CN111938664A - 一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能设备技术领域，具体涉及一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，包括装置本体以及弹性腕带，其中装置本体上表面设置有显示模块、下表面向内开设有容纳腔，容纳腔内部设置的微流控芯片用于持续实时采集皮肤表面汗液进行分批次存储，并根据汗液中葡萄糖含量进行映射显色；设置的数据采集判断模块用于实时采集所述微流控芯片的显色图像，并对图像进行处理后与基准色进行比对，得出血糖值结果并送入所述显示模块进行显示输出；本发明解决了微量汗液样本采集困难与获取汗液样本后不易保存的问题，能够实现人体血糖数据的实时化、无创化采集和检测，操作简便，环境适应性强，具有较高的应用价值。

Description

一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置

技术领域

本发明涉及智能设备技术领域，具体涉及一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置。

背景技术

糖尿病患者中大多为65岁和65岁以上老龄化人群，现有血糖健康诊察设备对血糖诊察的手段分为两种类型，一类是通过对患者血液样本采集检测的创伤型或者微创型血糖诊察设备，均是直接对血液中葡萄糖成分进行测量，得到血糖值信息，另一类是通过近红外线照射人体端末组织无创的方式间接测得血液中葡萄糖值。对血液直接测量的有创或者微创血糖诊察方式均会对患者产生创伤，且多次连续采集血糖值会给患者带来身体或者行动上的不适，也会带来不同程度的创伤型感染。对指尖或者耳垂进行近红外光谱照射的方式对诊察环境条件要求相对苛刻，且为了测量准确度需要配合创伤型检测方式进行标定。

与此对应的现有血糖健康诊察设备也可以分为两类，一类为医疗机构中常用的大型诊察设备，一类为个人用户使用的便携式诊察设备，其中大型和个人用户诊察设备据均需要对每次诊察进行人工操作，且每次操作后只能获取当次测量的结果，如需不同时间点血糖数据需要进行诊察设备的多次操作。

特别是伴随着人口结构的老龄化进程快速发展以及人们对美好生活的需要，老年人对美好生活的需要已经不仅仅满足于传统的生活方式，因此开始追求更加舒适化、健康化、智慧化，智慧健康服务中的辅助血糖健康诊察设备的研发变得尤为重要。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，用以解决每次血糖值诊察均需要进行人工操作以及对患者产生创伤的问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明提供了一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，包括：

装置本体以及两端分别与所述装置本体相连接的弹性腕带；

所述装置本体上表面设置有显示模块、下表面向内开设有容纳腔，所述容纳腔内部从下往上依次匹配设置有微流控芯片和数据采集判断模块，所述微流控芯片与所述容纳腔紧密配合；

所述微流控芯片用于持续实时采集皮肤表面汗液进行分批次存储，并根据汗液中葡萄糖含量进行映射显色；

所述数据采集判断模块用于实时采集所述微流控芯片的显色图像，并对图像进行处理后与基准色进行比对，得出血糖值结果并送入所述显示模块进行显示输出。

优选地，所述微流控芯片为片状式结构并采用透明材料制备而成，其外侧面设置有汗液吸取点，所述微流控芯片内部按照深度大小依次设置有若干汗液存储点，所述存储点分别通过汗液流通通道与所述汗液吸取点连通，所述存储点顶部还连接有排气通道。

优选地，所述存储点内表面采用葡萄糖敏感显色材料制备而成。

优选地，所述葡萄糖敏感显色材料为高分子凝胶柔性薄膜材料。

优选地，所述装置本体采用柔性材料制备而成，所述微流控芯片可拆卸连接与所述容纳腔开口处，所述数据采集判断模块固定设置于所述容纳腔内部并位于所述微流控芯片正上方。

优选地，所述数据采集判断模块包括拍照单元、荧光源单元和控制处理器，所述拍照单元根据控制处理器发出的指令，在荧光源单元提供荧光照射下，对微流控芯片显色后的图像进行拍摄并送入处理器，所述控制处理器根据图像不同色差效果与色差基准参考点进行对比，最终判断出用户汗液中葡萄糖浓度度。

优选地，所述微流控芯片内侧面还设置有若干显色对比基准点，用于图片显示对比时作为参考基准点。

优选地，所述腕带内表面还设置有与所述控制处理器通信连接的人身健康数据传感器，所述人身健康数据传感器包括心率传感器、温湿度传感器、压力传感器、运动数据传感器和GPS定位器。

优选地，所述数据采集判断模块还设置有通信模块，用于与外部设备进行无线数据传输。

优选地，所述装置本体上表面还设置有摄像头，其内部还设置有分别与所述数据采集判断模块、摄像头、显示模块、人身健康数据传感器电连接的储能模块。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用可穿戴腕带与贴于装置本体内侧微流控芯片相结合的方式，实现对汗液的持续性采集，凭借微流控芯片特殊设计的微管道结构可以对体表排出的微量汗液进行持续收集，并将收集到的汗液样本保存在微流控芯片内部用于检测血糖值使用，可以达到易佩戴、诊察实时化、傻瓜式操作与不受环境条件影响的效果，通过用于制作微流控芯片的高分子凝胶柔性薄膜材料，对不同葡萄糖浓度会有不同的显色这一特性，可以实现对不同血糖值的显色表象，配合使用数据采集判断模块进行拍照和图像的灰度化处理，并结合与基准显色对比点的校正与色差对比，可以灵活简便的获取患者当前血糖值，达到多次持续诊察血糖健康数据的效果。

此外诊察汗液中葡萄糖浓度高分子聚合物材质的微流控芯片为柔性薄膜类材料，结合腕带的设计方式，不会给使用者带来感官上的不适，同时采集到汗液样本的检测也是在微流控芯片特殊的微管道结构中完成，规避体外检测对检测环境要求相对苛刻的现状。

本发明相对于现有技术显著的进步和突出的有益效果在实施例部分进一步阐述。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例1的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置的立体结构示意图；

图2为实施例1的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置的立体结构示意图；

图3为实施例1的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置的俯视结构示意图；

图4为实施例1的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置的容纳腔处结构放大示意图；

图5为实施例1的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置的数据采集判断模块结构示意图；

图6为实施例1的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置的微流控芯片俯视透视示意图；

图7为实施例1的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置的微流控芯片侧视透视示意图；

图8为实施例1的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置的高分子凝胶柔性薄膜材料对不同血糖值对应显色反应灰度化后的对比图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设置”应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

进一步的，在说明书及权利要求书当中使用了某些名称来指称特定组件。应当理解，本领域普通技术人员可能会用不同名称来指称同一个组件。本申请说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的实质性差异作为区分组件的准则。如在本申请说明书和权利要求书中所使用的“包含”或“包括”为一开放式用语，其应解释为“包含但不限定于”或“包括但不限定于”。具体实施方式部分所描述的实施例为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围。

实施例1

请参照图1-8，本实施例提供一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，包括装置本体1以及两端分别与所述装置本体相连接的弹性腕带2；

装置本体1上表面设置有显示模块11、下表面向内开设有容纳腔12，显示模块11可以为显示屏，也可以为触摸式交互显示屏，所述容纳腔12内部从下往上依次匹配设置有微流控芯片3和数据采集判断模块4，所述微流控芯片3与所述容纳腔12紧密配合；所述数据采集判断模块4包括拍照单元41、荧光源单元42和控制处理器43，所述拍照单元41根据控制处理器43发出的指令，在荧光源单元42提供荧光照射下，对微流控芯片3显色后的图像进行拍摄并送入处理器43，所述控制处理器43根据图像不同色差效果与色差基准参考点进行对比，最终判断出用户汗液中葡萄糖浓度度。

所述微流控芯片3用于持续实时采集皮肤表面汗液进行分批次存储，并根据汗液中葡萄糖含量进行映射显色；

数据采集判断模块4用于实时采集所述微流控芯片3的显色图像，并对图像进行处理后与基准色进行比对，得出血糖值结果并送入所述显示模块11进行显示输出。

由于现有的体外检测领域在对汗液检测样本进行采集时无法实现对微量汗液这类测量样本的采集，需要患者进行剧烈运动，不适合老龄化人群使用。而且目前针对采用体液检测的体外检测方式，对采集后的体液样本也无法做到有效的保存，导致采集到体液测量样本容易挥发与污染，以及对采集到体液样本进行检测过程中需要稳定苛刻的检测条件等相关问题做了完善的设计考虑，请参照图6-7，在本实施例中的微流控芯片3为片状式结构并采用透明材料制备而成，其外侧面设置有汗液吸取点31，所述微流控芯片3内部按照深度大小依次设置有若干汗液存储点32，所述存储点32分别通过汗液流通通道33与所述汗液吸取点31连通，所述存储点顶部还连接有排气通道，在本实施例的示意图中我们设计了8个汗液存储点，8个汗液存储点在俯视方向上，均匀间隔分布，微流控芯片3采用的片状结构，方便贴敷于皮肤表面，其中汗液吸取点31对表皮渗出的微量汗液进行采集，通过汗液流通通33道汗液会依次充满各汗液存储点32，在汗液充满各存储点32时，当前一个存储点32汗液充满后，整体液位会上升，汗液会通过汗液吸取点正上方的通道依次流向下一个汗液存储点32，在本实施例中的每个汗液存储点32内表面采用葡萄糖敏感显色材料制备而成，因此每个汗液存储点32同时也是一个汗液显色反应的观察点。

在本实施例中微流控芯片3内侧面还设置有两个显色对比基准点34，用于图片显示对比时作为参考基准点。

在本实施例中的葡萄糖敏感显色材料为高分子凝胶柔性薄膜材料，该材料与汗液会产生显色反应后，在荧光照射下会呈现出不同色差，汗液中葡萄糖浓度不同，材料显色反应呈现出来的色差效果不同，通过不同色差效果，与色差基准参考点进行对比，最终判断出用户汗液中葡萄糖浓度度，以此来反映用户血糖值，此种材料可以从市面上直接采购得到，比较常见的一种制备方法为：

制备多孔硅/碳量子点复合颗粒，

制备红色荧光特性多孔硅颗粒：将单晶硅片经表面洗涤预处理后经过电化学刻蚀、电化学剥离、弱氧化活化后得到具有红色荧光特性多孔硅颗粒；

多孔硅颗粒的电化学制备，

将P型掺硼硅片作为单晶硅片固定在电解池中，电解液为有机溶剂和氢氟酸，阳极为硅片，阴极为铂电极，进行电化学刻蚀，得到多孔硅层；降低氢氟酸的质量浓度进行电化学剥离，多孔硅薄膜脱离硅基底；将得到的多孔硅薄膜置于乙醇中超声处理，获得微米级多孔硅颗粒；

多孔硅颗粒的弱氧化活化：将多孔硅颗粒浸泡于PBS缓冲液中，浸泡后离心、清洗，得到具有红色荧光的多孔硅颗粒。

制备多孔硅/碳量子点复合颗粒，

将上述制备的红色荧光特性多孔硅颗粒分散至金属纳米颗粒溶液中，室温下震荡混合30-60分钟，离心、清洗后获得金属纳米颗粒修饰的多孔硅颗粒，

将尿素和柠檬酸钠混合后，在150-200℃高温下加热100-150分钟，加入水，获得具有蓝色荧光特性的碳量子点溶液，

将金属纳米颗粒修饰的多孔硅颗粒分散到碳量子点溶液中，混合震荡3-6小时，经过离心、清洗后获得多孔硅/碳量子点复合颗粒；

制备负载多孔硅/碳量子点复合颗粒的壳聚糖薄膜，

1)将葡萄糖氧化酶、交联剂加入壳聚糖溶液中得到壳聚糖混合溶液，

2)将多孔硅/碳量子点复合颗粒分散到壳聚糖混合溶液中，再将壳聚糖混合溶液均匀涂覆在聚氨酯薄膜表面，室温下放置3-6小时，待壳聚糖凝胶形成后，获得具有双色荧光性质的高分子凝胶柔性薄膜材料。

采用此方法制备的高分子凝胶柔性薄膜材料对监控葡萄糖所产生的荧光颜色变化明显，如图8所示为下图为不同血糖值对应显色反应灰度化后的对比图。

本实施例中装置本体1采用柔性材料制备而成，所述微流控芯片3可拆卸连接与所述容纳腔开口处，所述数据采集判断模块4固定设置于所述容纳腔12内部并位于所述微流控芯片3正上方，本发明的可拆卸连接可以采用插槽连接，也可以采用卡槽连接或者螺栓连接，也可以采用任意一种常见的可拆卸连接方式，如图4所示，本实施例采用一种内卡槽式连接，包括在容纳腔12开口处设置与所述微流控芯片3匹配的圆形凹槽121，由于装置本体1采用柔性材料制备以及微流控芯片3为柔性材质的双重作用下，所以圆形凹槽121可以在发生形变的情况下实现微流控芯片3安装或拆卸。

在本发明工作过程中当所有汗液存储点32全部采集满后可以更换微流控芯片3，按照季节或用户体质不同，我们可以制备不同的微流控芯片3中存储节点的容积，做到按照设定的时间替换换微流控芯片3的效果。

在本实施例中数据采集判断模块4实时采集所述微流控芯片3的显色图像，并对图像进行处理后与基准色进行比对具体包括：

将获得的荧光图像所有像素点的R值和B值数据导出，并计算R/B数值；

将每位测试者测试前后拍摄的薄膜荧光图像中所有像素点的R/B数值进行归一化，乘以225，将最大值颜色设为红色，最小值颜色设为蓝色，其他点根据R/B数值设为红蓝之间的相应颜色，获得颜色差异扩大的荧光图像；

计算每张图像的平均R/B数值，乘以225，将最大值颜色设为红色，最小值颜色设为蓝色，其他图像根据R/B数值设为相应的红蓝之间的颜色，获得颜色平均化的荧光图像；

将处于高血糖临界值的患者测试图像设置为标准色卡，将测试者测试后处理得到的图像颜色与标准色卡颜色进行对比。

请参照图1-2，本实施例中的腕带2内表面还设置有与所述控制处理器43通信连接的人身健康数据传感器，所述人身健康数据传感器包括心率传感器21、温湿度传感器22、压力传感器23、运动数据传感器24和GPS定位器25。通过此种设计本装置可以实现对体温、心率、位置、步数、血压与环境数据等信息进行一并采集，自动将单一的血糖值数据与多种信息相关联、整合、加密与上传，实现健康数据多源化，个人健康档案建立多维度的目的，用于用户对自身健康数据的管理与查询，并且可以辅助健康诊察，实现用户健康数据检测与健康干预管理，上各述传感器可以直接采用市场常见的结构，其电路设计或者连接均为本领域人员知晓的方式。

本实施例中数据采集判断模块4还设置有通信单元44，用于与外部设备进行无线数据传输。可以在本装置与移动互联网之间建立数据交互通道，可以基于互联网云端服务器的强大的软硬件资源、计算能力、数据处理能力，为移动医疗和远程医疗提供了基础数据支持。

在本实施例的装置本体1上表面还设置有摄像头5，其内部还设置有分别与所述数据采集判断模块4、摄像头5、显示模块11、人身健康数据传感器电连接的储能模块。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，其特征在于，包括装置本体以及两端分别与所述装置本体相连接的弹性腕带；

所述装置本体上表面设置有显示模块、下表面向内开设有容纳腔，所述容纳腔内部从下往上依次匹配设置有微流控芯片和数据采集判断模块，所述微流控芯片与所述容纳腔紧密配合；

所述微流控芯片用于持续实时采集皮肤表面汗液进行分批次存储，并根据汗液中葡萄糖含量进行映射显色；

所述数据采集判断模块用于实时采集所述微流控芯片的显色图像，并对图像进行处理后与基准色进行比对，得出血糖值结果并送入所述显示模块进行显示输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，其特征在于，所述微流控芯片为片状式结构并采用透明材料制备而成，其外侧面设置有汗液吸取点，所述微流控芯片内部按照深度大小依次设置有若干汗液存储点，所述存储点分别通过汗液流通通道与所述汗液吸取点连通，所述存储点顶部还连接有排气通道。

3.根据权利要求2所述的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，其特征在于，所述存储点内表面采用葡萄糖敏感显色材料制备而成。

4.根据权利要求3所述的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，其特征在于，所述葡萄糖敏感显色材料为高分子凝胶柔性薄膜材料。

5.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的穿戴式能无创血糖监测装置，其特征在于，所述装置本体采用柔性材料制备而成，所述微流控芯片可拆卸连接与所述容纳腔开口处，所述数据采集判断模块固定设置于所述容纳腔内部并位于所述微流控芯片正上方。

6.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，其特征在于，所述数据采集判断模块包括拍照单元、荧光源单元和控制处理器，所述拍照单元根据控制处理器发出的指令，在荧光源单元提供荧光照射下，对微流控芯片显色后的图像进行拍摄并送入处理器，所述控制处理器根据图像不同色差效果与色差基准参考点进行对比，最终判断出用户汗液中葡萄糖浓度度。

7.根据权利要求2所述的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，其特征在于，所述微流控芯片内侧面还设置有若干显色对比基准点，用于图片显示对比时作为参考基准点。

8.根据权利要求6所述的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，其特征在于，所述腕带内表面还设置有与所述控制处理器通信连接的人身健康数据传感器，所述人身健康数据传感器包括心率传感器、温湿度传感器、压力传感器、运动数据传感器和GPS定位器。

9.根据权利要求8所述的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，其特征在于，所述数据采集判断模块还设置有通信单元，用于与外部设备进行无线数据传输。

10.根据权利要求9所述的一种基于微流控技术的穿戴式智能无创血糖监测装置，其特征在于，所述装置本体上表面还设置有摄像头，其内部还设置有分别与所述数据采集判断模块、摄像头、显示模块、人身健康数据传感器电连接的储能模块。

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