CN113827471A - 基于石墨烯复合电极的人体组织间液离子代谢监测的装置及其调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于石墨烯复合电极人体组织间液离子代谢监测的装置及其调控方法。利用石墨烯良好的导电性能，增强待测人体区域细微的离子移动的信号。并通过特有的石墨烯红外辐射，增强淋巴系统和组织间液的离子交换速率。该装置包括控制模块、供电模块、电针模块、加热模块、电阻检测模块、电极模块；控制模块电连接电针模块、加热模块、电阻检测模块、供电模块，控制模块包括控制芯片、串口模块、温度检测模块，串口模块和温度检测模块分别电连接控制芯片；加热模块电连接供电模块，加热模块包括石墨烯电加热膜。本发明将加热、电针和电阻检测集成到一个仪器上，实现在红外治疗和电针治疗的同时能够实时监测用户穴位电阻变化，确定治疗效果的提升。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种基于石墨烯的组织间液离子代谢监测的装置及其调控方法。
背景技术
当人体皮肤或内脏器官发生病理变化时，与之相应的某些穴位往往能发生生物物理特性的改变，即穴位的敏化现象。近年来的临床研究发现，人体在病理状态下，这种敏化现象表现为对热刺激的敏感，这些施灸部位产生的热、胀、痛等感觉发生深透远传，所到之处，病症随之缓解。发生热敏化现象的区域称为热敏点，以上现象有一个共同的特征，就是热敏点对艾热异常敏感，产生小刺激大反应，艾灸热敏点极易发动循经感传，从而大幅度提高临床疗效。输穴热敏化现象与输穴的热学特性密切相关。敏化的相关特异性表现行为使我们把传质功能定位于毛细血管(动脉和静脉)、毛细淋巴管以及组织间隙液的离子交换模型中。
淋巴系统是心血管系统的辅助系统,由淋巴管、淋巴组织和淋巴器官组成。淋巴管由毛细淋巴管吻合而成,因此,毛细淋巴管是淋巴系统的重要组成部分,同时它还具有重要的生理和临床意义,如吸收组织液中的蛋白质分子和一些较大的分子,以及对营养物质特别是脂肪的吸收。我们注意到的是的是,当病菌进入皮下组织或组织粘膜后,很容易进入毛细淋巴管,这时淋巴管内的防御机制开始发挥作用,其中的巨噬细胞会吞掉的细菌但是癌细胞和病毒的清除率很低,同时将免疫系统开启,起到保护机体,增强机体抵抗力的作用。所以对毛细淋巴管的研究具有很重要的临床意义。
从现有国内外相关的资料来看,主要集中在毛细淋巴管解剖形态上的观察,以此来了解各器官淋巴形成机制。但是，这些研究都是静态的研究，缺乏动态的监测数据，描述人体实时的微观代谢状态。
石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。其表面的特殊狄拉克点结构，使得这种材料具有极佳的长程电子迁移率。本研究中我们使用的石墨烯电极与水凝胶相互作用，能够尽量多的增加皮肤表面电荷的采集效率，更为真实的反应穴位区域皮肤表面离子作用于采集电极的电阻变化趋势。这种采集方式让我们能够获得比以前金属电极采集方式更丰富的电信号。
发明内容
本发明旨在提供一种基于石墨烯的组织间液离子代谢监测的装置及其调控方法，将加热、电针治疗和电阻检测集成到一个仪器上，实时监测用户穴位电阻变化，确定治疗是否有效。
毛细淋巴管的生理性功能不可避免的会导致穴位区域的电阻出现周期性的变化。当毛细淋巴管充盈，处于舒张状态时，组织间液含量大，穴位区域电阻降低；当毛细淋巴管收缩时，组织间液含量少，穴位区域电阻值增加。
为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
本发明公开一种组织间液离子代谢监测的装置，包括控制模块、供电模块、电针模块、加热模块、电阻检测模块；
控制模块电连接电针模块、加热模块、电阻检测模块、供电模块，控制模块包括控制芯片、串口模块、温度检测模块，串口模块和温度检测模块分别电连接控制芯片；
加热模块电连接供电模块，加热模块包括石墨烯电加热膜，石墨烯电加热膜包括由CVD法制备的石墨烯层、PET透明膜基底、银浆电极、PET透明防爆膜覆盖层、检测电极。
优选的，供电模块通过稳压模块电连接控制模块。
优选的，电针模块包括数字电位器、功放芯片、变压器、电极片。
优选的，加热模块包括NMOS管，NMOS管源极接地。
优选的，控制芯片具有向电针模块输出PWM波的功能。
优选的，还包括数据终端，数据终端连接串口模块，数据终端包括PC端。
优选的，串口模块包括USB接口。
本发明还公开了该装置的调控方法，各个模块根据指令进行定时定温加热灸疗、定频率定强度定时间电针治疗、电阻检测功能，并将检测到的温度、电阻等信息传递至串口模块。
优选的，平和质受试者先测定正常人体温度对应的电阻曲线，再石墨烯红外辐射升温至40摄氏度测定电阻曲线；阳虚质受试者先测定正常人体温度对应的电阻曲线，再石墨烯红外辐射升温至40摄氏度测定电阻曲线。
本发明的有益效果：
本装置拥有加热热灸，电针治疗，电阻检测三大功能，用户可使用本装置仪同时进行治疗和检测，为后期的优化治疗提供最优解决方案。
附图说明
图1为本发明的内关穴电阻测定结果图；
图2为本发明中稳压模块的连接示意图；
图3为本发明中电阻检测模块的连接示意图；
图4为本发明中加热模块的连接示意图。
图5为本发明温度检测模块的连接示意图。
图6为本发明电针模块的连接示意图。
图7为本发明石墨烯电极片示意图
图8为平和质升温治疗对应的电阻变化图
图9为阳虚质升温治疗对应的电阻变化图
具体实施方式
实施例1
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1～6所示，本发明中使用稳压模块连接控制芯片与供电模块，稳压模块用于将供电模块的外接电源的输出电压转换成控制芯片的工作电压。
稳压模块包括型号为LDL1117的稳压IC，容量为220UF的第五电容(C5)，容量为1UF的第六电容(C6)，容量为10UF的第七电容(C7)，容量为0.1UF的第八电容(C8)，容量为0.1UF的第九电容(C9)，容量为10UF的第十电容(C10)
其中，稳压IC具有IN引脚(IN)，第二OUT引脚,第四OUT引脚(OUT)和GND引脚(GND)；
第五电容(C5)和第六电容(C6)，第七电容(C7)和第八电容(C8)形成并联电路，并联电路一边连接IN引脚(IN)，另一边连接GND引脚(GND)，同时IN引脚(IN)直接与供电模块连接，GND引脚(GND)直接接地，达到滤波的效果；
第二OUT引脚(OUT)和第四OUT引脚(OUT)连在一起后与第九电容(C9)和第十电容(C10)组成的并联电路连接，同时第九电容(C9)和第十电容(C10)组成的并联电路一边输出稳定工作电压，一边接地；
第九电容(C9)和第十电容(C10)形成并联电路，并联电路一边连接供电模块，一边接地。
稳压模块将供电模块的输入电路为5V电压，通过稳压IC，转换输出为3.3V稳定电压。
控制模块通过稳压模块与供电模块电连接，通过蓝牙与上位机建立连接并传输、接收数据。以及控制各功能模块的工作。
功能模块包括：温度检测模块、电针模块、加热模块。
其中控制芯片型号为nRF51822(Nordic公司开发)。nRF51822是一款功能强大、高灵活性的多协议SoC，非常适合用于Bluetooth低功耗和2.4GHZ超低功耗无线应用。设备可通过控制芯片(NRF51822)与移动端进行蓝牙无线连接，进行数据交换，用户使用移动端通过蓝牙向控制芯片下达控制指令，控制电阻检测时间，加热温度及时间和电针强度和波形；同时，控制芯片将接收到的温度、时间、电阻等信息反馈给串口，并通过蓝牙回传给用户。
温度检测模块通过温度传感器(DS18B20)检测到加热模块中发热体的温度，并定时反馈给控制芯片，以便控制芯片通过接收到的温度信息对加热模块进行温度控制；温度检测模块的电路有阻值为10K的第十二电阻(R12)、温度传感器；温度传感器有三个引脚，包括接地引脚(GND)、数据引脚(DATA)，电源引脚(VDD)。接地引脚(GND)直接接地，数据引脚(DATA)接入控制芯片并与阻值为4.7K的第七电阻(R7)并联，第七电阻(R7)另一端接供电模块，电源引脚(VDD)与供电模块相连。
加热模块包括石墨烯电加热膜，石墨烯电加热膜由CVD法制备的石墨烯层、PET透明膜基底、银浆电极、PET透明防爆膜覆盖层组成，该结构在专利ZL201510203320.1中已有记载，故不再赘述；
加热模块主要用于接收到控制芯片指令后，控制发热体定时定温加热；加热模块包括型号为MEM2303的第一NMOS管(Q1)、阻值为3的第二十电阻(R20)；第一NMOS管(Q1)栅极(g)与第二十电阻(R20)串联后连接控制芯片，漏极(d)连接发热体，发热体另外一边与供电模块连接，第一NMOS管(Q1)源极(s)直接接地。
电针模块用于根据控制芯片发送的控制指令为用户提供能够控制强度和波形的电针服务；电针模块首先由控制芯片输出指定SPWM波，经过滤波电路过滤成正弦波，再通过数字电位器(TPL0102-100)控制正弦波幅值，再由功放芯片(SGM4871)进行功率放大，最后通过变压器进行升压后通过正负电极片联通皮肤形成闭环电路回路，达成用户所需电针功能。
电针模块包括阻值为10k的第二十一电阻(R21)、阻值为3的第二十六电阻(R26)、阻值为0的第十电阻(R10)、阻值为1K的第十一电阻(R11)、阻值为1K的第十二电阻(R12)、阻值为10K的第十三电阻(R13)、阻值为3M的第十四电阻(R14)、阻值为20K的第十五电阻(R15)、阻值为20K的第十六电阻(R16)、阻值为3K的第十七电阻(R17)、阻值为0的第二十八电阻(R28)、阻值为0的第二十九电阻(R29)、阻值为0的第三十电阻(R30)、阻值为0的第三十一电阻(R31)，型号为MEM2303的第三NMOS管(Q3)，型号为SGM4871的功率放大器(U5)、型号为TPL0102-100数字电位器(U2)。容量为1uF的第十一电容(C11)，容量为1uF的第十二电容(C12)，容量为1uF的第十三电容(C13)，变压器(B1)；
数字电位器(U2)包括第一引脚(HA)、第二引脚(LA)、第三引脚(WA)、第四引脚(HB)、第五引脚(LB)、第六引脚(WB)、第七引脚(A2)、第八引脚(VSS)、第九引脚(SDA)、第十引脚(SCL)、第十一引脚(GND)、第十二引脚(A1)、第十三引脚(A0)、第十四引脚(VDD)。第一引脚(HA)与控制芯片相连，第二引脚(LA)接地，第三引脚(WA)接第十电阻(R10),第十电阻(R10)另一端接第十二电容(C12)相连，第四引脚(HB)、第五引脚(LB)、第六引脚(WB)悬空。第七引脚(A2)、第八引脚(VSS)、第十一引脚(GND)、第十二引脚(A1)、第十三引脚(A0)并联并接地。第九引脚(SDA)、第十引脚(SCL)接主控芯片，分别与第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)并联接入第十四引脚(VDD),第十四引脚(VDD)与稳压模块(3.3V)相连.。
功率放大器(U4)包括第一引脚(SD)、第二引脚(BYPASS)、第三引脚(IN+)、第四引脚(IN-)、第五引脚(VO1)、第六引脚(VDD)、第七引脚(GND1)、第八引脚(VO2)；第一引脚(SD)与第十三电阻(R13)相连，第十三电阻(R13)与第二十一电阻(R21)串联与第二NMOS管(Q3)并联，第二NMOS管(Q3)栅极(g)与第二十六电阻(R26)串联后连接控制芯片，漏极(d)连接第十三电阻(R13)，第一NMOS管(Q1)源极(s)直接接地。第二引脚(BYPASS)和第三引脚(IN+)相连，与第十一电容(C11)并联，第十一电容(C11)另一端接地；第四引脚(IN-)与第十六电阻(R16)串联接至第五引脚(VO1)，并与第十五电阻(R15)并联，第十五电阻(R15)另一端接第十二电容(C12),第十二电容(C12)另一端与第十电阻(R10)串联,并与第十四电阻(R14)并联，第十四电阻(R14)另一端接地；第五引脚(OV1)通过第二十八电阻(R28)通过变压器(B1)的第二引脚(BY2)；第六引脚(VDD)连接至供电模块，并与第七引脚(GND1)通过第十三电容(C13)并联；第八引脚(VO2)通过第二十九电阻(R29)通过变压器(B1)的第一引脚(BY1)；
变压器(B1)包括第一引脚(BY1)、第二引脚(BY2)、第三引脚(BY3)、第四引脚(BY4)；第三引脚(BY3)连接至皮肤；第四引脚连接至皮肤；第三引脚(BY3)和第四引脚(BY4)通过第三十一电阻(R31)串联。
电阻检测模块用于检测穴位周围皮肤电阻变化并将电阻信息反馈给控制芯片，为控制芯片判断用户身体状况做依据；电阻检测模块使用CJ432作为基准电压源输出电压5V，再使用运放进行电流放大，通过正负电极片连接穴周皮肤，使电流通过人体，最后使用控制芯片ADC采样及串联电阻两端电压通过分压比计算人体电阻。
电阻检测模块包括型号为SGM8552的运算放大器(IC2A)和运算放大器(IC2B)、型号为CJ432的可控精密稳压源(U1)、阻值为33.2K的第五电阻(R5)、阻值为910的第十八电阻(R18)、阻值为500的第十九电阻(R19)、阻值为68的第一电阻(R1)、阻值为240的第二电阻(R2)、阻值为15K的第三电阻(R3)、阻值为6.8K的第四电阻(R4)、容量为10UF的第一电容(C1)、容量为0.22UF的第二电容(C2)、容量为3.3UF的第三电容(C3)、容量为0.22UF的第四电容(C4)；
运算放大器(IC2A)包括第一引脚(OUTA)、第二引脚(-INA)、第三引脚(+INA)、第四引脚(-VS)和第八引脚(+VS)；第八引脚(+VS)连接至供电模块，第四引脚(-VS)接地；第三引脚(+INA)通过第一电阻(R1)和第二电阻(R2)连接至供电模块，并与第一电容(C1)、第二四电容(C2)、第三电容(C3)和第四电容(C4)并联，且它们另一端都接地；可控精密稳压源(U1)包括参考极(R),阴极(K)和阳极(A)；阴极(K)连接至功运算放大器(IC2A)第三引脚(+INA)，阳极(A)接地，参考极(R)与第三电阻(R3)和第四电阻(R4)并联，第三电阻(R3)另一端连接至运算放大器(IC2A)第三引脚(+INA)，第四电阻(R4)另一端接地；第二引脚(-INA)与第一引脚(OUTA)并联；运算放大器(IC2B)包括第五引脚(+INB)、第六引脚(-INB)和第七引脚(OUTB)，第五引脚(+INB)通过第十八电阻(R18)与皮肤相连；第六引脚(-INB)连接至第七引脚(OUTB)，并与第十九电阻(R19)并联，第十九电阻(R19)另一端接地；第七引脚(OUTB)连接至控制芯片。.
用户通过蓝牙传输控制指令给控制芯片，控制芯片通过将控制指令发送给相应功能电路和模块达成用户所需功能，并接收功能电路和模块的信息反馈至串口模块，用户使用PC端通过蓝牙也可以了解相应检测和治疗信息。
实施例2
首先用户使用绷带将石墨烯复合电极片固定至所需穴位位置，然后通过控制模块上下达控制指令，接着本装置的各个模块根据指令进行定时定温加热灸疗、定频率定强度定时间电针治疗、电阻检测等功能，并将检测到的温度、电阻等信息传递至串口模块。
外接电源可采用通用的5V电源，即充电宝，即可开始使用。可随时随地携带，无需插座电源的限制。
用户可以根据自身需求设置热灸时间和温度以及电针强度频率和时间，同时用户可以使用PC端通过了串口模块实时看到检测到的温度和电阻信息。
用户可使用PC端通过串口模块知晓每秒石墨烯发热膜的温度。此设计的好处在于，用户可在使用PC端通过串口模块直观了解到设备加热情况，以便随时通过智能终端设备对温度、时间进行控制和改变。
实施例3
平和质受试者先测定正常人体温度对应的电阻曲线，再升温至40摄氏度测定电阻曲线。红外辐射前，正常人体200秒内，电阻变化为6个周期；红外辐射后，电阻变化为9个周期。说明红外辐射增加了平和质人体的离子代谢频率。
实施例4
阳虚质受试者先测定正常人体温度对应的电阻曲线，再升温至40摄氏度测定电阻曲线。红外辐射前，正常人体125秒内，电阻变化为2个周期；红外辐射后，电阻变化为5个周期。说明红外辐射增加了阳虚质人体的离子代谢频率。
采用石墨烯加热膜的优点在于，石墨烯发热低电压、高热量、安全轻薄，其释放的远红外辐射波长与人体波长相接近，便于热灸治疗。石墨烯的特殊结构使之具有良好的长程导电能力，能够检测到细微的电阻变化，便于检测人体的淋巴系统和组织间液之间的离子交换过程。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.基于石墨烯复合电极的人体组织间液离子代谢监测的装置，其特征在于：包括控制模块、供电模块、电针模块、加热模块、电阻检测模块；
控制模块电连接电针模块、加热模块、电阻检测模块、供电模块，控制模块包括控制芯片、串口模块、温度检测模块，串口模块和温度检测模块分别电连接控制芯片；
加热模块电连接供电模块，加热模块包括石墨烯电加热膜，石墨烯电加热膜包括由CVD法制备的石墨烯层、PET透明膜基底、银浆电极、PET透明防爆膜覆盖层、检测电极。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：供电模块通过稳压模块电连接控制模块。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：电针模块包括数字电位器、功放芯片、变压器、电极片。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：加热模块包括NMOS管，NMOS管源极接地。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：控制芯片具有向电针模块输出PWM波的功能。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括数据终端，数据终端连接串口模块。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：数据终端包括PC端。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：串口模块包括USB接口。
9.如权利要求1-8任一项所述的装置的调控方法，其特征在于：各个模块根据指令进行定时定温加热灸疗、定频率定强度定时间电针治疗、电阻检测功能，并将检测到的温度、电阻等信息传递至串口模块。
10.根据权利要求9所述的调控方法，其特征在于：平和质受试者先测定正常人体温度对应的电阻曲线，再通过石墨烯红外辐射升温至40摄氏度测定电阻曲线；阳虚质受试者先测定正常人体温度对应的电阻曲线，再通过石墨烯红外辐射升温升温至40摄氏度测定电阻曲线。
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