CN116195991A - 界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，包括电路层、水凝胶界面层和封装层，电路层封装于封装层上，水凝胶界面层布置于封装层底部，水凝胶界面层作为皮肤界面层，使用时与皮肤贴合粘贴，水凝胶界面层中的水凝胶为黏性光控可调水凝胶，电路层包括相互连接的前端信号检测模块和后端信号处理模块。实现穿戴性并可持续检测人体运动状态参数，具有良好的移动便携性和舒适性，改善用户穿戴体验，提高检测准确性，实现黏性调控，按需剥离，不会对皮肤造成损伤，该柔性混合***在运动检测等方面具有广阔前景。

Description

界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***
技术领域
本发明涉及生物医用器械技术领域，具体涉及一种界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***。
背景技术
随着竞技体育的迅速发展和国际竞争日益激烈化，科技助力体育运动成为重要研究方向之一，开发无线传输和实时数据分析的可穿戴设备可以有效监控运动训练状态，极大促进运动员竞技体育科学化训练水平的提高，同时能够对运动员身体的损伤程度进行预警。在运动员训练过程中，人体各部位间的协同运动会产生对应的运动生理信号，通过实时监测与分析这些信号，可以对运动员的训练效果与身体状况进行量化分析与客观评价。目前现有商用设备中多采用刚性传感器进行采集，其与皮肤之间存在模量不匹配，间隙大无法实现共形贴附，从而导致不可避免的运动伪影，而且穿戴舒适感较差。
相比于传统刚性传感器，柔性传感***与人体皮肤贴合更加紧密和舒适，因此对人体组织刺激更小。常用的柔性电子器件通过光刻和其他微加工技术对电子电路进行图案化，并集成功能芯片组件集成和封装软材料，将多种传感器集成到尽可能小的空间中，实现硬件微型化与柔性化。柔性电子***需要贴附在人体皮肤表面且在人体运动状态下保持共形贴附，而传统黏胶或其他具有粘性的材料在运动和汗液环境下有着较差的耐受性且会造成信号伪影。
柔性传感器***为采集高保真度数据，需要尽可能不受人体动作和汗液影响，因此设备需与人体紧密贴合，这也导致在剥离的过程中可能出现皮肤的拉扯疼痛感和设备易损的情况。因此，开发一种黏性可调的水凝胶界面在运动检测等方面有广阔前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，实现穿戴性并可持续检测人体运动状态参数，具有良好的移动便携性和舒适性，改善用户穿戴体验，提高检测准确性，实现黏性调控，按需剥离，不会对皮肤造成损伤，该柔性混合***在运动检测等方面具有广阔前景。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，包括电路层、水凝胶界面层和封装层，电路层封装于封装层上，水凝胶界面层布置于封装层底部，水凝胶界面层作为皮肤界面层，使用时与皮肤贴合粘贴，水凝胶界面层中的水凝胶为黏性光控可调水凝胶，电路层包括相互连接的前端信号检测模块和后端信号处理模块。
按照上述技术方案，水凝胶界面层包括电极区水凝胶和副粘附区水凝胶，电极区水凝胶与电路层连接，电极区水凝胶包含导电离子，作表皮电极提供心电采集离子通道，副粘附区水凝胶不含导电离子，作辅助粘合剂为整体***提供可靠的粘附力；
电极区水凝胶和副粘附区水凝胶的水凝胶均为黏性光控可调水凝胶，黏性光控可调水凝胶在不同波长紫外线照射下黏性会发生变化，能够让表皮电极很好地和人体皮肤保持共性接触，同时便于所述的运动状态监测混合电子***的粘附与取下，且通过所述水凝胶界面层中的黏性可调水凝胶表皮电极采集人体心电信号。
按照上述技术方案，前端信号检测模块包括心电监测模块、三轴加速度计和微流传感器，后端信号处理模块包括主控芯片模块、供电模块、信号处理模块、时钟晶振模块、程序烧写模块和蓝牙射频模块，主控芯片模块通过信号处理模块与心电监测模块、三轴加速度计和微流传感器连接，主控芯片模块分别与供电模块、信号处理模块、时钟晶振模块、程序烧写模块和蓝牙射频模块连接。
按照上述技术方案，封装层的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
电路层包括以柔性材料为基底的印刷电路板(FPCB)，前端信号检测模块和后端信号处理模块设置于以柔性材料为基底的印刷电路板上。
按照上述技术方案，电极区水凝胶表皮电极呈圆饼状，副粘附区水凝胶呈环形分布于以电极区水凝胶为中心的周围空间，副粘附区水凝胶设有环状沟壑。
按照上述技术方案，黏性光控可调水凝胶内包括有香豆素。
按照上述技术方案，黏性光控可调水凝胶为多孔水凝胶。
按照上述技术方案，黏性光控可调水凝胶由聚天冬氨酸-香豆素(PASP-BAC)、羧甲基纤维素-多巴胺(CMC-DA)和丙烯酸(AAC)组成，电极区水凝胶还包含有锂离子(Li+)。
按照上述技术方案，所述的黏性光控可调水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将5-10wt％丙烯酸(AAC)单体溶解在去离子水中，然后加入0.1wt％过硫酸铵(APS)，0.02wt％N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)作为交联剂和引发剂；
步骤2，在上述溶液中加入5％-15wt％聚天冬氨酸-香豆素(PASP-BAC)单体和2-5wt％羧甲基纤维素-多巴胺(CMC-DA)单体，得到溶液A，取一部分溶液A另加0.1wt％氯化锂(LiCl)和0.05wt％甲基丙烯乙基磺基甜菜碱(SPE)单体，得到溶液B；
步骤3，将前述溶液A和B按照电极区和副粘附区布局分倒入一个1～3mm厚的图案化反应容器中，进行避光共聚，合成所述的水凝胶界面。
按照上述技术方案，每制备3mmol聚天冬氨酸-香豆素的制备方法包括以下步骤：
步骤1.1，将5mmol-15mmol聚天冬氨酸(PASP)溶解到二甲亚砜(DMSO)中，向溶液中匀速通入氮气30min，完成脱气，形成缓冲液；
步骤1.2，在缓冲液中加入3mmol 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)和3mmol1-羟基苯并***(HOBt)，在氮气的保护下混合磁力搅拌半小时，脱气15分钟；
步骤1.3，加入3mmol 7-氨基-4-甲基香豆素(AMC)，密封搅拌一定时间6小时，然后将得到的溶液透析48小时，在冻干器中冷冻干燥得到聚天冬氨酸-香豆素PASP-AMC的粉末，该粉末在使用之前一直保持干燥。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过黏性光控可调水凝胶直接粘贴于皮肤上，实现穿戴性并可持续检测人体运动状态参数，具有良好的移动便携性和舒适性，改善用户穿戴体验，提高检测准确性，实现黏性调控，按需剥离，不会对皮肤造成损伤，该柔性混合***在运动检测等方面具有广阔前景。
附图说明
图1是本发明实施例中界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***的电路原理图；
图2是本发明实施例中界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***的结构示意图；
图3是本发明实施例中界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***的***示意图；
图4是本发明实施例中黏性光控可调水凝胶的制备流程图；
图5是本发明实施例中香豆素水凝胶光控黏度可调的原理示意图；
图6是本发明实施例中香豆素水凝胶打孔模具结构示意图；
图中，1为聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装层，2为FPCB电路板，3为开关元件，4为3V纽扣电池，5为AD8232心电前端芯片，6为ADXL345加速度计，7为蓝牙天线，8为微流体传感器，9为CC2640R2F主控芯片，10为香豆素水凝胶界面层电极区，11为香豆素水凝胶界面副粘附区，12为供电模块，13为前端信号检测模块，14为后端信号处理输出模块，15为3.3V升压供电模块，16为时钟管理，17为蓝牙SoC，18为程序烧录，19为时钟电路，20为电脑终端，21为高低通滤波器，22为APP终端，23为二甲亚砜，24为聚天冬氨酸，25为EDC，26为HOBt，27为7-氨基-4-甲基香豆素，28为PASP-BMC，29为去离子水，30为2-(N-***啉)乙磺酸，31为氯化钠，32为氢氧化钠，33为N-羟基丁二酰亚胺，34为羧甲基纤维素，35为多巴胺，36为CMC-DA，37为过硫酸铵，38为丙烯酸，39为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，40为氯化锂，41为甲基丙烯乙基磺基甜菜碱，42为四角扇形卡槽底板，43为内扇形圆环，44为玻璃毛细管，45为扇形柱，46为正方形盖板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图6所示，本发明提供的一个实施例中的一种界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，包括电路层、水凝胶界面层和封装层，电路层封装于封装层上，水凝胶界面层布置于封装层底部，水凝胶界面层作为皮肤界面层，使用时与皮肤贴合粘贴，水凝胶界面层中的水凝胶为黏性光控可调水凝胶；使所述的表皮式运动状态监测混合电子***形成柔性电子***，可贴附在人体皮肤上，电路层包括相互连接的前端信号检测模块和后端信号处理模块，前端信号检测模块可采集运动参数如速度、加速度、运动姿态等信号，后端信号处理输出模块与所述前端动作检测电路相连，接受采集到的检测信号，可以将心电信息及运动参数进行滤波和放大后经由蓝牙模块无线传输至外部智能终端APP，实现数据的可视化。
进一步地，水凝胶界面层包括电极区水凝胶和副粘附区水凝胶，电极区水凝胶与电路层的心电监测模块连接，电极区水凝胶包含导电离子，作表皮电极提供心电采集离子通道，副粘附区水凝胶不含导电离子，作辅助粘合剂为整体***提供可靠的粘附力；水凝胶作为一种高分子网络交联而成的柔性复合材料，具有良好的延展性与可拉伸性，同时通过导电离子或黏性功能单体组装到聚合物网络中提高导电性、粘附性等其他性能，使其成为优化柔性电极界面的良好材料。
电极区水凝胶和副粘附区水凝胶的水凝胶均为黏性光控可调水凝胶，黏性光控可调水凝胶在不同波长紫外线照射下黏性会发生变化，能够让表皮电极很好地和人体皮肤保持共性接触，同时便于所述的运动状态监测混合电子***的粘附与取下，且通过所述水凝胶界面层中的黏性可调水凝胶表皮电极采集人体心电信号。
进一步地，前端信号检测模块包括心电监测模块、三轴加速度计、电路主控芯片和微流传感器，后端信号处理模块包括主控芯片模块、供电模块、信号处理模块、时钟晶振模块、程序烧写模块和蓝牙射频模块，主控芯片模块经电路主控芯片通过信号处理模块与心电监测模块、三轴加速度计和微流传感器连接，主控芯片模块分别与供电模块、信号处理模块、时钟晶振模块、程序烧写模块和蓝牙射频模块连接；整个***由柔性材料封装；所述信号处理模块采集的生理信号，进行滤波放大后传输至主控芯片模块处理，并经由蓝牙模块实时发送至手机终端并生成文件保存，实现数据的可视化。
进一步地，前端信号检测模块直接与所述后端信号处理模块通过连接线相连。所述后端处理输出模块通过连接线为所述前端状态检测模块提供稳定的工作电压和接地电位，所述前端状态检测模块也将采集到的生理信号数据通过连接线直接传输给所述后端信号处理模块；后端信号处理模块通过蓝牙射频模块连接有手机，与移动终端人机交互App连接。
前端信号检测模块的电路主控芯片的型号为CC2640R2F，后端信号检测模块的主控芯片模块的型号为CC2640R2F，供电模块由CR2032纽扣电池电源供电模块和TPS61070升压供电模块组成，BOOST升压电源管理芯片将纽扣电池的3V输出电压调节至3.3V，为整体电路提供3.3V的稳定电压源，主控芯片模块由CC2640R2F芯片及其附属晶振和贴片陶瓷天线组成，具有经济高效型低功耗特性，心电监测模块由AD8232及其周边器件组成，并通过相关电路连接三个心电电极(即三个电极区水凝胶表皮电极)，实现对脑电信号的采集和传输任务，三轴加速度模块则由ADXL345及其周边器件组成。
所述CC2640R2F主控芯片模块能够控制所述前端状态检测模块的运行，将所述前端状态检测模块采集到的生理信号进行分析处理，并且通过所述蓝牙射频模块与所述移动终端人机交互App进行数据交互。所述程序烧写模块用于将所述后端信号处理输出模块所需要运行的程序和协议写入CC2640R2F核心处理模块。所述时钟晶振模块用于辅助CC2640R2F核心处理模块正常运行，所述时钟晶振模块采用了24Mh和32.768kHz两个无源的晶体谐振器。所述蓝牙射频模块采用差分天线的形式确保了优良的数据通讯，蓝牙射频天线的阻抗为50Ω。
进一步地，封装层的材质为柔性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性材料并控制薄厚度保证低模量，防止汗液浸入电路造成电路故障，同时可作为水凝胶的基底，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装，得到一种表皮贴附式运动状态监测***；
电路层包括以柔性材料为基底的印刷电路板(FPCB)，前端信号检测模块和后端信号处理模块设置于以柔性材料为基底的印刷电路板上。
进一步地，其前端信号检测模块由心电监测模块、微流体传感器和三轴加速度计组成，其中微流体传感器由三个环形热敏带组成，分布在圆形区域的三种孤立热膜能够通过检测流动诱导的温度分布来测量表面流速和方向角，实现对人体运动参数的检测；热胶膜可以同时用作焦耳加热器和温度计；微流体传感器通过检测运动感应表面流获取运动参数，采用卡尔曼滤波器实现传感器数据融合，可以有效地检测到人体运动时的速度和姿势。
进一步地，电极区水凝胶表皮电极呈圆饼状，贴附时具有定位效果，使心电信号的采集更准确，副粘附区水凝胶呈环形分布于以电极区水凝胶为中心的周围空间，副粘附区水凝胶设有环状沟壑，其高宽比为3，起到排汗作用，提高***的稳定性与使用寿命。
进一步地，所述的黏性光控可调水凝胶表皮电极不仅适用于本应用中对心电信号的检测，还可以扩展到对其它生理电信号(肌电，脑电等)进行检测。
进一步地，圆饼状电极区水凝胶的个数为三个，分别对应位于十二导联心电图中V2、V3、V4三个位置。
进一步地，黏性光控可调水凝胶内包括有香豆素；形成香豆素水凝胶，香豆素水凝胶与生物组织具有良好的粘附性，且可进一步基于香豆素的光逆反应调控界面黏性，基于香豆素光逆反应来调控界面粘性，通过照射365nm的紫外光，水凝胶交联密度变大，流动性变差，模量变大，与皮肤保型性变差，同时游离的领苯二酚基团变少，与皮肤界面结合强度变小，最终导致黏性下降，降低水凝胶粘性而易取下设备，当照射254nm的紫外光时，发生解聚，导致最终的水凝胶交联强度减小，模量变小，保型性增强，水凝胶网络流动性变强，黏性恢复，增强粘性，实现黏性调控，按需剥离，不会对皮肤和设备造成损伤。该黏性光控可调水凝胶在继承传统水凝胶可拉伸可粘附特点的同时，还克服了其黏性不可调控的缺点，扩大了水凝胶的使用场景。
进一步地，黏性光控可调水凝胶为多孔水凝胶；通过定制模具制备多孔水凝胶，增加紫外光的照射面积和穿透深度，加快香豆素的光二聚和光裂解反应的速度，加快在不同紫外光照射下黏性变化的速率。在365nm紫外光照射下，由于香豆素单体的较小的摩尔吸收系数，香豆素基团的光二聚化迅速发生，交联形成致密的离子凝胶网络。但在254nm的紫外光照射下，由于香豆素二聚体的较大的摩尔吸收系数，香豆素二聚体的光裂解反应从最接近紫外光源的样品表面开始再逐渐缓慢到样品底部。因此，在254nm的紫外光下光诱导凝胶-溶胶过渡过程比在365nm紫外光下光诱导的溶胶-凝胶过渡过程花费更多的时间。在水凝胶表面制备多孔结构，能够大大增加紫外光的照射面积和穿透深度，且空的玻璃管有助于紫外光线的全方位的反射，有利于加快香豆素的光二聚和光裂解反应的速度，其中对于光裂解的帮助最大。
进一步地，所述对水凝胶电极的打孔模具结构设计，模具使用激光切割的方式制备得到，分为上半模具和下半模具，二者通过卡槽确定相对位置；上半模具上设有数量密度均匀直径为0.3mm的小圆孔，在每个小圆孔处***长度为4mm外径为0.3mm的***端密封的玻璃毛细管，并用胶水进行固定，玻璃毛细管起到切割水凝胶电极的作用，从而制备出多孔水凝胶。
用激光切割机在厚度为3mm的亚克力板上切割出外周四角为内扇形的圆环和四角扇形卡槽的底板，将两板在扇形弧线重合处贴合，用胶水进行粘合制备得到可装载溶液的下半模具；用激光切割机在厚度为2mm的亚克力板上切割出正方形板子；并在以其中心位置为圆心直径为圆环凹槽大小的范围内打穿数量密度均匀直径为0.3mm的小圆孔，然后在每个小圆孔处***长度为4mm外径为0.3mm的***端密封的玻璃毛细管，并用胶水进行固定，最后在正方形板子四角处粘合四个可***卡槽的扇形柱，便于盖板与底部模具之间的固位和水凝胶表面孔的均匀形成，上半模具即制备完成；将制备出的水凝胶切割成下半模具的形状并放入下半模具中，通过上半模具的扇形柱卡槽与下半模具的扇形凹槽确定玻璃管与水凝胶的相对位置，将上半模具按压至与下半模具贴合，此时玻璃管实现对水凝胶的切割。抬升上半模具，取出下半模具中的水凝胶，用足够的去离子水冲洗以去除表面毛刺，然后用纸进一步去除水分，即可获得打孔后的水凝胶。
进一步地，黏性光控可调水凝胶由聚天冬氨酸-香豆素(PASP-BAC)、羧甲基纤维素-多巴胺(CMC-DA)和丙烯酸(AAC)组成，电极区水凝胶除了以上部分还包含有锂离子(Li+)。
进一步地，其中羧甲基纤维素-多巴胺(CMC-DA)由羧甲基纤维素作为长链聚合物，多巴胺分子作为功能基团，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(EDC)和N-羟基丁二酰亚胺(NHS)作为羧基活化剂，在生物缓冲剂吗啉乙磺酸(MES)溶液中通过脱气、磁力搅拌、冻干等操作制备得到。水凝胶由聚天冬氨酸-香豆素(PASP-BAC)单体、羧甲基纤维素-多巴胺(CMC-DA)单体、丙烯酸(AAC)单体，过硫酸铵(APS)作为氧化剂，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺单体(MBAA)作为交联剂进行避光共聚制备得到。
进一步地，所述的黏性光控可调水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将5-10wt％丙烯酸(AAC)单体溶解在去离子水中，然后加入0.1wt％过硫酸铵(APS)，0.02wt％N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)作为交联剂和引发剂；
步骤2，在上述溶液中加入5％-15wt％聚天冬氨酸-香豆素(PASP-BAC)单体和2-5wt％羧甲基纤维素-多巴胺(CMC-DA)单体，得到溶液A，取一部分溶液A另加0.1wt％氯化锂(LiCl)和0.05wt％甲基丙烯乙基磺基甜菜碱(SPE)单体，得到溶液B；
步骤3，将前述溶液A和B按照电极区和副粘附区布局分倒入一个1～3mm厚的图案化反应容器中，进行避光共聚，合成所述的水凝胶界面。
进一步地，所述的聚天冬氨酸-香豆素的制备方法包括以下步骤：
步骤1.1，将5mmol-15mmol聚天冬氨酸(PASP)溶解到20ml以上的二甲亚砜(DMSO)中，向溶液中匀速通入氮气30min，完成脱气，形成缓冲液；
步骤1.2，在缓冲液中加入3mmol 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)和3mmol1-羟基苯并***(HOBt)，在氮气的保护下混合磁力搅拌半小时，脱气15分钟；
步骤1.3，加入3mmol 7-氨基-4-甲基香豆素(AMC)，密封搅拌一定时间6小时，然后将得到的溶液透析48小时，在冻干器中冷冻干燥得到聚天冬氨酸-香豆素PASP-AMC的粉末，该粉末在使用之前一直保持干燥。
羧甲基纤维素-多巴胺的制备方法包括以下步骤：
步骤2.1，将2-(N-***啉)乙磺酸(MES)和氯化钠溶解到去离子水中，用pH表(梅特勒托莱多七级系列表)滴注氢氧化钠调节pH至5.4，得到MES缓冲液；
步骤2.2，将5mmol-15mmol羧甲基纤维素(CMC)溶解到MES缓冲液中，向缓冲液中匀速通入氮气30min，完成脱气；
步骤2.3，在缓冲液中加入3mmol 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和3mmol N-羟基丁二酰亚胺(NHS)，在氮气的保护下混合磁力搅拌半小时，脱气15分钟；
步骤2.4，加入3mmol多巴胺(DA)，密封搅拌6小时，然后将得到的溶液透析48小时，在冻干器中冷冻干燥得到CMC-DA，该粉末在使用之前一直保持干燥。
在制备过程中，使用到的材料包括生物缓冲剂MES30、羧甲基纤维素(CMC)34、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(EDC)25、N-羟基硫代琥珀酰亚胺(NHS)33、聚天冬氨酸-香豆素(PASP-BAC)28单体、羧甲基纤维素-多巴胺(CMC-DA)36单体、丙烯酸(AAC)38单体，氧化剂过硫酸铵(APS)37，交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺单体(MBAA)39；所述聚天冬氨酸-香豆素(PASP-BAC)28单体、羧甲基纤维素-多巴胺(CMC-DA)36单体、丙烯酸(AAC)38单体，过硫酸铵(APS)37，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺单体(MBAA)39的质量分数分别为5-15wt％、2-5wt％、5-10wt％、0.1wt％、0.02wt％；
进一步优选，所述羧甲基纤维素(CMC)34的物质的量为5-15mmol，EDC25、NHS33、DA35的物质的量均为3mmol；所述搅拌操作中采用玻璃棒搅拌，搅拌时间为30min；所述超声震荡，采用功率为100w超声机，超声温度为25摄氏度，超声30min；所述脱气处理操作为，向装有目标溶液的容器匀速通入氮气30min后，得到脱气完全的目标溶液。
本发明的工作原理：
参阅图1，本发明提供了运动状态监测混合电子***，其特征在于前端信号检测模块13，后端信号处理输出模块14和移动终端App22。表皮贴附式界面黏性光控可调的运动状态监测混合电子***可以监测被测对象的心电信号与运动参数，并通过蓝牙天线7与移动终端App22通讯。
其中，前端信号检测模块13包括心电前端模块5和三轴加速度传感器6、微流体传感器8，用于获取心电信息和运动参数，后端信号处理输出模块14包括MCU主控模块9、供电模块12、时钟电路19和蓝牙天线7。所述后端信号处理输出模块14通过ADC转换器接受来自前端信号检测模块13采集并滤波后的心电信号和运动参数，后输入至MCU主控模块9。所述供电模块12对包括前端信号检测模块13和后端信号处理输出模块14在内的整个传感***进行供电，所述升压模块15将供电模块的3V输出电压调节至3.3V，为整体电路提供3.3V的稳定电压源。所述MCU主控模块9的蓝牙SoC17将处理后的数据通过蓝牙天线7传输至APP终端22。
所述主控芯片模块9为CC2640R2F MCU主控芯片，其内部集成了时钟管理模块16、蓝牙SoC17和程序烧录模块18。MCU主控芯片的X32KQ1、X32KQ2、X24MP、X24MN端口与***时钟晶振模块19相连，时钟晶振模块19包含32.768KHZ时钟电路和24KHZ时钟电路。MCU主控芯片9的RFP、RFN端口与蓝牙天线7的信号输入端相连，主要起发送信号作用，对信息的存储和对发射的控制由芯片内部蓝牙SoC17实现。MCU主控芯片9的TMSC、TCKC、TDI、TDO端口与程序烧录模块18信号输入端相连。
所述心电前端模块5采取AD8232芯片，其内置有高低通滤波器21。其中，高低通滤波器21包括一个截止频率为0.3Hz的双极点高通滤波器和一个截止频率为37Hz的双极点低通滤波器，对输入的心电信号滤波降噪。所述心电电极10与AD8232芯片的接口对应连接，传输心电信号。AD8232芯片的LDO+、LDO-、SDN、MCUAD端口分别与CC2640R2F MCU主控模块9对应端口连接，其中，LDO+、LDO-端口用于导联脱落检测，SDN端口用于开关控制，MCUAD为A/D端口，用于ECG数据传输。
参阅图2，本发明提供了表皮式运动状态监测混合电子***的结构示意图。表皮式运动状态监测混合电子***的基板2采用FPCB板实现基板的柔性化；电子***各元件与集成电路集中于电路区域中，包括开关元件3、3V纽扣电池4、AD芯片5、三轴加速度计6、陶瓷蓝牙天线7、微流体传感器8、主控芯片9、等。基板背面三块圆形区域8贴附香豆素水凝胶，每块水凝胶中间部分为含有导电离子的香豆素水凝胶，作为表皮电极传感界面的离子通道，四周为界面粘性可调香豆素水凝胶，提升粘附效力，在人体运动状态下保持共性贴合，在需取下时通过照射固定波长的紫外光降低黏性粘性从而使其便于剥离。在基板上与水凝胶粘附处设计有沟槽结构8，便于及时导出汗液，提升电子***的稳定性与使用寿命。
综上所述，1、本发明提供的表皮式运动状态监测混合电子***是一种可穿戴式柔性检测***，在实现整体电路功能的基础上具有更好的拉伸变形能力。该检测***可以实现可穿戴性并且可以持续检测人体心电信号和运动参数，并通过蓝牙模块传输到移动终端，并生成文件保存，实现数据的可视化。该表皮***具有良好的移动便携性和舒适性，改善用户穿戴体验。
2、所述运动状态监测***优选采用CC2640R2F核心处理器、ECG采集前端模块采用AD8232芯片，三轴加速度计采用ADXL345，微流体传感器采用无积分速度监测的方法采集人体的运动速度以及姿态。以上述芯片选型为基础在Altium Designer中进行项目电路的设计，并加工出相应的FPCB柔性***器件，为防止汗液浸入电路造成电路故障，最后用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装；采用这些优选方案能够保证功能电路在满足既定功能的前提下，具有相当高的集成度和尽可能少的元器件，也降低了电路受***拉伸变形的影响。
3、所述与皮肤结合的水凝胶界面具有良好的自粘性，有效实现采集电极与皮肤之间长期保持稳固的共形接触，减小了电极和皮肤之间的间隙，抵抗人体动作和汗液影响，这有助于降低外界因素的干扰，减小了信号的衰减，提高了测量的准确度。
4、所述水凝胶界面不同于传统的水凝胶材料，其通过在长链聚合物上接枝多巴胺分子作为功能基团，进一步基于香豆素光逆反应来调控的界面粘性；使水凝胶界面在照射365nm光线二聚体时，水凝胶交联密度变大，流动性变差，模量变大，与皮肤保型性变差，与皮肤界面结合强度变小，最终导致黏性下降，便于取下设备；当256nm照射时，发生解聚，导致最终的水凝胶交联强度减小，模量变小，保型性增强，水凝胶网络流动性变强，黏性恢复，保证其在正常工作时与皮肤共形贴附，从而实现水凝胶界面的黏性光控可调。
5、所述香豆素水凝胶以聚天冬氨酸-香豆素(PASP-BAC)、羧甲基纤维素-多巴胺(CMC-DA)、丙烯酸(AAC)为主要原料，由羧甲基纤维素作为长链聚合物，多巴胺分子作为功能基团，EDC和NHS作为羧基活化剂,MES作为生物缓冲剂，过硫酸铵(APS)和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺单体(MBAA)作为交联剂和引发剂通过脱气、搅拌、冻干、透析、避光共聚等操作制备而得。制备工艺简单易操作，生产成本低，可以实现大面积人体表皮生理电极的制备，同时易于批量加工。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，其特征在于，包括电路层、水凝胶界面层和封装层，电路层封装于封装层上，水凝胶界面层布置于封装层底部，水凝胶界面层作为皮肤界面层，使用时与皮肤贴合粘贴，水凝胶界面层中的水凝胶为黏性光控可调水凝胶，电路层包括相互连接的前端信号检测模块和后端信号处理模块。
2.根据权利要求1所述的界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，其特征在于，水凝胶界面层包括电极区水凝胶和副粘附区水凝胶，电极区水凝胶与电路层连接，电极区水凝胶包含导电离子，作表皮电极提供心电采集离子通道，副粘附区水凝胶不含导电离子，作辅助粘合剂为整体***提供可靠的粘附力；
电极区水凝胶和副粘附区水凝胶的水凝胶均为黏性光控可调水凝胶，黏性光控可调水凝胶在不同波长紫外线照射下黏性会发生变化，能够让表皮电极很好地和人体皮肤保持共性接触，同时便于所述的运动状态监测混合电子***的粘附与取下，且通过所述水凝胶界面层中的黏性可调水凝胶表皮电极采集人体心电信号。
3.根据权利要求2所述的界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，其特征在于，前端信号检测模块包括心电监测模块、三轴加速度计和微流传感器，后端信号处理模块包括主控芯片模块、供电模块、信号处理模块、时钟晶振模块、程序烧写模块和蓝牙射频模块，主控芯片模块通过信号处理模块与心电监测模块、三轴加速度计和微流传感器连接,主控芯片模块分别与供电模块、信号处理模块、时钟晶振模块、程序烧写模块和蓝牙射频模块连接。
4.根据权利要求1所述的界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，其特征在于，封装层的材质为聚二甲基硅氧烷；
电路层包括以柔性材料为基底的印刷电路板，前端信号检测模块和后端信号处理模块设置于以柔性材料为基底的印刷电路板上。
5.根据权利要求2所述的界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，其特征在于，电极区水凝胶表皮电极呈圆饼状，副粘附区水凝胶呈环形分布于以电极区水凝胶为中心的周围空间，副粘附区水凝胶设有环状沟壑。
6.根据权利要求2所述的界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，其特征在于，黏性光控可调水凝胶内包括有香豆素。
7.根据权利要求6所述的界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，其特征在于，黏性光控可调水凝胶为多孔水凝胶。
8.根据权利要求6所述的界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，其特征在于，黏性光控可调水凝胶由聚天冬氨酸-香豆素、羧甲基纤维素-多巴胺和丙烯酸组成，电极区水凝胶还包含有锂离子。
9.根据权利要求8所述的界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，其特征在于，所述的黏性光控可调水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将5-10wt％丙烯酸单体溶解在去离子水中，然后加入0.1wt％过硫酸铵，0.02wt％N,N’-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂和引发剂；
步骤2，在上述溶液中加入5％-15wt％聚天冬氨酸-香豆素单体和2-5wt％羧甲基纤维素-多巴胺单体，得到溶液A，取一部分溶液A另加0.1wt％氯化锂和0.05wt％甲基丙烯乙基磺基甜菜碱单体，得到溶液B；
步骤3，将前述溶液A和B按照电极区和副粘附区布局分倒入一个1～3mm厚的图案化反应容器中，进行避光共聚，合成所述的水凝胶界面。
10.根据权利要求8所述的界面黏性光控可调的表皮式运动状态监测混合电子***，其特征在于，每制备3mmol聚天冬氨酸-香豆素的制备方法包括以下步骤：
步骤1.1，将5mmol-15mmol聚天冬氨酸溶解到20ml以上的二甲亚砜溶液中，向溶液中匀速通入氮气30min，完成脱气，形成缓冲液；
步骤1.2，在缓冲液中加入3mmol 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和3mmol 1-羟基苯并***，在氮气的保护下混合磁力搅拌半小时，脱气15分钟；
步骤1.3，加入3mmol 7-氨基-4-甲基香豆素，密封搅拌一定时间6小时，然后将得到的溶液透析48小时，在冻干器中冷冻干燥得到聚天冬氨酸-香豆素的粉末，该粉末在使用之前一直保持干燥。
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