CN106901702A - 基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于柔性力敏传感器件的定量脉搏波监测装置。将柔性力敏传感膜片与柔性射频标签天线集成在预紧力恒定的弹性体腕带中，采用柔性印刷电路板将测量电路、微控制器芯片、射频通讯芯片和电源管理电路制备成柔性电子学系统。弹性体基体柔性力敏传感膜片通过恒定延伸率弹性体腕带设定至固定的预紧力范围，力敏传感元件的电压变化通过信号处理以射频标签协议发送到读写器，该电压变化值与标准的标定载荷/电压曲线比较得到定量的连续脉搏波信号。通过读写器将信号以蓝牙、WIFI或互联网数据格式上传后台支持数据设备，通过管理软件，实现对单个或多个射频标签柔性脉搏波传感装置进行信号读取和管理，形成低成本定量连续脉搏波监测装置。

Description

基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置

技术领域

本发明属于生物医学电子领域，涉及一种柔性可佩戴定量脉搏波无线传感装置。

背景技术

长期以来临床医学和公共健康保障对可佩戴式人体基本生理参数监测装置有持续的需求，基于各种电子技术发展出多种心电、脉搏、心率、体温、血氧饱和度等人体健康信息采集、传送、分析、存储电子设备，这些装置在很大程度上满足了在医疗机构内和在家庭空间中对人体健康基本信息长期连续监测的需求。近年来，软材料科学、有机电子学、纳米生物科技等领域基础研究发展迅速，为人体基本生理参数监测提供新的技术，针对人们对可佩带电子装置要求体积小、佩带舒适、测量准确、测量信息丰富、成本低廉、可丢弃和环境兼容等要求，多个研究者发展了基于软材料薄膜的“体表电子学”产品，将传感元件集成在柔性弹性体薄膜表面，采集的人体生理参数通过无线数据传输技术发送到远程计算机系统，实现对广泛人群基本健康信息的实时监测。

近年来多个研究者针对复杂软材料力学量定量测量的困难，提出了不同的解决方案，例如：利用弹性体薄膜的低弹性模量，将导电纳米材料(碳纳米管、石墨烯、金属纳米线)覆盖在表面结构化的弹性体薄膜表面，可以得到以电容、电阻、场效应电导为传感物理量，实现对薄膜受力形变的高灵敏度感知,这类材料和器件可以应用到多个领域，其中之一为取代现有刚性压电陶瓷片和柔性聚偏氟乙烯薄膜，对人体脉搏波信号实现准确测量。

人体脉搏波信号的连续准确读出，对临床医学有广泛意义，例如，连续的脉搏波波形和血管张力信号，可以反映人体心血管功能的健康程度，以及血管弹性形变的恢复程度，对脉搏波波形和传递速度与血压关联性的判读，可以实现血压(尤其是收缩压)的连续测量。连续脉搏波波形的定量准确获取，一方面可以对无创血压监测提供更定量的脉搏波数据，另一方面通过分析脉搏波纹理，可以对心血管健康状态提供更丰富的评估、诊断依据，为远程健康监测提供更可靠的数据基础。

射频标签无线数据发送技术作为一种低成本无线通讯技术，被广泛用于各种身份识别、智能卡、物联网标签，当发送信息为传感器测量结果时，射频标签成为无线传感射频标签，其数据传输协议适合数据量少、成本低、多个传感标签同时读取的场合。使用射频标签软硬件作为脉搏波数据传输模式，尤其适合用同一读出设备管理多个传感器，例如医疗机构对在同一空间内多个患者的信息读取，与其他技术相比，其硬件成本大大降低，特别适合用于一次性医疗设备或耗材。

发明内容

本发明目的是提供一种低成本柔性定量脉搏波监测装置，它解决了无创体表动脉血管脉搏波压力定量测量问题，还具有佩带舒适、低成本特征。

本发明的技术方案为：一种基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置，是基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波RFID无线传感装置，为弹性体腕带结构内包埋错位设置的柔性力敏传感元件、微控制器与射频标签芯片、电源、天线；所述的微控制器、射频标签芯片与电源集成在同一柔性印刷电路板上，柔性印刷电路板厚度不大于0.1毫米；所述的力敏传感元件通过连线和微控制器与射频标签芯片所在的柔性印刷电路板连接，所述的柔性印刷电路板与天线连接，所述的印刷电路板与腕带之间为可拆卸结构。

所述的力敏传感元件为柔性弹性基体，以沉积在到弹性体棱锥条带或条带阵列表面半导体型碳纳米管为沟道材料、涂覆有一维导电材料的弹性体薄膜为栅极的场效应力敏元件，所述的力敏传感元件包埋在弹性体腕带浅近表面；所述的半导体型碳纳米管，其制备方法为化学气相沉积，长度0.8到2.5微米，直径0.7到1.3纳米，电子迁移率不低于10²/Vs，半导体型碳管含量大于95％，场效应开关比不低于10⁴。

所述的力敏传感元件的压力测量灵敏度不低于3MPa^-1,压力在0到0.03MPa之间的加载与卸载弛豫偏差不大于10％。

所述的天线模块包埋入腕带内，在腕带拉伸形变至100％时保持良好导电性，保持射频信号传输性能。

所述的腕带材料包括高温硫化硅橡胶、热塑性橡胶、热塑性聚胺脂、醚酯型热塑弹性体中任意一种，室温硬度在60A到80A之间。

采用所述的基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置的监测方法，通过腕带的弹性约束力将力敏传感元件以恒定预紧力贴合在动脉血管位置，血管脉搏压力变化通过力敏传感元件将电压值变化转换为电信号；所述电压值变化通过测量电路模块提取、滤波，得到的电压信号用微控制器中模数转换电路转换成数字信号；所述数字信号存储在微控制器的存储器中,用固化在微控制器中的程序进行调制；将上述以射频标签通讯协议调制的信号通过射频标签芯片和天线发送至接收端；上位管理计算机通过读卡器对多个射频标签传感信号分时读出，将读出的信号与标定曲线比对，得到射频标签群组监测对象的脉搏波绝对压力波形。

所述的射频标签通讯采用ISO18000-7空中接口参数。

动脉血管位置为桡动脉和/或肱动脉位置，力敏传感元件为单个或多个，以分时数据采集、标记方式通过同一腕带测量多点脉搏波，或者佩带多个腕带获得脉搏波传递速度。

所述的电源是有源微型电池或集成的半有源可充电电池；当电源是有源电池时，电源管理电路以设定的放电时间激活射频标签测量电路，发送电压数据；当电源是半有源电池时，电源管理电路向可充电电池充电，由上位计算机通过读卡器发送射频标签激活指令，发送传感数据。

预紧力控制通过腕带表面标记的刻度线形变量和调节卡扣来实现，对力敏传感元件的预紧力调节到10KPa到200KPa之间。

有益效果：采用柔性力敏传感元件，将微控制器、射频标签、电源或电源管理电路集成到柔性印刷电路板，形成柔性脉搏波传感装置，可以很大程度同时实现佩带舒适、低成本、可丢弃、脉搏波定量测量的要求，促进这类监测电子装置被广泛人群使用。

本发明的利用恒定预紧力弹性体腕带将高灵敏柔性力敏传感元件贴合于体表动脉血管表面，以无气压袖带、无创伤方式测量血管在心脏射血时表面压力的变化，通过腕带式结构将佩戴者脉搏波传输到上位读卡器和计算机，实现对佩带者脉搏波的连续监测。该系统腕带和集成在腕带内部的传感元件设计成可丢弃模式，短时间(<20天)连续使用后更换，避免医疗机构内部重复使用消毒对传感元件的破坏，微控制器、射频标签和电源采用可拆卸多次使用模式，最大程度减低了佩带装置的成本，采用低功率芯片或半有源电源管理电路，保证在使用周期内无须更换电池。因此上述系统与现有多种脉搏波实时监测装置比较，在提高数据准确性、提高佩带舒适性、降低成本方面，具有技术独创性和先进性。

将柔性力敏传感膜片与柔性射频标签天线集成在预紧力恒定的弹性体腕带中，采用柔性印刷电路板将测量电路、微控制器芯片、射频通讯芯片和电源管理电路制备成柔性电子学系统，该系统包埋在弹性体腕带中，与腕带形成可拆卸组合。弹性体基体柔性力敏传感膜片通过恒定延伸率弹性体腕带设定至固定的预紧力范围，力敏传感元件的电压变化通过信号处理以射频标签协议发送到读写器，该电压变化值与标准的标定载荷/电压曲线比较得到定量的连续脉搏波信号。通过读写器将信号以蓝牙、WIFI或互联网数据格式上传后台支持数据设备，通过管理软件，实现对单个或多个射频标签柔性脉搏波传感装置进行信号读取和管理，形成低成本定量连续脉搏波监测装置。

附图说明

图1为本发明的各模块间的连接关系示意图。

其中，1力敏传感元件，2-1-1微控制器，2-1-2射频标签芯片，2-1-3电池或无线充电电路，3天线。

图2为本发明的实物结构示意图。

其中，1.力敏传感元件，2.微控制器和射频标签芯片、电源，3.天线，4.连线，5.预紧力调节卡扣，6.弹性体腕带，7.预紧力设定刻度线。

图3为实施例一的结构示意图。

1-1.力敏传感元件电极，2-1.微控制器和射频标签芯片电极，6-1.腕带盖片，6-2.腕带基片，4.连线，2.微控制器和射频标签芯片，1.力敏传感元件，8.胶结层。

具体实施方式

一种低成本柔性定量脉搏波监测装置，是基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波RFID无线传感装置，单个或多个柔性弹性体基体压力传感薄膜元件，该元件集成在弹性体腕带表面，通过腕带的弹性约束力将该薄膜元件以恒定预紧力贴合在动脉血管位置，血管脉搏压力变化通过电压值变化转换为电信号；

上述电压变化通过测量模块滤波，得到的电压信号输入微控制器芯片的模数转换端口转换成数字信号，存储在微控制器芯片存储器中；

将上述数字信号用固化在微控制器芯片中的程序以射频标签通讯协议调制，通过射频发送芯片和天线发送到读卡器；

电源为小型电池或与无线充电电路集成的薄膜可充电电池；

上位管理计算机通过无线蓝牙、无线WIFI或有线互联网格式管理读卡器，读卡器对多个射频标签激活和传感信号实时读出，读出数据与标定曲线比对，得到射频标签群组监测的多个脉搏波信号；

上述模块之间的连接关系见附图1。

进一步地，所述的力敏传感元件为柔性弹性基体，以沉积到弹性体棱锥条带或条带阵列表面半导体碳纳米管为沟道材料、涂覆有一维导电材料的弹性体薄膜为栅极的场效应力敏元件，所述的力敏传感元件包埋在弹性体腕带浅近表面。该传感元件的压力测量灵敏度不低于3MPa^-1，延伸率不低于70％，压力在0.5到0.8MPa之间的加载与卸载弛豫偏差不大于10％。

进一步地，所述的半导体碳纳米管，其制备方法为化学气相沉积，长度0.8到2.5微米，直径0.7到1.3纳米，电子迁移率不低于10²/Vs，半导体型碳管含量大于95％，场效应开关比不低于10⁴。

进一步地，所述微控制器、射频标签和电源或电源管理电路，均集成在同一柔性印刷电路上，该电路厚度不大于0.1毫米，以可拆卸方式包埋在腕带内。

进一步地，所述射频发送采用射频标签的方式，即频率和信息调制采用ISO18000-7射频标签空中接口参数标准协议。

进一步地，所述射频标签天线采用可形变结构包埋入腕带内，其在腕带拉伸形变至100％时保持良好导电性，保持射频信号传输性能。

进一步地，所述的电源管理模块，其电源可以是有源微型电池，也可以是集成的半有源可充电电池，当电源是有源电池时，微控制器以设定的时间激活射频标签测量电路，发送传感数据；当电源是半有源电池时，电源管理电路以无线充电方式向可充电薄膜电池充电，由管理计算机通过读卡器发送射频标签激活指令，发送传感数据，使用的微控制器和射频标签芯片平均功率不大于1mW。

进一步地，所述的柔性力敏传感元件及弹性体腕带，力敏传感元件是一个或多个，其尺寸保证对动脉贴合紧密；腕带材料是高温硫化硅橡胶、热塑性橡胶、热塑性聚胺脂、醚酯型热塑弹性体中任意一种，腕带材料室温硬度在50A到80A之间，预紧力控制通过腕带表面标记的刻度线形变量和调节卡扣来实现，对力敏传感元件的预紧力调节到10KPa到200KPa之间。传感元件与硅基集成电路芯片和电池错位设置，腕带结构见附图2。

进一步地，所述的射频标签信号读出和写入模块距离射频标签不大于10米，该模块集成在与管理计算机互联的分立射频标签读写器内。读写器读出的传感元件输出信号通过无线蓝牙、无线WIFI或互联网数据格式上传至管理计算机，通过标定曲线转换成脉搏压力波形，实现对多个射频标签佩带者脉搏波的定量监测。

实施例一：

柔性力敏传感元件薄片埋入腕带与皮肤贴合的浅表面，埋入深度不大于0.1毫米，该力敏传感元件薄片与腕带基体通过胶结层胶合，形成连续结构，该元件的引出电极和微控制器、射频标签芯片的连线为柔性设计(附图3)，其特点为连线埋入腕带U形沟道内，沟道宽度在0.8毫米至1.5毫米，深度0.5毫米至1毫米，每根连线置入一个沟道，连线以弯曲螺线状置入沟道，连线展开长度大于沟道长度2倍以上，连线与腕带无胶结，伸展自由，保证腕带拉伸100％时导线及与端头接触完整。

柔性力敏传感元件薄片为半导体型碳纳米管场效应结构，载荷通过测量固定栅压时源漏间电导变化来传感，该信号通过微控制器模数转换电路转换成数字信号，该数字信号存入微控制器数据存储区，该数据用固化在微控制器中信息处理程序和射频通讯程序调制，射频通讯采用ISO18000-7协议，微控制器以恒定速率向读卡器发送测量数据，射频标签与读写器之间激活、应答、数据安全和防冲撞遵从射频标签协议。

射频标签芯片采用通用2.4MHz无线通讯芯片，微控制器采用16位通用芯片，采用微型电池为电路供电，微控制器以设定程序控制电源激活或休眠电源，使得平均功耗不大于1毫瓦，微控制器、射频标签芯片、电源及形成的电路集成到柔性印刷电路板，柔性印刷电路板厚度不大于0.1毫米，以可拆卸结构埋入腕带，可多次使用，腕带及传感元件为一次性使用。

读卡器读出的连续脉搏波波形上传到管理计算机，通过标定曲线将传感信号转换为具有绝对压力定标的脉搏波时序信号，一台读卡器读出多个射频标签的传感数据，一台计算机管理多台读卡器，从而实现对多个佩带者脉搏波的定量准确采集、传输、存储和分析。

实施例二：

腕带结构与传感元件同实施例一。

同一腕带上设置多个力敏传感元件，各个传感元件的输出信号以分时方式通过选择电路接入微控制器模数转换端口，各个传感器测得数据标记后存入微控制器存储器，调制后发送射频标签芯片，射频标签采用580MHz专用通讯芯片处理器，电源为半有源式，在硅基芯片上集成可充电薄膜电池，该最大放电量大于50毫安小时，同一芯片上集成电源管理模块，由外部读卡器通过射频标签激活电源管理电路，向射频标签发送读出指令，激活电源管理模块向射频发送模块加电，实现数据采集和发送，该采集和发送采用间歇式，发送结束后，电源管理模块处于休眠状态，测量模块、射频发送模块断电，同时电源管理模块将读写器发出的射频场转换成直流电流，向电池充电，设计间歇时间和充电速度，保证在电池寿命时间内，电池具有足够电压和放电功率。

微控制器、射频标签芯片、电源管理芯片集成在同一柔性印刷电路板上，其特征及后续与读卡器、管理计算机之间通讯方式与实施例一相同。

管理计算机通过对多个传感器测量结果分析，获得去除由于人体运动造成的伪脉搏波信号，并可以得到不同通道之间的关联性，得到具有中医脉象多点测量的脉搏波波谱。

Claims (10)

1.一种基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置，其特征在于，是基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波RFID无线传感装置，为弹性体腕带结构内包埋错位设置的柔性力敏传感元件、微控制器与射频标签芯片、电源、天线；所述的微控制器、射频标签芯片与电源集成在同一柔性印刷电路板上，柔性印刷电路板厚度不大于0.1毫米；所述的力敏传感元件通过连线和微控制器与射频标签芯片所在的柔性印刷电路板连接，所述的柔性印刷电路板与天线连接，所述的印刷电路板与包埋在腕带内的天线、力敏传感器之间为可拆卸结构。

2.如权利要求1所述的基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置，其特征在于，所述的力敏传感元件为柔性弹性基体，以沉积到弹性体棱锥条带或条带阵列表面半导体型碳纳米管为沟道材料、涂覆有一维导电材料的弹性体薄膜为栅极的场效应力敏元件，所述的力敏传感元件包埋在弹性体腕带浅近表面；所述的半导体型碳纳米管，为用化学气相沉积方法制备，长度0.8到2.5微米，直径0.7到1.3纳米，电子迁移率不低于10²/Vs，半导体型碳管含量大于95％，场效应开关比不低于10⁴，分散液为甲苯。

3.如权利要求1所述的基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置，其特征在于，所述的力敏传感元件的压力测量灵敏度不低于3MPa^-1,压力在0到0.03MPa之间的加载与卸载弛豫偏差不大于10％。

4.如权利要求1所述的基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置，其特征在于，所述的天线模块包埋入腕带内，在腕带拉伸形变至100％时保持良好导电性，保持射频信号传输性能。

5.如权利要求1所述的基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置，其特征在于，所述的腕带材料包括高温硫化硅橡胶、热塑性橡胶、热塑性聚胺脂、醚酯型热塑弹性体中任意一种，室温硬度在60A到80A之间。

6.采用权利要求1-5任一所述的基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置的监测方法，其特征在于，通过腕带的弹性约束力将力敏传感元件以恒定预紧力贴合在动脉血管位置，血管脉搏压力变化通过力敏传感元件将电压值变化转换为电信号；所述电压值变化通过测量电路模块提取、滤波，得到的电压信号用微控制器中模数转换电路转换成数字信号；所述数字信号存储在微控制器的存储器中,用固化在微控制器中的程序进行调制；将上述以射频标签通讯协议调制的信号通过射频标签芯片和天线发送至接收端；上位管理计算机通过读卡器对多个射频标签传感信号分时读出，将读出的信号与标定曲线比对，得到射频标签群组监测对象的脉搏波绝对压力波形。

7.如权利要求6所述的采用基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置的监测方法，其特征在于，所述的射频标签通讯采用ISO18000-7空中接口参数。

8.如权利要求6所述的采用基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置的监测方法，其特征在于，动脉血管位置为桡动脉和/或肱动脉位置，力敏传感元件为单个或多个，以分时数据采集、标记方式通过同一腕带测量多点脉搏波，或者佩带多个腕带获得脉搏波传递速度。

9.如权利要求6所述的采用基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置的监测方法，其特征在于，所述的电源是有源微型电池或集成的半有源可充电电池；当电源是有源电池时，电源管理电路以设定的放电时间激活射频标签测量电路，发送电压数据；当电源是半有源电池时，电源管理电路向可充电电池充电，由上位计算机通过读卡器发送射频标签激活指令，发送传感数据。

10.如权利要求6所述的采用基于柔性力敏传感元件的定量脉搏波监测装置的监测方法，其特征在于，预紧力控制通过腕带表面标记的刻度线形变量和调节卡扣来实现，对力敏传感元件的预紧力调节到10KPa到200KPa之间。