CN107616911A - 基于碳纳米复合柔性电极的制备方法及微型智能针灸理疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于碳纳米复合柔性电极以及微型智能针灸理疗仪，该理疗仪包括理疗刺激单元、信号控制与处理和移动通信单元。理疗刺激单元包括碳纳米柔性复合电极和粘性材料。信号控制与处理及供电单元包括电源、脉冲发生电路、蓝牙、微控制器等模块，此部分是中低频脉冲刺激电流的发生和控制装置，通过电极扣与理疗刺激单元相连接，可输出不同的频率、波形、强弱的脉冲刺激电流。移动通信单元包括蓝牙模块和移动远端控制模块，移动远端控制模块可提供针灸理疗方案建议、穴位指南以及理疗过程监控，可与多个信号控制与处理及供电单元通讯。本发明提供的基于碳纳米复合的智能柔性贴合针灸理疗仪具有接触好、佩戴舒适、导热性好、防止细菌生长等优点。

Description

基于碳纳米复合柔性电极的制备方法及微型智能针灸理疗仪

技术领域

本发明涉及电子医疗器械中的可穿戴式设备领域，特别涉及一种基于碳纳米复合的智能柔性贴合针灸设备。

背景技术

现代科学技术发展促进了具有中医特色的诊疗仪器设备开发和推广应用，带动中医诊疗技术的发展。针灸诊疗仪器的发展已有几千年历史，在针灸临床治疗中发挥着重要的作用，每一次针灸器材的重大创新和变革，都会促进针灸医学的发展，特别是近几年来，针灸与现代技术的多学科结合，使各种针灸器材不断更新，表现出明显的时代特征，并在临床上得到广泛应用，取得了较好的疗效，为人类的健康事业做出了重大贡献。现代针灸治疗仪其主要采用单片机、虚拟仪器等技术研制针灸治疗仪，使治疗仪在治疗参数、波型、功能等方面更适合针灸临床治疗的需要。针灸治疗仪器的应用越来越广泛，在提高针灸疗效发挥着重要的作用。脉冲电针灸能够很好的利用传统针灸的优势，且克服了传统针灸的弊端，并发挥其自身的优点，在医疗领域得到广泛的应用。未来脉冲针灸理疗设备的发展将会沿着微型化、轻量化、可穿戴化方向发展，并且结合现代电子信息技术与互联网技术，设备智能化程度更好，用户使用更便捷，理疗效果更突出。

理疗电极片的使用原理是将电极片附于人体相应的治疗部位，形成导电通路，治疗主机产生的脉冲通过贴片，模拟针灸及按摩治疗等功能。现在广泛使用的电极片种类繁多，主要分为PET纽扣自粘电极片、硅胶理疗自粘电极片、无纺布理疗自粘电极片、泡棉电极等。理疗电极片由导电贴片和与外界连接的电线或金属扣组成，导电贴片是由粘胶片、导电碳膜、导电粘胶三部分组成。其中导电粘胶由含电解质的凝胶构成，有以下不足之处：①长期暴露在空气中易失水变干、造成电性能丧失；②皮肤油脂或油性物质会加速粘胶片的老化失效，其长期使用存在问题。

石墨烯是一种新兴的二维晶体材料，是目前已知导电性、导热性最好的材料，具有非常优异的物理特性，其电阻率只有约10-8Ω·m，热导率高达5300W/(m·K)，比表面积高达2600m2/g。石墨烯材料制备的理疗电极不仅体积小、厚度薄、质地柔软，而且具有人体接触好、导电性好等优点。更重要的是，对于长期穿戴使用，石墨烯良好的导热性有利于热量的散失，皮肤的舒适感会提高；石墨烯抑菌特性可以增强理疗电极实用的生物安全性；石墨烯的稳定物理化学性质有利于在复杂的外部环境中使用，不宜老化，可长期使用。

碳纳米管，是一种具有特殊结构的一维量子材料。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于碳纳米复合柔性电极的制备方法及微型智能针灸理疗仪，该发明解决了传统针灸的有创伤的缺点，也解决了初期电脉冲针灸理疗仪的硬质金属电极给人带来的不舒适感以及不便于携带的问题，提供了一种体积小巧，易于排除用户的汗液，皮肤舒适感高，抑制细菌生长，不易老化的新型电脉冲针灸理疗仪。适用于家庭，外出等各种环境。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：一种基于碳纳米复合柔性电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)根据人体皮肤纹理制作模具，并在所述模具的凹槽表层放置多孔气泡金属；

(2)将石墨烯和碳纳米管按质量比1:1～1:1.5混合，制得混合物；再将所述混合物溶解于聚二甲基硅氧烷中，所述聚二甲基硅氧烷中混合物为质量分数5％～8％；最后将含有混合物的聚二甲基硅氧烷与SYLGARD184固化剂按质量比10:1混合，制得液态浆料；

(3)将步骤(2)中制得的液态浆料均匀涂抹于步骤(1)中制备的模具凹槽内，然后在75-85℃下进行加热处理至所述液态浆料固化成膜；

(4)将步骤(3)中的固化膜取出后，使用稀盐酸或氯化铁溶液对所述固化膜上的多孔气泡金属进行腐蚀3-5小时，在所述固化膜上形成开孔，制得具有开孔的固化膜；

(5)在步骤(4)中制备具有开孔的固化膜表面涂覆粘性附着材料，制得碳纳米柔性复合电极。

进一步，步骤(1)中，所述模具的材质为硅胶或者热塑性聚氨酯弹性体橡胶TPU材料，所述多孔气泡金属为多孔气泡金属镍。

进一步，所述稀盐酸为10ml质量分数38％盐酸配比200ml的蒸馏水制成。

进一步，所述氯化铁溶液的配比为1mol/L。

进一步，步骤(5)中，所述粘性附着材料为水凝胶。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：一种基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪，包括理疗刺激单元和信号控制与处理单元；

所述理疗刺激单元包括碳纳米复合柔性电极，所述信号控制与处理单元包括微控制器模块、电源模块、蓝牙模块I、波形发生模块和脉冲变压器模块；

所述微控制器模块，负责外部信号接口模块的数据采集和发送控制电平，输出不同类型的波形控制数据；

所述电源模块，将电池电压转换为微控制器模块、蓝牙模块I、波形发生模块和脉冲变压器模块所需的工作电压；

所述蓝牙模I块，负责收发与微控制器模块间的串口数据；

所述波形发生模块，接收微控制器模块的控制数据，将其转换成不同类型的模拟脉冲信号并驱动后端脉冲变压器模块；

所述脉冲变压器模块，接收波形发生模块的脉冲信号并将脉冲信号升压后输出驱动碳纳米复合柔性电极。

进一步，所述理疗刺激单元还包括粘性贴合层24，所述碳纳米复合柔性电极21通过粘性贴合层可与人体皮肤贴合。

进一步，所述理疗刺激单元还包括硬质基座，所述碳纳米复合柔性电极设置于硬质基座22。

进一步，所述理疗刺激单元还包括贯穿粘性合层、碳纳米复合柔性电极和硬质基座的通孔23。

进一步，该理疗仪还包括移动通信单元，该移动通信单元对信号控制与处理单元进行控制，移动通信单元还包括移动远端控制模块和蓝牙模块II，蓝牙模块II负责收发与移动远端控制模块之间的数据；蓝牙模块I与蓝牙模块II通信，所述移动远端控制模块实现移动远端与信号控制与处理单元运行状态数据的交换与同步。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

石墨烯与碳纳米管复合材料构成三维导电网络，具有导电性能好，且各向同性，同时其与皮肤的接触电阻小。本发明的基于碳纳米复合的电脉冲针灸理疗仪不会导致皮肤破损，避免设备使用者的疾病交叉感染，具有良好的皮肤触感，具有良好的排汗和吸热功能，不易老化，便于维护等优点。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明的基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪的系统框图；

图2是本发明的基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪的碳纳米复合电极示意图；

图3为理疗刺激单元的剖面图；

图4是本发明的基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪的无线信号传输示意图；

图5是本发明的基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪的一种典型应用示意图；

图6是本发明的基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪的另一种典型应用示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

首先，制备碳纳米复合电极，其工艺如下：

(1)根据人体皮肤纹理制作模具，并在所述模具的凹槽表层放置多孔气泡金属；在本实施例中，多孔气泡金属为镍。

(2)将石墨烯和碳纳米管按质量比1:1～1:1.5混合，制得混合物；再将所述混合物溶解于聚二甲基硅氧烷中，所述聚二甲基硅氧烷中混合物为质量分数5％～8％；最后将含有混合物的聚二甲基硅氧烷与SYLGARD184固化剂按质量比10:1混合，制得液态浆料。

具体到本实施例，所述石墨烯与碳纳米管的质量比例为1：1.2；聚二甲基硅氧烷中混合物为5％，

(3)将步骤(2)中制得的液态浆料均匀涂抹于步骤(1)中制备的模具凹槽内，然后在75-85℃下进行加热处理至所述液态浆料固化成膜。

具体地，所述液态浆料使用刮浆板保持以模具基准面45°，均匀涂抹在模具凹槽内，以保证浆料不会从模具中流出，同时液态浆料被加热到79.5℃形成固化膜。

(4)将步骤(3)中的固化膜取出后，使用稀盐酸或氯化铁溶液对所述固化膜上的多孔气泡金属进行缓慢腐蚀3-5小时(防止对PDMS结构的破坏)，在所述固化膜上形成开孔，制得具有开孔的固化膜；

在本实施例中，所述稀盐酸为10ml质量分数38％盐酸配比200ml的蒸馏水制成。若使用氯化铁，则氯化铁的配比为1mol/L。

(5)在步骤(4)中制备具有开孔的固化膜表面涂覆粘性附着材料(粘性附着材料为1mm厚的水凝胶)，制得碳纳米柔性复合电极。

如图1、4所示，一种基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪，包括理疗刺激单元2、信号控制与处理单元1和移动通信单元；所述理疗刺激单元包括碳纳米复合柔性电极。

信号控制与处理单元，通过电极扣与理疗刺激单元相连接，可输出不同的频率、波形、强弱的脉冲刺激电流。

所述信号控制与处理单元包括微控制器模块、电源模块、蓝牙模块I、波形发生模块和脉冲变压器模块。

微控制器模块主要功能：负责外部信号接口模块的数据采集和发送控制电平，输出不同类型的波形控制数据，同时负责与蓝牙模块间的串口数据通信。

电源模块主要功能：将电池电压转换为其他模块所需的工作电压。

所述蓝牙模块I主要功能：负责收发与微控制器模块间的串口数据；

所述波形发生模块，接收微控制器模块的控制数据，将其转换成不同类型的模拟脉冲信号并驱动后端脉冲变压器模块。

所述脉冲变压器模块，接收波形发生模块的脉冲信号并将脉冲信号升压后输出驱动碳纳米复合柔性电极。

本实施例中，所述移动通信单元包括移动远端控制模块和蓝牙模块II，蓝牙模块II与蓝牙模块I通信，负责收发与移动远端控制模块之间的数据。所述移动远端控制模块实现移动远端的控制指令与理疗主机运行状态数据的交换与同步，使之具有便于使用和携带的特点。

作为对本实施例的改进，所述理疗刺激单元还包括粘性贴合层24，所述碳纳米复合柔性电极21通过粘性贴合层可与人体皮肤贴合。

如图2、3所示，碳纳米复合柔性电极固定在硬质基座22上，硬质基座与信号控制与处理单元的外壳进行集成一体化设计，这一设计使本发明小巧，便于携带，有助于理疗仪的使用和维护。

作为对本实施例的改进，所述理疗刺激单元还包括贯穿粘性合层、碳纳米复合柔性电极和硬质基座的通孔23。所述理疗刺激单元以具有开放式通孔的PDMS等柔性材料制成，以此增加使用者皮肤的汗液排出和皮肤呼吸的通透性。

本发明的疾病治疗实施例：

图5为本发明的基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪的一种典型应用示意图：当患者出现偏头痛的症状时，根据患者的症状描述，移动远端指导患者在外关，颈百劳，太阳这三个穴位粘贴本发明。根据经络刺激的时辰要求，移动远端在早上3-5点、晚上23点-1点这两个时段发出指令对上述三个穴位进行电刺激。使用30-200Hz的矩形波叠加三角波对上述穴位进行刺激，当患者感到疼痛时通过操作移动远端止本发明发送脉冲电波。

图6为本发明的基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪的另一种典型应用示意图：当患者出现冠心病的症状时，根据患者的症状描述，移动远端指导患者在内关，膻中，心腧这三个穴位粘贴本发明。根据经络刺激的时辰要求，移动远端在中午11-13点这个时间段发出指令进行穴位刺激。使用1-10Hz的锯齿波叠加阶梯波对上述穴位进行刺激，当患者感到疼痛时通过操作移动远端停止本发明发送脉冲电波。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于碳纳米复合柔性电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤

(1)根据人体皮肤纹理制作模具，并在所述模具的凹槽表层放置多孔气泡金属；

(2)将石墨烯和碳纳米管按质量比1:1～1:1.5混合，制得混合物；再将所述混合物溶解于聚二甲基硅氧烷中，所述聚二甲基硅氧烷中混合物为质量分数5％～8％；最后将含有混合物的聚二甲基硅氧烷与SYLGARD184固化剂按质量比10:1混合，制得液态浆料；

(3)将步骤(2)中制得的液态浆料均匀涂抹于步骤(1)中制备的模具凹槽内，然后在75-85℃下进行加热处理至所述液态浆料固化成膜；

(4)将步骤(3)中的固化膜取出后，使用稀盐酸或氯化铁溶液对所述固化膜上的多孔气泡金属进行腐蚀3-5小时，在所述固化膜上形成开孔，制得具有开孔的固化膜；

(5)在步骤(4)中制备具有开孔的固化膜表面涂覆粘性附着材料，制得碳纳米柔性复合电极。

2.根据权利要求1所述的基于碳纳米复合柔性电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述模具的材质为硅胶或者热塑性聚氨酯弹性体橡胶TPU材料，所述多孔气泡金属为多孔气泡金属镍。

3.根据权利要求1所述的基于碳纳米复合柔性电极的制备方法，其特征在于：所述稀盐酸为10ml质量分数38％盐酸配比200ml的蒸馏水制成。

4.根据权利要求1所述的基于碳纳米复合柔性电极的制备方法，其特征在于：所述氯化铁溶液的配比为1mol/L。

5.根据权利要求1所述的基于碳纳米复合柔性电极的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，所述粘性附着材料为水凝胶。

6.一种基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪，其特征在于：包括理疗刺激单元和信号控制与处理单元；

所述理疗刺激单元包括碳纳米复合柔性电极，所述信号控制与处理单元包括微控制器模块、电源模块、蓝牙模块I、波形发生模块和脉冲变压器模块；

所述微控制器模块，负责外部信号接口模块的数据采集和发送控制电平，输出不同类型的波形控制数据；

所述电源模块，将电池电压转换为微控制器模块、蓝牙模块I、波形发生模块和脉冲变压器模块所需的工作电压；

所述蓝牙模块I，负责收发与微控制器模块间的串口数据；

所述波形发生模块，接收微控制器模块的控制数据，将其转换成不同类型的模拟脉冲信号并驱动后端脉冲变压器模块；

所述脉冲变压器模块，接收波形发生模块的脉冲信号并将脉冲信号升压后输出驱动碳纳米复合柔性电极。

7.根据权利要求6所述的一种基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪，其特征在于：所述理疗刺激单元还包括粘性贴合层(24)，所述碳纳米复合柔性电极(21)通过粘性贴合层可与人体皮肤贴合。

8.根据权利要求7所述的一种基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪，其特征在于：所述理疗刺激单元还包括硬质基座，所述碳纳米复合柔性电极设置于硬质基座(22)。

9.根据权利要求8所述的一种基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪，其特征在于：所述理疗刺激单元还包括贯穿粘性合层、碳纳米复合柔性电极和硬质基座的通孔(23)。

10.根据权利要求6所述的一种基于碳纳米复合柔性电极的微型智能针灸理疗仪，其特征在于：该理疗仪还包括移动通信单元，该移动通信单元对信号控制与处理单元进行控制，移动通信单元还包括移动远端控制模块和蓝牙模块II，蓝牙模块II负责收发与移动远端控制模块之间的数据；蓝牙模块I与蓝牙模块II通信，所述移动远端控制模块实现移动远端与信号控制与处理单元运行状态数据的交换与同步。