CN109549627A - 一种飞行员穿戴式生理参数监测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞行员穿戴式生理参数监测设备，包括：传感器单元，包括多个贴附于皮肤的柔性延展传感芯片，用于检测汗液中各成分信息并转化为电压或电流信号；信号处理单元，耦接至所述传感芯片，用于对表示汗液成分信息的电压或电流信号处理得到输出信号；第一无线收发单元，用于无线发送所述输出信号给上位机，及获取终端服务器的控制信号；电源单元，用于对传感单元、信号处理单元和第一无线收发单元供电；采用柔性检测设备，符合飞行员使用环境条件，可以贴和皮肤，与实际应用情况更加切合，实现可连续监护飞行员的生命体征。

Description

一种飞行员穿戴式生理参数监测设备
技术领域
本发明涉及穿戴设备技术领域，具体涉及一种飞行员穿戴式生理参数监测设备。
背景技术
近年来,世界各国新代高性能战斗机已陆续服役。为了充分发挥新型战斗机的高机动性、敏捷性，必须突破飞行员生理耐受极限这一障碍。然而，任何一项生命保障措施都难以单独满足飞行员的防护要求，必须在人机工程学原则的指导下,采取诸如机上制氧、后倾座椅、充液抗荷服等综合防护措施，对飞行员提供有效保护、改善飞行过程的舒适性、减轻飞行员的体力疲劳、减小对飞行员生理参数的依赖程度，从而提高飞行员的功效，最大程度上发挥新一代战斗机的高效性能，为完成任务提供帮助。
飞行员生理训练是提高飞行员飞行能力的重要手段，为了提升飞行员生理训练的效果，首先需要对飞行员在生理训练过程中的状态指标，尤其是人体生理体征数据进行监测，及时准确地测量出飞行员生理训练各项数据，评估飞行员生理训练效果，同时还可以对数据进行处理、分析，为改进生理训练方法提供科学的依据。然而目前，我国的空军飞行员的生命体征监测系统装备尚属空白，不仅落后于国外也落后于国内陆、海军。
对于现有的人体生理参数监测医疗设备在医院里非常齐全，并且监测的准确度也比较高，但是由于体积、重量、使用成本等问题并不适合随身携带。而市面上现在非常普及的智能手环、手表等可穿戴设备基本只有对用户的一些简单运动参数进行监测，比如心率、步数、行走距离，而且检测的精度也参差不齐。如果将现有的可穿戴设备运用到空军飞行员这一类特殊的人群中，体积过大、功能单一、可延展性差甚至不可延展的问题尤为突出。传统方法上对于测量人体生理参数的准确性和监测设备体积始终是一对矛盾体，难以权衡。
人体汗液含有丰富的生理信息，汗液中含有的电解质、代谢物、营养物等成分同血液一样，能够反映人体的生理体征数据，汗液中分泌物包括有机分子与无机离子。有机分子例如葡萄糖与乳酸，葡萄糖的浓度与血糖代谢有关，其在汗液中的正常浓度为200-600μM，通过对汗液中葡萄糖浓度的检测可以初步实现对糖尿病和低血糖症的诊断；对乳酸的浓度的检测可以确定人体表皮的应力极限，防止肌肉痉挛，其在汗液中的正常浓度为5-8mM。无机离子例如钠离子、钾离子、钙离子与氯离子等，通过检测汗液中离子的浓度可以判断人体电解质是否平衡,有效预防脱水症、低钠血症、低钾血症等多种疾病的发生，这些离子在汗液中的正常浓度分别为：30-160mM(钠)、2.3-5.5mM(氯)、30-105mM(钾)；钙离子与骨骼发育有关,其在汗液中浓度为0.5-3mM。同时对汗液的检测是无创的，因此汗液能够作为理想的生理参数监测目标，但现有技术中没有能够实时收集汗液并检测的设备，限制了对飞行员生理参数进行实时监测的进行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种将高级环境传感器、无创性生理传感器和信息处理系统、全球定位系统及低功率无线通讯技术组合在一起的小型柔性装置，贴附于飞行员皮肤表面，与皮肤共同运动且不受运动干扰，可连续监护飞行员的生命体征，能够实现在现场分类、评估、治疗、后送过程中监测伤员的生命体征，发送伤员的生理数据和确定伤员的位置。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种飞行员穿戴式生理参数监测设备，包括：传感器单元，包括多个贴附于皮肤的柔性延展传感芯片，用于检测汗液中各成分信息并转化为电压或电流信号；信号处理单元，耦接至所述传感芯片，用于对表示汗液成分信息的电压或电流信号处理得到输出信号；第一无线收发单元，用于无线发送所述输出信号给上位机，及获取终端服务器的控制信号；电源单元，用于对传感单元、信号处理单元和第一无线收发单元供电。
进一步的，所述传感芯片包括纳米金工作电极、Ag/AgCl参比电极以及连接所述工作电极和参比电极的多层石墨烯碳纳米管微孔管道，反应物附着于所述微孔管道内壁，所述反应物表面包覆有壳聚糖保护膜，多个所述传感芯片通过柔性电路串联并转印在弹性基底上。
进一步的，所述传感芯片阵列包括检测有机分子的电流型电化学传感芯片和测量无机分子的电位型电化学传感芯片，所述电流型电化学传感芯片包括葡萄糖传感芯片和乳酸传感芯片，所述电位型电化学传感芯片包括钠离子传感芯片、钾离子传感芯片、钙离子传感芯片、氯离子传感芯片、表皮温度传感芯片、排汗量传感测量芯片和汗液PH值传感芯片。
进一步的，检测有机分子的反应物为生物酶，检测无机离子的反应物为选择性敏感膜。
进一步的，所述柔性电路采用蛇形结构，所述柔性电路的输出端采用磁吸式输出电极。
进一步的，所述信号处理单元包括电化学模拟前端芯片、温度传感器、滤波放大电路系统和多路复用器，所述电化学模拟前端芯片和温度传感器将采集到的电压或电流信号进行处理得到预处理信号，所述多路复用器和滤波放大电路将预处理信号调理成适合无线传输的输出信号。
进一步的，所述第一无线收发单元为蓝牙主机模块，用于将输出信号发送给与其配对的上位机。
本发明还包括一种上位机，上位机包括第二无线收发单元和数据网关，所述第二无线收发单元用于接收第一无线收发单元的输出信号并汇总，汇总后的输出信号通过所述数据网关发送至终端服务器。
本发明还包括一种终端服务器，终端服务器包括智能处理器和中央显示器，所述智能处理器将从上位机接收到的输出信号与标准值进行对比、分析、存储和报警，所述中央显示器对多个监测设备的信息集中显示。
进一步的，终端服务器还包括输入单元，用于输入控制信号并发送给监测设备。
本发明的有益效果：传感芯片采用柔性可延展结构的设计，按照与人体集成的区域和各种实际穿戴环境设计，达到与皮肤共同运动且不受运动干扰的目的，充分考虑飞行员身着飞行服，可穿戴设备有限的因素，将穿戴传感芯片配套的电路及处理单元也制成柔性、集成度高、可以贴和皮肤，与实际应用情况更加切合，实现可连续监护飞行员的生命体征，能够实现在现场分类、评估、治疗、后送过程中监测伤员的生命体征，发送伤员的生理数据和确定伤员的位置。
附图说明
图1是本发明的监测设备示意图；
图2是本发明的传感芯片示意图；
图3是本发明的监测系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种飞行员穿戴式生理参数监测设备的一实施例，包括：传感器单元10，所述传感器单元10包括多个贴附于皮肤的柔性延展传感芯片11，用于检测汗液中各成分信息并转化为电压或电流信号，柔性可延展形态的传感芯片11能够适应人体各个区域，达到与皮肤共同运动且不受干扰的目的；信号处理单元20，耦接至所述传感芯片11，与连接多个传感器芯片的柔性电路输出端连接，用于对表示汗液成分信息的电压或电流信号处理得到输出信号，所述柔性电路采用蛇形结构，形成柔性可延展形态，不影响皮肤的运动，所述柔性电路的输出端采用磁吸式输出电极13，使得传感芯片11阵列可以一直集成与皮肤表面，信号处理单元20可在离体充电后被反复连接到传感芯片11上，彻底解决了柔性传感芯片11与刚性或其它柔性电路互连的问题，所述信号处理单元20包括电化学模拟前端芯片21、温度传感器22、滤波放大电路23系统和多路复用器，所述电化学模拟前端芯片21和温度传感器22将采集到的电压或电流信号进行处理得到预处理信号，所述多路复用器和滤波放大电路23将预处理信号调理成适合无线传输的输出信号；第一无线收发单元30，用于无线发送所述输出信号给上位机50，及获取终端服务器60的控制信号，本实施例中，所述第一无线收发单元30为蓝牙主机模块31，用于将输出信号发送给与其配对的上位机50；电源单元40，用于对传感单元、信号处理单元20和第一无线收发单元30供电。
参照图2所示，所述传感芯片11包括纳米金工作电极、Ag/AgCl参比电极以及连接所述工作电极和参比电极的多层石墨烯碳纳米管微孔管道，反应物附着于所述微孔管道内壁，纳米金颗粒具有大的表面积/体积比、高的表面反应活性，具有很强的负载能力。极小的尺寸使得纳米颗粒用作微“导线”，在芯片贴附于人体表面时，能够拉近传感芯片11与待测生物分子活性中心的距离，有利于提高电子从生物活性反应中心到传感芯片11表面的迁移率，从而提高传感芯片11的灵敏度，有很好的生物兼容性，为了检测传感芯片11工作电极上的电位变化，参比电极的电势应接近于理想不极化，电位恒定，并且受外力影响很小，提供一个稳定的对照电位，Ag/AgCl电极符合以上条件，并且固相不溶解于电解液，重现性好，石墨烯纳米材料极薄的结构十分有利于微米、纳米传感器件的制造；有限空间内大的表面积可以提高工作电极的表比面积，能够提升传感器的电子迁移率，对于传感器的灵敏度的提升和检测限的降低都有很好的作用，碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)。碳纳米管具有良好的导电性、催化活性和较大的比表面积，可使过电位大大降低及对部分氧化还原蛋白质能产生直接电子转移现象，因此被广泛用于修饰电极的研究，根据实验，碳纳米管与石墨烯混合修饰比单独作用效果要好，同时石墨烯碳纳米管形成连接工作电极与参比电极的微孔管道，一方面保证芯片贴附与皮肤时皮肤的透气性，另一方面，反应物附着于微孔管道内壁，汗液在微孔管道内流通，汗液内的成分与微孔管道内壁的反应物反应，保证检测的实时性及反应的充分，提高了传感芯片11的灵敏性，所述反应物表面包覆有壳聚糖保护膜，防止反应物泄漏影响实验结果，多个所述传感芯片11通过柔性电路串联并转印在弹性基底12上，使其能够与皮肤共同运动且不受飞行员运动时的干扰，且传感芯片11也具有弹性基底12的力学性能参数，同时能够反复粘贴与人体皮肤，重复使用，所述传感芯片11阵列包括检测有机分子的电流型电化学传感芯片和测量无机分子的电位型电化学传感芯片，所述电流型电化学传感芯片包括葡萄糖传感芯片111和乳酸传感芯片112，所述电位型电化学传感芯片包括钠离子传感芯片113、钾离子传感芯片114、钙离子传感芯片115、氯离子传感芯片116、表皮温度传感芯片117、排汗量传感芯片118和汗液PH值传感芯片119，检测有机分子的反应物为生物酶，检测无机离子的反应物为选择性敏感膜。
参照图3所示，本发明还包括一种上位机50，上位机50包括第二无线收发单元和数据网关，所述第二无线收发单元用于接收第一无线收发单元30的输出信号并汇总，达到收集数据的目的，汇总后的输出信号通过所述数据网关发送至终端服务器60，采用组网的型式分布，每个传感芯片11先将信号通过蓝牙主机传给上位机50，各个上位机50再通过数据网关发送给终端服务器60。星型结构的组网形式，可靠性高，任何一个终端节点出现故障都不会影响整个系统正常工作。
本发明还包括一种终端服务器60，终端服务器60包括智能处理器和中央显示器，所述智能处理器将从上位机50接收到的输出信号与标准值进行对比、分析、存储和报警，实现多个传感芯片信号的集中，所述中央显示器对多个监测设备的信息集中显示，包括实时动态波形、动态趋势、动态信息等显示，并可进行数据导出和数据回放，统一对多个对象进行检测，还包括输入单元，用于输入控制信号并发送给监测设备，实现检测设备的运行、关闭或对飞行员进行刺激。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种飞行员穿戴式生理参数监测设备，其特征在于，包括：
传感器单元，包括多个贴附于皮肤的柔性延展传感芯片，用于检测汗液中各成分信息并转化为电压或电流信号；
信号处理单元，耦接至所述传感芯片，用于对表示汗液成分信息的电压或电流信号处理得到输出信号；
第一无线收发单元，用于无线发送所述输出信号给上位机，及获取终端服务器的控制信号；
电源单元，用于对传感单元、信号处理单元和第一无线收发单元供电。
2.如权利要求1所述的飞行员穿戴式生理参数监测设备，其特征在于，所述传感芯片包括纳米金工作电极、Ag/AgCl参比电极以及连接所述工作电极和参比电极的多层石墨烯碳纳米管微孔管道，反应物附着于所述微孔管道内壁，所述反应物表面包覆有壳聚糖保护膜，多个所述传感芯片通过柔性电路串联并转印在弹性基底上。
3.如权利要求2所述的飞行员穿戴式生理参数监测设备，其特征在于，所述传感芯片阵列包括检测有机分子的电流型电化学传感芯片和测量无机分子的电位型电化学传感芯片，所述电流型电化学传感芯片包括葡萄糖传感芯片和乳酸传感芯片，所述电位型电化学传感芯片包括钠离子传感芯片、钾离子传感芯片、钙离子传感芯片、氯离子传感芯片、表皮温度传感芯片、排汗量传感测量芯片和汗液PH值传感芯片。
4.如权利要求3所述的飞行员穿戴式生理参数监测设备，其特征在于，检测有机分子的反应物为生物酶，检测无机离子的反应物为选择性敏感膜。
5.如权利要求2所述的飞行员穿戴式生理参数监测设备，其特征在于，所述柔性电路采用蛇形结构，所述柔性电路的输出端采用磁吸式输出电极。
6.如权利要求1所述的飞行员穿戴式生理参数监测设备，其特征在于，所述信号处理单元包括电化学模拟前端芯片、温度传感器、滤波放大电路系统和多路复用器，所述电化学模拟前端芯片和温度传感器将采集到的电压或电流信号进行处理得到预处理信号，所述多路复用器和滤波放大电路将预处理信号调理成适合无线传输的输出信号。
7.如权利要求1所述的飞行员穿戴式生理参数监测设备，其特征在于，所述第一无线收发单元为蓝牙主机模块，用于将输出信号发送给与其配对的上位机。
8.一种上位机，其特征在于，包括第二无线收发单元和数据网关，所述第二无线收发单元用于接收第一无线收发单元的输出信号并汇总，汇总后的输出信号通过所述数据网关发送至终端服务器。
9.一种终端服务器，其特征在于，包括智能处理器和中央显示器，所述智能处理器将从上位机接收到的输出信号与标准值进行对比、分析、存储和报警，所述中央显示器对多个监测设备的信息集中显示。
10.如权利要求9所述的终端服务器，其特征在于，还包括输入单元，用于输入控制信号并发送给监测设备。
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