CN110403581A - 一种柔性脉搏传感器及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性脉搏传感器及其检测方法，该传感器包括自下而上依次叠设的柔性导电基底、柔性敏感层和传感层，所述柔性敏感层包括间隔并排设置的用于取脉的三指电极，所述三指电极分别对应于中医中寸、关、尺三个取脉位置。本发明柔性脉搏传感器通过设置三指电极模拟中医脉诊中寸、关、尺三个取脉位置来采集人体手腕部桡动脉处脉搏信号并通过对桡动脉处脉搏信号的分析来判断人体生理健康，提高了中医脉诊的客观性；通过对桡动脉寸、关、尺三个部位同时取脉，大大提高了人体脉搏信号的检测灵敏度。且该传感器结构简单、质感轻便、不易脱落、且制作成本低，操作简单、检测结果稳定可靠。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种柔性脉搏传感器及其检测方法。
背景技术
脉象，即人体动脉跳动节律快慢、大小、强弱、浮沉、虚实等象征，人体脉象因蕴涵了丰富的健康状况信息而被中医视为生命的语言，因而越来越受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的波形、波幅、波速和周期等综合信息在很大程度上反映出人体心血管系统中许多血流特征。
目前国内外用于监测生理信号的可穿戴医疗织物也有一些报道，诸如美国VivoMetrics公司开发的“生命衫”，可以反映穿戴者的呼吸情况和记录人体的体位变化，但它穿戴性不好、操作复杂、不适合在日常生活和工作中使用；意大利MiliorofPrado公司将纤维或纱线形式的智能传感器与织物技术等结合起来监测呼吸、体温，但价格高且在日常生活中穿戴的舒服性不好，影响其实用性；德国FraunhoferIZM开发的具有传感功能的T恤衫可以实现对穿着者心电生理参数的检测，但长期与皮肤接触会引起皮肤溃烂。现有技术中其他用于脉搏检测的仪器同样存在操作复杂、成本高、携带不便、不能满足日常监测需求、且生物相容性差、穿戴不舒服等问题。
人体动脉血管随心脏的收缩与扩张而出现周期性搏动的现象，由于脉搏波从心脏出发，经过动脉反射与各级生理因素如血管阻力、液黏性等影响，因此脉搏信号里包含了多种人体健康参数，如血压心跳等，通过脉诊能够反映丰富的心血管系统生理病理信息。最初医生选用遍诊法，将头、手、足三部分的有关动脉全部诊察，该诊察法耗时较长。张仲景提出三部诊法，通过诊人迎、寸口、趺阳三脉。其中，寸口位于手太阴肺经原穴所在之处，为脉之大会，而“肺朝百脉”，五脏六腑十二经气血的运行都始于肺而止于肺，因此，寸口脉能够反映五脏六腑十二经气血的病变。另一方面，手太阴肺经起于中焦，与脾同属太阴，与脾气相通，而脾为后天之本、气血生化之源，所以脏腑气血的盛衰都可以反映于寸口。因此，寸口脉诊相对于其他诊法具有更精准的诊治效果。
然而，数千年来中医寸口脉诊经验的传承大多都是通过医生口述或者定性的记录，很少有定量的表述或者分类，脉象信息的获取也往往是医生通过手指去按压患者桡动脉处，以获取病人的脉象信息，进而判断其病情。这就给病人脉象信息的确定、传递、存储带来了诸多不便，因为不同的医生对同一病人脉象的看法会有所不同甚至相差很大，而且这些看法只是凭借个人的经验得出，主观性强，难以有定量化的数据支持。此外，这种感知的信息无法客观的表述出来。现代医学越来越重视定量化、客观化的研究，仅凭医生个人切脉进行诊断的中医脉诊很难为西方医学所认可，更无法将中医脉诊推向国际化的高度。因此如何在中医脉诊讲究“整体概念”、“辨证论治”的基础上，结合现代科技的各项新技术，使中医脉诊技术更加客观化、定量化，是中医脉诊研究任重而道远的艰巨任务。
研究发现，现有中医脉搏检测系统机械结构以腕带式结构为主，该种结构在高于某一压力值下会导致脉搏波动的阻断，无法真实还原“浮中沉”的中医脉诊思想。另外，现有商品多以单点脉搏波传感器为主，其单点结构无法反应中医“寸关尺”的理论观点，且需要使用者测量时保持稳定、平静的状态，对使用环境有很大的要求，从而限制了其应用普及。其次，目前市场上现有的中医脉诊仪，大多体积庞大，价格昂贵，需结合医生的专业知识判断病与非病的界限，只适合在大型医院中使用，而无法推广到普通人群中，无法满足市场需求。因此，亟需开发一款大众化、科学化和便捷化的脉搏监测工具显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种柔性脉搏传感器及其检测方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种柔性脉搏传感器，包括自下而上依次叠设的柔性导电基底、柔性敏感层和传感层，所述柔性敏感层包括间隔并排设置的用于取脉的三指电极，所述三指电极分别对应于中医中寸、关、尺三个取脉位置。
优选的，所述柔性敏感层分上、下两层，上层为柔性导电层，下层为柔性绝缘层，上层和下层粘接在一起；所述绝缘层贴设于所述柔性导电基底上，所述传感层覆盖贴设于所述柔性导电层上部。
优选的，所述柔性敏感层上设有若干个孔，所述孔位于所述三指电极与所述柔性导电基底的接触面上，所述传感层通过所述柔性敏感层上布设的若干个孔将所述柔性导电基底与所述柔性敏感层导通。
当人的食指、中指、无名指通过按压柔性基底电极分别作用于三指电极时，所述传感层与所述柔性敏感层的导电层紧贴，同时所述传感层与所述柔性基底通过若干孔紧贴，此时所述传感层作为导线将所述柔性基底与所述柔性敏感层导通；所述传感层在手指按压及脉搏跳动的作用力下会产生形变，同时其阻抗会发生变化，从而通过测量传感器的电流-时间曲线即可得到人体脉搏信号。
优选的，若干个所述孔的形状相同且等距离设置。
本发明中，若干所述孔均为通孔，非工作状态下，若干所述孔使所述柔性导电基底与所述柔性敏感层处于不导通状态；当用于脉搏测试时，通过按压传感层，所述柔性敏感层上布设的若干个孔将作为导线使所述柔性导电基底与所述柔性敏感层导通。
优选的，若干个所述孔的孔径为0.1mm～30mm。
优选的，所述柔性导电基底、三指电极的边缘分别向外延伸形成第一电极、第二电极。
脉搏测试时，将所述第一电极作为对电极，三根所述第二电极一起作为工作电极与电化学工作站连接进行电流-时间曲线扫描，通过电流-时间曲线的频率可推算出人体脉搏频率、并通过电流峰强度推断人体脉搏强弱。
优选的，所述柔性导电基底与所述三指电极呈宽度阶梯式递增的形状。一方面方便测试时与电化学工作站相连，同时可节省布料并避免所述柔性导电基底与三指电极在非工作状态下导通而降低柔性脉搏传感器的使用寿命。
优选的，所述柔性导电基底、柔性导电层为镀纳米银丝的纤维布。
优选的，所述传感层为导电纤维布、导电橡胶或导电海绵中的一种。
优选的，所述柔性绝缘层为聚乙烯醇、聚酯、尼龙、丙烯酸酯、环氧及聚氨酯中的至少一个组分组成的聚合物膜。
本发明中，所述柔性导电基底、柔性导电层、柔性绝缘层的厚度为0.05～10mm，其具有良好的延展性、抗摩擦、耐蚀性及耐候性能，且成本较低，易于推广普及、具有较高的市场应用前景。
优选的，所述柔性脉搏传感器的面积为6-8平方厘米，所述柔性传感器的形状为方形、圆形或者椭圆形。
本发明还提供所述的一种柔性脉搏传感器的脉搏测试方法，包括如下步骤：将所述脉搏传感器的第一电极、第二电极分别连接在电化学工作站的对电极、工作电极上，将传感层贴放在人体手腕处，再将食指、中指、无名指分别按压在三指电极上，对传感器施加0.5V的电压，测试传感器的时间-电流曲线。
本发明所述柔性脉搏传感器为压阻式传感器，当所述传感层受到恒定压力作用时，会产生稳定电流；当人体脉搏跳动时会对传感层产生一定的作用力从而导致传感器的阻值发生变化，进而引起电流-时间曲线发生变化。根据电流-曲线的频率、峰强、相位以及三指电极的相位差来检测人体脉搏信号，从而间接反映人体脉率情况。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明柔性脉搏传感器通过设置三指电极模拟中医脉诊中寸、关、尺三个取脉位置来采集人体手腕部桡动脉处脉搏信号并通过对桡动脉处脉搏信号的分析来判断人体生理健康，提高了中医脉诊的客观性；通过对桡动脉寸、关、尺三个部位同时取脉，大大提高了人体脉搏信号的检测灵敏度。
(2)本发明将导电布技术应用到柔性压力传感器技术中，使柔性压力传感器结构简单、质感轻便、不易脱落、且体积较小，制作成本低，操作简单、且检测结果稳定可靠。
(3)本发明将柔性导电基底与三指电极分别作为对电极、工作电极与电化学工作站进行连接，通过人体食指、中指、无名指作用于柔性导电基底上部分别对应于三指电极寸、关、尺三个取脉位置，三指电极能够快速准确定位取脉点，通过测试柔性传感器的电流-时间曲线实现人体脉搏信号的快速检测，具有检测快速、准确的优点。
(4)本发明柔性脉搏传感器不仅可用于人体脉搏信号的快速检测，为人体急病的诊断、治疗及预防提供指导信息，同时也可应用于柔性可穿戴设备，实现人体生命体征的实时监测。
(5)本发明所述柔性导电基底、柔性导电层、柔性绝缘层具有良好的延展性、抗摩擦、耐蚀性及耐候性能，且成本较低，易于推广普及、具有较高的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明柔性脉搏传感器的结构示意图。
图2为图1的爆炸示意图。
图3为图1的A-A面剖视图。
图4为三指电极中对应于中医中寸取脉处电极测得的电流-时间曲线结果。
图5为三指电极中对应于中医中关脉处电极测得的电流-时间曲线结果。
图6为三指电极中对应于中医中尺取脉处电极测得的电流-时间曲线结果。
图中：1、柔性导电基底；101、第一电极；2、柔性敏感层；201、柔性导电层；202、柔性绝缘层；203、孔；204、第二电极；3、传感层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例
如图1～3所示，一种柔性脉搏传感器，包括自下而上依次叠设的柔性导电基底1、柔性敏感层2和传感层3，所述柔性敏感层2包括间隔并排设置的用于取脉的三指电极，所述三指电极分别对应于中医中寸、关、尺三个取脉位置。
具体的，所述柔性敏感层2分上、下两层，上层为柔性导电层201，下层为柔性绝缘层202，上层和下层粘接在一起；所述绝缘层贴设于所述柔性导电基底1上，所述传感层3覆盖贴设于所述柔性导电层201上部。
具体的，所述柔性敏感层2上设有若干个孔203，所述孔203位于所述三指电极与所述柔性导电基底1的接触面上，所述传感层3通过所述柔性敏感层2上布设的若干个孔203将所述柔性导电基底1与所述柔性敏感层2导通。
使用时，当人的食指、中指、无名指通过按压柔性基底电极分别作用于三指电极时，所述传感层3与所述柔性敏感层2的导电层紧贴，同时所述传感层3与所述柔性基底通过若干孔203紧贴，此时所述传感层3作为导线将所述柔性基底与所述柔性敏感层2导通；所述传感层3在手指按压及脉搏跳动的作用力下会产生形变，同时其阻抗会发生变化，从而通过测量传感器的电流-时间曲线即可得到人体脉搏信号。
具体的，若干个所述孔203的形状相同且等距离设置，且若干个所述孔203的孔径为0.1mm～30mm，厚度为0.05～10mm。
进一步的，若干个所述孔203均为通孔，非工作状态下，若干所述孔203使所述柔性导电基底1与所述柔性敏感层2处于不导通状态；当用于脉搏测试时，通过按压传感层3，所述柔性敏感层2上布设的若干个孔203将作为导线使所述柔性导电基底1与所述柔性敏感层2导通。
具体的，所述柔性导电基底1、三指电极的边缘分别向外延伸形成第一电极101、第二电极204。
脉搏测试时，将所述第一电极101作为对电极，三根所述第二电极204一起作为工作电极与电化学工作站连接进行电流-时间曲线扫描，通过电流-时间曲线的频率可推算出人体脉搏频率、并通过电流峰强度推断人体脉搏强弱。
具体的，所述柔性导电基底1与所述三指电极呈宽度阶梯式递增的形状。一方面方便测试时与电化学工作站相连，同时可节省布料并避免所述柔性导电基底1与三指电极在非工作状态下导通而降低柔性脉搏传感器的使用寿命。
具体的，所述柔性导电基底1、柔性导电层201为镀纳米银丝的纤维布。
具体的，所述传感层3为导电纤维布、导电橡胶或导电海绵中的一种；优选为导电纤维布。
具体的，所述柔性绝缘层202为聚乙烯醇、聚酯、尼龙、丙烯酸酯、环氧及聚氨酯中的至少一个组分组成的聚合物膜。
其中，所述柔性导电基底1、柔性导电层201、柔性绝缘层202的厚度为0.05～10mm。
具体的，所述柔性脉搏传感器的面积为6-8平方厘米，所述柔性传感器的形状为方形、圆形或者椭圆形。
所述的一种柔性脉搏传感器的脉搏测试方法，包括如下步骤：将所述脉搏传感器的第一电极101、第二电极204分别连接在电化学工作站的对电极、工作电极上，将传感层3贴放在人体手腕处，再将食指、中指、无名指通过按压柔性导电基底1分别作用于三指电极的寸、关、尺取脉位置处，对传感器施加0.5V的电压，测试传感器的时间-电流曲线。
图4～6分别为三指电极寸、关、尺取脉处测得的电流-时间曲线结果，从图中可以看出，一个脉搏周期为0.8-0.9s，即脉搏频率为67-75次/min，说明测试者脉搏处于正常水平。
同时电流-时间曲线中电流峰值的高低代表测试者脉搏峰的强弱，表明心脏泵血功能。如果脉搏减弱则电流振幅低，则说明测试者心搏量少、脉压小或外周阻力增高所致。此时，测试者可能处于弱脉或者休克状况。
从图4～6结果可以观察到，每个脉搏周期曲线上，均出现了3个突出部分这分别对应于正常脉波的升支(叩击波)、波峰(潮波)和降支(重搏波)三部分。三个脉波的强弱表示测试者心脏泵血的强度。如升支发生在左室收缩早期，由左室射血冲击主动脉壁所致；波峰又称潮波，出现在收缩中、晚期，系血液向动脉远端运行的同时，部分逆返冲击动脉壁引起；降支发生于心室舒张期血液由外周向近端折回后又向前，以及主动脉壁弹性回缩，使血流持续流向外周动脉所致。
同时分析图4～6结果可知，三指电极寸、关、尺三个取脉处电流-时间曲线中的相位差基本一致，且相位差较小，表明该测试者身体内血液流畅度较好。血液流畅度与人体心血管急病的预测有关，且相位差越小表明血液流动越通畅，心血管功能越健全。
以上所述，仅为本发明的说明实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，做出的若干改进和补充也应视为本发明的保护范围；凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明精神和范围的情况下，利用以上所揭示的技术内容做出的些许更改、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所做的任何等同变化的更改、修饰与演变，均仍属于本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种柔性脉搏传感器，其特征在于，包括自下而上依次叠设的柔性导电基底(1)、柔性敏感层(2)和传感层(3)，所述柔性敏感层(2)包括间隔并排设置的用于取脉的三指电极，所述三指电极分别对应于中医中寸、关、尺三个取脉位置。
2.根据权利要求1所述的一种柔性脉搏传感器，其特征在于，所述柔性敏感层(2)分上、下两层，上层为柔性导电层(201)，下层为柔性绝缘层(202)，上层和下层粘接在一起；所述绝缘层贴设于所述柔性导电基底(1)上，所述传感层(3)覆盖贴设于所述柔性导电层(201)上部。
3.根据权利要求2所述的一种柔性脉搏传感器，其特征在于，所述柔性敏感层(2)上设有若干个孔(203)，所述孔(203)位于所述三指电极与所述柔性导电基底(1)的接触面上，所述传感层(3)通过所述柔性敏感层(2)上布设的若干个孔(203)将所述柔性导电基底(1)与所述柔性敏感层(2)导通。
4.根据权利要求3所述的一种柔性脉搏传感器，其特征在于，若干个所述孔(203)的形状相同且等距离设置。
5.根据权利要求4所述的一种柔性脉搏传感器，其特征在于，若干个所述孔(203)的孔径为0.1mm～30mm。
6.根据权利要求1所述的一种柔性脉搏传感器，其特征在于，所述柔性导电基底(1)、三指电极的边缘分别向外延伸形成第一电极(101)、第二电极(204)。
7.根据权利要求6所述的一种柔性脉搏传感器，其特征在于，所述柔性导电基底(1)与所述三指电极呈宽度阶梯式递增的形状。
8.根据权利要求1或2所述的一种柔性脉搏传感器，其特征在于，所述柔性导电基底(1)、柔性导电层(201)为镀纳米银丝的纤维布。
9.根据权利要求1或2所述的一种柔性脉搏传感器，其特征在于，所述传感层(3)为导电纤维布、导电橡胶或导电海绵中的一种。
10.根据权利要求1或2所述的一种柔性脉搏传感器，其特征在于，所述柔性绝缘层(202)为聚乙烯醇、聚酯、尼龙、丙烯酸酯、环氧及聚氨酯中的至少一个组分组成的聚合物膜。
11.根据权利要求1所述的一种柔性脉搏传感器，其特征在于，所述柔性脉搏传感器的面积为6-8平方厘米，所述柔性传感器的形状为方形、圆形或者椭圆形。
12.根据权利要求1所述的一种柔性脉搏传感器的脉搏测试方法，其特征在于，包括如下步骤：将所述脉搏传感器的第一电极(101)、第二电极(204)分别连接在电化学工作站的对电极、工作电极上，将传感层(3)贴放在人体手腕处，再将食指、中指、无名指分别按压在三指电极上，测试传感器的时间-电流曲线。
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