一种集成压力感知的可变光强血运监测系统、制备及应用

1.本发明属于柔性表皮电子器件技术领域，更具体地，涉及一种集成压力感知的可变光强血运监测系统、制备及应用。


背景技术：

2.随着电子技术的发展，柔性电子产品因其固有的柔韧性、延展性、结构形式多样性等诸多优点逐渐成为当代电子产品开发的研究热点。断指再植手术以及皮瓣移植手术中的术前-术中-术后血运监测可以为医生提供充分的信息以指导术前断指再植区域/皮瓣移植源区及受区部位血管活力的评估、术中操作以及术后恢复状况的连续监测。目前商用的血运监测器件(如血氧饱和度监测仪等)大多为硬质指夹式器件，难以实现断指再植/皮瓣移植的应用；虽然目前开发出的部分血运监测器件可以以表皮贴附式的形式实现术后断指/移植皮瓣的血运监测，但难以准确监测不同深度的监测区域血运信号，且易受不同的皮肤-器件界面力的影响。
3.人体不同区域的血管，距人体表皮的深度明显不同(如指尖、股前外侧皮瓣、腹壁下动脉皮瓣处的血管深度明显不同)，单一光强的探测信号难以实现对人体不同部位的广泛测量，因此具有单一光强探测信号的血运监测器件具有很大的局限性。同时，因为人体表皮模量很低，极易受到外界压力的干扰而发生形变，进而影响压力施加区域的血运状况检测的准确性。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种集成压力感知的可变光强血运监测系统、制备及应用，该血运监测系统的探测光源的强度可变，且集成了压力感知功能，可以实时捕获皮肤-器件的界面压力进而指导及优化界面力的施加。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种集成压力感知的可变光强血运监测系统，包括前端柔性检测模块和后端数据处理模块；所述前端柔性检测模块包括柔性基底、柔性封装层、以及设置在柔性基底上的检测光源模块和压力感知模块；其中，所述柔性基底包括底部保护层、中部吸光层和顶部基底层，所述检测光源模块和压力感知模块设置在顶部基底层上，所述中部吸光层为黑色，所述顶部基底层为红色。
6.优选地，所述检测光源模块包括在平面上依次直线分布的第一检测光源、光电探测器和第二检测光源，第一检测光源的波长位于红外光区间，第二检测光源的波长位于近红外光区间；通过调节通入第一检测光源和/或第二检测光源的电流，改变第一检测光源和/或第二检测光源的光强。
7.优选地，所述中部吸光层为掺杂有炭黑粉末的聚合物，所述顶部基底层为掺杂有红色油性墨水的聚合物，所述聚合物为pdms、ecoflex、sebs；所述中部吸光层中炭黑粉末与聚合物的质量比为(10-15):1，所述顶部基底层中红色油性墨水与聚合物的质量比为(3-5):1。
8.优选地，所述底部保护层为通过静电纺丝制备的疏水性聚合物，优选地，所述底部保护层为含有聚酰亚胺、热塑性聚氨酯和聚二甲基硅氧烷的静电纺丝纤维膜；所述柔性封装层为pdms。
9.优选地，所述压力感知模块包括设置在两个检测光源周围且阵列排布的柔性压力传感器，所述柔性压力传感器为表面设置有凸起结构的掺杂炭黑粉末的ecoflex橡胶；所述检测光源模块和所述压力感知模块之间通过柔性导电迹线连接，所述柔性导电迹线通过高压静电喷雾得到，其中，高压静电喷雾溶液以95％的聚3，4-乙烯二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸盐的混合溶液、二甲亚砜以及去离子水为分散剂，以聚乙烯醇为溶质，以银纳米颗粒为分散物质；优选地，所述分散剂中95％的聚3，4-乙烯二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸盐的混合溶液、二甲亚砜以及去离子水的质量比为(2-3)：1：10；所述高压静电喷雾溶液中银纳米颗粒的质量占比为50-55％，聚乙烯醇的浓度占比为10-12％；
10.优选地，所述柔性压力传感器为6个，所述柔性压力传感器与第一检测光源、光电探测器、第二检测光源构成3*3阵列。
11.优选地，所述底部保护层的厚度为50-100um，所述中部吸光层的厚度为300-500um，所述顶部基底层的厚度为300-500um，所述压力感知模块的柔性压力传感器的厚度为500-600um，所述柔性封装层的厚度为500-1000um。
12.按照本发明的另一个方面，提供了一种集成压力感知的可变光强血运监测系统的制备方法，包括：
13.(1)以玻璃片为基底，旋涂掺杂有炭黑粉末的聚合物预聚体，加热固化后得到中部吸光层，在该中部吸光层一侧进行静电纺丝，得到底部保护层，在中部吸光层另一侧浇铸掺杂有红色油性墨水的聚合物预聚体，加热固化后得到顶部基底层，从而得到柔性基底；
14.(2)将所述柔性基底放置在铝箔上，将带有图案化的模板放置在所述柔性基底的顶部基底层上，以铝箔为高压静电喷雾的负极，通过高压静电喷雾法在所述柔性基底的顶部基底层上形成柔性导电迹线，
15.(3)在顶部基底层上柔性导电迹线经过的位置放置第一检测光源、光电探测器、第二检测光源，并利用模版浇铸柔性压力传感器材料形成压力感知模块，在顶部基底层表面浇铸柔性封装层，得到前端柔性检测模块；
16.(4)将前端柔性检测模块和后端数据处理模块连接，得到所述可变光强血运监测系统。
17.优选地，所述步骤(3)中利用模版浇铸柔性压力传感器材料形成压力感知模块，具体为：
18.在环形模板内浇铸柔性压力传感器材料；将此时的前端柔性检测模块放置在热板上加热，当柔性压力传感材料半固化时，在柔性压力传感器材料上放置带有凹型槽的模板；待柔性压力传感材料完全固化时取下环形模板及带有凹型槽的模板，即得到表面设置有凸起结构的柔性压力传感器。
19.优选地，静电纺丝的接收距离为12-14cm，纺丝电压为13-15kv，注射速度为5000-8000nl/min，环境相对湿度为50％-55％，环境温度为24℃-26℃；所述高压静电喷雾法的接收距离为5-8cm，电压为18-20kv，注射速度为3000-5000nl/min，环境相对湿度为60％-65％，环境温度为24℃-26℃；
20.所述步骤(2)中形成柔性导电迹线后，在柔性导电迹线上元件的引脚部位放置银浆，然后在100℃，20kpa的条件下进行热压以增强键合。
21.按照本发明的再一个方面，提供一种集成压力感知的可变光强血运监测系统的应用，检测光源模块中第一检测光源和第二检测光源交替闪烁，并根据待检测区域的深浅，改变通入第一检测光源和/或第二检测光源的电流，调节第一检测光源和/或第二检测光源的光强。
22.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
23.(1)由于动脉血管有一定的弹性，可以根据心脏的舒缩进行周期性的搏动，当动脉血管受压时，其搏动受阻，搏动的幅值下降进而导致信号的不完整性，从而导致影响血运的评估等中间数据的准确性。本发明将压力感知模块集成于可变光强血运监测系统中，可以实时采集皮肤-器件之间的界面力的信号，实现了交互力的闭环反馈，避免了在血运监测过程中，皮肤由于外界压力的干扰发生形变，进而影响压力施加区域的血运状况，导致检测结果误差大的问题。
24.(2)本发明提供的血运监测系统，其原理基于朗博比尔定律或修正的朗博比尔定律，通过监测所发射光源的反射光来反应血管内的血运状况。当发射光源受到外界光源的影响或界面材料的吸光特性的影响而被损耗时，光源的探测深度会随之降低而探测不到小动脉或中动脉层，仅仅探测到微动脉层，又因为微动脉搏动能力较弱，采集的信号幅值较低，易产生伪影进而影响信号准确性。本发明基于这一方面的考量，采用了黑色的中部吸光层以及红色的顶部基底层，既可以屏蔽外界光源的影响，又可以最大限度的消除界面材料对入射光源的损耗，可以大幅提升血运监测的准确性和可靠性。
25.(3)本发明采用改变血运监测过程中探测光源的强度，可以适配不同的探测区域，如普通的游离皮瓣以及较厚的带蒂皮瓣。这是由于，本发明中对于血运的监测，例如灌注指数和血氧饱和度，均是依赖动脉的搏动程度或搏动量来计算，因此，当血管埋藏较深而光强不足时，入射光探测到的搏动量是远低于实际搏动量的，继而造成相关中间数据指标的计算误差；因此，本发明提供的血运监测系统可以实现通过不同的光强以适配不同的组织或不同深度的血管，进而实现搏动信号的准确采集以及相关中间数据的准确计算。
26.(4)本发明的柔性基底的底部保护层具有良好的疏水性，可使血运监测稳定工作而免受环境水蒸气、皮肤渗出液等外界液体的干扰。本发明采用了静电纺丝的方法制备底部保护层，可以实现厚度可控的疏水界面的制备。
27.(5)本发明采用高压静电喷雾的方法制备柔性导电迹线，通过控制静电喷雾的工艺参数，实现了柔性导电迹线的按需成型以及厚度可控成型，解决了目前常规的采用模版印刷或磁控溅射等方式带来的工艺复杂、成本高等问题。尤其地，本发明在高压静电喷雾中，严格控制高压静电喷雾溶液的几种组分的配比才能形成最优的喷雾溶液，其中静电喷雾溶液以二甲亚砜(dmso)、去离子水(di)以及95％的pedot:pss溶液的混合液体为分散剂(其中质量比为dmso：di：pedot:pss溶液＝(2-3)：1：10)，以pva为溶质，以agnps为分散物质，pva浓度占比为10-12％，agnps占比为50-55％。若pedot:pss过多，则溶液电导率太高，制备过程中电压正极容易击穿空气而使制备过程不稳定；若pva过多，则溶液粘度过大，溶液液滴难以雾化；若agnps过多，则agnps易团聚而堵塞电喷雾的喷嘴。
附图说明
28.图1为本发明提供的一种集成压力感知的可变光强血运监测系统的结构示意图；
29.图2为本发明提供的一种集成压力感知的可变光强血运监测系统的前端柔性检测模块的结构示意图；
30.图3为本发明提供的一种集成压力感知的可变光强血运监测系统的制备方法的工艺流程图。
31.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
32.1、前端柔性检测模块；2、柔性印制电路板连接线；3、后端数据处理模块；4、主控模块；5、供电模块；6、蓝牙传输模块；7、柔性基底；8、检测光源模块；9、压力感知模块；10、柔性导电迹线；11、柔性封装层；
33.7-1、底部保护层；7-2、中部吸光层；7-3、顶部基底层；8-1、第一检测光源；8-2、光电探测器；8-3、第二检测光源。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
35.请参阅图1和图2，本发明提供一种集成压力感知的可变光强血运监测系统，其特征在于：由前端柔性检测模块1、柔性印制电路板连接线2以及后端数据处理模块3组成，所述前端柔性检测模块1包括柔性基底7、柔性导电迹线10、检测光源模块8、压力感知模块9以及柔性封装层11，所述后端数据处理模块3包括主控模块4、蓝牙传输模块6以及供电模块5。
36.所述柔性基底7包括底部保护层7-1、中部吸光层7-2、顶部基底层7-3；所述底部保护层7-1外观呈淡黄色，具有良好的疏水性，常温下的静态水接触角大于110
°
；所述中部吸光层7-2外观呈黑色，可以吸收外界的自然光；所述顶部基底层7-3外观呈红色，可以较少吸收红光和近红外光。所述柔性封装层11透明且有粘性，可以贴附在人体皮肤表面。
37.其中，所述检测光源模块8包括在平面上直线分布的第一检测光源8-1、光电探测器8-2、第二检测光源8-3，其中，第一检测光源8-1为波长位于红外光区间的led，第二检测光源8-3为波长位于近红外光区间的led，光电探测器位于第一检测光源8-1与第二检测光源8-3的连接线的中线位置；第一检测光源8-1与第二检测光源8-3交替闪烁，光强均可变。通过调节通入第一检测光源8-1和/或第二检测光源8-3的电流，改变第一检测光源8-1和/或第二检测光源8-3的光强。
38.在一种可行的方式中，压力感知模块9包括设置在两个检测光源周围且阵列排布的柔性压力传感器，示例性地，所述压力感知模块9包括2行3列，共6个柔性压力传感器，分布在所述检测光源模块8周围，所述压力感知模块9与所述检测光源模块8共由9个分立元件构成，在平面上呈3*3阵列分布，所述压力感知模块9的柔性压力传感器为表面设有凸起结构的掺杂炭黑粉末(cb)的ecoflex橡胶。
39.在一种可行的方式中，所述中部吸光层7-2为掺杂有炭黑粉末的聚合物，所述顶部基底层7-3为掺杂有红色油性墨水的聚合物，所述聚合物为pdms、ecoflex、sebs。所述中部
吸光层7-2中炭黑粉末与聚合物的质量比为(10-15):1，所述顶部基底层7-3中红色油性墨水与聚合物的质量比为(3-5):1。底部保护层7-1为具有疏水性的聚合物，所述柔性封装层11为透明且具有粘性的聚合物。
40.示例性地，本实施例中柔性基底7的底部保护层7-1为由通过静电纺丝制备的聚酰亚胺(pi)、热塑性聚氨酯(tpu)和聚二甲基硅氧烷(pdms)静电纺丝纤维膜；柔性基底7的中部吸光层7-2为掺杂cb的pdms薄膜；柔性基底7的顶部基底层7-3为掺杂红色油性墨水的pdms薄膜。所述柔性基底7的底部保护层7-1的厚度优选为50-100um，所述柔性基底7的中部吸光层7-2的厚度优选为300-500um，所述柔性基底7的顶部基底层7-3的厚度优选为300-500um，所述压力感知模块9的柔性压力传感器的厚度优选为500-600um，所述柔性封装层11的厚度优选为500-1000um。
41.柔性导电迹线10是利用高压电喷雾工艺，经由亚克力掩膜在所述柔性基底7的顶部基底层7-3图案化所制备；柔性导电迹线10采用的高压静电喷雾溶液以95％的聚3，4-乙烯二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸盐的混合溶液、二甲亚砜以及去离子水为分散剂，以聚乙烯醇为溶质，以银纳米颗粒为分散物质；优选地，所述分散剂中95％的聚3，4-乙烯二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸盐的混合溶液、二甲亚砜以及去离子水的质量比为(2-3)：1：10；所述高压静电喷雾溶液中银纳米颗粒的质量占比为50-55％，聚乙烯醇的浓度占比为10-12％。另外，所述前端柔性检测模块1上的分立电子元件(led、电容、电阻等)与所述柔性基底7的顶部基底层7-3之间通过所述柔性导电迹线10以及导电银浆键合，并由热压工艺增强键合效果。
42.本发明实施例还提供一种集成压力感知的可变光强血运监测系统的制备方法，包括以下具体步骤：
43.(1)以玻璃片为基底，旋涂掺杂有炭黑粉末的聚合物预聚体，加热固化后得到中部吸光层，在该中部吸光层一侧进行静电纺丝，得到底部保护层，在中部吸光层另一侧浇铸掺杂有红色油性墨水的聚合物预聚体，加热固化后得到顶部基底层，从而得到柔性基底。
44.其中，静电纺丝的接收距离为12-14cm，纺丝电压为13-15kv，注射速度为5000-8000nl/min，环境相对湿度为50％-55％，环境温度为24℃-26℃。
45.(2)将所述柔性基底放置在铝箔上，将带有图案化的模板放置在所述柔性基底的顶部基底层上，以铝箔为高压静电喷雾的负极，通过高压静电喷雾法在所述柔性基底的顶部基底层上形成柔性导电迹线。形成柔性导电迹线后，在柔性导电迹线上元件的引脚部位放置银浆，然后在100℃，20kpa的条件下进行热压以增强键合。
46.其中，所述高压静电喷雾法的接收距离为5-8cm，电压为18-20kv，注射速度为3000-5000nl/min，环境相对湿度为60％-65％，环境温度为24℃-26℃。
47.(3)在顶部基底层上柔性导电迹线经过的位置放置第一检测光源、光电探测器、第二检测光源，并利用模版浇铸柔性压力传感器材料形成压力感知模块，在顶部基底层表面浇铸柔性封装层，得到前端柔性检测模块。
48.其中，利用模版浇铸柔性压力传感器材料形成压力感知模块，具体为：在环形模板内浇铸柔性压力传感器材料；将此时的前端柔性检测模块放置在热板上加热，当柔性压力传感材料半固化时，在柔性压力传感器材料上放置带有凹型槽的模板；待柔性压力传感材料完全固化时取下环形模板及带有凹型槽的模板，即得到表面设置有凸起结构的柔性压力传感器。
49.(4)将前端柔性检测模块和后端数据处理模块连接，得到所述可变光强血运监测系统。
50.本发明实施例还提供一种集成压力感知的可变光强血运监测系统的应用，检测光源模块8中第一检测光源8-1和第二检测光源8-3交替闪烁，并根据待检测区域的深浅，改变通入第一检测光源8-1和/或第二检测光源8-3的电流，调节第一检测光源8-1和/或第二检测光源8-3的光强。
51.实施例1
52.请参阅图3，本实施例提供一种集成压力感知的可变光强血运监测系统的制备方法，包括以下步骤：
53.s1.将pdms与交联剂分别以质量比为40：1以及10：1的比例混合，常温下搅拌40min，得到的pdms预聚体，将ecoflex与交联剂以质量比为1：1的比例混合，常温下搅拌40min，得到的ecoflex预聚体。
54.s2.制备柔性基底材料：将n，n-二甲基甲酰胺(dmf)、二甲亚砜(dmso)和四氢呋喃(thf)的混合液体(其中质量比为dmf：dmso：thf＝6：1：2)作为溶剂，将pdms预聚体(质量比为10：1)、聚酰亚胺粉末(pi)、聚氨酯粉末(tpu)作为溶质(其中质量比为dmf：pi：tpu＝1：1：2)，常温下磁力搅拌2h，得到静电纺丝溶液；将pdms预聚体(10：1)与cb粉末以质量比为10：1的比例混合，常温下搅拌30min，得到黑色pdms预聚体；将pdms预聚体(10：1)与红色油性墨水以质量比为3：1的比例混合，常温下搅拌40min，得到红色pdms预聚体。
55.s3.制备柔性基底：以玻璃片为基底，在匀胶机上旋涂黑色pdms预聚体，匀胶机转速设置为300r/min，旋涂60s；之后取下旋涂有黑色pdms预聚体的玻璃片，放置在热板上，60℃条件下加热30min，得到柔性基底的中部吸光层；之后将旋涂有黑色pdms预聚体的玻璃片从热板上取出并放置在铝箔上，以铝箔为静电纺丝工艺的负极，在黑色pdms预聚体上侧进行静电纺丝，接收距离为12cm，纺丝电压为13kv，注射速度为5000nl/min，环境相对湿度为50％，环境温度为24℃，得到所述柔性基底的底部保护层；将表面附着静电纺丝纤维膜的黑色pdms预聚体从玻璃片上剥离下来，以静电纺丝纤维膜为底面，在黑色pdms预聚体的另一侧(未附着静电纺丝纤维膜的一侧)，浇铸红色pdms预聚体，得到所述柔性基底的顶部基底层。随后将柔性基底层置于烘箱中，60℃条件下固化2h，使得黑色pdms预聚体、红色pdms预聚体的完全固化。
56.s4.制备柔性导电迹线材料：以二甲亚砜(dmso)、去离子水(di)、95％的pedot:pss溶液的混合液体为分散剂(其中质量比为dmso：di：(pedot:pss溶液)＝2：1：10)，以pva为溶剂，以银纳米颗粒(agnps)为分散物质，常温下搅拌2h，制备pva浓度占比为10％，agnps的质量占比为50％的高压静电喷雾溶液。
57.s4.制备柔性导电迹线：首先按照导电迹线的图案化制备亚克力掩模板，再将所述柔性基底放置在铝箔上，将带有图案化的亚克力掩模板放置在所述柔性基底的顶部基底层上，以铝箔为电喷雾的负极，在亚克力掩模板上进行高压电喷雾，接收距离为5cm，纺丝电压为18kv，注射速度为3000nl/min，环境相对湿度为60％，环境温度为24℃，得到柔性导电迹线。
58.s5.在柔性导电迹线上对应分立元件的引脚部位挤出微量商用银浆，并放置对应的分立元件，并在100℃，20kpa的条件下进行热压以增强键合。
59.s6.制备柔性压力传感器材料：将ecoflex预聚体与cb粉末以质量比为7.5：1的比例混合，常温下搅拌40min，得到柔性压力传感器材料。
60.s7.制备压力感知模块：首先按照设计的柔性压力传感器的大小制备环形亚克力模板，按照设计的凸起结构制备带有凹型槽的亚克力模板；之后在led周围位置按需放置环形亚克力模板，在模板内浇铸柔性压力传感材料；将此时的前端柔性检测模块放置在热板60℃加热30min，之后在柔性压力传感材料上放置带有凹型槽的亚克力模板；随后继续将目前已制备的前端柔性检测模块放在烘箱中，60℃条件下固化2h，随后取下环形亚克力模板及带有凹型槽的亚克力模板，制备得到压力感知模块。
61.s8.在所制备的顶部基底层表面(压力传感模块上侧)浇铸pdms预聚体(40：1)，之后将制备的前端柔性检测模块放在烘箱中，60℃条件下固化2h，制备得到固化完全的前端柔性检测模块。
62.s9.连接前端柔性检测模块、柔性印制电路板连接线以及后端数据处理模块，即可得到集成压力感知的可变光强血运监测系统。
63.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。