多模态生理状态监测系统与方法

本发明涉及生物传感器，具体为多模态生理状态监测系统与方法。

背景技术：

1、甲状腺素是由甲状腺滤泡细胞合成并分泌一种氨基酸类激素，作为生物体重要的代谢调节激素，甲状腺素能够调节生物体的生长发育和新陈代谢，同时对心血管系统、消化系统、神经系统以及电解质的新陈代谢有重要的调节作用。甲状腺素被甲状腺滤泡细胞释放进入血液中后会迅速与血液中血浆蛋白结合，在临床上，血清中的甲状腺素浓度是判断甲状腺功能的重要指标。当血清中的甲状腺素含量偏离正常值时，会导致生物体体温和血氧的变化。在甲状腺功能异常的患病早期由于病症较轻且与常见疾病症状相近，多数患者不会直接就医或就医后医生并不会将其诊断为甲状腺功能异常，这将使患者错过最佳治疗时期，病情会进一步恶化，因此需要一种简单准确的检测手段。

2、现有的在正常情况下，人体血清中正常的甲状腺素含量为8-18pg/l，浓度非常小，这为浓度检测增加了不少困难，就目前而言，甲状腺素的主流检验方法为试剂盒检验，其原理为化学发光免疫分析法，由于受到技术及样本来源的限制，这种试剂盒检验只能为被测样本的甲状腺素浓度提供一个大致范围，并且该试剂盒的特异性并不高，有可能与未经检测的其它物质有交叉反应，从而影响其检测结果；此外，还可利用同位素标记法，标记待测物质中的某个元素，然后通过同位素稀释质谱法，同位素液相色谱串联质谱法等多种方法来检测被测样本中的甲状腺素浓度，但这些方法的检测都依赖于被测物质的质量，而甲状腺素的质量较小，在血清中的浓度又较低，这将导致使用这些方法获得的测量结果不清晰，获得的检测信号较模糊等结果，并且这些方法的操作困难，对测试者有着较高的要求，无法满足大多数人的需求。

3、为此，本发明提供了多模态生理状态监测系统与方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了多模态生理状态监测系统与方法，解决了现有的甲状腺素检测方法检测时间长，检测步骤复杂，检测系统特殊，已逐渐无法满足当前需求。而基于荧光或放射性标记法的方法虽然有用，但其检测依赖于质量，对于甲状腺素这种质量较小的物质，获得的信号较小的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：多模态生理状态监测系统，包括微控制器模块、电源管理模块、温度传感模块、血氧心率检测模块、甲状腺素检测模块、通信模块、adc模块和dac模块；

3、微控制器模块，用于实现与电源管理模块、温度传感模块、血氧心率检测模块、甲状腺素检测模块、通信模块、adc模块和dac模块等的信息交互及控制；

4、电源管理模块，用于将锂电池转化后对甲状腺素检测模块中的放大器元件、adc模块和dac模块提供5v电压，并用于对微控制器模块、血氧心率检测模块、温度传感模块和通信模块提供3.3v电压；

5、温度传感模块，用于实现温度数据的测量并将测得的数据信号经adc模块发送给微控制器模块进行处理；

6、血氧心率检测模块，用于实现血氧的测量并将测得的数据发送到微控制器模块进行处理；

7、甲状腺素检测模块，用于检测得到生物体血清中的甲状腺素浓度；

8、通信模块，用于实现与微控制器模块以及上位机的通信；

9、adc模块，用于进行信号的采集，可以与微控制器进行iic通信；

10、dac模块，用于产生电压发生激励和1.24v基准源电压，并可以微控制器进行spi通信。

11、优选的，所述应用生理状态监测系统的无限终端，通过连接装置通信模块发出的蓝牙信号，与装置建立通讯，信号发送端数据编码，无线终端数据解析的方式实现系统无线终端对生物体甲状腺素、温度和血氧的多模态生理状态监测装置的控制及检测数据的无线传输、存储以及智能分析，并将检测结果显示在无线终端界面，并可以进行保存以供后续分析记录。

12、优选的，所述温度传感模块关于温度辅助实时监测具体方式为：

13、b1、选用模拟温度传感器，其中引脚vd-二聚体接avcc，引脚gnd接agnd，引脚ton作为高电平有效使能端口；

14、b2、将引脚ton接高电平avcc，引脚tao作为模拟输出引脚，接负载电容滤除噪声，输出测得温度对应的模拟电压信号；

15、b3、输出的模拟电压信号经adc模块转换为数字信号然后通过iic通信传给微控制器，在程序中进行处理，代入温度-电压方程即可得到生物体实时的温度值。

16、优选的，所述血氧心率检测模块关于血氧辅助实时监测的具体方式：

17、c1、选用心率血氧传感器，采用ppg光电容积脉搏波描记法测量数据，并集成一个660nm红光led、880nm红外光led、光电检测器、光器件，以及环境光抑制的低噪声电子电路；

18、c2、且监测操作分为两部分：

19、m01、模拟信号采集电路：通过red和ir灯发出特定波长的光，采集人体反射回来的光，经过pd管将光信号转化为电信号，最终通过adc转换器转化为数字信号；

20、m02、数字处理电路，将adc转换出来的原始数据进行滤波处理后放置于缓冲区内；微控制器通过iic接口读写芯片内部寄存器，读取出相应的数据，并将数据进行处理进而得到生物体的血氧值。

21、优选的，所述模拟温度传感器和心率血氧传感器的传感器电极采用丝网印刷工艺在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯基底上印刷工作电极和对电极为碳、参比电极为银/氯化银的三电极电化学传感器件。

22、本发明还公开了多模态生理状态监测系统的监测方法，具体包括以下步骤：

23、a1、基于电压转换电路、恒电位仪电路和微小电流检测电路，由dac模块产生电压激励到恒电位仪，控制工作电极与参比电极的电势差；

24、a2、接入特异性传感器进行扫描，采集扫描后的工作电极与对电极通路的电流信号，电流信号经微小电流检测电路后会转换为电压输出，

25、a3、然后经adc模块及通信模块通过wifi将信息传递给上位机，上位机实现数据信息的可视化，并经过欧姆定律得到电流值，再带入标定函数，从而得到生物体血清中的甲状腺素浓度。

26、优选的，所述a3甲状腺素浓度的标定操作的具体步骤为：

27、d1、采用差分脉冲伏安法进行标定，使用脉冲宽度为0.05s，脉冲时间为0.5s，振幅为0.05v，电压范围为-0.3v-0.5v的脉冲电压扫描该传感器；

28、d2、获得标定结果，并将数据转换为文本信息，在对所有的文本数据进行平滑去噪获得直观的曲线图，最后将所有的得到曲线图整合在同一张图内，得到最终结果图；

29、d3、在得到各浓度甲状腺素随电压变化的电流响应曲线图后，取各浓度电流响应的峰值，并与空白对照组做差，以此排除来自溶剂的干扰，然后以溶液浓度为横坐标，电流差值为纵坐标进行线性拟合，得到线性方程；

30、d4、利用搭建的硬件系统和自制的甲状腺素特异性传感电极进行检测时，结合即时检测获得的数据，带入标定的方程，进而计算出被测样本中的甲状腺素浓度。

31、有益效果

32、本发明提供了多模态生理状态监测系统与方法。与现有技术相比具备以下有益效果：

33、(1)、该多模态生理状态监测系统与方法，通过特异性传感电极制作到甲状腺素提取处理到电化学检测到结果显示的完整系统。在制作完传感电极后，为检验其特异性加入相关物质进行对照试验，在进行电化学检测时，也可以根据需求对电压激励进行调整，保证了灵活性，对于检测结果，可以即时的显示在无线终端界面，并能进行保存，由此构成了完整体系，并且通过该装置实现了对生物体的温度和血氧的实时监测以及甲状腺素的即时检测，能够及时的反馈生物体的生理状态信息，并实现了系统小型化、长时间连续供能、便携可穿戴性以及检测的精准高效性。

34、(2)、该多模态生理状态监测系统与方法，通过甲状腺素浓度电化学检测方法应用了氯金酸和t4 rna为修饰材料，实现了血清中甲状腺素浓度在0pg/l～100pg/l的标定，拟合出了其线性响应线。使用dac8562sdgsr产生电压激励作用于硬件系统搭建的甲状腺素浓度检测模块便可以得到与浓度对应的电流与电压信号，将信号由ads115idgst进行转换并传给无线终端，经滤波降噪处理后，带入到标定方程中进而得到所检测的血清中的甲状腺素浓度，并显示在无线终端对应位置，实现数据可视化。