CN114391816A - 智能健康监护贴 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种智能健康监护贴，包括：柔性基板；主机模块，用于采集和处理多种类型的人体生理信号，所述主机模块设置于柔性基板上表面；多个感知单元，用于感知人体皮肤并产生多种类型的人体生理信号，所述多个感知单元设置在柔性基板下表面，每一个感知单元与所述主机模块通过至少部分贯穿或嵌入所述柔性基底的金属线电连接；粘贴层，用于将监护贴固定在人体皮肤表面，所述粘贴层设置在柔性基板下表面，所述粘贴层具有多个孔，使得所述多个感知单元可以嵌入粘贴层。形成新一代的具备多模式、多参数采集能力、智能化、集成化且具有高拉伸强度的柔性健康监护贴方案。

Description

智能健康监护贴

技术领域

本申请涉及健康监护技术领域，尤其涉及一种智能健康监护贴。

背景技术

随着我国进入高龄化阶段，老年人身体健康的医疗监测越来越引起人们的重视，针对如何解决大病预防、小病先知的问题，在医疗监测设备中一直是研究的重点。基于传感技术、通讯技术，微型电路和现代医学的发展，综合多功能医疗检测设备不断出现，但是仍有一些不足需要进一步的改进和完善。

例如，现有监护设备形态笨拙，不便于携带，难以实现连续监测；另一方面，信息采集能力都相对单一，并且不具备智能化、物联网化的功能。而且由于其测量数据的单一性，无法支撑更先进的智能健康监测算法的不断升级演进。其实，在人体皮肤表面能够获取的有价值的数据可以包括脉搏波、多波段的光谱分析、基于干式电极的单导联ECG测量、呼吸率测量、高精度的接触式\非接触式温度测量、局部湿度测量、皮肤阻抗分布测量等诸多测量手段，均可获得对于高阶算法来说有重要意义的数据。尤其是随着机器学习技术的快速发展，多模式的数据配合算法模型的强大拟合能力，才能形成新一代的智能化、集成化、综合化的监护功能。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种智能健康监护贴，采用了如下技术方案：

本申请的提供了一种智能健康监护贴，所述监护贴包括：

柔性基板；

主机模块，用于采集和处理多种类型的人体生理信号，所述主机模块设置于柔性基板上表面；

多个感知单元，用于感知人体皮肤并产生多种类型的人体生理信号，所述多个感知单元设置在柔性基板下表面，每一个感知单元与所述主机模块通过至少部分贯穿或嵌入所述柔性基底的金属线电连接；

粘贴层，用于将监护贴固定在人体皮肤表面，所述粘贴层设置在柔性基板下表面，所述粘贴层具有多个孔，使得所述多个感知单元可以嵌入粘贴层。

优选地，所述监护贴还包括保护层，所述保护层设置于未与柔性基板接触的主机模块的表面。

优选地，所述柔性基板材料为聚酰亚胺或柔性玻璃。

优选地，所述多个感知单元包括：反射式光电测量传感器、心电电极、温度传感器、皮电反应测试电极、电阻抗成像测量电极、GPS定位传感器、加速度传感器或压力传感器。

优选地，所述主机模块具体包括：

前端采集模块，用于采集所述多个感知单元感知到的多种类型的人体生理信号；

计算模块，用于对所述多种类型的人体生理信号进行分析和处理；

无线通信模块，用于向外部传输数据，所述无线通信模块可以是蓝牙、Zigbee、wifi或RFID；

电源模块，用于供电，所述电源模块包括可充电或可更换的电池。

优选地，所述前端采集模块具体包括：多模式前端采集模块、生物电前端采集模块和行为前段采集模块。其中，反射式光电测量传感器、心电电极和温度传感器分别与多模式前端采集模块电连接；皮电反应测试电极和电阻抗成像测量电极分别与生物电测量前端采集模块电连接；GPS、加速度传感器、压力传感器分别于行为前段采集模块电连接。

相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

基于以上技术方案可知，本申请提供的一种智能健康监护贴，通过在柔性基板设置主机模块和多个感知单元，其中，反射式光电测量传感器、心电电极、温度传感器、皮电反应测试电极、电阻抗成像测量电极可动态连续监测心电、心率、血氧、脉搏、体温、肤阻、EIT、CIT等人体健康数据；

加速度传感器和GPS传感器可获得人体姿态及运动情况，便于分析在不同姿态和运动状态下人体体征的变化，综合判断人体健康及运动状况；

压力传感配合GPS定位传感器以及无线通讯模块来实现敲击SOS功能，当使用者出现紧急突发情况，例如心梗无法呼救时，连续几次（根据预设）敲击装置中压力传感器位置，主机模块即通过无线通讯模块向远程急救中心自动上传报警信号和定位信息，保证使用者及时获得医疗救护，极大程度提高患者出现意外时的生存几率；

通过无线通讯模块，例如蓝牙将用户健康及运动数据传输至手机或PAD等智能终端上，进行可视化管理，便于用户随时掌控自身身体变化，也可以传输至智能云平台上，通过云端大数据平台实现更专业的医疗健康分析，享受更加丰富的医疗健康监护服务；

将主机模块和多个感知单元集成到柔性基板，能够柔性地贴附人体表面，体感舒适，使得监护贴具有高高拉伸强度，适合日常监护使用；

在主机模块和未被主机模块覆盖的柔性基板的上表面设置有高分子材料保护层，起到保护作用，还可进一步提高健康监护贴的拉伸强度，减小因皮肤表面形变对健康监护贴产生的冲击力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本申请实施例提供的智能健康监护贴结构示意图。

图2是本申请实施例提供的智能健康监护贴沿A-A方向的剖视结构示意图。

图3是本申请实施例提供的智能健康监护贴模块示意图。

在附图中，各标号所表示的部件名称如下：11、主机模块，21、反射式光电测量传感器，22、心电电极，23、温度传感器，24、皮电反应测试电极，25、电阻抗成像测量电极，26、GPS，27、加速度传感器，28、压力传感器，31、粘贴层，32、柔性基板，33、保护层。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

图1是本申请实施例提供的智能健康监护贴结构示意图。

图2是本申请实施例提供的智能健康监护贴沿A-A方向的剖视结构示意图。

图3是本申请实施例提供的智能健康监护贴模块示意图。

参考图1至图3，智能健康监护贴包括主机模块11和多个感知单元。

由于智能健康监护贴需置于人体皮肤表面，例如，可以置于被监护人的前胸或手腕内侧，在监护过程中收到运动姿势改变时皮肤表面会遇到一定程度形变，因此，智能健康监护贴需基于柔性集成电路实现。

本申请实施例提供的智能健康监护贴包括柔性基底32，考虑到柔性基底32材料需要具有良好的生物相容性、稳定性和无毒特性，柔性基底32材料可选用聚酰亚胺（PI）或柔性玻璃，基板的厚度优选地小于0.5mm。

主机模块11设置于柔性基底32上表面。

一些实施例中，主机模块11可以是通过使用传统的半导体加工设备，在基板上通过沉积、图案化和蚀刻等过程制造出薄膜晶体管（TFT），薄膜晶体管的材料由金属氧化物铟、镓和锌的混合物制成，相较于硅芯片中的晶体管体积更小。通过制造可布线的金属层使得各晶体管连接实现主机模块11中的各电路模块或其他电子元件。

一些实施例中，主机模块11可以是独立集成电路，在封装过程中通过粘贴工艺将主机模块11固定至柔性基底32的表面。

多个感知单元设置于柔性基底32下表面，通过至少部分贯穿或嵌入柔性基底32的金属线电连接主机模块11。

多个感知单元包括反射式光电测量传感器21、心电电极22、温度传感器23、皮电反应测试电极24、电阻抗成像测量电极25、GPS定位传感器26、加速度传感器27和压力传感器28。多个感知单元用于从人体皮肤部位感知多种类型的人体生理信号，这些信号可是光电信号、生物电信号、阻抗信号、电流信号等，以满足多应用场景需求。

反射式光电测量传感器21用于采集多波段的光谱分析用信号。反射式光电测量传感器21的典型配置为2路绿光波段（510nm-560nm）用于脉搏相关测量，1路红光波段（610nm-700nm）和1路红外波段（大于800nm）用于血氧测量。可支持4路LED驱动，并可同时开启2路驱动。考虑到可穿戴这类低功耗需求，应尽可能在同等的驱动电流下获取更大的光电流效率，所以要尽力避免光路上带来的损耗，同时也要在结构上避免多LED及PD之间形成的串扰，LED优选辐射角度在60°左右的器件。针对不同应用类别，可选单波段的独立LED器件或者集成多个波段的LED模组。

心电电极22实现干性电极条件下单导联（I导联）心电测量，LA电极和RA电极分别位于健康贴的两端。需要注意的是，两个心电电极之间需要保持一定距离，至少为6厘米以上，优选为8 .5厘米以上。

干性电极带来的主要挑战在于较高的接触阻抗以及较高的过电压。高接触阻抗可通过提高放大器的输入阻抗解决，而过电压问题一般通过引入驱动电极为被测人体提供偏置电压来进行抵消。

另外，还可以采用与测量前端断开的RC电路对被测电势进行跟随，然后对极短时间内的电容放电的电荷转移进行测量。

采样电容的选择取决于需要达到的信噪比，以及为了在采样间隔期间形成充分充电所需的时间常数τ=2RC。为保证在采样时能够在电容两端获得与ECG差分电压成比例的电荷量，需使采样间隔大于3τ。经过足够的电荷积累，在采样时刻短时（例如，2us）接通电容与后续测量通路，实现电荷向积分器的转移，进而使用ADC进行采样。此工作模式下，在断路电容采样过程中，后续放大电路及ADC均处于断电状态，既有效的减小了整体测量的功耗，同时也减小了噪声的引入。

本方案集成了两者的优势，使用一定输入阻抗的运算放大器作为输入缓冲，同时采样使用上述方式二的电容悬浮采样原理，以达到干电极ECG采集的最优信噪比，并且能够做到及低功耗。

温度传感器23可以采用热敏电阻传感器，具体可以是医用NTC负温度系数热敏接触电阻传感器，NTC电阻针对体温测量适用的温度范围（例如，35℃-42℃），响应曲线具有适中的斜率，可实现高精度测量，还具有重复性好、稳定性高的优点，符合医疗级应用需求。

皮电反应测量电极24对用于使用柔性导电布电极通过伏安法测量，导电布分别位于健康贴的两端。激励端通过波形生成、DAC和放大电路形成交流激励，频率可以设置在200Hz以内。高频激励会对组织形成更深的穿透，所测并非皮肤表面的阻抗。同时避免使用直流激励，以避免使电极发生极化对人体组织带来潜在伤害风险。两端电极均串联限流电阻及隔直电容。

电阻抗成像测量电极25用于实现电阻抗成像得到阻抗特性，通过外部电极施加一定的电激励（例如，低频电流），由表面不同位置的电极测得的电参量（例如，电位分布）信息，用一定的计算方法来重构目标内部的阻抗或其变化的分布图像。电阻抗成像技术作用于人体时，主要根据人体不同组织所具有的不同阻抗特征，来实现病理现象或生理活动的监测。其使用的各个电极以弹簧触点的方式安装在柔性基底32下表面。谐和度测量使用直流激励进行。直流信号源发生的激励信号，通过人体电阻产生电流，多个激励点阵电极与1个公共电极形成测量通路，构建多个点的电阻分布图。每个激励点工作下，接收侧的等效电流通过对地采样电阻产生电压，对个点电压进行采样和处理，获取到人体内电磁场耗散结构上的整体信息，然后通过算法得到人体谐和度指标。通过配置不同的对地采样电阻，以及不同的激励电压，可用来适应不同的被测量人员皮肤接触阻抗的区别。

加速度传感器27用于采集人体的姿态和运动情况，作为数据记录的一项内容，便于分析在不同姿态和运动状态下，人体体征的变化分析，包括摔倒等行为监测等；还包括压力传感器28，配合GPS定位传感器及无线通讯模块即可实现敲击SOS功能，当使用人出现紧急突发情况无法呼救时，连续几次（根据主机模块预设的次数）按压/敲击装置中压力传感器位置，主机模块即通过无线通讯模块向远程急救中心自动上传报警信号和定位信息，保证使用者及时获得医疗救护，极大程度提高患者出现意外时的生存几率。

GPS定位传感器26用于定位，将主机模块11通过无线网络与远程急救中心实现通信，同时配合GPS定位传感器26可实现远程报警功能，当佩戴监护贴的被监护人人出现紧急突发情况，例如呼吸暂停、心脏停跳等，主机模块即通过无线通讯模块向远程急救中心自动上传报警信号和定位信息，保证被监护人及时获得医疗救护，提高被监护人发生意外时的生存几率。

需要注意的是，附图所示各感知单元的形状和位置仅用于表达示意，在实际操作中，其形状和设置位置可根据情况进行调整，并不局限于此。

主机模块11包括前端采集模块、计算模块、无线通信模块和电源管理模块。

前端采集模块包括灵活多变的信号调理电路及驱动电路，用于搭配多种不同外部电路实现光电采集、生物电采集、阻抗采集、电流检测和行为检测等多种应用，对来自多种感知单元的不同信号进行数据采集。前端采集模块能够作为一个集成式的感知单元汇集端，同步采集光电二极管、生物电电极、电阻、电容以及温度传感器产生的各类输入信号。这一特点使其能够集成化的满足PPG、ECG、GSR及体温采集等应用场景的需求。

在一些实施例中，前端采集模块可以具体包括多模式前端采集模块、生物电前端采集模块和行为前段采集模块。其中，反射式光电测量传感器、心电电极和温度传感器分别与多模式前端采集模块电连接；皮电反应测试电极和电阻抗成像测量电极分别与生物电测量前端采集模块电连接；GPS、加速度传感器、压力传感器分别于行为前段采集模块电连接；多模式前端采集模块、生物电前端采集模块和行为前段采集模块分别于计算模块电连接。

多模式前端采集模块具有对口多种类型信号的调理电路及驱动电路，能够搭配不同外部感知单元实现光电采集、心电采集和体温采集等多种应用。支持为多路（例如，4路）LED提供电流激励，并提供多路（例如，8路）测量通道。内部的时序管理电路可自动形成多个（例如，12个）独立的时隙，分别对不同的信号进行数据采集。

多模式前端采集模块中模拟采集设计可以为同步调制式，能够有效的屏蔽非同步干扰引入的信号偏置及失真，在光电采集场景中即能够有效地起到环境光抑制作用，减少光学滤波或外部的直流信号消除电路等设计负担。

多模式前端采集模块作为一个集成式的感知单元汇集端，同步采集光电二极管、心电电极以及温度传感器产生的各类输入信号。这一特点使其能够集成化的满足PPG、ECG及体温采集等应用场景的需求。

生物电前端采集模块适用于移动小型化设备的高精度、低功耗对精度有较高要求的电化学测量及阻抗分析场景。阻抗及电化学测量前端采集模块具有2套高精度的检测激励环路和一个共用的测量通道。其中一个环路由极低功耗的双输出DAC、低功耗低噪声的等电势器以及低功耗跨阻放大器（TIA）构成。DAC一路输出控制等电势的正相输入端，另一路控制TIA的正相输入端。该环路能够提供低频激励。另一个环路由高速DAC、激励放大器和高速TIA构成，该回路能够提供高频激励。

生物电测量前端采集模块的测量通道可以为一个SAR ADC。其前端包含了输入缓冲器、抗混叠滤波以及可编程增益放大器（PGA）。输入多路复用器可将多路信号送入ADC进行信号采集，输入通路包括了外部电压输入、外部电流输入、内部供电电压以及参考电压。模块内提供了高精度基准源，能够保证内部的ADC和DAC工作在极低温漂的高精度环境中。

计算模块用于对所述多种类型的人体生理信号数据进行分析和处理。计算模块主要组成CPU、RAM和Flash。计算模块中集成了若干的浮点计算单元，可为本设计中来自多种感知单元的信号数字处理需求提供支持。计算模块内部也集成了多组DC/DC、LDO电源组合，支持一定范围内的宽电压输入范围，例如，可以为1.7V-5.5V，能够用锂电池直接供电。

电源管理模块用于为整个***提供供电，可以是可充电或可更换的电池。

无线通信模块可以为通过蓝牙、ZigBee、wifi或RFID的方式向外部传输数据。在一些实施例中，无线通信模块为为通过蓝牙传输数据，模块内部可以包括集成射频及通信基带，配合多种通信协议栈，能够在高度集成化的***设计条件下使用蓝牙5、蓝牙Mesh、ANT+以及NFC等多种通信能力，其通信能力可支持蓝牙Long Range标准，使得本申请实施例提供的智能健康监护贴成为有蓝牙通信需求的可穿戴设备或小型IoT设备，可以满足将处理后的数据传输至外部接收平台，外部接收平台包括健康云平台、智能终端和远程急救中心的一种或多种。将被监护人生理健康数据传输至监护人手机或PAD等智能终端上，可进行可视化管理，便于监护人随时掌控被监护人身体变化；当然，也可以将处理后的数据上传至健康云平台，通过云端大数据平台实现更专业的医疗健康分析，享受更加丰富的医疗健康监护服务。

为了实现连续动态的健康监护，在柔性基底32的下表面还设置有粘贴层31，用于将监护贴固定在人体皮肤表面。较为优选的方式是仅设置在柔性基底32下表面两侧部分区域，同时可以使主机模块11接触的柔性基底32在运动时可以尽量避免接触人体表面，提高人体舒适度，同时对主机模块起到保护作用。粘贴层31可以采用能够重复使用的水胶体粘合剂，或者是医用硅胶与防过敏高粘度胶水，当然也可采用其他能够重复使用的粘合材料，所述粘贴层31在各电极所在区域需要设计相应的孔，使得多个感知单元可以嵌入在其中，电极表面应与粘贴层31保持在相同平面，或者略微超过粘合层31，保证与人体表面的接触。

在主机模块11和未被主机模块11覆盖的柔性基板32的上表面设置有保护层33，保护层33覆盖柔性基板32和主机模块11，保护层33的材料可以包括拉伸强度高的高分子材料，例如，保护层33的材料可以是聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸已二醇酯（PET）、硅橡胶、聚乙烯（PE）。保护层33可以为多层薄膜，采用多层薄膜封装技术对主机模块11进行封装，保护层33可以包括多个无机层和多个有机层交替叠加，每个有机/无机层堆叠构成一对。多层柔性薄膜堆叠的保护层33进一步提高健康监护贴的拉伸强度，可以对物理形变起到缓冲作用，以保护健康监护贴不受到破坏的同时满足可弯曲的柔性形变能力，保护层33还起到阻隔水氧的作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种智能健康监护贴，其特征在于，所述监护贴包括：

柔性基板；

主机模块，用于采集和处理多种类型的人体生理信号，所述主机模块设置于柔性基板上表面；

多个感知单元，用于感知人体皮肤并产生多种类型的人体生理信号，所述多个感知单元设置在柔性基板下表面，每一个感知单元与所述主机模块通过至少部分贯穿或嵌入所述柔性基底的金属线电连接；

粘贴层，用于将监护贴固定在人体皮肤表面，所述粘贴层设置在柔性基板下表面，所述粘贴层具有多个孔，使得所述多个感知单元可以嵌入粘贴层。

2.根据权利要求1所述的监护贴，其特征在于，所述监护贴还包括保护层，所述保护层设置于未与柔性基板接触的主机模块的表面。

3.根据权利要求1所述的监护贴，其特征在于，所述柔性基板材料为聚酰亚胺或柔性玻璃。

4.根据权利要求1所述的监护贴，其特征在于，所述多个感知单元包括：反射式光电测量传感器、心电电极、温度传感器、皮电反应测试电极、电阻抗成像测量电极、GPS定位传感器、加速度传感器或压力传感器。

5.根据权利要求1所述的监护贴，其特征在于，所述主机模块具体包括：

前端采集模块，用于采集所述多个感知单元感知到的多种类型的人体生理信号；

计算模块，用于对所述多种类型的人体生理信号进行分析和处理；

无线通信模块，用于向外部传输数据，所述无线通信模块可以是蓝牙、Zigbee、wifi或RFID；

电源模块，用于供电，所述电源模块包括可充电或可更换的电池。

6.根据权利要求5所述的监护贴，其特征在于，所述前端采集模块具体包括：多模式前端采集模块、生物电前端采集模块和行为前段采集模块,其中，反射式光电测量传感器、心电电极和温度传感器分别与多模式前端采集模块电连接；皮电反应测试电极和电阻抗成像测量电极分别与生物电测量前端采集模块电连接；GPS、加速度传感器、压力传感器分别于行为前段采集模块电连接。

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