CN111671437A

CN111671437A - 一种可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备

Info

Publication number: CN111671437A
Application number: CN202010705602.2A
Authority: CN
Inventors: 刘蓉; 赵树弥; 黄维扬; 张红阳
Original assignee: Hong Kong Research Institute of Textiles and Apparel Ltd
Current assignee: Hong Kong Research Institute of Textiles and Apparel Ltd
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2020-09-18

Abstract

本发明提供了一种可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备，其中系统包括：微流控芯片、电化学电极、电路采集系统及移动终端系统；微流控芯片与皮肤贴合的一侧设置有汗液收集部，微流控芯片的另一侧设置有汗液集中腔，汗液集中腔与电化学电极接触；电路采集系统将电化学电极检测到的汗液成分的电信号转换成数字信号并发送给移动终端系统，移动终端系统接收并对数字信号进行分析处理后输出汗液检测结果。本发明提供的可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备，操作简单，携带便捷，能对被测者的汗液进行实时收集、检测、分析和输出，从而对人体健康状态信息进行实时监测和及时预警。

Description

一种可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备

技术领域

本发明涉及可穿戴电子设备技术领域，尤其是涉及一种可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备。

背景技术

利用体液来检测身体健康状况是一种常见的人体生物信息分析技术。目前，医院里进行健康指标化验大多采用体液样本(如血液、尿液、唾液、汗液等)。其中，血液分析被认为是健康状态评测的黄金标准。然而，在实际应用中，血液分析不仅对人体具有创伤性，而且长时间现场采样存在一定难度。采样也需在实验室利用专业仪器才能进行定性定量分析，对时间和设备能力要求较高。基于这些限制，汗液成为了新一种无创的、采样便捷的替代方法。

汗液是由汗腺分泌的一种体液，其中包含许多与身体健康指针相关的信息。通过分析汗液里的生化指标，我们可以更好地了解身体的健康状况，如运动强度、体水分含量，肌肉疲劳度等。另外，汗液也能间接反映或预报潜在疾病，如汗液中的盐浓度可能与囊包性纤维症状相关，Na+与身体血压血糖调节有关，而汗液中的pH值水平则可能与皮肤病或者糖尿病有关。相对于血液来说，汗液测试还具有其他优点，如一次抽血只能得到一个时间点的血样数据；而通过汗液在线收集和检测，则可获得一系列随时间变化的动态的生物标志物浓度数据，例如从出汗的发生时间、汗液量，以及汗液里的生化成份等。因此，人体汗液监测已成为近年来“个性化医疗”，特别是体液诊断研究的热点之一。

然而，在传统方法上，如何有效实时监测汗液状态和生化成份一直是汗液分析的难点之一。目前可用纱布对运动前后身体不同部位的汗液进行收集称重分析或进行水合分析，但是这些样品的化学分析需要数小时或数天。现有的可穿戴汗液检测系统通常采用多个传感器采集数据，体积较大，制作成本较高。

因此，急需开发一种可穿戴的、轻巧便捷、能够对汗液进行收集和连续检测的汗液检测系统，来增强对人体健康状态的实时监测和预警。

发明内容

本发明的目的是提供一种可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备，以解决现有汗液检测系统制作成本高、不方便对汗液进行实时收集和连续检测的技术问题。

本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：

一种可穿戴式汗液检测系统，包括：

微流控芯片和电化学电极，所述微流控芯片与皮肤贴合的一侧设置有汗液收集部，所述微流控芯片的另一侧设置有汗液集中腔，所述汗液集中腔与所述电化学电极接触；

与所述电化学电极相连的电路采集系统，所述电路采集系统将所述电化学电极检测到的汗液成分的电信号转换成数字信号；

与电路采集系统相连的移动终端系统，所述电路采集系统将所述数字信号发送给移动终端系统，所述移动终端系统接收所述数字信号，对所述数字信号进行分析处理后输出汗液检测结果。

可选地，所述汗液收集部包括：微孔、微通道；所述微孔贯穿所述微流控芯片与皮肤贴合的一侧，所述微通道设置在所述微流控芯片的内部，所述微通道将所述微孔与所述汗液集中腔相连。

可选地，还包括折型槽，所述折型槽与所述汗液集中腔相连，所述折型槽用于排出所述汗液集中腔的汗液。

可选地，所述汗液集中腔有N个，所述电化学电极包括N个检测电极，所述汗液集中腔的中心与所述检测电极的中心对应，N为自然数。

可选地，所述检测电极用于检测钠离子、pH值、钾离子、镁离子和钙离子中的一个或多个。

可选地，所述检测电极为钠离子电极和pH电极，分别用于检测汗液中钠离子含量和pH值。

可选地，所述微孔的直径为0.1-1.5mm。

可选地，所述汗液集中腔的腔体深度为0.4-1mm。

可选地，所述检测电极远离汗液集中腔的一端与所述电路采集系统的一端连接。

可选地，所述电路采集系统包括：采集电路、蓝牙模块；所述采集电路接收所述检测电极检测到的汗液成分的电信号并转换成数字信号；所述蓝牙模块将所述数字信号发送给所述移动终端系统。

本发明还提供了一种可穿戴式汗液检测方法，应用在所述可穿戴式汗液检测系统，其特征在于，包括：

利用汗液收集部收集皮肤表面的汗液；

利用电化学电极检测得到汗液中汗液成分的电信号；

利用电路采集系统将所述电信号转换为数字信号并发送给移动终端系统；

所述移动终端系统接收所述数字信号，对所述数字信号进行分析处理后输出汗液检测结果。

本发明还提供了一种用于汗液检测的可穿戴装备，所述可穿戴装备集成了所述可穿戴式汗液检测系统，应用了所述可穿戴式汗液检测方法。

本发明提供了一种可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备，其中系统包括：微流控芯片和电化学电极，所述微流控芯片与皮肤贴合的一侧设置有汗液收集部，所述微流控芯片的另一侧设置有汗液集中腔，所述汗液集中腔与所述电化学电极接触；与所述电化学电极相连的电路采集系统，所述电路采集系统将所述电化学电极检测到的汗液成分的电信号转换成数字信号；与电路采集系统相连的移动终端系统，所述电路采集系统将所述数字信号发送给移动终端系统，所述移动终端系统接收所述数字信号，对所述数字信号进行分析处理后输出汗液检测结果。

本发明的技术方案具有如下有益效果：

(1)本发明提供的可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备，能够单独使用，也能灵活地被嵌入在织物、服装或可穿戴配件上，操作简单，携带便捷，能对身体各个部位的汗液进行实时收集和连续检测，能对皮肤汗液中的钠离子、钾离子、钙离子、pH值等汗液成分进行实时监测、分析和预警。

(2)本发明提供的可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备，能够与蓝牙设备连接，实时显示目前汗液标记物的成分情况，从而对被测者的健康状态信息进行及时了解、分析或预警，克服了现有传统方法对汗液收集分析的耗时性、不连续性、结果输出的延时性等问题。

附图说明

图1为本发明一种可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备的检测系统结构示意图；

图2为本发明一种可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备的微流控芯片和电化学电极的结构示意图；

图3为本发明一种可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备的方法示意图；

图4为本发明一种可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备的移动终端系统示意图；

图5为本发明一种可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备的可穿戴装备示意图。

图中，1 微流控芯片，2 电化学电极，3 电路采集系统，4 移动终端系统，11 微孔，12 微通道，13 汗液集中腔，14 折型槽，21 电极有效面积区，22 检测电极，23 电极接线头，31 导线，32 采集电路，33 电源，34 蓝牙模块，41 智能手机，42 监测软件。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备，以解决现有汗液检测系统制作成本高、不方便对汗液进行实时收集和连续检测的技术问题。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供的一种可穿戴式汗液检测系统，包括：

微流控芯片1和电化学电极2，所述微流控芯片1与皮肤贴合的一侧设置有汗液收集部，所述微流控芯片1的另一侧设置有汗液集中腔13，所述汗液集中腔13与所述电化学电极2接触；

与所述电化学电极2相连的电路采集系统3，所述电路采集系统3将所述电化学电极2检测到的汗液成分的电信号转换成数字信号；

与电路采集系统3相连的移动终端系统4，所述电路采集系统3将所述数字信号发送给移动终端系统4，所述移动终端系统4接收所述数字信号，对所述数字信号进行分析处理后输出汗液检测结果。

本实施例中，微流控芯片1的外表面与皮肤直接接触，收集皮肤表面汗液。微流控芯片1与皮肤贴合的一侧设置有汗液收集部，汗液收集部包括微孔11、微通道12；在微流控芯片1的外表面设置有多个微孔11，微孔11贯穿微流控芯片1与皮肤贴合的一侧；在微流控芯片1的内部设置有多条微通道12，微通道12将微孔11与汗液集中腔13相连。汗液通过微孔11和微通道12，在毛细管作用力下，流入汗液集中腔13。

本实施例中，汗液集中腔13的数量可以为1个或多个，电化学电极2包括1个或多个检测电极22，每个检测电极22分别用于检测一种汗液成分，汗液集中腔13的中心与检测电极22的中心对应，检测电极22能感应出汗液成分对应的电信号。例如，利用汗液集中腔13内的钠离子电极可感应出汗液中钠离子(Na+)浓度的变化并产生相应的电信号，利用pH电极可感应出汗液中pH值的变化并产生相应的电信号，通过钠离子电极和pH电极对汗液进行检测可分别得到钠离子和H+值对应的电信号。

本实施例中，微流控芯片13的微孔11、微通道12及汗液集中腔13可以模块化的方式向两边扩展，汗液集中腔13的中心分别与相应的检测电极22中心对应，可以模块化的方式向两边扩展，可以对其他离子(如钾离子、钙离子、镁离子等汗液成分)进行检测。

本实施例中还可以包括折型槽14，汗液集中腔13引出流向微流控芯片1中心的折型槽14，折型槽14与汗液集中腔13相连，折型槽用于排出汗液集中腔13的汗液。

本实施例中，检测电极22远离汗液集中腔13的一端与所述电路采集系统3的一端连接。具体的，检测电极22的一端位于汗液集中腔13的内部，另一端引出电极接线头23与电路采集系统3的导线31相连，通过电极接线头23、导线31将检测电极22与电路采集系统3连接。

本实施例中，电路采集系统3包括：导线31、采集电路32、电源33和蓝牙模块34；导线31和检测电极22的电极接线头23相连，利用电极接线头23、导线31将检测电极22和电路采集系统3连接，检测电极22将感应出的汗液成分对应的电信号通过电极接线头23、导线31发送给电路采集系统3，电路采集系统3中的采集电路32将电信号转换成数字信号，蓝牙模块34将数字信号发送给移动终端系统4。

请参阅图4，本实施例中，移动终端系统4由智能手机41，能监测汗液中钠离子、pH值等汗液成分的监测软件42组成；所述监测软件42在智能手机41(如安卓系统)上运行，通过蓝牙通信与电路采集系统3的蓝牙模块34相连。所述移动终端软件系统接收数据后，再次处理分析，并以数据或图表等可视化形式输出，用户可实时读取数据和趋势图，以对自身健康状态及时了解或采取适时的调整和防范。监测软件42由多个软件接口组成，如开机接口，数据图表显示接口等，并且能够记录监测数据，下载数据。

本发明实施例的原理为：基于能斯特方程，利用电化学的方式能够测试汗液离子状况。电化学电极2经过离子敏感膜修饰后，使其仅对监测目标离子敏感；然后，通过电化学电势监测装置，将离子浓度变化信息转化为电压信号，并经过使用前与标准溶液进行标定，可测试汗液中所监测离子(例如Na+)的浓度信息。

本发明实施例提供的可穿戴式汗液检测系统，能够单独使用，也能灵活地被嵌入在织物、服装或可穿戴配件上，操作简单，携带便捷，能对身体各个部位的汗液进行实时收集和连续检测，能对皮肤汗液中的钠离子、钾离子、钙离子、pH值等汗液成分进行实时收集、检测、分析和输出，从而对人体健康状态信息进行实时监测和及时预警。

在一个较优的实施例中，在微流控芯片1的外表面设有六个用来收集汗液的微孔11，微孔11由中心向外，以左右各三个的对称方式分布，微孔11贯穿微流控芯片1与皮肤贴合的一侧，微孔11与设置在微流控芯片1内部的微通道12相连；微流控芯片1内布设两个左右对称的汗液集中腔13，汗液通过微孔11和微通道12流入汗液集中腔13。

钠离子(Na+)电极和pH电极嵌入在电化学电极2的内表面，汗液集中腔13的中心分别与钠离子电极和pH电极中心对应。钠离子电极和pH电极的一端在汗液集中腔13的内部，另一端分别引出电极接线头23与与电路采集系统3的导线31相连，通过电极接线头23、导线31将钠离子电极、pH电极与电路采集系统3连接。汗液集中腔13内的钠离子电极、pH电极可感应出汗液中钠离子(Na+)浓度和pH值的变化，产生出相应的电信号。钠离子和pH值对应的电信号经过采集电路32处理后，将电信号转化成数字信号，再将数字信号通过电路采集系统3的蓝牙模块34传给移动终端系统4。移动终端系统4接收数据后，再次处理分析，并以数据或图表形式输出。

值得说明的是，钠离子电极和pH电极是对电化学电极2分别进行Na+和H+敏感性膜修饰形成的，分别只对Na+和H+进行识别(即利用钠离子电极识别钠离子，利用pH电极识别H+值)。对电化学电极2进行其他离子(如钾离子、钙离子)敏感性膜修饰后，可使用本芯片对其他离子(如钾离子、钙离子)进行检测。

具体的，微流控芯片1体积为36×20×2mm³，微孔11的直径为0.1-1.5mm，例如微孔11的直径为1mm，汗液集中腔13的几何尺寸与检测电极22有效面积区21的几何尺寸一致，汗液集中腔13的几何尺寸中心与电化学检测电极有效面积区21的几何尺寸中心相对应，并粘合或压合一体。汗液集中腔13的腔体深度为0.4-1mm，例如腔体深度为0.5mm。

具体的，电化学电极2(钠离子电极和pH电极)的体积为36×20×2mm³，检测电极22的有效面积区21为直径5-10mm的圆，检测电极22为传统的三电极结构，包括工作电极，参考电极，对电极，将三个电极均制备在同一个直径为5-10mm的平面圆内，且电极的外表面裸露。

请参阅图4，具体的，移动终端系统4由智能手机41，能监测汗液中钠离子、pH值等汗液成分的监测软件42组成；监测软件42在智能手机41(如安卓系统)上运行，通过蓝牙通信与电路采集系统3的蓝牙模块34相连。移动终端系统4接收数据后，再次处理分析，并以数据或图表形式输出。

请参阅图3，以下为一种可穿戴式汗液检测方法的一个实施例，应用在所述可穿戴式汗液检测系统上，包括：

利用汗液收集部收集皮肤表面的汗液；

利用电化学电极2检测得到汗液中汗液成分的电信号；

利用电路采集系统3将所述电信号转换为数字信号并发送给移动终端系统4；

具体的，将可穿戴式汗液检测系统单独使用，或将可穿戴式汗液检测系统集成到织物、服装(如紧体服)或其他可穿戴配件(如手环)上。微流控芯片1的外表面与皮肤直接接触，能够实时收集皮肤表面的汗液。汗液通过汗液收集微孔11和微通道12，在毛细管作用力下，流入汗液集中腔13。汗液集中腔13内的电化学电极2可感应出汗液中汗液成分(如钠离子(Na+)和pH值)的变化，产生相应的电信号。汗液成分对应的电信号信号经过采集电路32处理后转换成数字信号，再通过电路采集系统3的蓝牙模块34将数字信号传送给移动终端系统4。

请参阅图5，以下为本发明一种用于汗液检测的可穿戴装备的实施例，本实施例集成了本发明实施例所提供的可穿戴式汗液检测系统，应用了本发明实施例所提供的可穿戴式汗液检测方法。

具体的，所述汗液集中腔13的几何尺寸中心与电化学检测电极22有效面积区21的几何尺寸中心相对应，并粘合或压合一体。微流控芯片1和电化学电极2(Na+电极和pH电极)由模具通过注塑法生成，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS，Sylgard 184，Dow-Corning)材料固化，再通过等离子体处理表面实现永久性粘合。同时，在所应用的织物或服装材料上也涂上PDMS材料，经固化后，生成织物基底。电化学电极2(Na+电极和pH电极)芯片外表面与织物基底通过等离子处理键合在一起，如图5所示。

本发明实施例提供的可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备，操作简单，携带便捷，能对被测者身体各个部位的汗液进行实时收集和连续检测，能对皮肤汗液中的钠离子、钾离子、钙离子、pH值等汗液成分进行实时检测、分析和输出，从而对人体健康状态信息进行实时监测和及时预警。

本发明实施例提供的可穿戴式汗液检测系统、方法及可穿戴装备，克服了现有传统方法对汗液收集分析的耗时性、不连续性、结果输出的延时性等问题；能够与蓝牙设备连接，实时显示目前汗液标记物的成分情况，从而对被测者的健康状态信息进行及时了解、分析或预警。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种可穿戴式汗液检测系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液检测系统，其特征在于，所述汗液收集部包括：微孔、微通道；所述微孔贯穿所述微流控芯片与皮肤贴合的一侧，所述微通道设置在所述微流控芯片的内部，所述微通道将所述微孔与所述汗液集中腔相连。

3.根据权利要求2所述的可穿戴式汗液检测系统，其特征在于，还包括折型槽，所述折型槽与所述汗液集中腔相连，所述折型槽用于排出所述汗液集中腔的汗液。

4.根据权利要求2或3所述的可穿戴式汗液检测系统，其特征在于，所述汗液集中腔有N个，所述电化学电极包括N个检测电极，所述汗液集中腔的中心与所述检测电极的中心对应，N为自然数。

5.根据权利要求4所述的可穿戴式汗液检测系统，其特征在于，所述检测电极用于检测钠离子、pH值、钾离子、镁离子和钙离子中的一个或多个。

6.根据权利要求5所述的可穿戴式汗液检测系统，其特征在于，所述检测电极为钠离子电极和pH电极，分别用于检测汗液中钠离子含量和pH值。

7.根据权利要求6所述的可穿戴式汗液检测系统，其特征在于，所述微孔的直径为0.1-1.5mm。

8.根据权利要求7所述的可穿戴式汗液检测系统，其特征在于，所述汗液集中腔的腔体深度为0.4-1mm。

9.根据权利要求8所述的可穿戴式汗液检测系统，其特征在于，所述检测电极远离汗液集中腔的一端与所述电路采集系统的一端连接。

10.根据权利要求9所述的可穿戴式汗液检测系统，其特征在于，所述电路采集系统包括：采集电路、蓝牙模块；所述采集电路接收所述检测电极检测到的汗液成分的电信号并转换成数字信号；所述蓝牙模块将所述数字信号发送给所述移动终端系统。

11.一种可穿戴式汗液检测方法，应用在如权利要求1-10任意一项所述的可穿戴式汗液检测系统上，其特征在于，包括：

利用汗液收集部收集皮肤表面的汗液；

利用电化学电极检测得到汗液中汗液成分的电信号；

12.一种用于汗液检测的可穿戴装备，其特征在于，所述可穿戴装备集成了如权利要求1-10任意一项所述的可穿戴式汗液检测系统，应用了如权利要求11所述的可穿戴式汗液检测方法。