CN113519979B - 一种监测癫痫病的3d打印功能鞋垫及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种监测癫痫病的3D打印功能鞋垫及其制备方法，涉及3D打印技术领域，鞋垫包括无线信号处理模块、外界分析设备和基于3D打印形成的纯弹性层、弹性阵列传感器层，纯弹性层从首部到尾部厚度渐增，弹性阵列传感器层设置在纯弹性层上，无线信号处理模块埋设在纯弹性层的尾部，并分别与弹性阵列传感器层和外界分析设备相连；无线信号处理模块为电容式弹性阵列传感器层供电。弹性阵列传感器层在受到人体足底压力时产生变化的电容信号，通过无线信号处理模块传输给外界分析设备，外界分析设备将电容信号转换为步态足底压力数据或静态人体心率数据，以实时监控人体是否出现步态或心率失调，因此能够实时监测并提前预警癫痫症状。

Description

一种监测癫痫病的3D打印功能鞋垫及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其是一种监测癫痫病的3D打印功能鞋垫及其制备方法。
背景技术
癫痫(epilepsy)即俗称的“羊角风”或“羊癫风”，是一种不易察觉的慢性疾病。据中国最新流行病学资料显示，国内癫痫的总体患病率为7.0‰，预估国内约有900万左右的癫痫患者，其中500～600万是活动性癫痫患者，同时每年新增加癫痫患者约40万，在中国癫痫已经成为神经科仅次于头痛的第二大常见病。癫痫患者基数庞大，患者死亡不在于本身疾病导致死亡，而是由癫痫病引发的摔倒、窒息等并发症状引起的死亡。然而，目前不集中的医疗资源和诊疗手段无法在早期及时的发现病人的癫痫症状并给予治疗，也无法实现癫痫患者重症状的摔倒和促发等过程监测，导致后期病情加重，对患者，尤其是老年患者，造成精神及生理上的折磨。
目前，现有的预防癫痫发作的设备主要为可穿戴智能手表或者腕带的方式，但是由于现有发明技术所提出的腕带的安装方法及拆卸方式较为复杂，有些则需要特殊的拆卸工具，这对于老年癫痫患者来说是十分不便的；其次，可穿戴式产品在实际使用的过程中其舒适性及准确性均存在一定的问题。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种监测癫痫病的3D打印功能鞋垫及其制备方法，使弹性阵列传感器层中的上下层相对的导电纤维之间形成单个电容式压力传感器，在受到人体足底压力时产生变化的电容信号，能够实时监测并提前预警癫痫症状。
本发明的技术方案如下：
一种监测癫痫病的3D打印功能鞋垫，其特征在于，3D打印功能鞋垫包括无线信号处理模块、配套的外界分析设备和基于3D打印形成的纯弹性层、弹性阵列传感器层，纯弹性层从首部到尾部厚度渐增，弹性阵列传感器层设置在纯弹性层的倾斜面上，无线信号处理模块埋设在纯弹性层的尾部，并分别与弹性阵列传感器层和外界分析设备相连；弹性阵列传感器层在受到人体足底压力时产生变化的电容信号，无线信号处理模块用于给弹性阵列传感器层提供电脉冲，还用于对反馈的电容信号进行调理并传输给外界分析设备，外界分析设备用于将电容信号转换为步态足底压力数据或静态人体心率数据，以实时监控人体是否出现步态或心率失调。
其进一步的技术方案为，弹性阵列传感器层包括两层含有导电纤维的多孔介电层，两层含有导电纤维的多孔介电层在倾斜面上分别沿横向和纵向层叠交错排布形成镂空栅格结构，且每层的导电纤维设置在相应的多孔介电层之上；在每个交错的栅格交点处，上下层相对的导电纤维之间形成单个电容式压力传感器；多孔介电层用于提高弹性阵列传感器层的弹性及灵敏度。
其进一步的技术方案为，设计镂空栅格结构的打印路径和打印头的移动参数用于改变弹性阵列传感器层的栅格尺寸及厚度，以控制弹性阵列传感器层的灵敏度。
其进一步的技术方案为，在纯弹性层的侧面还涂覆有导电层，导电层连接每根导电纤维，用于导通弹性阵列传感器层和无线信号处理模块。
其进一步的技术方案为，纯弹性层的材料为纯TPU材料、硅胶材料、EVA或泡棉材料、PDMS材料或SEBS材料；多孔介电层的材料为含有微孔的TPU材料，多孔介电层的厚度范围为1mm-2.8mm，微孔的大小为100μm-500μm并随机分布在介电层中；导电纤维为碳纤维。
一种监测癫痫病的3D打印功能鞋垫的制备方法，包括如下步骤：
利用TPU粉末与可溶性无机粉末制备3D打印线材；
向3D打印机的第一喷头喂入纯TPU线材，根据鞋垫设计数据制备鞋垫底层的纯弹性层，纯弹性层从首部到尾部厚度渐增，且尾部留有安装无线信号处理模块的凹槽；
向3D打印机的第二喷头共同喂入3D打印线材和导电纤维，根据设计的打印路径在纯弹性层的倾斜面上进行连续纤维3D打印，得到3D打印功能鞋垫；
将3D打印功能鞋垫浸泡在去离子水中进行水浴加热处理，用于去除3D打印线材中的可溶性无机粉末，得到含有微孔的弹性阵列传感器层的3D打印功能鞋垫，弹性阵列传感器层设置在纯弹性层的倾斜面上，弹性阵列传感器层在受到人体足底压力时产生变化的电容信号；
在凹槽处安装无线信号处理模块，且无线信号处理模块分别与弹性阵列传感器层和外界分析设备相连；无线信号处理模块用于给弹性阵列传感器层提供电脉冲，还用于对反馈的电容信号进行调理并传输给外界分析设备，外界分析设备用于将电容信号转换为步态足底压力数据或静态人体心率数据，以实时监控人体是否出现步态或心率失调。
其进一步的技术方案为，利用TPU粉末与可溶性无机粉末制备3D打印线材，包括：
将TPU粉末与可溶性无机粉末按照6:4-7:3的质量比混合搅拌均匀得到混合粉末；
将混合粉末倒入挤出机，通过螺杆转动进行深度混合；
在加热条件下挤出粉末，通过牵伸、冷却得到3D打印线材。
其进一步的技术方案为，根据设计的打印路径在纯弹性层的倾斜面上进行连续纤维3D打印，包括：
在纯弹性层的倾斜面上，从起始点开始沿纵向蛇形路径进行连续纤维3D打印，得到第一层含有导电纤维的介电层，然后通过拐弯点沿横向蛇形路径在第一层上进行连续纤维3D打印，得到第二层含有导电纤维的介电层；或者，在纯弹性层的倾斜面上，从起始点开始沿横向蛇形路径进行连续纤维3D打印，得到第一层含有导电纤维的介电层，然后通过拐弯点沿纵向蛇形路径在第一层上进行连续纤维3D打印，得到第二层含有导电纤维的介电层；
在打印第二层过程中，在第二层每行/列与第一层的第一个交点前的第一预定距离处将第二喷头沿z轴方向抬起第二预定距离，并在第二层每行/列与第一层的最后一个交点后的第一预定距离处将第二喷头沿z轴方向下落第二预定距离；两层介电层层叠交错排布形成镂空栅格结构，且每层的导电纤维设置在相应的介电层之上，在每个交错的栅格交点处，上下层相对的导电纤维之间形成单个电容式压力传感器，第一预定距离和第二预定距离与3D打印线材的直径相关。
其进一步的技术方案为，制备方法还包括：通过涂覆工艺在纯弹性层的侧面刻画电路形成导电层，导电层用于导通弹性阵列传感器层和无线信号处理模块。
其进一步的技术方案为，可溶性无机粉末为盐粉末；3D打印线材的直径为2mm；纯弹性层的材料为纯TPU材料；介电层的厚度范围为1mm-2.8mm，微孔的大小为100μm-500μm并随机分布在介电层中；导电纤维为碳纤维。
本发明的有益技术效果是：
本申请针对用户足部特征，使用3D打印技术定制化生产鞋垫以提高用户穿戴的舒适度，此外，将含有微孔的TPU材料与连续的导电纤维相结合制备3D打印线材，一体化成型在纯弹性层上构建弹性阵列传感器层作为点阵电容式压力传感器，可以在动态时采集步态足底变化的电容信号，或者静态时采集足底脉搏变化的电容信号，通过无线信号处理模块传输至配套的外界分析设备即可实时监测目前人体的心率变化或步态足底压力的动态变化，由于正常人在正常行走时的步态所呈现的压力分布及其压力值，均处于一个相对恒定的状态，而癫痫突发时会导致人体肌肉不协调，进而使得人体的步态及心率出现失调，因此该3D打印功能鞋垫可较为精确的诊断前期的癫痫症状并给予被监测人员的预警。
附图说明
图1是本申请提供的3D打印功能鞋垫的侧视图。
图2是本申请提供的3D打印功能鞋垫的俯视图。
图3是本申请提供的弹性阵列传感器层D处的局部放大图。
图4是本申请提供的弹性阵列传感器层的制备流程图。
图5是多孔TPU材料-A、纯TPU材料-B、TPU/NaCl混合材料-C的红外光谱分析图。
图6是多孔TPU材料-A、纯TPU材料-B、TPU/NaCl混合材料-C的X射线衍射谱图。
图7是不同盐含量的点阵电容式压力传感器与纯TPU制备的传感器的灵敏度曲线。
图8是本申请传感器在0.05N、0.1N、0.5N、1N垂直负载下的电容响应。
图9是本申请传感器在0.5N垂直负载下的反应和松弛时间。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
结合图1、图2所示，本申请公开了一种监测癫痫病的3D打印功能鞋垫，包括无线信号处理模块1、配套的外界分析设备(图中未标出)和基于3D打印形成的纯弹性层2及弹性阵列传感器层3。纯弹性层2的材料为纯TPU材料，当然，TPU材料也可以替换成其他弹性材料，例如硅胶材料、EVA或泡棉材料、PDMS材料或SEBS材料等，本实施例以TPU材料为例展开描述。纯弹性层2(也即TPU弹性体)从首部到尾部厚度渐增，弹性阵列传感器层3设置在纯弹性层2的倾斜面上，无线信号处理模块1埋设在纯弹性层2的尾部，并分别与弹性阵列传感器层3和外界分析设备相连。无线信号处理模块1内置有纽扣电池，可为弹性阵列传感器层3供电，供电方式为间歇性脉冲扫描模式，扫描频率远大于人体动作的频率，使得电池用电时长大幅提升。
结合图2、图3所示，弹性阵列传感器层3包括两层含有导电纤维31的多孔介电层32，其中导电纤维31为碳纤维。两层含有导电纤维31的多孔介电层32在倾斜面上分别沿横向和纵向层叠交错排布形成镂空栅格结构，且每层的导电纤维31设置在相应的多孔介电层32之上。在每个交错的栅格交点处，上下层相对的导电纤维31之间形成单个电容式压力传感器，也即微电容，则整层弹性阵列传感器层3组合形成点阵电容式压力传感器。当无线信号处理模块1在每秒的时间内向点阵电容式压力传感器中的导电纤维发射几十次电脉冲，也即给点阵电容式压力传感器充电，各个单点的电容信号就会被无线信号处理模块1感知到，通过电信号的滤波及转化形成实时的电容阵列数据值。可选的，通过设计镂空栅格结构的打印路径和打印头的移动参数可以改变弹性阵列传感器层3的栅格尺寸及厚度，以控制弹性阵列传感器层3的灵敏度。
多孔介电层32的材料为含有微孔33的TPU材料，其中微孔33可以提高TPU薄膜的孔隙率，当受到外加载荷时，含有微孔33的TPU薄膜有望提供比纯TPU薄膜更大的变形空间，从而增加材料的弹性及传感器的响应灵敏度。可选的，多孔介电层32的厚度范围为1mm-2.8mm，微孔33的大小为100μm-500μm并随机分布在介电层中。
在纯弹性层2的侧面还涂覆有导电层4，导电层4连接每个栅格交点，用于导通弹性阵列传感器层3和无线信号处理模块1。
外界分析设备用于将电容信号转换为步态足底压力数据或静态人体心率数据，以实时监控人体是否出现步态或心率失调。可选的，本申请的外界分析设备为手机APP。
3D打印功能鞋垫的工作原理为：
当人脚踩在鞋垫运动或静止时，人体的重量会对上部碳纤维向下挤压，使两根碳纤维之间的距离发生变化，人体体重分摊到足底上由于足底的轮廓导致足底压力分布并不均匀，从而导致每个单点的电容值发生不同程度的变化，从而产生变化的电容信号，经过导电层反馈至无线信号处理模块1进行调理后传输至外界分析设备，即可较为准确的输出整体的步态足底压力云图，或者，输出整体的足底脉搏变化图。由于正常人在正常行走时的步态所呈现的压力分布及其压力值，均处于一个相对恒定的状态，而癫痫突发时会导致人体肌肉的不协调，进而使得人体的步态或心率出现失调，因此使用3D打印功能鞋垫能够较好的实时监测人体足底的压力分布及心率变化，从而对患者的步态或心率进行分析，实现癫痫病的诊断和预警。
基于上述3D打印功能鞋垫，本申请还公开了该3D打印功能鞋垫的制备方法，其流程示意图如图4所示，包括：
步骤1：利用TPU粉末51与可溶性无机粉末52制备3D打印线材。
步骤11：将TPU粉末51与可溶性无机粉末52按照6:4-7:3的质量比混合搅拌均匀得到混合粉末。
可选的，可溶性无机粉末52为盐粉末，根据制备过程中所添加盐粉末比例的不同，所得到的点阵电容式压力传感器的孔隙率也有所不同，这里我们使用盐含量为20-40wt％的3D打印线材，能够使传感器获得较好的传感性能。而当盐含量超过40％时，由于TPU组分的含量过低，在打印时，上下层不能很好粘合在一起，无法完成阵列传感器的组装。
步骤12：将混合粉末倒入单螺杆挤出机6，通过其螺杆转动进行深度混合。
步骤13：在加热条件下挤出粉末，通过牵伸、冷却得到直径为2mm的3D打印线材7。
可选的，单螺杆挤出机6的双段挤出温度设定具体范围确定为：前段200～230℃，后段180～200℃。
步骤2：使用3D扫描仪对人体足部进行三维数据扫描，得到最优的鞋垫设计数据。
步骤3：在确定合适的鞋垫模型及点阵电容式压力传感器尺寸后，在开源的打印软件Repetier中设置和修改打印路径，可以通过改变打印喷头的移动参数来控制传感器的厚度。
步骤4：向3D打印机8的第一喷头(图中未标出)喂入纯TPU线材，向3D打印机8的第二喷头81共同喂入3D打印线材7和导电纤维31，根据鞋垫设计数据制备鞋垫底层的纯弹性层2，且尾部留有安装无线信号处理模块1的凹槽，根据设计的打印路径在纯弹性层2的倾斜面上进行连续纤维3D打印，得到3D打印功能鞋垫。可选的，导电纤维31为碳纤维。
具体的，本实施例以第一层沿纵向分布、第二层沿横向分布为例，在纯弹性层2的倾斜面上，从起始点a开始沿纵向蛇形路径进行连续纤维3D打印，得到第一层含有导电纤维31的介电层91，然后通过拐弯点b沿横向蛇形路径在第一层上进行连续纤维3D打印直至到达打印终点c，得到第二层含有导电纤维31的介电层92。两层介电层层叠交错排布形成镂空栅格结构，且每层的导电纤维31设置在相应的介电层91/92之上，介电层91/92的厚度为1.8mm。
在打印第二层过程中，在第二层每行与第一层的第一个交点d前的2cm处将第二喷头81沿z轴方向抬起2mm，并在第二层每行与第一层的最后一个交点e后的2cm处将第二喷头81沿z轴方向下落2mm，避免阵列传感器的两层在打印过程时发生碰撞。
可选的，具体打印参数设定为：喷头温度为205℃(喷头加热使得线材中的TPU材料连续相熔融，从而所得样品中碳纤维与介电层能较好粘结在一起)，平台温度为60℃，两个喷头的直径为1mm；抬起后的打印速度为30mm/min，在低处时的打印速度为60mm/min。
步骤5：将3D打印功能鞋垫浸泡在去离子水中进行水浴加热处理，用于去除3D打印线材7中的可溶性无机粉末52，得到含有微孔33的弹性阵列传感器层3的3D打印功能鞋垫。可选的，微孔33的大小为100μm-500μm并随机分布在介电层91/92中。
步骤6：通过涂覆工艺在纯弹性层2的侧面刻画电路形成导电层4，导电层4连接每根导电纤维31，用于导通弹性阵列传感器层3和无线信号处理模块1。
步骤7：在凹槽处安装无线信号处理模块1，且无线信号处理模块1分别与弹性阵列传感器层3和外界分析设备相连。
如图5所示，可以看出一些明显的红外吸收峰，其中3340cm-1、2950cm-1处的两个吸收峰分别对应键合N-H的伸缩振动及聚酯型聚氨酯中-CH3的非对称伸缩振动。1720cm-1、1595cm-1、1530cm-1处的吸收峰均为聚酯型聚氨酯的特征吸收峰，分别对应C＝O的伸缩振动、C-N的伸缩振动、N-H的弯曲振动。此外，1080cm-1的峰值代表的是C-O-C的红外吸收。显而易见，纯TPU材料-B的几个吸收峰都出现在了多孔TPU材料-A及TPU/NaCl混合材料-C的红外吸收曲线上，并且没有出现新的吸收峰。以上信息证明，在3D打印线材制备及打印过程中，高温并没有使TPU发生裂解，TPU的化学结构没有发生改变。如图6所示，通过对比发现，经后水浴加热处理后的传感器没有相应NaCl晶体的尖峰，说明水洗工艺以完全去除传感器中的盐颗粒。
如图7所示，可见使用添加盐制备的含微孔的传感器灵敏度远高于纯TPU制备的传感器。当压力小于0.05N时，盐含量为40wt％的传感器灵敏度为3.03N-1，为纯TPU传感器的9.5倍。当压力在0.05N-1N范围内时，灵敏度为0.19N-1。随着压力的增大，传感器的灵敏度降低到0.03N-1。相比之下，纯TPU传感器在压力低于0.05N和大于0.05N的灵敏度分别为0.32N-1、0.015N-1。由于介电层的孔隙率足够高，盐含量为40wt％的传感器灵敏度也优于盐含量为30wt％及盐含量为20wt％的传感器灵敏度。因此，该点阵电容式压力传感器具有优秀的传感灵敏度，可实时监测人体足部脉搏变化，从而检测其心率变化。
图8显示了传感器分别在0.05N、0.1N、0.5N和1N循环载荷下的电容变化情况，可以看出传感器电容变化随着负载的增大而增大，并且可以对外加压力作出连续且稳定的响应，说明该传感器对于压力的反应性灵敏。在点阵电容式压力传感器的实际应用中，除了灵敏度外，经测试，该传感器还具有较为优秀的响应时间及稳定性。通过对传感器施加0.5N的压力来对传感器的响应时间进行测试，如图9所示，当压力施加到传感器上时，电容在60ms的时间内迅速上升到稳定状态，压力卸载后，电容在80ms的响应时间内恢复到初始值。采用0.3N的力对传感器进行了约1000次的加载/卸载循环实验，在整个压缩循环中，传感器的电容变化连续且均匀，这证明了该传感器具有较好的稳定性，可以满足实际应用中长期使用的要求。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种监测癫痫病的3D打印功能鞋垫的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
利用TPU粉末与可溶性无机粉末制备3D打印线材；
向3D打印机的第一喷头喂入纯TPU线材，根据鞋垫设计数据制备鞋垫底层的纯弹性层，所述纯弹性层从首部到尾部厚度渐增，且尾部留有安装无线信号处理模块的凹槽；
向所述3D打印机的第二喷头共同喂入所述3D打印线材和导电纤维，在所述纯弹性层的倾斜面上，从起始点开始沿纵向蛇形路径进行连续纤维3D打印，得到第一层含有导电纤维的介电层，然后通过拐弯点沿横向蛇形路径在第一层上进行连续纤维3D打印，得到第二层含有导电纤维的介电层；或者，在所述纯弹性层的倾斜面上，从起始点开始沿横向蛇形路径进行连续纤维3D打印，得到第一层含有导电纤维的介电层，然后通过拐弯点沿纵向蛇形路径在第一层上进行连续纤维3D打印，得到第二层含有导电纤维的介电层；在打印第二层过程中，在第二层每行/列与第一层的第一个交点前的第一预定距离处将所述第二喷头沿z轴方向抬起第二预定距离，并在第二层每行/列与第一层的最后一个交点后的第一预定距离处将所述第二喷头沿z轴方向下落第二预定距离；两层介电层层叠交错排布形成镂空栅格结构，且每层的导电纤维设置在相应的介电层之上，在每个交错的栅格交点处，上下层相对的导电纤维之间形成单个电容式压力传感器，所述第一预定距离和第二预定距离与所述3D打印线材的直径相关，得到3D打印功能鞋垫；
将所述3D打印功能鞋垫浸泡在去离子水中进行水浴加热处理，用于去除所述3D打印线材中的可溶性无机粉末，得到含有微孔的弹性阵列传感器层的3D打印功能鞋垫，所述弹性阵列传感器层设置在所述纯弹性层的倾斜面上，所述弹性阵列传感器层在受到人体足底压力时产生变化的电容信号；
在所述凹槽处安装所述无线信号处理模块，且所述无线信号处理模块分别与所述弹性阵列传感器层和外界分析设备相连；所述无线信号处理模块用于给所述弹性阵列传感器层提供电脉冲，还用于对反馈的电容信号进行调理并传输给所述外界分析设备，所述外界分析设备用于将所述电容信号转换为步态足底压力数据或静态人体心率数据，以实时监控人体是否出现步态或心率失调。
2.根据权利要求1所述的3D打印功能鞋垫的制备方法，其特征在于，所述利用TPU粉末与可溶性无机粉末制备3D打印线材，包括：
将所述TPU粉末与可溶性无机粉末按照6:4-7:3的质量比混合搅拌均匀得到混合粉末；
将所述混合粉末倒入挤出机，通过螺杆转动进行深度混合；
在加热条件下挤出粉末，通过牵伸、冷却得到所述3D打印线材。
3.根据权利要求1所述的3D打印功能鞋垫的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
通过涂覆工艺在所述纯弹性层的侧面刻画电路形成导电层，所述导电层用于导通所述弹性阵列传感器层和无线信号处理模块。
4.根据权利要求1所述的3D打印功能鞋垫的制备方法，其特征在于，所述可溶性无机粉末为盐粉末；所述3D打印线材的直径为2mm；所述纯弹性层的材料为纯TPU材料；所述介电层的厚度范围为1mm-2.8mm，所述微孔的大小为100μm-500μm并随机分布在介电层中；所述导电纤维为碳纤维。
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