專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于石墨烯電容微陣列的柔性脈象檢測(cè)探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器領(lǐng)域，主要涉及一種脈象檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
脈診是我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)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(gè)重要依據(jù)，在中醫(yī)臨床診斷中具有極其重要的意義。從20世紀(jì)50年代起，我國(guó)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(zhì)特征，通過(guò)建立特征模型、構(gòu)造血流動(dòng)力學(xué)方程、繪制脈象圖等方式進(jìn)行分析研究，在脈象的形成機(jī)制及其生理病理意義等方面取得了一些有益的成果。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(jué)、壓覺(jué)、震動(dòng)覺(jué)等感受器來(lái)探測(cè)脈象局部及整體信息的，現(xiàn)代脈學(xué)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(zhǎng)、流利度、緊張度等八個(gè)維度特征，通過(guò)分析這八維信息來(lái)識(shí)別中醫(yī)常見(jiàn)的28脈。因此，如何有效獲取真實(shí)全面的高質(zhì)量脈象信息，是脈診客觀化研究最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵而又不可回避的難題之一。二十多年來(lái)，脈象檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展取得了多方面的技術(shù)進(jìn)步，但在核心技術(shù)指標(biāo)上并未獲得實(shí)質(zhì)性的突破，總體上依然存在一些較為嚴(yán)重的不足和問(wèn)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(yán)重不足，導(dǎo)致它對(duì)脈長(zhǎng)、脈寬、流利度、緊張度等指標(biāo)的檢測(cè)精度不夠。目前大多數(shù)脈象儀為單觸點(diǎn)式，在寸、關(guān)、尺的某一部位上只能采集一路信號(hào)，該類(lèi)設(shè)備根本無(wú)法檢測(cè)脈寬及脈長(zhǎng)等信息；雖然也有部分陣列式脈象檢測(cè)探頭可以同時(shí)采集多路信號(hào)，但或者由于其集成度不高，或者由于其核心材料固有的機(jī)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(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?01010508173.6,200610119382.5、200820075107.2的脈象檢測(cè)設(shè)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(lái)設(shè)計(jì)，則至少需要45路信號(hào)，則上述三種傳感器至少需要90條數(shù)據(jù)線，如按100路設(shè)計(jì)，則需要200條數(shù)據(jù)線，如此多的數(shù)據(jù)線，使傳感器的總體積很難做小，同時(shí)也帶來(lái)穩(wěn)定性等方面的其它問(wèn)題。臨床實(shí)驗(yàn)表明，如果脈象檢測(cè)探頭的空間分辨率大于0.8mm，則系統(tǒng)對(duì)脈長(zhǎng)、脈寬的檢測(cè)精度過(guò)低而使它對(duì)部分有著重要臨床診斷價(jià)值的脈型(如細(xì)脈、儒脈、微脈、弱脈、革脈、芤脈、緊脈等)進(jìn)行識(shí)別判讀時(shí)，往往準(zhǔn)確率太低而極易引發(fā)誤診。這些因素制約著脈象檢測(cè)設(shè)備的推廣應(yīng)用。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(cè)探頭大部分由結(jié)構(gòu)獨(dú)立的分離式壓力敏感單元通過(guò)機(jī)械連接部件組合而成，因其結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜精細(xì)，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(yīng)真實(shí)的臨床環(huán)境。三是脈象檢測(cè)探頭的壓力量程范圍不足(通常在O I千克力之間)，有時(shí)難以滿足實(shí)際需求。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)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(xiàng)指標(biāo)完全滿足臨床需要；二是擴(kuò)展脈象檢測(cè)探頭的壓力量程范圍；三是提高脈象檢測(cè)探頭的穩(wěn)定性和耐用性。為此，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:一種基于石墨烯電容微陣列的柔性脈象檢測(cè)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(cè)，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(jié)構(gòu)較好地實(shí)現(xiàn)了仿生醫(yī)生指腹的功能。如圖1所示，在上述脈象檢測(cè)探頭中，壓力傳感柔性薄膜由五層薄膜材料構(gòu)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(diǎn)(6);第二層石墨烯薄膜切割成M或N條石墨烯片；第三層內(nèi)刻蝕有MxN陣列的圓孔；頂層表面分布的硅膠小觸點(diǎn)與第三層內(nèi)的圓孔一一精確對(duì)齊；第四層金屬薄膜切割成相應(yīng)的N或M條金屬薄片，且第二和第四層中各相鄰薄片之間留有一定間隙，彼此絕緣，兩層薄膜的切割方向互相垂直；五層薄膜材料緊密結(jié)合構(gòu)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；壓力傳感柔性薄膜在橫向與縱向的信息空間分辨率為0.35mm 0.4mm。其測(cè)量原理是，當(dāng)外力作用到電容器兩側(cè)的時(shí)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(huì)發(fā)生改變，從而使電容發(fā)生改變，通過(guò)電路檢測(cè)電容變化而感知壓力變化，如圖2、圖3所示。石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)性能。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅(jiān)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(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)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(xué)、熱學(xué)、電學(xué)性質(zhì)，因此該壓力傳感柔性薄膜的穩(wěn)定性和耐用性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)小蚊子落上去的壓力變化。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(jié)構(gòu)，將信號(hào)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，每層上的電極數(shù)與該層薄膜的切片數(shù)目相等，因此探頭的電極總數(shù)為M+N;通過(guò)這兩組電極的各種組合可監(jiān)測(cè)各個(gè)探測(cè)單元電容的變化，在圖5中，Al-Bl可監(jiān)測(cè)SI，A1-B3可檢測(cè)S7，其它電容變化以此類(lèi)推。20X20陣列的傳感器僅需40根信號(hào)線，與專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?01010508173.6,200610119382.5,200820075107.2的脈象檢測(cè)設(shè)備相比，信號(hào)線至少降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(shí)現(xiàn)寸、關(guān)、尺三部同時(shí)檢測(cè)而能夠適應(yīng)大部分人群。電路部分主要包含兩個(gè)模塊，一個(gè)是掃描開(kāi)關(guān)，另一個(gè)是電容測(cè)模塊，用一千赫茲的掃描速率，并可以10萬(wàn)赫茲的加載信號(hào)測(cè)量電容，然后轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)。

圖1為本實(shí)用新型中壓力傳感柔性薄膜的組成結(jié)構(gòu)示意圖。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(diǎn)，7、圓孔。圖2、圖3為本實(shí)用新型中壓力傳感柔性薄膜的壓力測(cè)量原理圖。圖4、圖5為本實(shí)用新型中采用3x3陣列的壓力傳感柔性薄膜立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本實(shí)用新型具體實(shí)施例的組成結(jié)構(gòu)圖。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(shí)施方式
如圖6所示，本實(shí)用新型的實(shí)施例中壓力傳感柔性薄膜是在8x8平方毫米的區(qū)域內(nèi)集成20x20陣列的石墨烯電容，共計(jì)400個(gè)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。本實(shí)施例中通過(guò)一個(gè)掃描開(kāi)關(guān)模塊切換壓力敏感單元，并用電容測(cè)模塊來(lái)測(cè)量電容，其中掃描開(kāi)關(guān)的掃描速率為一千赫茲，并以10萬(wàn)赫茲的加載信號(hào)測(cè)量電容，然后將電容微陣列測(cè)量數(shù)據(jù)數(shù)字化后送入計(jì)算機(jī)，轉(zhuǎn)換成二維壓力矩陣數(shù)值，連續(xù)采集這些脈動(dòng)信號(hào)的二維壓力分布數(shù)據(jù)，得到可視化的三維脈象實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)影像，對(duì)這些脈象信號(hào)的二維壓力數(shù)據(jù)分析處理，給出所測(cè)脈象的脈名判讀結(jié)果。
權(quán)利要求1.一種基于石墨烯電容微陣列的柔性脈象檢測(cè)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(cè)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(cè)面上。
2.如權(quán)利要求1所述脈象檢測(cè)探頭，其特征是:壓力傳感柔性薄膜(8)由五層薄膜材料構(gòu)成，從上到下依次為硅橡膠頂層(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)。
3.如權(quán)利要求1所述脈象檢測(cè)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(diǎn)(6)陣列；第三層內(nèi)刻蝕有MxN的圓孔(7)陣列；頂層表面分布的硅膠小觸點(diǎn)與第三層內(nèi)的圓孔在垂直薄膜的方向上一一對(duì)齊。
4.如權(quán)利要求3所述脈象檢測(cè)探頭，其特征是:壓力傳感柔性薄膜根據(jù)預(yù)設(shè)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(yīng)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(quán)利要求4所述脈象檢測(cè)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(quán)利要求4所述脈象檢測(cè)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0.35mm 0.4mm。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型屬于生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)儀器領(lǐng)域，主要涉及一種基于石墨烯電容微陣列的柔性脈象檢測(cè)探頭，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(gòu)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(cè)，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(cè)探頭一是顯著提升了脈象信息的空間分辨率；二是擴(kuò)展了脈象檢測(cè)探頭的壓力量程范圍，使其上限值達(dá)到2.5千克力；三是提高了脈象檢測(cè)探頭的穩(wěn)定性和耐用性；其結(jié)構(gòu)特征較好地實(shí)現(xiàn)了仿生醫(yī)生指腹的功能。
文檔編號(hào)A61B5/02GK202942097SQ201220380869
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者郭福生, 孫志敏 申請(qǐng)人:郭福生