一種基于石墨烯電容微陣列的柔性脈象檢測探頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于生物醫(yī)學檢測儀器領域，主要涉及一種脈象檢測裝置，包括探頭剛性主體、柔性硅膠襯墊、壓力傳感柔性薄膜、固定壓力傳感柔性薄膜的緊固件和彈性連接件，柔性硅膠襯墊的平面端與探頭剛性主體緊密粘合；壓力傳感柔性薄膜由石墨烯電容微陣列柔性薄膜構成，其底層緊貼在柔性硅膠襯墊的弧面上；緊固件和彈性連接件將壓力傳感薄膜的兩端分別固定在探頭剛性主體的兩側，其中一端緊密固定，另一端可隨接觸面的壓力變化而伸縮。該脈象檢測探頭一是顯著提升了脈象信息的空間分辨率；二是擴展了脈象檢測探頭的壓力量程范圍，使其上限值達到2.5千克力；三是提高了脈象檢測探頭的穩(wěn)定性和耐用性；其結構特征較好地實現(xiàn)了仿生醫(yī)生指腹的功能。
【專利說明】—種基于石墨烯電容微陣列的柔性脈象檢測探頭
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學檢測儀器領域，主要涉及一種脈象檢測裝置。
技術背景
[0002]脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學中重要而最具特色的診斷方法之一，它是中醫(yī)辨證的一個重要依據，在中醫(yī)臨床診斷中具有極其重要的意義。從20世紀50年代起，我國的科技工作者就致力于脈診客觀化的研究，探究脈象的本質特征，通過建立特征模型、構造血流動力學方程、繪制脈象圖等方式進行分析研究，在脈象的形成機制及其生理病理意義等方面取得了一些有益的成果。
[0003]脈搏中攜帶著豐富的人體健康狀況信息，中醫(yī)切脈診斷是依靠醫(yī)生指端的觸覺、壓覺、震動覺等感受器來探測脈象局部及整體信息的，現(xiàn)代脈學理論通常將指端感受到的脈象信息分解為:脈位、脈力、脈率、脈律、脈寬、脈長、流利度、緊張度等八個維度特征，通過分析這八維信息來識別中醫(yī)常見的28脈。因此，如何有效獲取真實全面的高質量脈象信息，是脈診客觀化研究最基礎、最關鍵而又不可回避的難題之一。
[0004]二十多年來，脈象檢測設備的發(fā)展取得了多方面的技術進步，但在核心技術指標上并未獲得實質性的突破，總體上依然存在一些較為嚴重的不足和問題，一是脈象傳感器的空間分辨率太低，采集到的脈象信息量嚴重不足，導致它對脈長、脈寬、流利度、緊張度等指標的檢測精度不夠。目前大多數(shù)脈象儀為單觸點式，在寸、關、尺的某一部位上只能采集一路信號，該類設備根本無法檢測脈寬及脈長等信息；雖然也有部分陣列式脈象檢測探頭可以同時采集多路信號，但或者由于其集成度不高，或者由于其核心材料固有的機械或電磁特性制約，而使單部探頭在橫向與縱向上分布的壓力敏感單元數(shù)量依然有限，其脈象信息的空間分辨率大于1.5mmO如專利申請?zhí)枮?01010508173.6,200610119382.5、200820075107.2的脈象檢測設備，其空間分辨率大于等于2mm，如果按中醫(yī)脈象診斷的最低要求來設計，則至少需要45路信號，則上述三種傳感器至少需要90條數(shù)據線，如按100路設計，則需要200條數(shù)據線，如此多的數(shù)據線，使傳感器的總體積很難做小，同時也帶來穩(wěn)定性等方面的其它問題。臨床實驗表明，如果脈象檢測探頭的空間分辨率大于0.8mm，則系統(tǒng)對脈長、脈寬的檢測精度過低而使它對部分有著重要臨床診斷價值的脈型(如細脈、儒脈、微脈、弱脈、革脈、芤脈、緊脈等)進行識別判讀時，往往準確率太低而極易引發(fā)誤診。這些因素制約著脈象檢測設備的推廣應用。
[0005]二是傳感器的穩(wěn)定性、耐用性較低?，F(xiàn)有的陣列式脈象檢測探頭大部分由結構獨立的分離式壓力敏感單元通過機械連接部件組合而成，因其結構過于復雜精細，而致連接脆弱，其穩(wěn)定性、抗沖擊性、耐用性偏低，有些陣列式傳感器(如PVDF薄膜傳感器)穩(wěn)定性較好，但分辨率又太低，不能較好地適應真實的臨床環(huán)境。
[0006]三是脈象檢測探頭的壓力量程范圍不足(通常在O~I千克力之間)，有時難以滿足實際需求。
【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足:一是將脈象采集信息的空間分辨率顯著提升，使該項指標完全滿足臨床需要；二是擴展脈象檢測探頭的壓力量程范圍；三是提高脈象檢測探頭的穩(wěn)定性和耐用性。
[0008]為此，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0009]一種基于石墨烯電容微陣列的柔性脈象檢測探頭，主要包括探頭剛性主體(10)、柔性硅膠弧形襯墊(9)、壓力傳感柔性薄膜(8)、緊固件(12)和彈性連接件(11)，如圖6所示。柔性硅膠弧形襯墊(9)的平面端與探頭剛性主體(10)緊密粘合；壓力傳感柔性薄膜
(8)的底層緊貼在柔性硅膠弧形襯墊(9)的弧面上；緊固件(12)和彈性件(11)將壓力傳感柔性薄膜(8)的兩端分別固定在探頭剛性主體(10)的左右兩側，其中一端緊密固定，另一端可以隨接觸面的壓力變化而伸縮。這種微陣列柔性結構較好地實現(xiàn)了仿生醫(yī)生指腹的功能。
[0010]如圖1所示，在上述脈象檢測探頭中，壓力傳感柔性薄膜由五層薄膜材料構成，從上到下依次為硅膠頂層(I)、多層石墨烯層(2)、聚酯塑料層(3)、金屬薄膜層(4)、聚酯塑料底層(5)，其中頂層表面還分布有MxN陣列的硅膠小觸點(6);第三層內刻蝕有MxN陣列的圓孔；頂層表面分布的硅膠小觸點與第三層內的圓孔一一精確對齊；五層薄膜材料緊密結合構成了電容式微陣列壓力傳感柔性薄膜，如圖1、圖4、圖5所示。以現(xiàn)有的微電子加工工藝，單位面積上的電容微陣列數(shù)量可達30X30個/平方厘米，脈象檢測探頭的空間分辨率可小于0.35mm。
[0011]其測量原理是，當外力作用到電容器兩側的時候，第一層硅橡膠薄膜和第二層多層石墨烯薄膜向里彎曲，第二層多層石墨烯和金屬薄膜的間距會發(fā)生改變，從而使電容發(fā)生改變，通過電路檢測電容變化`而感知壓力變化，如圖2、圖3所示。
[0012]石墨烯具有優(yōu)異的力學、熱學及電學性能。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅韌，如果用石墨烯制成普通塑料膜包裝袋(厚度約100納米)，那么它將承受大約兩噸重的物品；其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度，它為目前世上電阻率最小的材料。由于石墨烯具有優(yōu)異的力學、熱學、電學性質，因此該壓力傳感柔性薄膜的穩(wěn)定性和耐用性遠遠高于現(xiàn)有的陣列式壓力傳感器，其壓力量程范圍也有大幅提高；另外，石墨烯電容微陣列柔性薄膜的靈敏度也很好，可以感知一個小蚊子落上去的壓力變化。
[0013]如圖4、圖5所示，該壓力傳感柔性薄膜的第二層和第四層采用巧妙的空間排列結構，將信號線大幅降低；薄膜的電極分為兩組，一組連接石墨烯，另一組連接金屬；通過這兩組電極的各種組合可監(jiān)測各個探測單元電容的變化，在圖5中，Al-Bl可監(jiān)測SI，A1-B3可檢測S7，其它電容變化以此類推。20 X 20陣列的傳感器僅需40根信號線，與專利申請?zhí)枮?01010508173.6,200610119382.5,200820075107.2的脈象檢測設備相比，信號線至少降低了一個數(shù)量級，從而既使傳感器空間分辨率大幅提高，又可將體積做的很小，還可實現(xiàn)寸、關、尺三部同時檢測而能夠適應大部分人群。電路部分主要包含兩個模塊，一個是掃描開關，另一個是電容測模塊，用一千赫茲的掃描速率，并可以10萬赫茲的加載信號測量電容，然后轉換為壓力信號?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明中壓力傳感柔性薄膜的組成結構示意圖。
[0015]圖中:1、硅膠頂層，2、多層石墨烯層，3、聚酯塑料層，4、金屬薄膜層，5、聚酯塑料底層，6、硅膠小觸點，7、圓孔。
[0016]圖2、圖3為本發(fā)明中壓力傳感柔性薄膜的壓力測量原理圖。
[0017]圖4、圖5為本發(fā)明中采用3X3陣列的壓力傳感柔性薄膜立體結構示意圖。
[0018]圖6為本發(fā)明具體實施例的組成結構圖。
[0019]圖中:8、壓力傳感柔性薄膜，9、柔性硅膠弧形襯墊，10、探頭剛性主體，11、彈性連接件，12、緊固件。 【具體實施方式】
[0020]如圖6所示，本發(fā)明的實施例中壓力傳感柔性薄膜是在8X8平方毫米的區(qū)域內集成20X20陣列的石墨烯電容，共計400個壓力敏感單元；壓力傳感柔性薄膜從上到下各層厚度分別為10微米、5納米、5微米、50納米、50微米。
[0021]本實施例中通過一個掃描開關模塊切換壓力敏感單元，并用電容測模塊來測量電容，其中掃描開關的掃描速率為一千赫茲，并以10萬赫茲的加載信號測量電容，然后將電容微陣列測量數(shù)據數(shù)字化后送入計算機，轉換成二維壓力矩陣數(shù)值，連續(xù)采集這些脈動信號的二維壓力分布數(shù)據，得到可視化的三維脈象實時動態(tài)影像，對這些脈象信號的二維壓力數(shù)據分析處理，給出所測脈象的脈名判讀結果。
【權利要求】
1.一種基于石墨烯電容微陣列的柔性脈象檢測探頭，主要包括探頭剛性主體(10)、柔性硅膠弧形襯墊(9)、壓力傳感柔性薄膜(8)、彈性連接件(11)、緊固件(12)，其特征是:柔性硅膠弧形襯墊(9)的平面端與探頭剛性主體緊密粘合，壓力傳感柔性薄膜(8)的聚酯塑料底層(5)緊貼在柔性硅膠弧形襯墊(9)的弧面上，緊固件(12)將壓力傳感柔性薄膜(8)的一端固定在剛性主體(10)的右側面上，彈性連接件(11)將壓力傳感柔性薄膜的另一端連接到剛性主體(10)左側面上。
2.如權利要求1所述脈象檢測探頭，其特征是:壓力傳感柔性薄膜(8)由五層薄膜材料構成，從上到下依次為硅橡膠頂層(1)、多層石墨烯層(2)、聚酯塑料層(3)、金屬薄膜層(4)、聚酯塑料底層(5)。
3.如權利要求1所述脈象檢測探頭，其特征是:壓力傳感柔性薄膜的頂層表面還分布有MxN的硅膠小觸點(6)陣列；第三層內刻蝕有MxN的圓孔(7)陣列；頂層表面分布的硅膠小觸點與第三層內的圓孔在垂直薄膜的方向上一一對齊。
4.如權利要求3所述脈象檢測探頭，其特征是:壓力傳感柔性薄膜根據預設的陣列方式MxN，其第二層薄膜切割成M或N條石墨烯薄片，第四層薄膜切割成相應的N或M條金屬薄片，每層的相鄰薄片之間留有一定間隙，彼此絕緣，這兩層薄膜的切割方向互相垂直。
5.如權利要求4所述脈象檢測探頭，其特征是:壓力傳感柔性薄膜的電極分為兩組，一組連接石墨烯薄片，另一組連接金屬薄片，每層上的電極數(shù)與該層的切片數(shù)目相等，電極總數(shù)為M+N。
6.如權利要求3~5所述脈象檢測探頭，其特征是:壓力傳感柔性薄膜在橫向與縱向的信息空間分辨率為4mm~0.35mm。
【文檔編號】A61B5/02GK103565424SQ201210273910
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月3日 優(yōu)先權日:2012年8月3日
【發(fā)明者】郭福生, 孫志敏, 于慶凱 申請人:郭福生