一种柔性可穿戴汗液传感器及其汗液分析方法与应用与流程

文档序号:21584834发布日期:2020-07-24 16:26阅读:620来源:国知局
一种柔性可穿戴汗液传感器及其汗液分析方法与应用与流程

本发明涉及汗液分析技术领域,具体一种柔性可穿戴汗液传感器及其汗液分析方法与应用。



背景技术:

利用可穿戴设备对人体各项指标进行测试来实现对人体疾病的诊断和运动员运动表现的监测在近些年引起了广泛的关注,同时可穿戴装备也得了一定程度的发展。通过可穿戴装备对运动员进行生理、生化和运动学指标的分析也是评价运动员运动表现和运动机能最为常用的方法,而现有的设备穿戴位置有限,同时常因体积、形状、重量和有线数据传输而限制人体身体活动,甚至使得有些测试只能在实验室中进行。这给运动员运动表现测试、运动损伤和运动康复进程评估造成了诸多不便。另一方面,现有的可穿戴设备侧重于采集一些生物物理学指标的监测,例如心率、血压、步数等,而有巨大潜力的柔性可穿戴汗液传感器却没有得到人们足够的重视。

柔性可穿戴汗液传感器在体育科学中的应用主要集中于汗液分析上。汗液作为一种含有丰富的小分子、电解质和代谢物的体液,蕴藏了分子水平的生物化学信息,同时运动过程中的出汗量和出汗率也与人体的健康状态息息相关。利用柔性可穿戴汗液传感器对人体的汗液进行监测,可以在不采集血样的情况下进行连续、无创的生理生化分析,原位(insitu)汗液定量分析在生理状态的监测(例如水合状态)和疾病的诊断(如膀胱纤维化)中都有着广泛的应用。

汗液分析主要利用汗腺自然产生的压力推动汗液进入微流控芯片上一系列预先设计好的微管道与微腔室内,随后通过一些显色反应和图像分析对汗液内物质浓度、出汗量和出汗率进行量化。汗液分析可应用于监测运动员的生理状态。在训练过程中,汗液中乳酸浓度的测定可以为评估运动员的训练强度提供依据,从而给运动员制定更加科学合理的训练计划。此外,汗液中葡萄糖浓度的测定有利于我们精准判断运动员的能量消耗情况;与此同时,其对运动员科学训练和社会体育工作者指导大众健身也有非常重要的应用价值。对出汗量和出汗率进行测试能够精确地评估人体在运动过程中的水合状态和热调节状态,然而这类柔性可穿戴汗液传感器却存在诸多不足:难以采集多点的数据,不是数据点相距太远导致数据量少,就是仅能得到一段时间内的平均值。故目前市场上急缺一款可以实时对于人体汗液损失量信息进行测试来反映人体的生理状态,同时能够及时为使用者提供科学的补水策略的柔性可穿戴汗液传感器。



技术实现要素:

本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性可穿戴汗液传感器及其汗液分析方法与应用,旨在解决上述技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下:

一种柔性可穿戴汗液传感器,包括从下至上依次层叠设置的吸附层、固定层、导汗层和测量层,所述吸附层吸附在人体皮肤上,用于收集汗液;所述固定层可拆卸的安装在所述吸附层上,所述导汗层固定在所述固定层上,汗液通过所述固定层后所述导汗层对汗液进行导向;所述测量层固定安装在所述导汗层上,用于测量人体的出汗量。

本发明的有益效果是:人体在运动的过程中,将汗液传感器佩戴在身上;首先通过吸附层收集人体运动时产生的汗液,汗液通过固定层后,然后通过导汗层对汗液进行导向处理,最后通过测量层测量汗液在导汗层内流动时的体积,从而计算出人体运动时的出汗量。本发明采用柔性材料制成,能够很好的与人体皮肤相亲和,也能适应人体有曲度的四肢解剖结构,同时还能抵御人体运动造成的各种形变;另外,具有防水功能,可根据用户需求做灵活调节,可适用于不同的环境和不同人体,适用性较强;而且,可重复使用,成本较低。

在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。

进一步,所述导汗层包括导汗体,所述导汗体上设有汗液导管,所述测量层测量所述汗液导管内汗液的体积;所述导汗体上分别设有汗液入口和汗液出口,所述汗液入口和所述汗液出口分别与所述汗液导管的两端连通。

采用上述进一步方案的有益效果是人体运动的过程中,汗液由吸附层收集,然后通过固定层后到达汗液入口,汗液从汗液入口进入汗液导管内,并在汗液导管内流动,最后从汗液出口流出;汗液流动的过程中,测量层对汗液导管内流动的汗液的体积进行测量,测量方便快捷,精确度高。

进一步,所述测量层包括测量体和微传感器,所述测量体上固定安装有与所述汗液导管匹配的电极,所述电极上均匀间隔固定安装有多个微电极,每个所述微电极的一端均延伸至所述汗液导管内;所述微传感器通过线路与所述电极上的电极排线连接,用于记录汗液在所述汗液导管内通过时与所述微电极形成微电路时产生的电信号。

采用上述进一步方案的有益效果是汗液在汗液导管内流动的过程中,汗液导管内的汗液与微电极及微传感器形成闭合回路,微传感器记录闭合回路中的电信号,并测试出汗液导管内所收集汗液的体积,测量方便快捷,精确度高。

进一步,所述微传感器包括微传感模块,所述微传感模块上连接有排线接口,所述排线接口与所述电极排线连接。

采用上述进一步方案的有益效果是通过微传感模块记录汗液在汗液导管内通过时与微电极形成微电路时产生的电信号,以便计算汗液的体积,测量方便快捷。

进一步,所述微传感器还包括蓝牙模块和用户端,所述蓝牙模块通过线路与所述微传感模块连通,并与所述用户端无线通讯连接,用于将所述微传感模块所收集的数据通过无线的方式传输给所述用户端。

采用上述进一步方案的有益效果是通过蓝牙模块将微传感模块所收集的数据通过无线的方式传输给用户端(手机app或云端数据库),以便精确的测试出汗量和出汗率,并即刻通过用户端给出推荐补水策略,科学运动。

进一步,所述微传感器还包括用于给所述微传感模块供电的电池,所述电池通过线路与所述微传感模块连接。

采用上述进一步方案的有益效果是通过电池给微传感模块供电,人体可以随时随地使用方便,使用非常方便。

进一步,所述吸附层、所述固定层、所述导汗层和所述测量层均采用柔性材料制成。

采用上述进一步方案的有益效果是以便适用于人体在运动时造成的各种变形,使用方便,使用寿命长。

一种利用如上所述的柔性可穿戴汗液传感器分析汗液的方法,包括以下具体步骤:

s1:通过所述吸附层将所述柔性可穿戴汗液传感器固定在人体表皮上;

s2:人在运动时分泌的汗液通过所述固定层后到达所述导汗层,并在所述导汗层内流动,所述测量层对所述导汗层内流动的汗液进行测量分析。

采用上述进一步方案的有益效果是人体在运动前将汗液传感器佩戴在身上,人在运动时分泌的汗液通过固定层后到达导汗层,并在导汗层内流动,测量层对导汗层内流动的汗液进行测量分析,测量方便快捷,汗液测量的精确度高,为后续科学运动、合理补充水分提供科学的依据。

进一步,所述步骤s2具体包括以下步骤:

s21:所述吸附层收集的汗液通过所述固定层上的汗液收集通道后到达所述汗液入口,汗液从所述汗液入口进入所述汗液导管流动,并从所述汗液出口流出;

s22:汗液在所述汗液导管内流动时,所述汗液导管内的汗液与所述微电极及所述微传感器形成闭合回路,所述微传感器记录所述闭合回路中的电信号,并测试出所述汗液导管内所收集汗液的体积。

采用上述进一步方案的有益效果是汗液在汗液导管内流动时,汗液导管内的汗液与微电极及微传感器形成闭合回路,微传感器记录闭合回路中的电信号,并测试出汗液导管内所收集汗液的体积,测量方便快捷,汗液测量的精确度高,为后续科学运动、合理补充水分提供科学的依据。

一种如上所述的柔性可穿戴汗液传感器或如上所述的汗液分析方法在人体运动中生理状态的监测和疾病的诊断中的用途。

采用上述进一步方案的有益效果是本发明提供的汗液分析方法可以应用于人体在运动状态下的生理状态监测以及疾病的诊断,应用范围非常广泛。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图;

图2为本发明中导汗体的结构示意图;

图3为本发明中测量体的结构示意图;

图4为本发明中微电极测试汗液体积的原理示意图。

附图中,各标号所代表的部件列表如下:

1、吸附层,2、固定层,21、汗液收集通道,3、导汗层,31、导汗体,32、汗液导管,321、汗液入口,322、汗液出口,4、测量层,41、测量体,411、电极,412、微电极,413、电极排线,42、微传感器,421、微传感模块,422、排线接口,423、蓝牙模块,424、电池。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。

如图1至图4所示,本发明提供一种柔性可穿戴汗液传感器,包括从下至上依次层叠设置的吸附层1、固定层2、导汗层3和测量层4,吸附层1吸附在人体皮肤上,用于收集汗液;固定层2可拆卸的安装在吸附层1上,导汗层3固定在固定层2上,汗液通过固定层2后导汗层3对汗液进行导向;测量层4固定安装在导汗层3上,用于测量人体的出汗量。人体在运动的过程中,将汗液传感器佩戴在身上;首先通过吸附层1收集人体运动时产生的汗液,汗液通过固定层2后,然后通过导汗层3对汗液进行导向处理,最后通过测量层4测量汗液在导汗层3内流动时的体积,从而计算出人体运动时的出汗量。本发明采用柔性材料制成,能够很好的与人体皮肤相亲和,也能适应人体有曲度的四肢解剖结构,同时还能抵御人体运动造成的各种形变;另外,具有防水功能,可根据用户需求做灵活调节,可适用于不同的环境和不同人体,适用性较强;而且,可重复使用,成本较低。

吸附层1与人体皮肤接触的一面涂有粘胶,使用时直接粘在人体检测汗液的区域;另外,吸附层1中央设有汗液收集点,该汗液收集点大约覆盖有5–20个毛孔,优选大约覆盖有10个毛孔。

固定层2为胶粘层,其下表面通过粘胶直接粘在吸附层1上;由于其材料与导汗层3相同,其与导汗层3直接融合。使用过程中,一个人的汗液检测完成后,需要更换固定层2,其它部件可重复使用,不需要更换,节约成本。

另外,固定层2的中心处至少设有一个汗液收集通道21,汗液收集通道21与汗液入口321连通;当汗液收集通道21的数量有多个时,多个汗液收集通道21密集的分布于固定层2的中心处,且均与汗液入口321连通;而且,吸附层1的中心处设有多个与汗液收集通道21一一对应的吸附小管。

上述汗液收集通道21的数量优选为1-4个,其直径为500μm–3mm,高度为10–250μm;优选的,汗液收集通道21的直径为1mm–3mm,高度为15–25μm。

实施例1

在上述结构的基础上,本实施例中,导汗层3包括导汗体31,导汗体31上设有汗液导管32,汗液导管32通过激光刻蚀和pdms浇铸的方式形成于导汗体31上,测量层4测量汗液导管32内汗液的体积;导汗体31上分别设有汗液入口321和汗液出口322,汗液入口321和汗液出口322通过本领域技术人员所能想到的方式例如管道分别与汗液导管32的两端连通。人体运动的过程中,汗液由吸附层1收集,然后通过固定层2后到达汗液入口321,汗液从汗液入口321进入汗液导管32内,并在汗液导管32内流动,最后从汗液出口322流出;汗液流动的过程中,测量层对汗液导管32内流动的汗液的体积进行测量,测量方便快捷,精确度高。

导汗层3由传统的激光刻蚀技术(photolithography)和pdms(polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)浇铸技术制成,pdms(聚二甲基硅氧烷)很好的稳定性和其可形变性使得其成为上述的柔性可穿戴汗液传感器的导汗层3的材料。导汗层3的汗液导管32宽度为500μm–1.5mm,高度为100–500μm,长度为45–80mm;

优选的,汗液导管32的宽度为800μm–1.2mm,高度为200–400μm,长度为60–80mm;汗液导管32的汗液入口321直径为0.5mm,汗液出口322的长度为2.5mm,宽为100μm,高为300μm。

需要说明的是,汗液出口322的参数设定可以保证该设备内收集的汗液蒸发量几乎为0的情况下同时保证设备防水性和汗液正常进入时不受到气压阻力。

另外,人体在运动时分泌的汗液在汗腺产生的自然推力作用下通过汗液收集通道21和汗液入口321进入汗液导管32,若汗液导管32被汗液所充满,则汗液将从所述汗液出口322排出,需要指出的是,汗液导管32一般不会轻易被充满,汗液导管32的体积能够容纳一个正常人中等强度运动3小时所产生的汗液。

实施例2

在实施例一的基础上,本实施例中,测量层4包括测量体41和微传感器42,测量体41上通过微机电加工技术固定安装有与汗液导管32匹配的电极411,电极411上均匀间隔固定安装有多个微电极412,每个微电极412均与电极411一体成型,每个微电极412的一端均延伸至汗液导管32内;微传感器42通过线路与电极411上的电极排线413连接,用于记录汗液在汗液导管32内通过时与微电极412形成微电路时产生的电信号。汗液在汗液导管32内流动的过程中,汗液导管32内的汗液与微电极412及微传感器42形成闭合回路,微传感器42记录闭合回路中的电信号,并测试出汗液导管32内所收集汗液的体积,测量方便快捷,精确度高。

优选地,本发明中,吸附层1、固定层2、导汗层3和测量层4可以根据需求采用不同的几何形状,优先采用圆形。

另外,汗液导管32优先呈环形分布,且其两端之间留有间隙。

上述测量体41采用pet(聚对苯二甲酸二醇酯),电极411和微电极412除裸露区域外的部分以及电极排线413采用cu铜作为电路材料,电极411裸露区域的微电极412采用au金作为电路材料,以增加上述的柔性可穿戴汗液传感器的耐用性。

测量体41中的电极411包含微电极412的数量为9-72个;优选的,电极411包含微电极412的数量为18-48个;电极411包含电极排线413的数量为1-8个;优选的,电极411包含电极排线413的数量为2-4个;微电极411的宽度为10-500μm;优选的,微电极411的宽度为50-100μm;电极411的排布方式不仅限于辐向分布,其余沿汗液导管32走向分布的排布方式也适用。

需要进一步说明的是,微电极412的数量可以增加到上百个,以增加其数据量和精度,技术并非不可实现,但会大大的提升加工制造的成本。针对有特殊要求的用户,本发明中将提供定制版的柔性可穿戴汗液传感器。

实施例3

在实施例二的基础上,本实施例中,微传感器42包括微传感模块421,微传感模块421上连接有排线接口422,排线接口422与电极排线413连接。汗液分析过程中,通过微传感模块421记录汗液在汗液导管32内通过时与微电极412形成微电路时产生的电信号,以便计算汗液的体积,测量方便快捷。

另外,微传感模块421仅在汗液导管32内与所收集汗液最前沿直接相邻的两个微电极412施加电压,以尽可能的延长柔性可穿戴汗液传感器的续航时长。

实施例4

在实施例三的基础上,本实施例中,微传感器42还包括蓝牙模块423和用户端,蓝牙模块423通过线路与微传感模块421连通,并与用户端无线通讯连接,用于将微传感模块421所收集的数据通过无线的方式传输给用户端。汗液分析过程中,通过蓝牙模块423将微传感模块421所收集的数据通过无线的方式传输给用户端(手机app或云端数据库),以便精确的测试出汗量和出汗率,并即刻通过用户端给出推荐补水策略,科学运动。

实施例5

在实施例三的基础上,本实施例中,微传感器42还包括用于给微传感模块421供电的电池424,电池424通过线路与微传感模块421连接。使用过程中,通过电池424给微传感模块421供电,人体可以随时随地使用方便,使用非常方便。

本实施例中,微传感器42所包含的微传感模块421内算法有着高度的简单性,如仅记录工作时间和在汗液导管32内测试所得的汗液体积;并尽可能节约电能,如设有静息模式,该静息模式是指在测试时间点之间的时间段微传感器42仅有电池424和微传感模块421中计时器在运转,其余处于关闭状态。

另外,当微传感器42同时包括微传感模块421、蓝牙模块423和电池424时,电池424同时给微传感模块421和蓝牙模块423供电;而且,电池424的电量至少可以满足微传感模块421和蓝牙模块423连续工作三小时。

需要说明的是,上述微传感模块421、蓝牙模块423和电池424均采用的是现有技术。

实施例6

在上述结构的基础上,本实施例中,吸附层1、固定层2、导汗层3和测量层4均采用柔性材料制成,以便适用于人体在运动时造成的各种变形,使用方便,使用寿命长。

本发明中,一种利用如上的柔性可穿戴汗液传感器分析汗液的方法,包括以下具体步骤:

s1:通过吸附层1将柔性可穿戴汗液传感器固定在人体表皮上;

s2:人在运动时分泌的汗液通过固定层2后到达导汗层3,并在导汗层3内流动,测量层4对导汗层3内流动的汗液进行测量分析。

使用时,人体在运动前将汗液传感器佩戴在身上,人在运动时分泌的汗液通过固定层2后到达导汗层3,并在导汗层3内流动,测量层4对导汗层3内流动的汗液进行测量分析,测量方便快捷,汗液测量的精确度高,为后续科学运动、合理补充水分提供科学的依据。

上述步骤s2具体包括以下步骤:

s21:吸附层1收集的汗液通过固定层2上的汗液收集通道21后到达汗液入口321,汗液从汗液入口321进入汗液导管32流动,并从汗液出口322流出;

s22:汗液在汗液导管32内流动时,汗液导管32内的汗液与微电极412及微传感器42形成闭合回路,微传感器42记录闭合回路中的电信号,并测试出汗液导管32内所收集汗液的体积。

使用时,汗液在汗液导管32内流动时,汗液导管32内的汗液与微电极412及微传感器42形成闭合回路,微传感器42记录闭合回路中的电信号,并测试出汗液导管32内所收集汗液的体积,测量方便快捷,汗液测量的精确度高,为后续科学运动、合理补充水分提供科学的依据。

另外,如上所述的柔性可穿戴汗液传感器或如上所述的汗液分析方法在人体运动中生理状态的监测和疾病的诊断中的用途。本发明提供的汗液分析方法可以应用于人体在运动状态下的生理状态监测以及疾病的诊断,应用范围非常广泛。

本发明的工作原理如下:

当体表分泌的汗液在汗液自然推力的作用下相继通过汗液收集通道21和汗液入口321后,汗液将在柔性导汗层3的汗液导管32内走行,由于汗液中含有丰富的电解质,如钠、钾离子等,当汗液最前端经过第2个微电极412开始,因相邻两微电极412的所带电荷正负性相反,每接触到前一个微电极412,都会通过汗液离子导电与上一个接触到的微电极412形成闭合电路,此时形成的电信号即可作为定位汗液最前端位置的指示信号;而又因柔性导汗层3的汗液导管32的汗液入口321,到每一个微电极412所在位置之间的管道体积一定,可计算且可预先使用虹吸泵(syringepump)校正,故微传感器42的微传感模块421收到汗液最前端所对应的微电极序号即可得出此时汗液导管32所收集汗液的体积,也即从开始工作到此刻这一时间段的总出汗量,而利用汗液最前端连续触及两个相邻微电极412的时间间隔和总汗液量在这一时间段的变化,即可得出这两个时间点间的出汗率(两个时间点之间的总汗液量增加量除以时间点间隔得到的商)。

用户端(手机app或云端数据库)得到的汗液导管32内收集汗液的体积即为该时间段的总汗液量,并将两个时间点之间的总汗液量增加量除以时间点间隔,得到的商即为每一个时间段内的出汗率;手机app通过与云端数据库连接,并根据用户的年龄、性别、体重和身体含水量等指标,给出用户的水合状态指标和即时的科学补水策略。

上述步骤中所述仅为多个应用中的一个,其他示例应用的具体步骤如下:对于汗液分析研究,例如建立同一个人身体不同位置出汗量的关系、不同人同一身体位置出汗量的关系、同一个人局部出汗量与全身出汗量的关系,上述的柔性可穿戴汗液传感器对应的手机app会将汗液传感器所贴附的体表位置记录下来,一并上传到云端数据库进行整合分析;上述的柔性可穿戴汗液传感器可配合体成分测试仪等其他测试工具,同步评估全身出汗量、失水量等与局部汗液分析数据的关系。

对于运动营养研究,例如无机盐的补充量的确定,配合现有研究建立的汗液损失数据与无机盐离子损失的关系,尤其是汗液中大量存在的钠、钾、氯离子等,可以在给出科学合理的补水策略的同时给出推荐的无机盐补充量,有助于维持人体的电解质平衡,能够更好的促进长距离运动员的运动表现维持。

对于特殊职业人群监测,例如消防、高温车间技术人员等需要在高温条件下工作人群的监测,上述的柔性可穿戴汗液传感器使用高密度排布的微电极412,增加数据量,并设置脱水预警,在用户脱水前就给予预警和补水策略,可以更好的保护特殊职业人群的健康和生命安全。

相比与现有的可穿戴设备,本发明拥有诸多优势,主要五点如下:

a)可长时间佩戴。上述的柔性可穿戴汗液传感器基于pdms(聚二甲基硅氧烷)和pet(聚对苯二甲酸二醇酯)等柔性材料制作,能够很好的与人体皮肤相亲和,也能适应人体有曲度的四肢解剖结构,同时还能抵御人体运动造成的各种形变;

b)可重复使用。上述的柔性可穿戴汗液传感器基于以下结构:易于更换的医用级胶粘剂薄膜和可长期使用的柔性导汗层,其基于pmds(聚二甲基硅氧烷);柔性电极层,其基于pet(聚对苯二甲酸二醇酯)和微传感器,因此可以反复使用,可以降低用户使用的成本,同时也更加环保;

c)数据量大,且可以根据用户需求灵活改变。上述的柔性可穿戴汗液传感器基于易于加工制造的pet(聚对苯二甲酸二醇酯)柔性电极411,通过增加柔性电极层微电极412的密度,既可增加数据量;另一方面,还可以通过将柔性电极411的密度增加到现有加工技术水平的最大值,再通过微传感器42内部算法控制激活(施加电压)的微电极412数量和位置来改变数据量,以适应不同群体的需求;

d)续航时间长。上述的柔性可穿戴汗液传感器基于的微传感器42微传感模块421有着高度的算法简单性和设有静息模式,可大大的延长续航时间,且不需要外界通过nfc(近场通讯)进行无线电能递送,其柔性电池424电量可供应上述的柔性可穿戴汗液传感器连续工作至少3小时,同时柔性导汗层3的汗液导管32也可容纳一个正常人中等强度运动3小时所产生的汗液,具有长时间续航能力,故长距离长时间等耐力项目均可使用上述的柔性可穿戴汗液传感器进行汗液分析;

e)可以防水。上述的柔性可穿戴汗液传感器的柔性导汗层3汗液出口322极小,加上汗液进入的自然压力,可使其在不受外界水环境干扰的情况下工作;此外,微传感器42也设有防水薄膜,故上述的柔性可穿戴汗液传感器可以在水环境中工作,能很好地适应赛艇、皮划艇、游泳等运动的人群获取生理状态信息和补水策略的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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