一种基于柔性材料改性的医用可穿戴监测器及应用

本发明属于柔性传感器，具体涉及一种基于柔性材料改性的医用可穿戴监测器及应用。

背景技术：

1、亚健康是指介于健康和疾病之间的一种状态，处于亚健康状态的人没有达到健康的标准，表现为一定时间内的活力降低、功能和适应能力减退等，对于正常工作和生活都有影响。亚健康成为社会大患，因此，人们需要重视自己的健康状况，走出健康危机。

2、其中肺功能检查是呼吸系统疾病的必要检查之一。肺功能的检查远不如仅需抽血验尿的检查方便，但是定期的肺功能检查是预防支气管疾病以及小气道疾病具有重要意义。自闭症儿童测量肺活量对于评估其呼吸功能监测肺健康，评估其运动能力，以及监测治疗效果有重要的意义。由于自闭症儿童存在一定的社会交互，沟通能力障碍导致肺活量等肺功能监测尤为困难。另外对于患有睡眠呼吸暂停综合征的人群逐年增加。打鼾严重的人，在吸气时舌头会陷入喉咙，或者喉咙周围的组织会粘住气道，导致数十秒无法呼吸，甚至有窒息风险。另外对于瘫痪在床大小便失禁且对尿液量感知障碍的病人来说，对其尿量进行实时监测也是当前面临的技术难题之一。还有诸如进食量大导致的肥胖，足部姿势不正确导致的腰背部疼痛等等都是困扰当代人群的亚健康问题。

3、在此背景下，本发明通过柔性材料改性的医用可穿戴监测器材的设计有效解决了这一问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有的医用可穿戴监测器材使用的传感材料主要为导电聚合物(如聚吡咯、聚噻吩)等，随着科技发展这类材料的柔性、电流敏感性以及应力敏感性难以满足穿戴器材的使用需求。填补现有的肺功能、尿量等监测手段死板单一的缺陷，本发明提供了一种柔性材料改性的医用可穿戴监测器材，监测范围包括但不限于：生命体三维变化的健康指标，应力变化的检测指标，温度变化的监测指标。为实现高准确性，高效率，商业化柔性传感器的制备提供了一个新途径。

2、为了实现上述目的本发明提供了一种基于柔性材料改性的医用可穿戴监测器，通过以下步骤制备获得：

3、步骤1、柔性材料改性的传感器制备：

4、将聚吡咯或聚噻吩作为衬底利用cvd方法，在氩气气氛下(纯度99.8％)，温度为1045℃，预先加入反应物甲烷或sih4，在3厘米宽度的聚吡咯衬底进行12小时反应，使二维材料石墨烯或者硅烯生长覆盖在聚合物衬底之上，获得改性后的柔性传感材料，

5、步骤2、电源层、通信层以及控制层的集成：

6、二维材料改性的聚合物复合材料衬底裁剪成4cm×4cm的薄膜。与电源层(固定导线以及电极)、通信层(信号传感器)以及控制层(微型二极管)通过导电银浆利用刮涂法覆于二维材料改性的传感材料之上，实现器件的集成。获得集信号转换，信号处理、信号收发于一体的多层装置。

7、步骤3、可穿戴监测器材的封装：

8、利用导电银浆的粘附性，将材料按照功能层、传感层、电源层、通信层、控制层依次刮涂粘附，最后利用外包层将获得的结构均匀包裹，嵌入传感衣物中。

9、进一步的本发明还提供了一种传感材料测量肺活量的方法，包括以下步骤：

10、将胸腔体积变化的信号以及胸腔前后位置变化引起的相对加速度信号转变为电信号的原理如下：

11、在前后胸腔相对位置变化的过程中，以时间为单位，分别记录t-1与t+1时刻的胸腔体积改变导致不同位置传感材料的长度变化，在电流通过情况下表现为电阻值变化，通过不同位置传感材料的电阻变化得到对应的胸腔体积图，由人工智能算法根据波形图峰值大小可判断肺活量值。

12、上述测量肺活量的方法中，对于胸腔向前相对加速度则是分别记录t-1与t+1时刻的加速度为ai，front(t-1)和ai，f，ront(t+1)得到t时刻对应的向前加速度为可以表示为：

13、其中x，y，z为空间坐标系坐标；对于胸腔向后相对加速度则是分别记录t-1与t+1时刻的加速度为ai，back(t-1)和ai，back(t+1)得到t时刻对应的向后加速度为可以表示为：

14、其中x，y，z为空间坐标系坐标；

15、分别将得到的向前和向后和加速度作差得到相对加速度可表示为：

16、

17、进一步的，人工智能计算预测肺活量包括以下步骤：

18、传感层在得到尺寸、相对加速度的信息后将其转化为电信号，并传递给控制层及通信层，通过内置芯片中提前存入的人工智能内置算法处理数据首先对信息的有效性进行判断，根据周长变化相对速度差数据进行肺活量计算，随后根据获得的有效的肺活量数据给出肺功能健康状况分析数据，并对后期肺功能活动状况进行预测，后期预测数据与实际数据对比形成长期、高效、实时和精准的肺功能监测数据。

19、本发明方法优点与有益效果：

20、一、与现有技术相比，本发明首先在保证柔性材料改性的医用可穿戴监测器材传感能力的同时，利用人工智能中机器学习的深度学习以及神经网络学习的方法兼顾了其数据处理以及数据预测能力的提升。利用柔性材料的可导电性以及小体积的特点实现高效健康监测的目标。并对测试者的健康状况进行实时跟踪。这一研究使得柔性材料在健康监测领域获得更广泛的应用。

21、二、本发明是通过二维材料改性高分子聚合物或柔性导电材料(如水凝胶，液态金属或导电高分子等)，兼具柔性导电与人体皮肤接触良好的特点。在获得先进柔性传感材料的基础上，本发明在控制层嵌入内置芯片通过人工智能的方法对测得数据进行有效统计筛选，并根据大数据集对被测者不同年龄，不同性别，不同身体素质对应的身体状况进行精准科学预测。

22、三、本发明与现有技术相比，对睡眠呼吸暂停综合征患者等亚健康人群以及神经性瘫痪等患病人群健康状况起到良好的监测作用，对于自闭症儿童等弱势群体的健康监测以及病症治疗方面起到积极的作用，对于柔性材料改性的电极在传感器材领域有更广泛的实际应用。

技术特征：

1.一种基于柔性材料改性的医用可穿戴监测器，其特征在于，通过以下步骤制备获得：

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性材料改性的医用可穿戴监测器测量肺活量的方法，其特征在于，包括以下步骡：

3.根据权利要求2所述的传感材料测量肺活量的方法，其特征在于：对于胸腔向前相对加速度则是分别记录t-1与t+1时刻的加速度为ai，front(t-1)和ai，front(t+1)得到t时刻对应的向前加速度为可以表示为：

4.根据权利要求2所述的传感材料测量肺活量的方法，其特征在于：人工智能算法预测肺活量的方法如下：

技术总结
本发明属于柔性传感器技术领域，具体涉及一种基于柔性材料改性的医用可穿戴监测器及应用。主旨在于解决现有材料的柔性、电流敏感性以及应力敏感性难以满足穿戴器材的使用需求的问题。主要方案包括要的工作机理是本穿戴器材内置的柔性弹性传感材料在生命体三维尺度变化，应力变化，温度变化等监测指标作用于柔性传感材料中，引起材料电阻值的改变。在传感层中将体积变化和相对加速度转化为电信号，通过控制层进行电信号的筛选与输出，并通过人工智能手段对数据进行处理及预测。基于此原理在可穿戴医疗器材领域本发明具有广泛的应用场景，其中包括但不限于肺活量监测，膀胱尿量监测，进食量监测，足底压力监测的应用，实现全时段自适应检测，提高对特殊人群的健康监控能力与效率。

技术研发人员：牛晓滨,赵旭红,路顺
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5