超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备

本发明涉及医疗器械，具体涉及一种超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备。

背景技术：

1、膝关节由于其独特的动态铰链结构，很不稳定，脆弱，容易受伤。人体膝关节发生病变的主要原因可以分为两大类：生理功能退化和一切外在诱因。关节生理功能退化多发生在中老年人中，随着年龄增长关节出现不可逆的损伤；还有一类多见于特定职业人群，如运动员，空降跳伞兵或其他一些需要长时间伏地、频繁使用膝盖的劳动人群。膝关节过度屈曲、外旋，承受长期肌肉负荷等都会引发膝关节疾病，如膝骨关节炎、半月板撕裂、软骨损伤等。突然的外力冲击或不适宜的走路、运动方式也会造成膝关节损伤，因此青少年群体也是我们所重点检测的对象。

2、随着社会健康医疗的发展，市场上有许多膝关节健康检测以及辅助康复设备，虽然可以利用膝关节活动的动态图像或超声分析来达到检测的目的，但现有设备占用空间大，价格昂贵，使用情景固定，且不能提前预防或矫正，不利于方便、灵活地使用该设备。还有一些便携式护膝主要是起固定支撑作用，也不能满足以上需求，且其束缚感很强，不利于长时间佩戴。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的主要目的是提供超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，即一种有效的用于膝关节健康检测的可穿戴设备，包括但不仅限于检测膝关节活动、血流变化等生理信息；解决了现有技术中检测设备体积大的问题，用mems工艺制备超声波收发装置，芯片级别的大小，便携。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：该设备至少包括一个可穿戴式贴片，贴片上包括超声波收-发模块，用超声波测量膝盖健康状态；所述超声波收-发模块具体至少包括一个生物粘合层，一个超声波收发层和一个柔性电路层；

3、其中，超声波收发层由pmut阵列组成，用以发射和接收超声波，发射超声波用于监测血流变化来评估膝关节组织水肿等病症；同时，pmut阵列接受两个信号的超声波，其中一个信号是发射的回波，另一个信号是膝关节活动过程中的摩擦音；生物粘合层作为支撑基底，用于与皮肤良好贴合。

4、作为优选方案，所述超声波收发层为基于mems工艺所制备的，连同柔性电路层、生物粘合层一起集成到芯片上。

5、进一步地，所述生物粘合层为pdms材料，用来贴合皮肤；其材料是弹性耦合材料、有机化合物合成的匹配层，用于匹配pmut阵列，以减少人跑步、运动时的动态干扰。

6、进一步地，所述pumt阵列由常规mems工艺流程制备，其衬底材料为si或cavity-soi材料。

7、进一步地，所述柔性电路层包括定制式模拟电路，其模拟电路至少包含用于信号滤波和放大的电路模块。

8、进一步地，所述超声检测装备为可穿戴式外观，且通过柔软亲肤的纺织物与膝盖固定，其外观结构为贴片式或绷带式。

9、以上技术方案具体展开来说：

10、本发明膝关节活动及血流变化超声检测设备，具体包括至少一个生物粘合层，其材料可以但不限于是pdms、弹性耦合材料、有机化合物合成的匹配层，用于匹配pmut阵列，可以减少人跑步、运动时的动态干扰；一个超声波收发层，用于超声波的发射和接收，超声波收发层由pmut阵列组成，上述pumt阵列由常规mems工艺流程制备，其衬底材料可以但不限于是si、cavity-soi等材料。其中，超声波发射器向体内发射超声波，用于探测关节，积液、血流量(速度)等信息，接收模块接受两种信号，一是接受超声回波，二是可用于采集膝盖摩擦、振动产生的声音；一个柔性电路层，收集到的超声信息及回波可到数据处理模块，进一步过滤、放大、量化采集的超声波信息。再与临床上的诊断标准结合，通过算法提取声波特征，最终得出膝关节健康评估结果。以及包括无线传输模块和智能终端，方便用户能实时读取有关健康数据，接收系统给出的提示、预警，实现提前预防，及时治疗的效果。

11、上述超声波收发层包括pmut阵列，用于向膝关节内发射超声波，并在探测关节组织积液后形成超声回波。超声波收发层所包括的pmut阵列还可以接收超声波信号，用于采集膝盖摩擦、振动产生的声音，以及接收回波信号。pmut阵列由mems工艺制备而成，且可与coms电路兼容。生物粘合层可以但不限于是pdms、弹性耦合材料、有机化合物合成的匹配层，用于减少人跑步、运动时的动态干扰。采集信号，要经过柔性电路层处理、分析，该电路模块可采用特定的数字、模拟、混合电路来放大、过滤、量化采集的超声波信息。

12、上述经过处理的采集到的超声波信息，可用机器学习算法进一步量化，与临床上的诊断标准结合，得出最终的膝关节健康评估结果，再通过无线通讯模块(蓝牙传输协议等)传输到智能终端上。

13、本发明的技术原理如下：

14、人体在活动的过程中，膝关节铰链处会产生相应的摩擦，会形成特定频率的关节声音，健康的膝盖和受到不同程度损伤的膝关节所形成的关节声音是不同的，因此可以通过分析传感器采集到的声音信号来判断膝关节的健康情况。除此之外，关节局部的血流速度(量)、关节积液(水肿)等信息也能从另一维度反映膝关节生理功能状态。目前大多是采用电生物阻抗(ebi)的方法来探测膝关节水肿情况，在这种情况下，需要向膝关节肌肉组织注入一个小电流来实现探测功能，则至少需要两套不同的传感器系统(超声系统和ebi测量单元)，本发明提出用收发超声波来代替小电流的的方法来检测膝关节健康状态，其中，超声波的收发用pmut阵列来实现，利用贴合人体皮肤，有弹性，粘合能力强的材料作为基底，同时在pmut阵列上覆盖一层柔性电路层，用于信号的收集和处理，利于后续小型化、集成化的设计。

15、本发明的优点及有益效果：

16、本发明的核心主要是pmut阵列的结构创新(通过柔性材料封装与顶层电路层集成，且pmut单元有角度的空腔设计)，以及应用场景创新。其利用pmut阵列发射超声波并接收其回波来探测膝关节的活动情况、水肿和血流等生物信息，同时pmut阵列还可以接收膝关节摩擦的声音。这是一种无需植入式的检测方法，而且使用贴合皮肤的材料作为生物粘合层，顶层覆盖柔性电路层，将pmut阵列与柔性电路层集成，大大缩小了检测装置的体积，具有小型化、集成化的优点，多个模块可以通过mems工艺集成到芯片上，占用空间小，与穿戴式贴片结合，通过穿戴式贴片或其他一切合适的穿戴式外观固定在膝关节处，方便与皮肤紧密贴合，以达到日常使用、及时检测和运动步态纠正的效果，此外该检测方法还可作为术后康复阶段的有效辅助手段。

技术特征：

1.一种超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：该设备至少包括一个可穿戴式贴片，贴片上包括超声波收-发模块，用超声波测量膝盖健康状态；所述超声波收-发模块具体至少包括一个生物粘合层(501)，一个超声波收发层(502)和一个柔性电路层(503)；

2.根据权利要求1所述的超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：所述超声波收发层(502)为基于mems工艺所制备的，连同柔性电路层(503)、生物粘合层(501)一起集成到芯片上。

3.根据权利要求1或2所述的超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：所述生物粘合层(501)为pdms材料，用来贴合皮肤；其材料是弹性耦合材料、有机化合物合成的匹配层，用于匹配pmut阵列，以减少人跑步、运动时的动态干扰。

4.根据权利要求3所述的超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：所述pumt阵列由常规mems工艺流程制备，其衬底材料为si或cavity-soi材料。

5.根据权利要求1或2或4所述的超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：所述柔性电路层(503)包括定制式模拟电路，其模拟电路至少包含用于信号滤波和放大的电路模块。

6.根据权利要求5所述的超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：所述超声检测装备为可穿戴式外观，且通过柔软亲肤的纺织物与膝盖固定，其外观结构为贴片式或绷带式。

技术总结
本发明公开了一种超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，包括一个超声波收发贴片。贴片上的超声波收发模块由PMUT阵列组成。贴片的组成结构包括：一个生物粘合层；一个超声波收发层；一个柔性电路层。其中超声波收发层，通过发射和接收回波，可以获取人体活动过程中关节摩擦情况和血流变化、积液等信息，采样得到的信息经过柔性电路层的处理，能得到个性化的健康反馈.此外，该膝关节检测系统还包括无线传输模块及相应外设装置。本发明仅用一层超声波收发层便可采集膝关节相关的生物信息；且采用MEMS工艺制备，该检测设备体积小，便于佩戴，能达到日常监护、及时预警的效果。

技术研发人员：刘文娟,曾敏,卢亮宇,胡博豪,蔡耀,刘炎,孙成亮
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14