所述无源NFC通信模块(8)中的无源NFC芯片选用STMicroelectronics N.V.的M24LR04E-R包含电能采集的动态NFC/RFID标签芯片。
9.如权利要求1或2所述的基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，其特征在于：所述植入式组件(1)中传感器采用酶型葡萄糖电化学传感器；所述可穿戴设备(2)中传感器采用离子选择性电极和温度传感器。
10.如权利要求1或4所述的基于植入式和可穿戴生物传感技术的实时健康监测系统，其特征在于：所述第二控制模块(11)选用STMicroelectronics N.V.的STM32F103系列单片机及其应用电路；所述NFC通信模块(12)中的NFC芯片及其应用电路(21)选用STMicroelectronics N.V.的CR95HF系列多协议非接触式收发器芯片及其应用电路；所述无线通信模块(14)中的蓝牙模块(25)选用STMicroelectronics N.V.的BlueNRG低功耗蓝牙通信芯片及其应用电路。
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