相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求享有2014年8月11日提交的第62/035,866號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，所述美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)以整體引用的方式納入本文。

關(guān)于聯(lián)邦政府贊助研究或開(kāi)發(fā)的聲明

本發(fā)明是在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)授予的dge-1144245以及美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院授予的1ziahl00601204的政府支持下完成的。美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明具有一定權(quán)利。

背景技術(shù)：

可穿戴電子設(shè)備是一類對(duì)眾多技術(shù)、工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品具有廣泛影響潛力的系統(tǒng)。可穿戴系統(tǒng)的進(jìn)展部分地由提供使用與身體兼容的器件形狀因數(shù)(formfactor)實(shí)施的新功能的新材料和新器件架構(gòu)的發(fā)展驅(qū)動(dòng)。可穿戴消費(fèi)產(chǎn)品是可得的，例如，利用以身體安裝的形狀因數(shù)提供的小且便攜的電子系統(tǒng)和/或光子系統(tǒng)的可穿戴消費(fèi)產(chǎn)品，所述系統(tǒng)諸如是建造常規(guī)身體穿戴器件(諸如，眼鏡、腕帶、鞋制品等)的系統(tǒng)。新器件平臺(tái)也正在開(kāi)發(fā)中，以擴(kuò)展可穿戴技術(shù)應(yīng)用的范圍，可穿戴技術(shù)應(yīng)用包括智能紡織品和可拉伸的/柔性的電子系統(tǒng)，所述智能紡織品和可拉伸的/柔性的電子系統(tǒng)將先進(jìn)的電子和光子功能納入與低功率運(yùn)行、無(wú)線通信和用于與身體接口的新型集成方案兼容的空間順從的(spatiallycompliant)形狀因數(shù)中。(參見(jiàn)，例如，kim等人，annu.rev.biomed.eng.2012.14；113-128；windmiller等人，electroanalysis；2013,25,1,29-46；zeng等人，adv.mater.,2014,26,5310-5336；ahn等人，jphys.d:appl.phys.,2012,45,103001.)

組織安裝的(tissuemounted)系統(tǒng)表示一類支持健康護(hù)理、感測(cè)、運(yùn)動(dòng)識(shí)別以及通信中的各種不同應(yīng)用的可穿戴系統(tǒng)。表皮電子設(shè)備的最新進(jìn)展例如提供了一類設(shè)置成實(shí)現(xiàn)與皮膚的機(jī)械魯棒且物理緊密接觸的物理形式的皮膚安裝的電子系統(tǒng)。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了某些種類的表皮電子系統(tǒng)，例如，將高性能可拉伸的和/或超薄的功能材料與軟彈性襯底結(jié)合，所述軟彈性襯底以對(duì)于建立并且維持與皮膚的軟的、曲線的且時(shí)變的表面的共形接觸有用的器件幾何結(jié)構(gòu)實(shí)施。(參見(jiàn)，例如，美國(guó)公開(kāi)號(hào)2013/0041235；w.-h.yeo,y.-s.kim,j.lee,a.ameen,l.shi,m.li,s.wang,r.ma,s.h.jin,z.kang,y.huang和j.a.rogers,"multifunctionalepidermalelectronicsprinteddirectlyontotheskin,"advancedmaterials25,2773-2778(2013).)對(duì)于采用該類新興表皮電子系統(tǒng)關(guān)鍵是，繼續(xù)開(kāi)發(fā)支持此技術(shù)的寬范圍應(yīng)用的器件，所述應(yīng)用包括用于個(gè)人健康護(hù)理評(píng)估和臨床醫(yī)學(xué)。

將從前述內(nèi)容理解，需要組織安裝的系統(tǒng)來(lái)支持可穿戴電子器件中的迅速出現(xiàn)的應(yīng)用。需要新的表皮系統(tǒng)，例如，提供新的感測(cè)方式、讀出方式和分析方式來(lái)支持生理感測(cè)和環(huán)境感測(cè)中的各種不同技術(shù)應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了用于組織安裝的電子系統(tǒng)和光子系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。一些實(shí)施方案的器件在柔性的且可拉伸的器件架構(gòu)中實(shí)施熱感測(cè)和熱致動(dòng)，包括用于內(nèi)部組織和外部組織的體內(nèi)生物計(jì)量感測(cè)，所述柔性的且可拉伸的器件架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)與眾多組織種類的長(zhǎng)期、機(jī)械魯棒共形集成兼容。一些實(shí)施方案的組織安裝的電子系統(tǒng)和光子系統(tǒng)將熱致動(dòng)與比色熱感測(cè)和/或電子熱感測(cè)(所述比色熱感測(cè)和/或電子熱感測(cè)在軟彈性體襯底上以陣列形式設(shè)置)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)組織的熱傳送屬性的空間分辨感測(cè)和/或時(shí)間分辨感測(cè)，同時(shí)使對(duì)組織的不利物理影響最小化。一些實(shí)施方案的組織安裝的電子系統(tǒng)和光子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)魯棒熱傳送感測(cè)，所述魯棒熱傳送感測(cè)可以提供與組織的眾多生理屬性和/或物理屬性有關(guān)的信息，所述屬性包括水化狀態(tài)和/或血管系統(tǒng)信息(例如，血液流動(dòng)速率和方向)。一些實(shí)施方案的組織安裝的電子系統(tǒng)和光子系統(tǒng)具有提供與眾多部署模式(諸如，直接粘附在組織的表面上和使用粘合劑或中間鍵合結(jié)構(gòu)部署)兼容的機(jī)械屬性的低有效模量和小厚度。

在本系統(tǒng)和方法中有用的光子結(jié)構(gòu)包括納入了光學(xué)指示器的結(jié)構(gòu)，所述光學(xué)指示器諸如是比色指示器或熒光指示器，所述光學(xué)指示器具有對(duì)于表征組織參數(shù)或環(huán)境參數(shù)有用的光學(xué)屬性。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，像素的至少一部分包括比色指示器、熒光指示器或二者，包括包含對(duì)應(yīng)于不同的比色指示器和/或熒光指示器的像素的器件。本發(fā)明與眾多納入了包括嵌入結(jié)構(gòu)和/或包封結(jié)構(gòu)的指示器的光子結(jié)構(gòu)兼容。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述光子結(jié)構(gòu)是微米包封結(jié)構(gòu)和/或納米包封結(jié)構(gòu)，例如，具有由一個(gè)或多個(gè)包封結(jié)構(gòu)(諸如，層壓層、嵌入層或包封層)包封的指示器。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述微米包封結(jié)構(gòu)和/或所述納米包封結(jié)構(gòu)與組織或來(lái)源于組織的材料(諸如，生物流體)物理接觸、熱接觸、光學(xué)接觸或電接觸。

在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，像素的至少一部分包括一個(gè)比色指示器，該比色指示器是液晶、電離變色(ionochromic)染料、ph指示器、螯合劑、熒光團(tuán)或光敏染料。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，像素的至少一部分包括一個(gè)比色指示器，該比色指示器能夠生成用于表征溫度、暴露于電磁輻射或組織的化學(xué)成分或來(lái)源于組織的材料的化學(xué)成分的光子響應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，像素的至少一部分包括一個(gè)比色指示器，該比色指示器包括熱致變色液晶，該熱致變色液晶經(jīng)歷當(dāng)組織參數(shù)改變時(shí)被吸收、被透射或被散射的光的波長(zhǎng)的可測(cè)量的改變。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，像素的至少一部分包括一個(gè)比色指示器，該比色指示器包括手性向列型(chiralnematic)液晶，該手性向列型液晶經(jīng)歷當(dāng)組織的溫度改變時(shí)被吸收、被透射或被散射的光的波長(zhǎng)的可測(cè)量的改變。

在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，像素的至少一部分包括一個(gè)比色指示器，該比色指示器包括電離變色染料，該電離變色染料經(jīng)歷響應(yīng)于組織的成分或?qū)傩曰騺?lái)源于組織的材料(諸如，生物流體)的成分或?qū)傩远晃铡⒈煌干浠虮簧⑸涞墓獾牟ㄩL(zhǎng)的可測(cè)量的改變。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，生物流體的成分或?qū)傩詫?duì)應(yīng)于ph、自由銅離子的濃度或鐵離子的濃度的改變。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，像素的至少一部分包括一個(gè)響應(yīng)于暴露于紫外線輻射而經(jīng)歷可測(cè)量的顏色改變的比色指示器。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，光子結(jié)構(gòu)包括當(dāng)與組織中的生物標(biāo)記或來(lái)源于組織的材料(諸如，生物流體)中的生物標(biāo)記接觸時(shí)改變光學(xué)屬性的比色指示器或熒光指示器。

在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，像素陣列還包括一個(gè)或多個(gè)校準(zhǔn)像素，諸如，具有一個(gè)固定顏色的圓點(diǎn)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件還包括通過(guò)可拉伸的或柔性的襯底支撐的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)部件，且可選地被設(shè)置成與光子結(jié)構(gòu)光學(xué)連通。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述光學(xué)部件是光收集光學(xué)部件、光聚集光學(xué)部件、光漫射光學(xué)部件、光散射光學(xué)部件和光過(guò)濾光學(xué)部件中的一個(gè)或多個(gè)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述光學(xué)部件是透鏡、透鏡陣列、反射器、反射器陣列、波導(dǎo)、波導(dǎo)陣列、光學(xué)涂層、光學(xué)涂層陣列、光學(xué)濾波器、光學(xué)濾波器陣列、光纖元件以及光纖元件陣列中的一個(gè)或多個(gè)。

本光子器件的器件級(jí)機(jī)械屬性、熱屬性、電子屬性和光學(xué)屬性對(duì)于支持眾多技術(shù)應(yīng)用是重要的。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的模量在該組織在該器件的界面處的模量的1000倍之內(nèi)，且可選地在10倍之內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案內(nèi)，例如，該器件具有的平均模量小于或等于100mpa，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于或等于500kpa，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于或等于200kpa且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于或等于100kpa。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的平均模量是在0.5kpa到100mpa的范圍內(nèi)選擇的，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案是在0.5kpa到500kpa的范圍內(nèi)選擇的，可選地對(duì)于一些應(yīng)用是在1kpa到200kpa的范圍內(nèi)選擇的。

使所述器件的物理尺度和物理屬性匹配到組織的物理尺度和物理屬性在一些實(shí)施方案中是有用的設(shè)計(jì)策略，以實(shí)現(xiàn)魯棒共形接觸。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的平均模量等于或小于該組織在該界面處的平均模量的100倍，可選地等于或小于該組織在該界面處的平均模量的10倍。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的平均厚度小于或等于3000微米，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于或等于1000微米。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的平均厚度是在1微米到1000微米的范圍內(nèi)選擇的。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的凈抗彎剛度小于或等于1mnm，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于或等于1nnm，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于或等于0.1nnm且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于或等于0.05nnm。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的凈抗彎剛度是在0.01nnm到1nm的范圍內(nèi)選擇的，可選地對(duì)于一些應(yīng)用是在0.01nnm到1nnm的范圍內(nèi)選擇的，且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案是在0.1nnm到1nnm的范圍內(nèi)選擇的。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的面積質(zhì)量密度小于或等于100mgcm^-2，可選地對(duì)于一些應(yīng)用小于或等于10mgcm^-2。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的面積質(zhì)量密度是在0.1mgcm^-2到100mgcm^-2的范圍內(nèi)選擇的，可選地對(duì)于一些應(yīng)用是在0.5mgcm^-2到10mgcm^-2的范圍內(nèi)選擇的。在一個(gè)實(shí)施方案中，該器件由大于或等于5％且可選地對(duì)于一些應(yīng)用50％且可選地對(duì)于一些應(yīng)用100％的可拉伸性表征，例如，通過(guò)能夠經(jīng)歷到此程度的拉伸而不會(huì)機(jī)械失效。在一個(gè)實(shí)施方案中，該器件由選自5％到200％的范圍的可拉伸性，且可選地對(duì)于一些應(yīng)用選自20％到200％的范圍的可拉伸性表征，例如，通過(guò)能夠經(jīng)歷到此程度的拉伸而不會(huì)機(jī)械失效。

在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，像素的至少一部分包括一個(gè)包括電離變色染料的比色指示器，該電離變色染料經(jīng)歷當(dāng)組織的成分或來(lái)源于組織的材料(諸如，生物流體)的成分改變時(shí)被吸收、被透射或被散射的光的波長(zhǎng)的可測(cè)量的改變。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該生物流體的成分的改變對(duì)應(yīng)于ph、自由銅離子濃度或鐵離子濃度的改變。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，像素的至少一部分包括一個(gè)比色指示器，該比色指示器響應(yīng)于暴露于紫外線輻射而經(jīng)歷可測(cè)量的顏色改變。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述光子結(jié)構(gòu)包括當(dāng)與組織中的生物標(biāo)記或來(lái)源于組織的材料(諸如，生物流體)中的生物標(biāo)記接觸時(shí)改變光學(xué)屬性的比色指示器或熒光指示器。

一方面，本發(fā)明提供了一種用于與生物環(huán)境中的組織接口的器件，該器件包括：(i)一個(gè)柔性的或可拉伸的襯底；以及(ii)通過(guò)該柔性的或可拉伸的襯底支撐的一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和多個(gè)熱傳感器，所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器用于表征該組織的熱傳送屬性；其中該柔性的或可拉伸的襯底、所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器提供一個(gè)凈抗彎剛度(和/或楊氏模量)，使得該器件能夠與該組織的表面建立共形接觸。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件用于熱感測(cè)和熱致動(dòng)該組織以便表征該組織的物理屬性、化學(xué)屬性和/或生理屬性。在一個(gè)實(shí)施方案中，該器件用于空間地和/或時(shí)間地表征組織參數(shù)，例如，與在該組織的該表面處或下方該組織的生理屬性、化學(xué)屬性和/或環(huán)境屬性的表征有關(guān)和/或與對(duì)應(yīng)于來(lái)源于該組織的材料(例如，生物流體，諸如，血液)的生理屬性、化學(xué)屬性和環(huán)境屬性的表征有關(guān)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件是用于熱感測(cè)和熱致動(dòng)在體內(nèi)生物環(huán)境中的器件。在一個(gè)實(shí)施方案中，該器件是組織安裝的器件，例如，與組織表面共形接口并且與組織表面物理接觸的器件。

在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器空間地表征該組織的熱傳送屬性，例如，作為在該組織的該表面上的位置的函數(shù)或與一個(gè)或多個(gè)生理特征(例如，血管系統(tǒng)特征)有關(guān)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器時(shí)間地表征該組織的熱傳送屬性，諸如，熱傳送作為時(shí)間的函數(shù)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱傳感器是用于表征溫度的空間時(shí)間分布，所述溫度由所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器提供的加熱造成且例如與該組織的生理功能、總體健康和/或該組織的診斷評(píng)測(cè)有關(guān)。

本方法對(duì)于組織的眾多熱屬性、生理屬性和物理屬性的表征是有用的。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱傳送屬性是熱傳導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率或熱容(heatcapacity)或這些的組合。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱傳送屬性與選自由水化狀態(tài)、炎癥狀態(tài)、閉塞狀態(tài)以及這些的任何組合組成的組的組織屬性相關(guān)聯(lián)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱傳送屬性與選自由大血管血液流動(dòng)方向、大血管血液流動(dòng)速率、微血管血液流動(dòng)方向、微血管血液流動(dòng)速率、閉塞的存在、大血管灌注、微血管灌注、由于炎癥引起的循環(huán)改變以及這些的任何組合組成的組的生理參數(shù)相關(guān)聯(lián)。

本發(fā)明的某些實(shí)施方案的器件具有被設(shè)計(jì)成使對(duì)該組織的影響最小化同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械魯棒共形組織接口的物理屬性和化學(xué)屬性以及器件幾何結(jié)構(gòu)的組合。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，當(dāng)建立共形接觸時(shí)，該器件不顯著地影響該組織的自然溫度。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的平均厚度小于或等于1000微米，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于100微米。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有每面積熱質(zhì)量小于或等于50mjcm^-2k^-1，且對(duì)于一些應(yīng)用小于或等于10mjcm^-2k^-1。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的氣體滲透性大于或等于20gh^-1m^-2，且對(duì)于一些應(yīng)用大于或等于5gh^-1m^-2。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有小于或等于10mgcm^-2的面積密度。

具有眾多物理屬性和化學(xué)屬性的致動(dòng)器和傳感器在本器件和方法中是有用的。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱致動(dòng)器和所述熱傳感器包括可拉伸的或柔性的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱致動(dòng)器和所述熱傳感器包括薄膜結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱致動(dòng)器和所述熱傳感器包括長(zhǎng)絲金屬結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱傳感器提供大于或等于10μm的空間分辨率。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱傳感器提供大于或等于1μs的時(shí)間分辨率。

在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱致動(dòng)器和所述熱傳感器是柔性的結(jié)構(gòu)或可拉伸的結(jié)構(gòu)，例如，展現(xiàn)大于或等于20％且對(duì)于一些實(shí)施方案大于或等于50％且對(duì)于一些實(shí)施方案大于或等于100％的可拉伸性而不會(huì)失效。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱致動(dòng)器和所述熱傳感器是微米結(jié)構(gòu)(例如，具有選自1微米到1000微米的范圍的物理尺度)和/或納米結(jié)構(gòu)(例如，具有選自1納米到1000納米的范圍的物理尺度)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱致動(dòng)器和所述熱傳感器由小于或等于500kpa的平均模量表征或具有在0.5kpa到500kpa的范圍內(nèi)選擇的平均模量。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱致動(dòng)器和所述熱傳感器由選自10μm到1000μm的范圍的平均側(cè)向尺度和/或選自1μm到100μm的范圍的平均厚度表征。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱致動(dòng)器和所述熱傳感器能夠響應(yīng)于刺激(諸如，溫度、能量輸入、物理應(yīng)力等的改變)而機(jī)械變形。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和熱傳感器的至少一部分與該組織處于熱連通。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱致動(dòng)器和所述熱傳感器的至少一部分與該組織的該表面物理接觸、流體連通、光學(xué)連通和/或電連通。

可以以各種方式使用本發(fā)明的器件以提供準(zhǔn)確組織表征。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱傳感器中的至少一個(gè)是用于測(cè)量背景溫度以補(bǔ)償漂移的溫度傳感器。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱致動(dòng)器向該組織提供在0.1mwmm^-2到50mwmm^-2的范圍內(nèi)選擇的功率輸入。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱致動(dòng)器提供對(duì)該組織的恒定加熱。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱致動(dòng)器提供對(duì)該組織的脈沖加熱。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱傳感器相對(duì)于所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器對(duì)稱地布置。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱傳感器中的兩個(gè)在該熱致動(dòng)器的相對(duì)側(cè)上形成匹配對(duì)，用于獲得比較數(shù)據(jù)作為一個(gè)各向異性熱傳送屬性的指示。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該各向異性熱傳送屬性指示血液流動(dòng)的方向。

對(duì)于本系統(tǒng)和方法的一些實(shí)施方案有用的熱致動(dòng)器和熱傳感器在空間上分布成一個(gè)陣列，諸如，其中個(gè)體熱致動(dòng)器和熱傳感器與該組織表面的特定區(qū)域處于單獨(dú)物理接觸、光學(xué)接觸或熱接觸的陣列。以陣列形狀因數(shù)設(shè)置的熱致動(dòng)器和熱傳感器在某些系統(tǒng)和方法中是有用的，以提供對(duì)應(yīng)于該組織或組織環(huán)境的表征或空間信息，諸如，組織參數(shù)相對(duì)于組織表面的空間分布。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，熱致動(dòng)器和熱傳感器的陣列是一個(gè)像素化陣列；其中每個(gè)熱致動(dòng)器和熱傳感器提供一個(gè)獨(dú)立地對(duì)應(yīng)于該陣列的一個(gè)個(gè)體位置的個(gè)體像素。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，個(gè)體像素或該陣列具有的平均側(cè)向尺度選自10μm到1cm的范圍，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案選自100μm到500μm的范圍，且進(jìn)一步可選地對(duì)于一些實(shí)施方案選自200μm到500μm的范圍。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該致動(dòng)器的個(gè)體像素具有的面積是該傳感器的個(gè)體像素的面積的9x，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案是該傳感器的個(gè)體像素的面積的20x。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述個(gè)體像素具有的平均厚度選自1μm到1000μm的范圍，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案選自10μm到500μm的范圍，且進(jìn)一步可選地對(duì)于一些實(shí)施方案選自20μm到100μm的范圍。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述個(gè)體像素與該陣列中的其他鄰近的像素間隔選自10μm到1000μm的范圍的距離，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案選自100μm到1000μm的范圍的距離，且進(jìn)一步可選地對(duì)于一些實(shí)施方案選自250μm到500μm的范圍的距離。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該像素化陣列包括10到1,000,000個(gè)像素，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案10到100,000個(gè)像素。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該像素化陣列具有的覆蓋區(qū)選自10mm²到2000cm²的范圍或選自300mm²到2000cm²的范圍。

本發(fā)明的熱傳感器和熱致動(dòng)器可以被設(shè)置成支持各種不同感測(cè)應(yīng)用的眾多幾何結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱傳感器被布置為一個(gè)或多個(gè)同心環(huán)，使所述熱致動(dòng)器中的一個(gè)在所述一個(gè)或多個(gè)同心環(huán)的中心處。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述像素的至少一部分包括微米包封結(jié)構(gòu)或納米包封結(jié)構(gòu)。在本系統(tǒng)和方法中有用的熱傳感器包括納入了光學(xué)指示器(諸如，比色指示器或熒光指示器)的結(jié)構(gòu)，所述光學(xué)指示器能夠經(jīng)歷由一個(gè)或多個(gè)組織參數(shù)(諸如，溫度)的改變?cè)斐傻墓鈱W(xué)屬性的改變。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述像素的至少一部分包括一個(gè)比色指示器，所述比色指示器包括熱致變色液晶，該熱致變色液晶經(jīng)歷當(dāng)溫度改變時(shí)被吸收、被透射或被散射的光的波長(zhǎng)的可測(cè)量的改變。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述像素的至少一部分包括一個(gè)比色指示器，所述比色指示器包括手性向列型液晶，該手性向列型液晶經(jīng)歷當(dāng)該組織的溫度改變時(shí)被吸收、被透射或被散射的光的波長(zhǎng)的可測(cè)量的改變。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該像素化陣列還包括一個(gè)或多個(gè)校準(zhǔn)像素，諸如，具有一個(gè)固定顏色的圓點(diǎn)。

眾多襯底在本器件和方法的實(shí)施方案中是有用的。在一些實(shí)施方案中，該襯底是一個(gè)功能襯底。低模量且薄的襯底的使用在一些實(shí)施方案中對(duì)于實(shí)現(xiàn)與具有復(fù)雜形態(tài)的組織表面的共形接觸而沒(méi)有分層以及實(shí)現(xiàn)共形接觸而沒(méi)有該器件相對(duì)于該組織的接觸表面的移動(dòng)(例如，在組織的移動(dòng)期間)是有益的。選擇性著色的襯底或光學(xué)不透明的襯底的使用對(duì)于提供對(duì)有效光學(xué)讀出(例如，通過(guò)使用移動(dòng)電子器件成像)足夠的對(duì)比度是有用的。多孔襯底和具有流體結(jié)構(gòu)(例如，有源流體通道和無(wú)源流體通道)的襯底的使用對(duì)于能夠表征來(lái)自該組織的流體的屬性的實(shí)施方案是有益的。

在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該襯底是光學(xué)不透明的。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底納入了一個(gè)或多個(gè)流體結(jié)構(gòu)，用于收集或運(yùn)輸來(lái)自該組織的流體。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底包括一個(gè)彈性體。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底是低模量橡膠材料或低模量硅樹(shù)脂材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底是生物惰性材料或生物可兼容的材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底包括氣體可滲透的彈性體片材。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底具有的平均模量小于或等于100mpa，或小于或等于1mpa，或小于或等于500kpa。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底具有在0.5kpa到100mpa或0.5kpa到500kpa的范圍內(nèi)選擇的平均模量。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底具有的平均厚度小于或等于3mm，或小于或等于1mm，或小于或等于1000微米。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底具有在1微米到3000微米或1微米到1000微米的范圍內(nèi)選擇的平均厚度。

本發(fā)明的器件還可以包括眾多附加的器件部件。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件還包括通過(guò)該柔性的或可拉伸的襯底支撐的一個(gè)或多個(gè)附加的器件部件，所述器件部件選自由電極、應(yīng)變計(jì)、光源、溫度傳感器、無(wú)線功率線圈、太陽(yáng)能電池、無(wú)線通信部件、光電二極管、微流體部件、感應(yīng)線圈、高頻電感器、高頻電容器、高頻振蕩器、高頻天線、多路復(fù)用電路、心電圖傳感器、肌電圖傳感器、腦電圖傳感器、電生理傳感器、熱敏電阻器、晶體管、二極管、電阻器、電容性傳感器和發(fā)光二極管組成的組。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件還包括通過(guò)該柔性的或可拉伸的襯底支撐的一個(gè)或多個(gè)無(wú)線通信天線結(jié)構(gòu)或近場(chǎng)通信線圈。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件還包括通過(guò)該柔性的或可拉伸的襯底支撐的一個(gè)或多個(gè)單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器和/或所述多個(gè)傳感器通過(guò)一個(gè)電子電路連接。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該電子電路是柔性的或可拉伸的。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的電子電路包括具有弧形幾何結(jié)構(gòu)、蛇形幾何結(jié)構(gòu)、彎曲幾何結(jié)構(gòu)、波浪形幾何結(jié)構(gòu)或卷曲形幾何結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)電子器件或器件部件。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該電子電路包括選自由曲折電極、叉指式電極、圓形電極和環(huán)形電極組成的組的多個(gè)電極。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底和該電子電路提供的該器件的凈抗彎剛度小于或等于1mnm，小于或等于20nnm，可選地小于或等于5nnm。

在一些實(shí)施方案中，所述熱致動(dòng)器和所述熱傳感器與該襯底物理接觸。本發(fā)明的器件包括多層器件，例如，包括一個(gè)或多個(gè)附加層，諸如，至少部分地包封所述熱致動(dòng)器和所述熱傳感器的包封層，和/或設(shè)置在所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述熱傳感器和該襯底之間的中間層。

本器件的器件級(jí)機(jī)械屬性、熱屬性、電子屬性和光學(xué)屬性對(duì)于支持眾多組織安裝的技術(shù)應(yīng)用很重要。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的模量在該組織在與該器件的界面處的模量的1000倍、100倍、10倍或2倍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案內(nèi)，例如，該器件具有的平均模量小于或等于100mpa，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于或等于500kpa，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于或等于200kpa且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于或等于100kpa。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的平均模量是在0.5kpa到100mpa的范圍內(nèi)選擇的，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案是在0.5kpa到500kpa的范圍內(nèi)選擇的，且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案是在1kpa到200kpa的范圍內(nèi)選擇的。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的平均模量等于或小于該組織在該界面處的平均模量的100倍，且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案等于或小于該組織在該界面處的平均模量的10倍。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的平均厚度小于或等于3000微米，或小于或等于1000微米。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的平均厚度是在1微米到3000微米的范圍內(nèi)選擇的，且對(duì)于一些實(shí)施方案是在1微米到1000微米的范圍內(nèi)選擇的。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有小于或等于1mnm的凈抗彎剛度，可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于或等于0.1mnm的凈抗彎剛度，且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案小于或等于20nnm的凈抗彎剛度。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的凈抗彎剛度是在0.1nnm到1mnm的范圍內(nèi)選擇的，且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案是在0.1nnm到0.5mnm的范圍內(nèi)選擇的，且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案是在0.1nnm到20nnm的范圍內(nèi)選擇的。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的面積質(zhì)量密度小于或等于100mgcm^-2，或小于或等于10mgcm^-2。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的面積質(zhì)量密度是在0.1mgcm^-2到100mgcm^-2的范圍內(nèi)選擇的。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件展現(xiàn)大于5％的可拉伸性而不會(huì)失效。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件展現(xiàn)在5％到20％的范圍內(nèi)選擇的可拉伸性而不會(huì)失效。

本發(fā)明的器件是與眾多組織類型兼容的，所述組織類型包括體內(nèi)組織、內(nèi)部組織和外部組織。在一些實(shí)施方案中，該組織是皮膚、心臟組織、腦組織、肌肉組織、神經(jīng)系統(tǒng)組織、血管組織、上皮組織、視網(wǎng)膜組織、耳鼓膜、腫瘤組織或消化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，例如，當(dāng)將該器件與該組織物理接觸放置時(shí)，該器件與該組織建立共形接觸，且其中當(dāng)該組織移動(dòng)時(shí)或當(dāng)該器件移動(dòng)時(shí)，維持與生物環(huán)境中的組織的共形接觸。在該組織是皮膚的一個(gè)實(shí)施方案中，該器件與表皮的外表面建立共形接觸。該組織可以屬于正經(jīng)歷治療或診斷的受驗(yàn)者。

在一個(gè)實(shí)施方案中，該器件還包括一個(gè)至少部分地包封所述熱致動(dòng)器和所述熱傳感器的至少一部分的阻擋層。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該阻擋層包括選自由以下材料組成的組的材料：聚合物、無(wú)機(jī)聚合物、有機(jī)聚合物、彈性體、生物聚合物、陶瓷以及這些的任何組合。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該阻擋層包括聚乙烯吡咯烷酮、硝酸纖維素、硝化纖維素、聚(甲基丙烯酸酯-異丁烯-單異丙基馬來(lái)酸酯)、硝酸纖維素、丙烯酸酯聚合物、硅氧烷聚合物，氰基丙烯酸酯、辛基氰基丙烯酸酯、丙烯酸酯共聚物、2-辛基氰基丙烯酸酯、乙基氰基丙烯酸乙酯、n-正丁基氰基丙烯酸酯、丙烯酸酯三元共聚物、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷以及其任何組合。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該阻擋層包括一個(gè)彈性體。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該阻擋層包括pdms、聚酰亞胺、su-8、聚對(duì)二甲苯、聚氯代對(duì)二甲苯、碳化硅(sic)或si3n4。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該阻擋層是生物可兼容的材料或生物惰性材料。

在一方面，本發(fā)明提供了一種感測(cè)生物環(huán)境的組織的方法，該方法包括：(i)提供一個(gè)器件，該器件包括：(1)一個(gè)柔性的或可拉伸的襯底；以及(2)通過(guò)所述柔性的或可拉伸的襯底支撐的一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和多個(gè)熱傳感器，所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器用于表征該組織的熱傳送屬性；其中所述柔性的或可拉伸的襯底、所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器提供一個(gè)凈抗彎剛度，使得該器件能夠與該組織的表面建立共形接觸；(ii)使該器件接觸該組織的接收表面，其中接觸導(dǎo)致與該組織的該表面的共形接觸；(iii)用所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器熱致動(dòng)所述組織；以及(iv)用至少一部分所述熱傳感器測(cè)量所述組織的一個(gè)或多個(gè)溫度。

在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，熱致動(dòng)所述組織的步驟包括加熱該組織的該表面。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，加熱的步驟包括加熱該組織的該表面的一個(gè)選定區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，加熱的步驟包括電地、光學(xué)地或機(jī)械地提供能量給所述組織。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，測(cè)量所述組織的一個(gè)或多個(gè)溫度的步驟包括進(jìn)行對(duì)該組織的一個(gè)或多個(gè)電壓測(cè)量、電流測(cè)量、電磁輻射強(qiáng)度或功率測(cè)量、溫度測(cè)量、壓力測(cè)量、組織加速度測(cè)量或組織移動(dòng)測(cè)量。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該方法還包括測(cè)量所述組織的所述表面的溫度分布。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該方法還包括空間時(shí)間地映射所述組織的所述表面。

在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該方法還包括使用所述組織的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量溫度確定所述組織的熱傳送屬性的步驟。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述熱傳送屬性是熱傳導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率或熱容。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該方法還包括使用所述熱傳送屬性確定一個(gè)或多個(gè)組織參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述一個(gè)或多個(gè)組織參數(shù)是該組織的生理組織參數(shù)或物理屬性。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述一個(gè)或多個(gè)組織參數(shù)選自由水化狀態(tài)、炎癥狀態(tài)、閉塞狀態(tài)以及這些的任何組合組成的組。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，所述一個(gè)或多個(gè)組織參數(shù)選自由大血管血液流動(dòng)方向、大血管血液流動(dòng)速率、微血管血液流動(dòng)方向、微血管血液流動(dòng)速率、閉塞的存在、大血管灌注、微血管灌注、由于炎癥引起的循環(huán)改變以及這些的任何組合組成的組。

在一個(gè)實(shí)施方案中，一種用于表征組織的血管系統(tǒng)的方法包括：提供一個(gè)器件，該器件包括：一個(gè)柔性的或可拉伸的襯底；以及通過(guò)所述柔性的或可拉伸的襯底支撐的一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和多個(gè)熱傳感器，所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器用于表征所述組織的熱傳送屬性；其中所述柔性的或可拉伸的襯底、所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器提供一個(gè)凈抗彎剛度，使得該器件能夠與該組織的表面建立共形接觸；使該器件接觸該組織的接收表面，其中接觸導(dǎo)致與該組織的所述表面的所述共形接觸；順次地測(cè)量每個(gè)熱傳感器的位置處的穩(wěn)態(tài)溫度；用所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器熱致動(dòng)所述組織的同時(shí)，同時(shí)地記錄該熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器的非平衡溫度；以及識(shí)別在該熱致動(dòng)器的相對(duì)側(cè)上對(duì)稱地布置的熱傳感器對(duì)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，一種用于表征組織的血管系統(tǒng)的方法還包括將對(duì)稱地布置的熱傳感器對(duì)的非平衡溫度的歸一化改變與時(shí)間之間的關(guān)系與模型結(jié)果比較，以確定脈管深度。

在一個(gè)實(shí)施方案中，一種用于表征組織的血管系統(tǒng)的方法還包括通過(guò)該致動(dòng)器處的非平衡溫度使對(duì)稱地布置的熱傳感器對(duì)之間的穩(wěn)態(tài)溫度差歸一化，以確定血液流動(dòng)速度。

在一個(gè)實(shí)施方案中，熱致動(dòng)的所述步驟包括施加脈沖功率。例如，該脈沖功率可以具有在0.05hz和0.1hz之間的頻率、具有33％的占空比。

在一個(gè)實(shí)施方案中，一種用于表征組織的血管系統(tǒng)的方法包括：提供一個(gè)器件，該器件包括：一個(gè)柔性的或可拉伸的襯底；以及通過(guò)所述柔性的或可拉伸的襯底支撐的一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和多個(gè)熱傳感器，所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器用于表征所述組織的熱傳送屬性；其中所述柔性的或可拉伸的襯底、所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器提供一個(gè)凈抗彎剛度，使得該器件能夠與該組織的表面建立共形接觸；使該器件接觸該組織的接收表面，其中接觸導(dǎo)致與該組織的所述表面的所述共形接觸；順次地將電流供應(yīng)到每個(gè)熱傳感器并且測(cè)量來(lái)自每個(gè)熱傳感器的電壓；以及計(jì)算電阻隨時(shí)間的改變，以確定每個(gè)熱傳感器的熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率。

在一個(gè)實(shí)施方案中，一種用于確定組織的水化水平的方法包括：提供一個(gè)器件，該器件包括：一個(gè)柔性的或可拉伸的襯底；以及通過(guò)所述柔性的或可拉伸的襯底支撐的一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和多個(gè)熱傳感器，所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器用于表征所述組織的熱傳送屬性；其中所述柔性的或可拉伸的襯底、所述一個(gè)或多個(gè)熱致動(dòng)器和所述多個(gè)熱傳感器提供一個(gè)凈抗彎剛度，使得該器件能夠與該組織的表面建立共形接觸；使該器件接觸該組織的接收表面，其中接觸導(dǎo)致與該組織的所述表面的所述共形接觸；順次地將電流供應(yīng)到每個(gè)熱傳感器，并且測(cè)量來(lái)自每個(gè)熱傳感器的電壓；計(jì)算電阻隨時(shí)間的改變，以確定熱傳導(dǎo)率；以及將所述熱傳導(dǎo)率與所述組織的對(duì)應(yīng)的水化水平比較。

附圖說(shuō)明

圖1：器件設(shè)計(jì)和對(duì)流動(dòng)的熱響應(yīng)。a)器件布局的示意性例示，包括一個(gè)在皮膚表面附近的血管。一個(gè)大的(直徑為3mm的)中心熱致動(dòng)器提供功率輸入到該脈管內(nèi)(通常，25mw/mm²或3.5mw/mm²)，在用于感覺(jué)的閾值以下的溫度處(＜8℃不受基礎(chǔ)皮膚溫度的影響)。十四個(gè)周圍的傳感器允許測(cè)量得到的熱分布(插圖：一個(gè)傳感器的放大視圖)。一個(gè)附加的傳感器用來(lái)檢測(cè)背景溫度的改變以補(bǔ)償漂移。一個(gè)鍵合襯墊陣列實(shí)現(xiàn)薄的(100μm的)柔性電纜界面附接到外部數(shù)據(jù)采集電子器件。b)在皮膚上的一個(gè)器件的照片。c)在向該致動(dòng)器施加功率期間，在一個(gè)靜脈之上在皮膚上的一個(gè)器件的紅外圖像。d)來(lái)自施加到在一個(gè)大脈管上方的一個(gè)區(qū)域的一個(gè)器件的原始數(shù)據(jù)。圖表的布局近似對(duì)應(yīng)于傳感器(黑色)和致動(dòng)器(紅色)的空間分布。熱分布是強(qiáng)烈各向異性的，具有在流動(dòng)方向上的偏置。加熱在t＝60s時(shí)開(kāi)始且在t＝360s時(shí)結(jié)束。e)在t＝300s時(shí)溫度的空間映射。顏色映射使用空間插值數(shù)據(jù)。黑色箭頭指示通過(guò)內(nèi)環(huán)的傳感器測(cè)量的溫度上升的相對(duì)幅度。f)與e)中示出的空間映射相同的空間映射，其中加熱器的信號(hào)被去除，以增強(qiáng)通過(guò)周圍的傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)的對(duì)比度。g)測(cè)量的熱流動(dòng)的結(jié)果，其是從致動(dòng)器周圍的溫度分布計(jì)算出的。矢量箭頭映射示出了計(jì)算出的對(duì)流驅(qū)動(dòng)的熱流動(dòng)場(chǎng)。顏色映射表示該流動(dòng)場(chǎng)的幅度。h)與圖g)中示出的映射類似的映射，其中顏色映射表示在x方向上的流動(dòng)幅度(x-分量)和i)與圖g)中示出的映射類似的映射，其中顏色映射表示在y方向上的流動(dòng)幅度(y-分量)。

圖2：用于由測(cè)量的熱信號(hào)量化血液流動(dòng)速率的過(guò)程。熱信號(hào)到血液流動(dòng)速率的轉(zhuǎn)換依賴于如下模型，所述模型包括半徑為r在皮膚表面下面距離h的線性脈管，具有一個(gè)半徑為b在皮膚表面上的中心熱致動(dòng)器，以及兩個(gè)傳感器，沿著該脈管一個(gè)傳感器在上游距離l(從致動(dòng)器邊緣到傳感器中心)處且另一個(gè)傳感器在下游距離l處。此模型系統(tǒng)的a)自頂向下視圖和b)橫截面視圖。c)第一步確定位于每個(gè)傳感器處以及位于致動(dòng)器處的組織的熱傳送屬性。在此，2ma的電流被施加到每個(gè)傳感器達(dá)2s。局部熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率由對(duì)與加熱和冷卻相關(guān)聯(lián)的熱瞬態(tài)的分析產(chǎn)生。d)第二步近似估計(jì)血管的深度。使用在第一步中確定的熱傳送值，將橫跨該熱致動(dòng)器的溫差的實(shí)驗(yàn)初始瞬態(tài)曲線與皮膚的有限元模型比較，以確定脈管的近似深度。e)第三步使用在第一步和第二步中確定的值，將熱信息轉(zhuǎn)換成血液流動(dòng)速度v。該溫差在低流動(dòng)速率下達(dá)到最大值。每個(gè)傳感器處的溫度上升確定該計(jì)算是使用低流動(dòng)狀態(tài)(flowregime)還是使用高流動(dòng)狀態(tài)。預(yù)期大多數(shù)生理上相關(guān)的流動(dòng)速率落入高流動(dòng)狀態(tài)內(nèi)。f)下方的血管的半徑r在高流動(dòng)狀態(tài)中對(duì)響應(yīng)具有輕微影響，這是由于它們對(duì)r/l的依賴性。方程式表示在r＝0.95mm和1.65mm處高流動(dòng)狀態(tài)的數(shù)值擬合。

圖3：對(duì)由局部施加壓力誘發(fā)的靜脈血液流動(dòng)改變的測(cè)量。a)器件駐留在腕上，在具有該例示中示出的定向的2mm直徑的靜脈之上。通過(guò)一個(gè)綠色圓圈示出用一個(gè)棉簽施加的壓力的位置(持續(xù)時(shí)間為60s)。b)對(duì)于每個(gè)壓力位置加熱之后的局部溫度分布。加熱器的溫度已經(jīng)被去除以提高對(duì)比度。c)與上面施加壓力例示對(duì)應(yīng)的測(cè)量的熱各向異性場(chǎng)。計(jì)算的顏色映射對(duì)應(yīng)于計(jì)算出的在x方向上的流動(dòng)分量。d)-f)與a)-c)類似的分析，預(yù)期該器件駐留在前臂的附近不具有大血管的區(qū)域之上。

圖4：在一個(gè)延長(zhǎng)周期內(nèi)對(duì)小規(guī)模血液流動(dòng)振蕩的測(cè)量。該器件駐留在腕的掌側(cè)上，在一個(gè)靜脈之上。受驗(yàn)者坐在躺椅中處于放松狀態(tài)且沒(méi)有外部刺激達(dá)20分鐘的時(shí)間。a)對(duì)于t＝100-1200s和b)t＝1200-2400s通過(guò)激光散斑對(duì)比成像器(lsci灌注單位，黑色)和所公開(kāi)的器件(無(wú)量綱流動(dòng)，藍(lán)色)測(cè)量的血液流動(dòng)的改變。在所述兩個(gè)測(cè)量技術(shù)中的峰值良好地對(duì)準(zhǔn)。c)對(duì)于t＝100-2400s由lsci數(shù)據(jù)確定的傅里葉變換頻譜圖(fft長(zhǎng)度＝128s，5個(gè)樣本/s；色條是lsci頻譜圖的幅度)和d)對(duì)于t＝100-2400s由所公開(kāi)的器件確定的傅里葉變換頻譜圖(fft長(zhǎng)度＝128s，2個(gè)樣本/s；色條是熱各向異性頻譜圖的幅度)。

圖5：對(duì)由前臂的閉塞和再灌注誘發(fā)的局部靜脈血液流動(dòng)的改變的測(cè)量。該器件駐留在腕的手掌表面上，在一個(gè)靜脈之上。閉塞和再灌注誘發(fā)血液流動(dòng)的改變。由向二頭肌施加～200mmhg(在收縮壓以上80mmhg)的壓力引起的閉塞在t＝300s時(shí)開(kāi)始。在t＝600s時(shí)釋放壓力。a)通過(guò)激光散斑對(duì)比成像器(lsci，黑色)和所公開(kāi)的器件(藍(lán)色)測(cè)量的血液流動(dòng)的改變。b)由lsci數(shù)據(jù)確定的傅里葉變換頻譜圖(fft長(zhǎng)度＝128s，5個(gè)樣本/s；色條是lsci頻譜圖的幅度)和c)由所公開(kāi)的器件確定的傅里葉變換頻譜圖(fft長(zhǎng)度＝128s，2個(gè)樣本/s；色條是熱各向異性頻譜圖的幅度)。d)靜脈相對(duì)于該器件的位置的例示。紅色箭頭示出了在峰值流動(dòng)處熱分布的相對(duì)幅度。e)全熱分布映射和f)在峰值流動(dòng)期間通過(guò)所公開(kāi)的器件測(cè)量的流動(dòng)場(chǎng)映射。g)-i)與d)-f)類似的分析，除了在閉塞流動(dòng)期間以外。j)與a)中的實(shí)驗(yàn)類似的實(shí)驗(yàn)，但是在一個(gè)具有明顯較深的靜脈的不同的受驗(yàn)者上。流動(dòng)脈動(dòng)的幾個(gè)強(qiáng)脈動(dòng)在閉塞期間出現(xiàn)，如用所公開(kāi)的器件測(cè)量的，但是完全不存在于lsci信號(hào)中。紅外圖像證實(shí)來(lái)自所公開(kāi)的器件的結(jié)果，其中實(shí)施例示出在k)脈沖谷值處、i)脈沖峰值處(箭頭指示下游加熱的出現(xiàn))以及m)再灌注處。(k-m)被均勻地增強(qiáng)對(duì)比度，以助于可視化。k-m的時(shí)間點(diǎn)被指示在j)中。

圖6：對(duì)由皮膚劃痕癥和深呼吸誘發(fā)的局部微循環(huán)的改變的分析。a)在前臂上拍打誘發(fā)的充血或皮膚劃痕癥的照片。在測(cè)量期間熱致動(dòng)器的位置。b)在皮膚劃痕癥發(fā)作之前和之后，通過(guò)所公開(kāi)的器件測(cè)量的感興趣的區(qū)域的溫度。豎向的紅色虛線指示執(zhí)行拍打的時(shí)間。c)在皮膚劃痕癥發(fā)作之前和之后，在背景溫度改變被去除的情況下，中心加熱元件的溫度曲線。加熱的時(shí)間動(dòng)力學(xué)的改變指示局部熱量轉(zhuǎn)移系數(shù)的改變。在皮膚劃痕癥發(fā)作之前和之后，對(duì)時(shí)間動(dòng)力學(xué)的分析允許計(jì)算局部熱傳導(dǎo)率λ和熱擴(kuò)散率α。d)在皮膚劃痕癥發(fā)作之前(上段)和之后(下段)，在加熱之后280s通過(guò)所公開(kāi)的器件測(cè)量的熱量分布。盡管局部組織的溫度增加，但是由于局部熱量轉(zhuǎn)移的增加造成在創(chuàng)傷之后熱致動(dòng)器的溫度上升較低。e)-h)在不同的一天和身體位置上與a)-d)中示出的分析類似的分析。i)施加到指尖以監(jiān)控微循環(huán)的局部改變的器件的紅外圖像。j)來(lái)自lsci(黑色)和所公開(kāi)的器件(藍(lán)色；致動(dòng)器溫度和內(nèi)環(huán)的傳感器的平均溫度之間的差異)的結(jié)果。周期性深呼吸(呼吸保持45s)誘發(fā)血液灌注的迅速下降，所述迅速下降通過(guò)lsci和所公開(kāi)的器件測(cè)量。

圖7脈沖加熱作為減少環(huán)境影響和功率消耗的操作模式。在一個(gè)反應(yīng)性充血方案期間，該器件駐留在腕的掌側(cè)上，在一個(gè)靜脈之上。在二頭肌處用壓力袖帶(在200mmhg下)導(dǎo)致的閉塞在t＝400s時(shí)開(kāi)始且在t＝700s時(shí)結(jié)束。熱致動(dòng)器以脈沖模式操作，與先前圖中示出的連續(xù)模式相反。a)在一個(gè)周期期間脈沖加熱的紅外圖像。b)在靜脈上方的一個(gè)點(diǎn)處測(cè)量的lsci信號(hào)，經(jīng)歷0.2hz低通濾波。c)熱致動(dòng)器的溫度，該溫度在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間連續(xù)地振蕩為具有33％的占空比、0.067hz的頻率、1ma偏移和2ma峰-峰值幅度的方波。d)通過(guò)在該致動(dòng)器的相對(duì)側(cè)上的傳感器沿著靜脈(其中l(wèi)＝1.5mm)測(cè)量的溫差。e)為c)的傅里葉變換頻譜圖。在0.067hz處的信號(hào)在閉塞之前和之后較強(qiáng)，且由于各向異性隨著靜脈血液流動(dòng)的損失而損失因此在閉塞期間變小。f)從d)提取的在0.067hz處的信號(hào)的相對(duì)幅度。頻率鎖定分析允許漂移的去除，作為降低的時(shí)間分辨率的交換。

圖8：對(duì)熱致動(dòng)器功率水平的分析。(a)由在54mw的功率下對(duì)熱致動(dòng)器加熱5分鐘(上升15.8℃)誘發(fā)的局部發(fā)紅的照片(為了對(duì)比度增強(qiáng)圖像水平)。功率水平在所有實(shí)驗(yàn)中被保持在25mw以下以避免此類問(wèn)題。b)對(duì)于4個(gè)不同的功率水平，在腕上的一個(gè)靜脈之上獲得的測(cè)量的溫度差。對(duì)于恒定的流動(dòng)速率，曲線應(yīng)獨(dú)立于功率。然而，可以通過(guò)數(shù)據(jù)中的振蕩看到靜脈中改變的流動(dòng)速率。在振蕩內(nèi)，曲線獨(dú)立于功率直到54mw為止，其中信號(hào)強(qiáng)度呈現(xiàn)稍微放大，可能是由于(a)中的明顯的皮膚改變。

圖9：(a)-(f)為對(duì)于具有各向同性熱傳送的皮膚位置輸出的表皮器件數(shù)據(jù)。除了該器件被放置在手掌上遠(yuǎn)離任何大血管之外，為與圖1(d-i)中示出的數(shù)據(jù)集合類似的數(shù)據(jù)集合。

圖10：對(duì)于瞬態(tài)標(biāo)度律的fea驗(yàn)證。情況1是用于比較的基準(zhǔn)線(水:λf＝0.6w·mm^-1k^-1，ρf＝1000kg/m³，cf＝4184j·kg^-1·k^-1，pdms:λs＝0.18w·mm^-1k^-1，ρs＝970kg/m³，cs＝1380j·kg^-1·k^-1，h＝0.55mm，l＝1.5mm，b＝1.5mm，r＝1mm，v＝5mm/s)。情況2給出加倍的流動(dòng)速度。情況3改變材料屬性(使λf和λs加倍，使ρf和ρs成四倍)同時(shí)情況4使幾何參數(shù)變化(使h、l、b加倍)。全部都證實(shí)瞬態(tài)標(biāo)度律(方程式1)。

圖11：fea和pdms實(shí)驗(yàn)之間的比較。(a)與圖10中的情況1的條件相同的條件，(b)使流動(dòng)速度加倍。fea在沒(méi)有任何參數(shù)擬合的情況下與實(shí)驗(yàn)相當(dāng)一致。實(shí)驗(yàn)確實(shí)示出歸一化溫度不依賴于流動(dòng)速度。

圖12：用來(lái)準(zhǔn)確地識(shí)別血管位置的光學(xué)靜脈查看器圖像。標(biāo)注指示對(duì)于指示圖在數(shù)據(jù)收集期間的致動(dòng)器布置。

圖13：λs/λf、ρfcf/ρscs和b/l的變化對(duì)瞬態(tài)標(biāo)度律的影響。組織的熱參數(shù)(λs、ρs和cs)是基于皮膚位置、個(gè)人等很容易變化的。進(jìn)行25個(gè)人的臨床研究，其中測(cè)量到在0.11-0.2mm²s^-1之間變化的熱擴(kuò)散率(λs/ρscs)和在0.2-0.55wm^-1k^-1之間變化的熱傳導(dǎo)率(λs)。這對(duì)應(yīng)于參數(shù)λs/λf＝0.4-1.1和ρfcf/ρscs＝0.38-0.7。(a，b)具有不同的λs/λf(0.54-0.72)和不同的ρfcf/ρscs(0.38-0.7)的瞬態(tài)標(biāo)度律(方程式1)例示的是，該瞬態(tài)標(biāo)度律極大地依賴于組織的熱參數(shù)。(c)具有b/l＝1/3–1的瞬態(tài)標(biāo)度律(方程式1)示出致動(dòng)器的尺寸對(duì)瞬態(tài)標(biāo)度律的影響。

圖14：通過(guò)fea和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)標(biāo)度律。情況i是用于比較的基準(zhǔn)線(水:λf＝0.6w·mm^-1k^-1，ρf＝1000kg/m³，cf＝4184j·kg^-1·k^-1，pdms:λs＝0.18w·mm^-1k^-1，ρs＝970kg/m³，cs＝1380j·kg^-1·k^-1，h＝0.55mm，l＝1.5mm，b＝1.5mm，r＝1mm)。情況ii(使ρf加倍)和情況iii(使λf和λs加倍)改變材料屬性，同時(shí)情況iv使幾何參數(shù)(h、l、b、r)變化。全部都證實(shí)穩(wěn)態(tài)標(biāo)度律。pdms實(shí)驗(yàn)在沒(méi)有任何參數(shù)擬合的情況下與穩(wěn)態(tài)標(biāo)度律相當(dāng)一致。

圖15：λs/λf、h/l和b/l的變化對(duì)穩(wěn)態(tài)標(biāo)度律的影響。具有(a)不同的λs/λf(0.4-1.1)、(b)不同的h/l(2/3-1)以及(c)不同的h/l(1/3-1)的穩(wěn)態(tài)標(biāo)度律(方程式2)例示的是，這三個(gè)參數(shù)在穩(wěn)態(tài)標(biāo)度律中全都起重要作用。

圖16：由流動(dòng)速度改變導(dǎo)致的瞬態(tài)溫度響應(yīng)。全部尺寸參數(shù)和材料參數(shù)與圖2e中對(duì)于r＝0.95mm示出的情況相同。流動(dòng)速度的階躍函數(shù)增加(從1mm/s到10mm/s)導(dǎo)致一個(gè)無(wú)量綱溫度響應(yīng)，如具有～10s的時(shí)間常數(shù)的指數(shù)式衰減。相反，階躍函數(shù)流動(dòng)減小將導(dǎo)致傳感器響應(yīng)的類似的指數(shù)式增長(zhǎng)函數(shù)。

圖17：對(duì)表皮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的噪聲分析。來(lái)自一系列在不同條件期間分析噪聲水平的操作臺(tái)面實(shí)驗(yàn)(benchtopexperiment)的結(jié)果。1℃的改變對(duì)應(yīng)于一個(gè)2500ppm的信號(hào)。在低采樣速率和短采樣窗口下，數(shù)據(jù)采集電纜長(zhǎng)度的加倍導(dǎo)致5％-30％的噪聲增加。在較長(zhǎng)的采樣窗口上，噪聲顯著增加并且受將器件從周圍環(huán)境放置在塑料封閉件內(nèi)的極大影響，指示環(huán)境誘發(fā)的熱改變的主導(dǎo)地位。在較短的采樣窗口(5s和30s)上，噪聲按(采樣速率)^1/2縮放。在300s的采樣窗口上，環(huán)境改變對(duì)噪聲的影響占主導(dǎo)地位。

圖18：對(duì)皮膚上的表皮器件的噪聲分析。當(dāng)器件被放置在一個(gè)靜脈之上時(shí)來(lái)自一系列分析噪聲水平的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，其與一個(gè)不具有明顯可見(jiàn)的靜脈的位置比較。結(jié)果指示在700s采樣窗口上δt/δth的標(biāo)準(zhǔn)偏差。對(duì)不同的傳感器配對(duì)的分析對(duì)應(yīng)于不同的旋轉(zhuǎn)角，其中該旋轉(zhuǎn)角是所測(cè)量的傳感器軸和靜脈軸之間的差異。對(duì)于無(wú)脈管的情況，該旋轉(zhuǎn)角僅僅對(duì)應(yīng)于不同的傳感器配對(duì)。信號(hào)變化在無(wú)局部脈管的情況下是顯著較低的，且在傳感器對(duì)沿著靜脈軸的局部脈管情況下被最大化，這指示，由于通過(guò)靜脈的流動(dòng)的改變，因此存在顯著更大的信號(hào)變化。

圖19：來(lái)自圖4的lsci數(shù)據(jù)和表皮器件數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。lsci自相關(guān)性示出當(dāng)使數(shù)據(jù)集合相對(duì)于自身移位時(shí)數(shù)據(jù)的相對(duì)積分重疊面積。對(duì)于自相關(guān)性，完全相關(guān)性總是發(fā)生在t＝0時(shí)，且曲線的形狀由數(shù)據(jù)的時(shí)間動(dòng)態(tài)確定。自相關(guān)性表示與lsci數(shù)據(jù)的完全相關(guān)性。表皮-lsci相關(guān)性示出了lsci數(shù)據(jù)和表皮器件數(shù)據(jù)之間的相對(duì)信號(hào)重疊面積，其緊密地匹配lsci自相關(guān)性的相對(duì)積分重疊面積。(a)原始數(shù)據(jù)集合之間的相關(guān)性。(b)線性去趨勢(shì)(detrended)數(shù)據(jù)集合之間的相關(guān)性。(c)線性去趨勢(shì)數(shù)據(jù)集合之間的相干性。

圖20：在33歲的男性的腕的掌側(cè)上自然流動(dòng)10分鐘期間激光多普勒流量計(jì)信號(hào)和表皮器件信號(hào)之間的比較。(a)激光多普勒信號(hào)和表皮器件信號(hào)。(b)線性去趨勢(shì)數(shù)據(jù)集合之間的相關(guān)性。

圖21：在23歲的男性的手的背側(cè)上自然流動(dòng)10分鐘期間激光多普勒流量計(jì)信號(hào)和表皮器件信號(hào)之間的比較。(a)激光多普勒信號(hào)和表皮器件信號(hào)。(b)線性去趨勢(shì)數(shù)據(jù)集合之間的相關(guān)性。

圖22：圖5(a)的定量血液流動(dòng)轉(zhuǎn)換。(a)熱流動(dòng)信號(hào)和血液流動(dòng)速率之間的關(guān)系，示出低流動(dòng)狀態(tài)和高流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)從非常低流動(dòng)向高流動(dòng)過(guò)渡時(shí)，熱信號(hào)和血液流動(dòng)之間的關(guān)系改變符號(hào)以及函數(shù)形式。(b)當(dāng)從低流動(dòng)向高流動(dòng)的過(guò)渡極其迅速地發(fā)生時(shí)，如在圖5(a)中的實(shí)驗(yàn)中在幾秒內(nèi)，定量關(guān)系經(jīng)歷從低流動(dòng)狀態(tài)到高流動(dòng)狀態(tài)的迅速過(guò)渡。這在迅速過(guò)渡區(qū)域中導(dǎo)致一個(gè)假信號(hào)抑制，如指示的。

圖23：來(lái)自圖5(a)的lsci數(shù)據(jù)和表皮器件數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。(a)與圖17(a)相同的分析程序。(b)lsci數(shù)據(jù)和表皮器件數(shù)據(jù)之間的相干性。

圖24：在拍打誘發(fā)的微血管充血之前和之后的激光多普勒流量計(jì)測(cè)量。(a)對(duì)應(yīng)于圖6(a-d)中示出的充血的ldf測(cè)量。(b)對(duì)應(yīng)于圖6(e-h)中示出的充血的ldf測(cè)量。

圖25：來(lái)自圖6的lsci數(shù)據(jù)和表皮器件數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。(a)與圖17b相同的分析程序。(b)lsci數(shù)據(jù)和表皮器件數(shù)據(jù)之間的相干性。

圖26：在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中對(duì)于連續(xù)模式致動(dòng)和脈沖模式致動(dòng)在器件響應(yīng)中誘發(fā)的誤差的比較。該器件被放置在一個(gè)模制的硅樹(shù)脂流動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)，其被設(shè)計(jì)成模擬血液流動(dòng)在皮膚的表面下面在一個(gè)大脈管中發(fā)生的系統(tǒng)。在流動(dòng)測(cè)量期間在多個(gè)時(shí)間處向器件陣列中的多個(gè)傳感器施加熱干擾。干擾是通過(guò)使一個(gè)熱的烙鐵尖端(為65℃)緊密接近致動(dòng)器下游(下游干擾，dd)或上游(上游干擾，ud)的傳感器而不物理地接觸該傳感器來(lái)誘發(fā)的。來(lái)自該烙鐵的熱量改變了通過(guò)在致動(dòng)器的相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)傳感器測(cè)量的相對(duì)溫度差，導(dǎo)致測(cè)量誤差。該實(shí)驗(yàn)是以連續(xù)致動(dòng)模式(黑色；用鄰近平均濾波器濾波，窗口尺寸＝20個(gè)點(diǎn))和脈沖致動(dòng)模式(藍(lán)色，0.1hz致動(dòng)，占空比為33％；用鄰近平均濾波器濾波，窗口尺寸＝4個(gè)點(diǎn))執(zhí)行的。流體流動(dòng)在5的基準(zhǔn)值處開(kāi)始，且在t＝740s時(shí)增加到20(相對(duì)值)。干擾時(shí)序如下：0<t<320s–無(wú)干擾(nd)；320<t<470s–dd；470<t<620s–ud；620s<t<1040s–nd；1040s<t<1190s–dd；1190<t<1340s–ud；1340s<t–nd。誘發(fā)誤差在連續(xù)致動(dòng)模式和脈沖致動(dòng)模式中都發(fā)生，然而，脈沖致動(dòng)模式中的相對(duì)誘發(fā)誤差是連續(xù)模式中的相對(duì)誘發(fā)誤差的～20％。

圖27：表皮器件(a)布線圖和(b)硬件設(shè)置。對(duì)該系統(tǒng)的詳細(xì)描述呈現(xiàn)在材料和方法部分。

圖28：‘表皮’熱致變色液晶(e-tlc)熱成像器件的圖片、顯微圖和設(shè)計(jì)特征。a，通過(guò)在扭曲運(yùn)動(dòng)中捏皮膚(左)、當(dāng)器件在皮膚上時(shí)用暖的玻璃棒捅(中間)以及當(dāng)器件獨(dú)立時(shí)在其自身重量下塌縮(右)而變形的器件的圖片。b，在藍(lán)色頻譜區(qū)域中操作的器件的放大視圖，不帶有(頂)和帶有(底)的具有用于校準(zhǔn)的固定顏色的集成圓點(diǎn)圖案。c，在皮膚的弧形表面上操作的、具有校準(zhǔn)系統(tǒng)的e-tlc器件的圖片。d，被折疊并且安置在手掌上的器件的圖片，該器件在其后表面上包括射頻天線和焦耳加熱元件，以及蛇形天線結(jié)構(gòu)的放大視圖(插圖)。e，在張力應(yīng)變下對(duì)于具有無(wú)線加熱器的e-tlc器件的有限元建模結(jié)果的示意性例示，以及焦耳加熱元件的放大視圖(插圖)。f，當(dāng)在空氣中暴露于rf功率時(shí)所收集的有源無(wú)線e-tlc器件的圖像，以及通過(guò)加熱器誘發(fā)的顏色改變的放大視圖(插圖)。g，在類似條件下相同的器件的紅外圖像，以及在加熱器的區(qū)域中的放大視圖(插圖)。

圖29：e-tlc器件的機(jī)械屬性的實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算研究。a，一個(gè)器件的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的測(cè)量和理論計(jì)算。b，在不同水平的張力應(yīng)變下e-tlc器件的一個(gè)代表性區(qū)域的圖像和三維有限元建模之間的比較。

圖30：在皮膚上的用于精確熱成像的e-tlc器件的校準(zhǔn)和使用。a，從32℃到39℃在單個(gè)像素處測(cè)量的反射率以及對(duì)于33℃到38℃對(duì)應(yīng)的圖像(插圖)。b，從標(biāo)稱保持在恒定溫度的e-tlc的數(shù)字顏色分析提取的溫度的時(shí)間變化。c，從e-tlc器件中的校準(zhǔn)像素的顏色分析確定的表觀溫度的時(shí)間變化。幀b和幀c還示出了用紅外攝像機(jī)獲得的結(jié)果。d，在一個(gè)代表性7×7像素陣列上展示的、用于處理e-tlc器件的數(shù)字圖像的步驟的例示。e，使用色調(diào)分析確定的顏色-溫度校準(zhǔn)。f，共形安裝在腕上的由26×26像素陣列組成的e-tlc器件的圖像。g，從通過(guò)器件的數(shù)字圖像的色調(diào)值分析獲得的顏色信息提取的溫度分布的3d渲染。h，在與g中相同的時(shí)間和相同的位置通過(guò)紅外攝像機(jī)捕獲的溫度的2d渲染。i，從g和h的數(shù)據(jù)提取的線割(line-cut)溫度曲線。

圖31：在不同的照明條件下評(píng)測(cè)的，用納入了與感測(cè)像素同位置的(co-located)顏色校準(zhǔn)像素的陣列的e-tlc器件的溫度分析。a，緊接于在該陣列的中心處局部加熱之后器件的圖像。b，對(duì)于校準(zhǔn)像素(星形)和感測(cè)像素(圓點(diǎn)；紅色-用熒光燈照明；藍(lán)色-用發(fā)光二極管照明；綠色-用鹵素?zé)粽彰?提取的色調(diào)值和飽和度值。用c白色熒光燈(fl)、d白色發(fā)光二極管(led)、e鹵素?zé)?hg)確定的顏色校正溫度的3d渲染。f，沿著c-e中示出的虛線收集的結(jié)果的線狀圖表。g，與f中的結(jié)果類似的但是不具有顏色校正的結(jié)果。

圖32：使用有源e-tlc器件對(duì)皮膚的熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的確定。a，溫度(符號(hào))作為距有源e-tlc器件中的局部加熱位置的距離的函數(shù)的實(shí)施例以及用于確定熱傳導(dǎo)率的對(duì)應(yīng)最佳擬合建模結(jié)果(分析的，線)。b，使用有源e-tlc器件評(píng)測(cè)的水/乙二醇溶液的熱傳導(dǎo)率，與從文獻(xiàn)獲得的值和從用紅外攝像機(jī)確定的溫度的分析獲得的值比較。誤差條表示用e-tlc獲得的測(cè)量的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差。c，在不同的水化水平下用皮膚上的有源e-tlc器件測(cè)量的熱傳導(dǎo)率，所述水化水平是用商業(yè)濕度計(jì)單獨(dú)測(cè)量的。誤差條表示用濕度計(jì)獲得的測(cè)量的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差。d，對(duì)于在有源e-tlc器件中的無(wú)線加熱器附近的位置溫度(符號(hào))作為時(shí)間的函數(shù)的實(shí)施例，以及用于確定熱擴(kuò)散率的對(duì)應(yīng)最佳擬合建模結(jié)果(分析的，線)。e，使用有源e-tlc器件評(píng)測(cè)的水/乙二醇溶液的熱擴(kuò)散率，與從文獻(xiàn)獲得的值和從用紅外攝像機(jī)確定的溫度的分析獲得的值比較。誤差條表示用e-tlc獲得的測(cè)量的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差。f，在不同的水化水平下用皮膚上的有源無(wú)線e-tlc器件測(cè)量的熱擴(kuò)散率，所述水化水平是用商業(yè)濕度計(jì)單獨(dú)測(cè)量的。誤差條表示用濕度計(jì)獲得的測(cè)量的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖33a-圖33f：e-tlc熱成像器件在反應(yīng)性充血測(cè)試中的應(yīng)用。圖33a，在閉塞測(cè)試期間在血液被釋放之后腕上的e-tlc器件的光學(xué)圖像(左)以及放大視圖(右)。圖33b，器件的紅外圖像(左)以及放大視圖(右)。圖33c、圖33d，在閉塞期間和在閉塞之后(閉塞在t＝0s時(shí)開(kāi)始且在t＝160s時(shí)結(jié)束)在不同時(shí)間用該e-tlc器件確定的溫度空間分布的3d渲染。圖33d，在多個(gè)時(shí)間，沿著a的右?guī)械乃郊t色虛線的溫度的線狀圖表。圖33e，在多個(gè)時(shí)間，沿著a的右?guī)械呢Q向紅色虛線的溫度的線狀圖。圖33f，通過(guò)熱模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較所確定的通過(guò)尺骨動(dòng)脈的血液流動(dòng)速率。關(guān)鍵參數(shù)包括：閉塞時(shí)間(tocc)＝160s；到峰值流動(dòng)的時(shí)間(tdw)＝15s；基準(zhǔn)流動(dòng)速率(ω0)＝30ml/min；閉塞流動(dòng)速率(ωs)＝1.5ml/min；以及峰值流動(dòng)速率(ωmax)＝90ml/min。g，在閉塞期間在尺骨動(dòng)脈上方的皮膚的表面處所測(cè)量的溫度上升連同來(lái)自使用幀圖33f中的血液流動(dòng)速率的有限元分析(fea)的結(jié)果。八個(gè)子幀對(duì)應(yīng)于在圖33a的右?guī)械乃郊t色虛線處的不同的點(diǎn)的溫度歷史。圖33g提供了溫度與時(shí)間之間的關(guān)系的標(biāo)繪圖。

圖34：用于制造e-tlc器件的過(guò)程。(a)通過(guò)使表面上具有凸出的一個(gè)柱陣列的pdms印章與旋涂在玻璃載片上同時(shí)仍處于濕狀態(tài)的一層均勻的tlc含水漿料接觸來(lái)‘涂油墨’于該pdms印章。該油墨的厚度是～100μm以確保油墨接觸在所述柱的上表面上。(b)該pdms印章上的涂油墨的tlc材料被允許在空氣中干燥15分鐘。干燥的膜的厚度是～15μm。附加的‘涂油墨’過(guò)程被重復(fù)以實(shí)現(xiàn)25-30μm的最終厚度。一個(gè)典型的tlc像素在中心中最厚，這是由于pdms表面的疏水性質(zhì)和在涂油墨過(guò)程期間形成的大接觸角。(c)轉(zhuǎn)移印刷允許將tlc遞送到一片熱釋放膠帶。(d)到黑色pdms襯底的轉(zhuǎn)移是通過(guò)從該膠帶的熱量激活釋放實(shí)現(xiàn)的。(e)通過(guò)旋涂用一個(gè)pdms的透明層包封該器件。

圖35：e-tlc器件對(duì)單軸應(yīng)變的機(jī)械響應(yīng)。(a)在不同水平的張力應(yīng)變下對(duì)于鄰近像素之間的水平間距和豎向間距的改變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、分析結(jié)果以及有限元建模結(jié)果。(b)在不同水平的張力應(yīng)變下納入了顏色校準(zhǔn)像素的e-tlc器件的一個(gè)代表性區(qū)域的圖像和三維有限元建模之間的比較。

圖36：焦耳加熱器元件的機(jī)械屬性的實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算研究。(a)在不同水平的張力應(yīng)變下有線焦耳加熱元件的實(shí)驗(yàn)圖像和三維有限元建模之間的比較，以及對(duì)于拉伸到50％的情況所計(jì)算的應(yīng)變分布。(b)在不同水平的張力應(yīng)變下無(wú)線焦耳加熱器的實(shí)驗(yàn)圖像和三維有限元建模之間的比較，以及對(duì)于拉伸到50％的情況所計(jì)算的應(yīng)變分布。

圖37：應(yīng)變對(duì)無(wú)線焦耳加熱的效率的影響的實(shí)驗(yàn)研究。(a)對(duì)于在空氣中且在皮膚上、在暴露于rf能量下同時(shí)以不同方式機(jī)械變形的無(wú)線焦耳加熱器的紅外溫度測(cè)量。(b)在不同水平的張力應(yīng)變下的測(cè)量以及對(duì)應(yīng)的圖像。

圖38：水滲透性測(cè)試。(a)用于根據(jù)astme96-95指導(dǎo)準(zhǔn)則測(cè)量水滲透的實(shí)驗(yàn)設(shè)置的圖像，以及(b)對(duì)于具有不同厚度的e-tlc器件和對(duì)于商業(yè)tlc條帶，重量改變的結(jié)果作為與通過(guò)干燥劑吸收的水相關(guān)聯(lián)的時(shí)間的函數(shù)。

圖39：e-tlc操作對(duì)皮膚的溫度和水化作用的影響。(a)緊接于將e-tlc器件安裝在腕上之后捕獲的紅外圖像。(b)在安裝之后3個(gè)小時(shí)捕獲的紅外圖像。對(duì)于(a)和(b)二者，數(shù)據(jù)指示在該器件的區(qū)域處的平均溫度與鄰近該器件的平均溫度相同。(c)在該器件附近的一個(gè)點(diǎn)和在該器件下面的一個(gè)點(diǎn)之間的溫度差示出在三個(gè)小時(shí)操作期間沒(méi)有明顯增加。(d)在與80μm厚的e-tlc接觸3小時(shí)之后在干燥皮膚(基準(zhǔn)讀數(shù)～10)的區(qū)域中使用delfin計(jì)對(duì)水化作用的測(cè)量指示～25％的增加。(e)在水化良好的皮膚(基準(zhǔn)讀數(shù)～35)上的相同的器件(在相同條件下)導(dǎo)致更小百分比的增加(7.5％)。對(duì)于在其他方面相同的一組測(cè)試條件，feverscan^tm條帶導(dǎo)致～100％的水化作用增加。

圖40：傳感器響應(yīng)時(shí)間。(a)在皮膚上確定傳感器響應(yīng)時(shí)間的分析建模中所使用的層。(b)用于測(cè)量傳感器響應(yīng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。一個(gè)暖的乙二醇浴(其具有與皮膚類似的熱屬性)從后表面接觸e-tlc器件。(c)通過(guò)高速攝像機(jī)捕獲的實(shí)驗(yàn)傳感器響應(yīng)時(shí)間，以及基于一維熱量傳導(dǎo)模型的對(duì)應(yīng)的分析預(yù)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)中，傳感器達(dá)到總溫度改變的90％所需的時(shí)間是在一幀內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于30μm黑色pdms和25μm液晶的情況，一幀是近似33ms。

圖41：使用溫度不靈敏的丙烯酸顏色檢查的噪聲和不確定性。(a)在色調(diào)/飽和度空間中標(biāo)繪的tlc顏色-溫度校準(zhǔn)。符號(hào)被定位在對(duì)應(yīng)于校準(zhǔn)運(yùn)轉(zhuǎn)期間tlc的色調(diào)值/飽和度值的位置，如用它們的色調(diào)值指示的。溫度是用二維線性擬合計(jì)算出的并且通過(guò)一個(gè)顏色梯度表示。(b)當(dāng)被保持在標(biāo)稱固定溫度時(shí)tlc的顏色中的時(shí)間波動(dòng)。(c)在固定溫度下藍(lán)色校準(zhǔn)顏色的時(shí)間波動(dòng)。(d)在固定溫度下綠色校準(zhǔn)顏色的時(shí)間波動(dòng)。(e)在固定溫度下紅色校準(zhǔn)顏色的時(shí)間波動(dòng)。

圖42：允許由使用有源e-tlc器件所收集的數(shù)據(jù)確定熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的有限元模型。(a)具有一個(gè)嵌入在e-tlc器件和皮膚之間的焦耳加熱器的模型的3d視圖。(b)具有一個(gè)嵌入在e-tlc器件和皮膚之間的焦耳加熱器的模型的橫截面視圖。(c)在焦耳加熱器的操作期間在穩(wěn)定狀態(tài)下溫度的空間衰減的分析模型。(d)對(duì)應(yīng)的有限元建模結(jié)果。(e)沿著一個(gè)尺度，空間溫度隨有線焦耳加熱器操作衰減的分析模型和有限元模型。(f)對(duì)于遠(yuǎn)離加熱器的位置，時(shí)間溫度隨無(wú)線焦耳加熱器操作上升的分析模型和有限元模型。(g)從圖32中的皮膚熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率推測(cè)的皮膚熱容。

圖43：在反應(yīng)性充血測(cè)試中e-tlc熱成像設(shè)備測(cè)量和紅外攝像機(jī)測(cè)量的比較。(a)以20s的間隔在從t＝160s到t＝260s的代表性時(shí)間用e-tlc器件所確定的溫度的空間分布。(b)以20s的間隔在從t＝160s到t＝260s的代表性時(shí)間用紅外攝像機(jī)所確定的溫度的空間分布。

圖44：在閉塞期間確定血液流動(dòng)速率的熱傳導(dǎo)模型的示意性例示。腕模型的(a)橫截面視圖和(b)三維視圖；(c)fea和實(shí)驗(yàn)的溫度方差與基準(zhǔn)流動(dòng)速率之間的關(guān)系；(d)穩(wěn)態(tài)溫度作為距動(dòng)脈的距離的函數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與使用30ml/min的基準(zhǔn)流動(dòng)速率的fea計(jì)算比較；(e)在閉塞的階段ii期間溫度方差在參數(shù)α和τ0的空間中的分布。

具體實(shí)施方式

總之，本文中所使用的術(shù)語(yǔ)和短語(yǔ)具有它們的領(lǐng)域公認(rèn)的含義，可以通過(guò)參考標(biāo)準(zhǔn)文本、雜志參考文獻(xiàn)和本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉的背景找到這些術(shù)語(yǔ)和短語(yǔ)。提供了以下定義以澄清它們?cè)诒景l(fā)明的背景下的特定用途。

“功能襯底”指用于器件的襯底部件，其除了為布置在襯底上或內(nèi)的部件提供機(jī)械支撐外還具有至少一個(gè)功能和目的。在一個(gè)實(shí)施方案中，功能襯底具有至少一個(gè)皮膚相關(guān)的功能或目的。在一個(gè)實(shí)施方案中，功能襯底具有機(jī)械功能，例如，提供用于在與組織(諸如，皮膚)的界面處建立共形接觸的物理屬性和機(jī)械屬性。在一個(gè)實(shí)施方案中，功能襯底具有熱功能，例如，提供足夠小的熱負(fù)荷或熱質(zhì)量，以避免干擾生理參數(shù)(諸如，生物流體的成分和量)的測(cè)量和/或表征。在一個(gè)實(shí)施方案中，該器件和方法的功能襯底是生物可兼容的或生物惰性的(bioinert)。在一個(gè)實(shí)施方案中，功能襯底可以促進(jìn)功能襯底和受驗(yàn)者的皮膚的機(jī)械匹配、熱匹配、化學(xué)匹配和/或電匹配，使得功能襯底和皮膚的機(jī)械屬性、熱屬性、化學(xué)屬性和/或電屬性在彼此的20％，或15％，或10％，或5％內(nèi)。

在一些實(shí)施方案中，機(jī)械匹配到組織(諸如，皮膚)的功能襯底提供了一個(gè)例如對(duì)于建立與組織的表面的共形接觸有用的可共形的界面。某些實(shí)施方案的器件和方法機(jī)械地納入包括軟材料(例如，展現(xiàn)柔性和/或可拉伸性，諸如，聚合物材料和或彈性體材料)的功能襯底。在一個(gè)實(shí)施方案中，機(jī)械匹配的襯底具有的模量小于或等于100mpa，且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案，小于或等于10mpa，且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案，小于或等于1mpa。在一個(gè)實(shí)施方案中，機(jī)械匹配的襯底具有的厚度小于或等于0.5mm，且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案，小于或等于1cm，且可選地對(duì)于一些實(shí)施方案，小于或等于3mm。在一個(gè)實(shí)施方案中，機(jī)械匹配的襯底具有的抗彎剛度小于或等于1nnm，可選地小于或等于0.5nnm。

在一些實(shí)施方案中，機(jī)械匹配的功能襯底由以下表征：對(duì)于皮膚的表皮層，一個(gè)或多個(gè)機(jī)械屬性和/或物理屬性在相同的參數(shù)的規(guī)定倍數(shù)(諸如，10倍或2倍)內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，功能襯底具有的楊氏模量或厚度在與本發(fā)明的器件的界面處的組織(諸如，皮膚的表皮層)的楊氏模量或厚度的20倍內(nèi)，或可選地對(duì)于一些應(yīng)用在10倍內(nèi)，或可選地對(duì)于一些應(yīng)用在2倍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，機(jī)械匹配的功能襯底可以具有等于或低于皮膚的質(zhì)量或模量的質(zhì)量或模量。

在一些實(shí)施方案中，熱匹配到皮膚的功能襯底具有足夠小的熱質(zhì)量以至器件的部署不導(dǎo)致組織(諸如，皮膚)上的熱載荷，或足夠小以免影響生理參數(shù)(諸如，生物流體的特性(例如，成分、釋放速率等))的測(cè)量和/或表征。在一些實(shí)施方案中，例如，熱匹配到皮膚的功能襯底具有足夠低的熱質(zhì)量，使得在皮膚上部署導(dǎo)致的溫度增加小于或等于2攝氏度，且可選地對(duì)于一些應(yīng)用，小于或等于1攝氏度，且可選地對(duì)于一些應(yīng)用，小于或等于0.5攝氏度，且可選地對(duì)于一些應(yīng)用，小于或等于0.1攝氏度。在一些實(shí)施方案中，例如，熱匹配到皮膚的功能襯底具有足夠低的熱質(zhì)量，以至于不顯著中斷來(lái)自皮膚的水損失，諸如，避免水損失改變1.2倍或更多倍。因此，該器件大體上不誘發(fā)出汗或不顯著中斷來(lái)自皮膚的經(jīng)皮的水損失。

在一個(gè)實(shí)施方案中，該功能襯底可以是至少部分地親水的和/或至少部分地疏水的。

在一個(gè)實(shí)施方案中，該功能襯底可以具有的模量小于或等于100mpa，或小于或等于50mpa，或小于或等于10mpa，或小于或等于100kpa，或小于或等于80kpa，或小于或等于50kpa。此外，在一些實(shí)施方案中，該器件可以具有的厚度小于或等于5mm，或小于或等于2mm，或小于或等于100μm，或小于或等于50μm，且具有的凈抗彎剛度小于或等于1nnm，或小于或等于0.5nnm，或小于或等于0.2nnm。例如，該器件可以具有的凈抗彎剛度選自0.1nnm到1nnm，或0.2nnm到0.8nnm，或0.3nnm到0.7nnm，或0.4nnm到0.6nnm的范圍。

“部件”用來(lái)廣泛地指代器件的一個(gè)個(gè)體部分。

“感測(cè)”指檢測(cè)物理屬性和/或化學(xué)屬性的存在、缺乏、量、量級(jí)或強(qiáng)度。對(duì)于感測(cè)有用的器件部件包括但不限制于：電極元件、化學(xué)或生物傳感器元件、ph傳感器、溫度傳感器、應(yīng)變傳感器、機(jī)械傳感器、位置傳感器、光學(xué)傳感器和電容傳感器。

“致動(dòng)”指刺激、控制或以其他方式影響結(jié)構(gòu)、材料或器件部件。對(duì)于致動(dòng)有用的器件部件包括但不限制于：電極元件、電磁輻射發(fā)射元件、發(fā)光二極管、激光器、磁元件、聲學(xué)元件、壓電元件、化學(xué)元件、生物元件和加熱元件。

術(shù)語(yǔ)“直接地和間接地”描述一個(gè)部件相對(duì)于另一個(gè)部件的動(dòng)作或物理位置。例如，“直接地”作用在另一個(gè)部件上或接觸另一個(gè)部件的部件在沒(méi)有來(lái)自媒介物的介入下實(shí)現(xiàn)此動(dòng)作。相反地，“間接地”作用在另一個(gè)部件上或接觸另一個(gè)部件的部件通過(guò)媒介物(例如，第三部件)實(shí)現(xiàn)此動(dòng)作。

“包封(encapsulate)”指一個(gè)結(jié)構(gòu)的定向使得它至少部分地、且在一些情況下完全地，被一個(gè)或多個(gè)其他結(jié)構(gòu)(諸如，襯底、粘合劑層或包封層)包圍?！安糠值匕狻敝敢粋€(gè)結(jié)構(gòu)的定向，使得它被一個(gè)或多個(gè)其他結(jié)構(gòu)部分地包圍，例如，其中該結(jié)構(gòu)的30％或可選地50％或可選地90％的外表面被一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)包圍?！巴耆匕狻敝敢粋€(gè)結(jié)構(gòu)的定向使得它被一個(gè)或多個(gè)其他結(jié)構(gòu)完全地包圍。

“電介質(zhì)”指非導(dǎo)電材料或絕緣材料。

“聚合物”指由通過(guò)共價(jià)化學(xué)鍵連接的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元組成的大分子或一個(gè)或多個(gè)單體的聚合產(chǎn)物組成的大分子，常常由高分子量表征。術(shù)語(yǔ)聚合物包括均聚物，或基本上由單個(gè)重復(fù)單體亞單位組成的聚合物。術(shù)語(yǔ)聚合物還包括共聚物，或基本上由兩種或更多種單體亞單位組成的聚合物，如無(wú)規(guī)共聚物、嵌段共聚物、交替共聚物、多嵌段共聚物、接枝共聚物、錐形共聚物以及其他共聚物。有用的聚合物包括非晶、半非晶、晶體或部分地晶體狀態(tài)的有機(jī)聚合物或無(wú)機(jī)聚合物。對(duì)于某些應(yīng)用，具有聯(lián)接的單體鏈的交聯(lián)聚合物是特別有用的。在所公開(kāi)的方法、器件和部件中可使用的聚合物包括但不限制于：塑料、彈性體、熱塑性彈性體、彈性塑料、熱塑性塑料和丙烯酸酯。示例性聚合物包括但不限制于：縮醛聚合物、生物可降解聚合物、纖維素聚合物、含氟聚合物、尼龍、聚丙烯腈聚合物、聚酰胺-酰亞胺聚合物、聚酰亞胺、聚芳酯、聚苯并咪唑、聚丁烯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亞胺、聚乙烯、聚乙烯共聚物以及改性聚乙烯、聚酮、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚甲基戊烯、聚苯醚和聚苯硫醚、聚鄰苯二甲酰胺、聚丙烯、聚氨酯、苯乙烯樹(shù)脂、砜基樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、橡膠(包括天然橡膠、苯乙烯-丁二烯橡膠、聚丁二烯橡膠、氯丁橡膠、乙烯-丙烯橡膠、丁基橡膠、丁腈橡膠、硅樹(shù)脂)、丙烯酸類樹(shù)脂、尼龍、聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚烯烴或它們的任意組合物。

“彈性體”指可以被拉伸或變形且返回到其原始形狀而沒(méi)有顯著永久性變形的聚合物材料。彈性體通常經(jīng)歷大體上彈性的變形。有用的彈性體包含包括聚合物、共聚物、復(fù)合材料或聚合物與共聚物的混合物的那些。彈性體層指包括至少一個(gè)彈性體的層。彈性體層也可以包括摻雜物和其他非彈性體材料。有用的彈性體包括但不限制于，熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯屬材料、聚烯烴、聚氨酯熱塑性彈性體、聚酰胺、合成橡膠、pdms、聚丁二烯、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯和硅樹(shù)脂。例示性彈性體包括但不限制于，含硅聚合物，諸如，包括聚(二甲基硅氧烷)(即，pdms和h-pdms)、聚(甲基硅氧烷)、部分烷基化的聚(甲基硅氧烷)、聚(烷基甲基硅氧烷)和聚(苯基甲基硅氧烷)的聚硅氧烷、硅改性彈性體、熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯屬材料、聚烯烴、聚氨酯熱塑性彈性體、聚酰胺、合成橡膠、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯和硅樹(shù)脂。在一個(gè)實(shí)施例中，聚合物是彈性體。

“可共形的”指如下的器件、材料或襯底，其具有足夠低的抗彎剛度以允許該器件、材料或襯底采用任何期望的輪廓，例如，允許與具有浮雕特征圖案的表面共形接觸的輪廓。在某些實(shí)施方案中，期望的輪廓是皮膚的輪廓。

“共形接觸”指在器件與接收表面之間建立的接觸。在一方面，共形接觸涉及器件的一個(gè)或多個(gè)表面(例如，接觸表面)對(duì)一個(gè)表面的總體形狀的宏觀適應(yīng)。在另一方面，共形接觸涉及器件的一個(gè)或多個(gè)表面(例如，接觸表面)對(duì)一個(gè)表面的微觀適應(yīng)，導(dǎo)致大體上無(wú)空隙的緊密接觸。在一個(gè)實(shí)施方案中，共形接觸涉及器件的接觸表面對(duì)接收表面的適應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)該緊密接觸，例如，其中小于20％的該器件的接觸表面的表面面積未物理地接觸該接收表面，或可選地小于10％的該器件的接觸表面未物理地接觸該接收表面，或可選地小于5％的該器件的接觸表面未物理地接觸該接收表面。某些方面的器件能夠與內(nèi)部組織和外部組織建立共形接觸。某些方面的器件能夠與由眾多表面形態(tài)(包括平面表面、彎曲表面、起伏表面、大特征表面和微特征表面以及這些表面的任何組合)表征的組織表面建立共形接觸。某些方面的器件能夠與對(duì)應(yīng)經(jīng)歷移動(dòng)的組織的組織表面建立共形接觸。

“楊氏模量”是材料、器件或?qū)拥臋C(jī)械屬性，楊氏模量指對(duì)于給定的物質(zhì)應(yīng)力與應(yīng)變的比?？梢杂上率霰磉_(dá)式提供楊氏模量：

其中e是楊氏模量，l0是平衡長(zhǎng)度，δl是在所施加的應(yīng)力下的長(zhǎng)度改變，f是所施加的力，且a是上面施加了力的面積。也可以根據(jù)lame常數(shù)通過(guò)下述方程式表達(dá)楊氏模量：

其中λ和μ是lame常數(shù)。高楊氏模量(或“高模量”)和低楊氏模量(或“低模量”)是給定的材料、層或器件中楊氏模量的量級(jí)的相關(guān)描述符。在一些實(shí)施方案中，高楊氏模量大于低楊氏模量，對(duì)于一些應(yīng)用優(yōu)選地是大約10倍，對(duì)于其他應(yīng)用更優(yōu)選地是大約100倍，且對(duì)于其他應(yīng)用甚至更優(yōu)選地是大約1000倍。在一個(gè)實(shí)施方案中，低模量層具有小于100mpa的楊氏模量，可選地小于10mpa，且可選地選自0.1mpa至50mpa的范圍內(nèi)的楊氏模量。在一個(gè)實(shí)施方案中，高模量層具有大于100mpa的楊氏模量，可選地大于10gpa，且可選地選自1gpa至100gpa的范圍內(nèi)的楊氏模量。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的器件具有一個(gè)或多個(gè)具有低楊氏模量的部件。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的器件具有總體低楊氏模量。

“低模量”指具有的楊氏模量小于或等于10mpa、小于或等于5mpa或者小于或等于1mpa的材料。

“抗彎剛度”是材料、器件或?qū)拥臋C(jī)械屬性，描述該材料、器件或?qū)訉?duì)所施加的彎曲力矩的抵抗。通常，抗彎剛度被定義為材料、器件或?qū)拥哪Ａ颗c面積慣性矩的乘積?？蛇x地，可以按照針對(duì)整個(gè)材料層的“本體”抗彎剛度或“平均”抗彎剛度描述具有非均勻抗彎剛度的材料。

“組織參數(shù)”指組織的屬性，包括物理屬性、生理屬性、電子屬性、光學(xué)屬性和/或化學(xué)成分。組織參數(shù)可以指表面屬性、次表面屬性或源自組織的材料(諸如，生物流體)的屬性。組織參數(shù)可以指對(duì)應(yīng)于體內(nèi)組織的參數(shù)，諸如，溫度；水化狀態(tài)；該組織的化學(xué)成分；來(lái)自該組織的流體的化學(xué)成分；來(lái)自該組織的流體的ph；生物標(biāo)記的存在或缺乏；暴露于該組織的電磁輻射的強(qiáng)度；暴露于該組織的電磁輻射的波長(zhǎng)；以及暴露于該組織的環(huán)境污染物的量。一些實(shí)施方案的器件能夠生成對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)組織參數(shù)的響應(yīng)。

“環(huán)境參數(shù)”指器件(諸如，與組織共形接觸的器件)的環(huán)境的屬性。環(huán)境參數(shù)可以指物理屬性、電子屬性、光學(xué)屬性和/或化學(xué)成分，諸如，暴露于該器件的電磁輻射的強(qiáng)度；暴露于該器件的電磁輻射的波長(zhǎng)；暴露于該器件的環(huán)境部件的化學(xué)成分；暴露于該器件的環(huán)境部件的化學(xué)成分；暴露于該器件的環(huán)境污染物的量；和/或暴露于該器件的環(huán)境污染物的化學(xué)成分。一些實(shí)施方案的器件能夠生成對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)環(huán)境參數(shù)的響應(yīng)。

“熱傳送屬性”指溫度相關(guān)的組織屬性(諸如，熱量相關(guān)的組織屬性)隨時(shí)間和/或距離(速度)改變的速率。在一些實(shí)施方案中，熱量相關(guān)的組織屬性可以是溫度、傳導(dǎo)率或濕度。熱量相關(guān)的組織屬性可以被用來(lái)確定組織的熱傳送屬性，其中“熱傳送屬性”涉及組織表面處或附近的熱量流動(dòng)或分布。在一些實(shí)施方案中，熱傳送屬性包括橫跨組織表面的溫度分布、熱傳導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和熱容。如在本方法和系統(tǒng)中評(píng)測(cè)的，熱傳送屬性可以與組織的一個(gè)物理屬性或生理屬性相關(guān)聯(lián)。在一些實(shí)施方案中，熱傳送屬性可以與組織的溫度相關(guān)聯(lián)。在一些實(shí)施方案中，熱傳送屬性可以與血管系統(tǒng)屬性(諸如，血液流動(dòng)和/或方向)相關(guān)聯(lián)。

通過(guò)以下非限制性實(shí)施例可以進(jìn)一步了解本發(fā)明。

實(shí)施例1：用于大血管血液流動(dòng)和微血管血液流動(dòng)的非侵入性、精確且連續(xù)監(jiān)控的表皮器件

對(duì)于廣泛的臨床場(chǎng)景和研究場(chǎng)景，對(duì)血液流動(dòng)的變化的連續(xù)監(jiān)控在微血管床和大血管床的狀態(tài)的評(píng)估中至關(guān)重要。盡管存在多種技術(shù)，但是絕大多數(shù)技術(shù)需要受驗(yàn)者的完全固定，從而將它們的效用限制到醫(yī)院環(huán)境或臨床環(huán)境。能夠以可穿戴形式提供的那些技術(shù)受有限的精確度、運(yùn)動(dòng)偽像以及其他缺點(diǎn)(由不能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器與皮膚表面的緊密、非侵入性機(jī)械聯(lián)接產(chǎn)生的缺點(diǎn))困擾。在此，本發(fā)明介紹了在連續(xù)且精確的血液流動(dòng)映射中提供先進(jìn)能力的超薄的、軟的、皮膚共形的傳感器技術(shù)。系統(tǒng)性工作建立了一套用于設(shè)計(jì)和操作中的定量測(cè)量和指導(dǎo)準(zhǔn)則的實(shí)驗(yàn)程序和理論模型。在人類受驗(yàn)者上的實(shí)驗(yàn)研究(包括用使用現(xiàn)有臨床技術(shù)執(zhí)行的測(cè)量驗(yàn)證)展示了在眾多不同生理?xiàng)l件下大血管流動(dòng)和微血管流動(dòng)二者的靈敏且準(zhǔn)確的評(píng)估。精制的操作模式消除了長(zhǎng)期漂移并且減少了功率消耗，提供了朝向此技術(shù)在日?；顒?dòng)期間連續(xù)監(jiān)控的使用邁進(jìn)。

測(cè)量血液流動(dòng)用作血管健康的重要的、通常關(guān)鍵的指標(biāo)[1]。血管內(nèi)皮功能紊亂可能由老化、動(dòng)脈硬化[2]、糖尿病以及還可能涉及炎癥[3]的其他條件造成。因此，對(duì)在不同條件下具有橫跨身體的多個(gè)部分可靠地、非侵入性地監(jiān)控血液流動(dòng)的能力的工具存在相當(dāng)大的興趣[4]?？梢愿鶕?jù)基礎(chǔ)測(cè)量物理學(xué)將現(xiàn)有技術(shù)分類：機(jī)械的(體積描記法)、光學(xué)的(光體積描記法、激光多普勒流量計(jì)(ldf)和激光散斑對(duì)比成像(lsci))、聲學(xué)的(超聲波)、熱學(xué)的(多種形式的熱間隙)。體積描記法依賴于由血液體積的改變導(dǎo)致的肢體尺度的本體改變的測(cè)量，但僅提供到整個(gè)肢體的流動(dòng)的估計(jì)。測(cè)量通常涉及圍繞肢體包裹的應(yīng)變計(jì)以量化尺度改變[5，6]，或在光體積描記法的情況下，涉及光學(xué)照明以識(shí)別光學(xué)吸收的改變，這兩種情況都由血液體積的改變產(chǎn)生[7]。超聲波技術(shù)依賴于聲學(xué)多普勒頻移[8，9]。光學(xué)信號(hào)中的類似的多普勒頻移形成用于激光ldf測(cè)量的基礎(chǔ)[10-12]。相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象(其中血液流動(dòng)誘發(fā)的與相干光源相關(guān)聯(lián)的反射散斑圖案的時(shí)空變化)形成現(xiàn)代lsci技術(shù)的基礎(chǔ)[13-15]。

聲學(xué)方法和光學(xué)方法是特別有用的，這是由于它們的關(guān)于空間-時(shí)間映射的魯棒性。然而，對(duì)運(yùn)動(dòng)的極端靈敏度要求在測(cè)量期間受驗(yàn)者的固定，從而將使用限制到受控的醫(yī)療環(huán)境或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境?？少N上去的單點(diǎn)傳感器具有減少運(yùn)動(dòng)的影響的某些潛能，但是很可能未減少到將允許在正常身體運(yùn)動(dòng)期間使用的水平?？纱┐鞴鈱W(xué)測(cè)量系統(tǒng)正變成可用的[16-19]，但目前的硬件涉及剛性的、龐大的器件部件，所述剛性的、龐大的器件部件以在持續(xù)很久的應(yīng)用之后會(huì)導(dǎo)致刺激和不適以及在導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)的微循環(huán)床中生成壓力的方式附著到皮膚。

基于熱傳送的技術(shù)提供了對(duì)運(yùn)動(dòng)的降低的靈敏度?，F(xiàn)有的非侵入性方法利用施加到皮膚的金屬加熱和感測(cè)板。在此，組織中的血液流動(dòng)[20，21]影響熱響應(yīng)的時(shí)間依賴性和/或空間依賴性，作為確定有效熱傳導(dǎo)率[22，23]從而區(qū)域性灌注的空間變化的手段。先前技術(shù)的限制由龐大的熱部件的使用以及到皮膚的壓力誘發(fā)的耦合產(chǎn)生，導(dǎo)致不能夠(1)執(zhí)行空間映射，(2)追蹤細(xì)微的或迅速的時(shí)間改變，以及(3)評(píng)估自然的、未更改的血液流動(dòng)圖案。激光加熱和次表面脈管中的熱分布的紅外映射的使用[24]避免了這些缺點(diǎn)，但是再引入對(duì)運(yùn)動(dòng)的高靈敏度。

在此，本發(fā)明提出了用于利用電子器件的策略，所述策略采用表皮的物理特性和地形特性，以按提供優(yōu)于現(xiàn)有方法的相當(dāng)大的優(yōu)點(diǎn)的方式允許血液流動(dòng)的精確熱測(cè)量。當(dāng)與熱分析技術(shù)結(jié)合時(shí)，這些平臺(tái)提供用于近表面的血液流動(dòng)(達(dá)到1.5mm的深度)的速度和方向的定量監(jiān)控的途徑，而沒(méi)有與接觸、移動(dòng)和壓力相關(guān)聯(lián)的上述限制和約束，具有用于在日?；顒?dòng)期間連續(xù)使用的潛能。這些能力由器件部件的超薄的、柔性的、可拉伸的機(jī)構(gòu)產(chǎn)生，其中精密的熱檢測(cè)器單獨(dú)通過(guò)范德瓦爾斯力的作用緊密地共形到皮膚表面，而不用任何外部施加的壓力。緊密皮膚接觸和極其低的質(zhì)量(對(duì)于0-40μm的硅樹(shù)脂支撐厚度，為0.2-5mgcm^-2)的組合甚至在身體的迅速運(yùn)動(dòng)期間消除了皮膚表面和檢測(cè)器之間的相對(duì)移動(dòng)。低熱質(zhì)量(0.2-5.7mjcm^-2k^-1)和高氣體滲透性(對(duì)于固體硅樹(shù)脂支撐，為2gh^-1m^-2)連同用于這些系統(tǒng)的較高滲透性[25]的多孔的/穿孔的型式的選項(xiàng)使對(duì)皮膚的自然溫度的微擾最小化。與現(xiàn)有商業(yè)光學(xué)血液流動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)定量比較，涉及人類受驗(yàn)者志愿者的測(cè)量展示了在不同的生理?xiàng)l件下映射大的次表面脈管(即，靜脈)中的方向性血液流動(dòng)的能力。定量分析和有限元模型提供了一種用于將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成血液流動(dòng)速率的系統(tǒng)構(gòu)架。附加的測(cè)量展示了用于監(jiān)控通過(guò)近表面微血管系統(tǒng)(即，小動(dòng)脈和毛細(xì)血管床)的流動(dòng)的改變，該改變由與皮膚劃痕癥相關(guān)聯(lián)的深呼吸和拍打-促成的(slap-mediated)充血誘發(fā)。先進(jìn)的脈沖操作模式通過(guò)消除測(cè)量中的關(guān)鍵漂移源和減少功率消耗來(lái)提供可能的長(zhǎng)期監(jiān)控。

結(jié)果和討論

器件設(shè)計(jì)和操作原則

該器件納入了一個(gè)被設(shè)計(jì)用于監(jiān)控皮膚的靶標(biāo)面積(對(duì)于在此呈現(xiàn)的結(jié)果是～1cm²)下面的血液流動(dòng)的薄的(100nm)金屬熱致動(dòng)器和傳感器的陣列(圖1a；參見(jiàn)用于制造細(xì)節(jié)的補(bǔ)充信息)。該陣列包括由兩個(gè)傳感器環(huán)(半徑0.5mm，由10μm寬的10/100nmcr/au的長(zhǎng)絲組成)包圍的單個(gè)圓形的熱致動(dòng)器(半徑1.5mm，由15μm寬的10/100nmcr/au的長(zhǎng)絲組成)。第一環(huán)和第二環(huán)分別位于距該中心致動(dòng)器3mm和5mm的中心到中心距離處。每個(gè)環(huán)包含7個(gè)傳感器，所述傳感器圍繞環(huán)以45°角度增量間隔(一個(gè)45°位置是空缺的，以允許互連布線)。該構(gòu)造使用窄的、長(zhǎng)絲蛇形跡線和薄的、低模量硅襯底，使用超薄的、可拉伸的電子傳感器設(shè)計(jì)中的概念[26-33]，以產(chǎn)生自然共形到皮膚表面(圖1b)的器件平臺(tái)，對(duì)于緊密熱接觸類型，該平臺(tái)對(duì)于測(cè)量是關(guān)鍵的。根據(jù)先前報(bào)道的結(jié)果，所述傳感器依賴于它們的電阻的溫度依賴性值，且在2hz采樣速率下提供在～0.01℃的范圍內(nèi)的測(cè)量精度。

次表面血液流動(dòng)導(dǎo)致各向異性的熱傳送現(xiàn)象，該各向異性的熱傳送現(xiàn)象可以使用此類型的系統(tǒng)準(zhǔn)確量化。該中心熱致動(dòng)器提供恒定的熱功率源，以在靶標(biāo)脈管附近的皮膚表面處創(chuàng)建輕度的、良好控制的溫度增加(圖1c)。所述傳感器的響應(yīng)確定由此加熱造成的溫度的空間-時(shí)間分布。致動(dòng)器尺度和操作參數(shù)(通?！?.5mwmm^-2)確保周圍的傳感器中的充足的熱信號(hào)，具有保持在用于感覺(jué)的閾值以下的峰值溫度(～6℃)。對(duì)于在此報(bào)道的所有情況，對(duì)于在～10℃以下的峰值溫度，所述響應(yīng)線性地依賴于功率。(對(duì)于在較高溫度下的效果，參見(jiàn)圖8a、圖8b。)代表性數(shù)據(jù)(表現(xiàn)為作為時(shí)間的函數(shù)的溫度的空間依賴性改變的形式)呈現(xiàn)在圖1d中。圖1e、圖1f概括了在具有致動(dòng)器信號(hào)時(shí)和不具有致動(dòng)器信號(hào)時(shí)在一個(gè)時(shí)間實(shí)例處顏色映射的數(shù)據(jù)插值。局部熱流動(dòng)的方向性可以從位于該致動(dòng)器的相對(duì)側(cè)上的傳感器處的溫度的相對(duì)增加中的差異推測(cè)出。這樣的流動(dòng)場(chǎng)映射指示局部流動(dòng)的相對(duì)改變以及流動(dòng)相對(duì)于皮膚表面的方向性分量(圖1g-圖1i)。類似的數(shù)據(jù)(但是該器件被放置在一個(gè)不具有大血管的區(qū)域中)呈現(xiàn)在圖9中。

器件分析和建模

數(shù)據(jù)到定量血流流動(dòng)速率的轉(zhuǎn)換依賴于組織的非均質(zhì)屬性和時(shí)間動(dòng)態(tài)屬性。影響信號(hào)的變量除了血液流動(dòng)速率和方向以外，還包括熱傳導(dǎo)率(λ)、熱容(c)、血液(下標(biāo)f)和局部組織(下標(biāo)s)的密度(ρ)、血管深度(在圖2b中h)、血管半徑(在圖2b中r)以及器件的幾何參數(shù)(在圖2a中l(wèi)＝3.5mm，b＝1.5mm)。一般而言，血液的熱屬性(λf＝0.5w·mm^-1k^-1，cf＝3659j·kg^-1·k^-1,ρf＝1069kg/m³)被很好地建立[34，35]，并且被假定是先驗(yàn)已知的。組織屬性和血管參數(shù)是未知的，具有落入所建立的生理范圍內(nèi)的值[34]。本發(fā)明的分析結(jié)合了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量步驟、分析標(biāo)度律以及有限元分析(fea)。圖2例示了這些步驟，連同在建模中使用的在皮膚下面的血管的表示(模型系統(tǒng)的自頂向下視圖和橫截面視圖分別呈現(xiàn)在圖2a和圖2b中)。在第一步中，一個(gè)短的(2s)功率輸入(7-8mwmm^-2)被順次地施加到器件中的每個(gè)傳感器(圖2c)，作為探查局部組織屬性的手段。對(duì)每個(gè)傳感器處的溫度上升的時(shí)間動(dòng)態(tài)的分析確定皮膚的對(duì)應(yīng)區(qū)域的熱特性(對(duì)于圖2c中的情況，熱擴(kuò)散率λs/ρscs＝0.17mm²s^-1，且熱傳導(dǎo)率λs＝0.3wm^-1k^-1)，遵循在別處報(bào)道的程序[36]。結(jié)果表示用于熱模型的重要信息。第二步涉及激活該中央熱致動(dòng)器，而同時(shí)記錄此元件的溫度以及周圍的傳感器的溫度。分析建立以下瞬態(tài)標(biāo)度律，如通過(guò)fea和體外實(shí)驗(yàn)(圖10和圖11，對(duì)于細(xì)節(jié)請(qǐng)參見(jiàn)材料和方法部分)驗(yàn)證的：

其中δt是在致動(dòng)器的相對(duì)側(cè)上并且沿著靶標(biāo)脈管的方向定位的一對(duì)傳感器的溫度之間的差異；δtsteady是δt的最終穩(wěn)態(tài)值。靜脈光學(xué)成像器(veinviewerflex，christiemedical，美國(guó))在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)期間對(duì)于人的前臂(掌側(cè)，圖10)的靜脈映射是有用的，以幫助器件在靜脈上的準(zhǔn)確放置。通過(guò)其穩(wěn)態(tài)值δtsteady歸一化的溫度δt獨(dú)立于血管的半徑r和血液流動(dòng)速度v(圖11和圖12)；且在瞬態(tài)標(biāo)度律上其對(duì)歸一化的材料屬性λs/λf和ρfcf/ρscs以及致動(dòng)器半徑b/l的依賴性呈現(xiàn)在圖13中。唯一未知的參數(shù)是深度h。因此，使用在第一步中測(cè)量的組織熱屬性，δt/δtsteady與時(shí)間t之間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與采用不同的脈管深度的fea結(jié)果的比較可以產(chǎn)生對(duì)h的準(zhǔn)確估計(jì)。對(duì)于圖2d的情況，h＝1.25mm。在第三步中，通過(guò)致動(dòng)器處的溫度δtactuator歸一化的、致動(dòng)器的相對(duì)側(cè)上的傳感器之間的穩(wěn)態(tài)溫度差δtsteady依賴于沿著由所述傳感器限定的方向的血液流動(dòng)速度。在此，以下穩(wěn)態(tài)標(biāo)度律適用，如通過(guò)fea和體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的(圖14，對(duì)于細(xì)節(jié)請(qǐng)參見(jiàn)材料和方法部分)：

其對(duì)歸一化的熱傳導(dǎo)率λs/λf、血管的深度h/l以及傳感器間距b/l的依賴性呈現(xiàn)在圖15中。r的影響是相對(duì)小的，使得可以使用基于脈管位置的近似值。作為一個(gè)實(shí)施例，對(duì)于r＝0.95mm和1.65mm的穩(wěn)態(tài)標(biāo)度律呈現(xiàn)在圖2f中。r的這些值界定腕附近的前臂正中靜脈部段的預(yù)期范圍(r＝1.3mm±0.35mm[37])，其被用在隨后描述的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中。兩個(gè)計(jì)算出的曲線具有類似的形狀，但是具有略微偏移的值。δtsteady的值在ν＝0處開(kāi)始通過(guò)隨著ν增加而增加(dδtsteady/dν＞0)，在相對(duì)低的流動(dòng)速率處達(dá)到峰值，且然后隨著下游傳感器的對(duì)流冷卻開(kāi)始占主導(dǎo)地位而開(kāi)始下降(dδtsteady/dν＜0)。將該曲線的兩個(gè)部分稱為“低流動(dòng)狀態(tài)”(其中dδtsteady/dν＞0)和“高流動(dòng)狀態(tài)”(其中dδtsteady/dν＜0)(圖2e)。在高流動(dòng)狀態(tài)(對(duì)應(yīng)于生理上最相關(guān)的血液流動(dòng)速度，圖2f)中，r/l對(duì)該曲線的值具有輕微影響，使得穩(wěn)態(tài)標(biāo)度律被簡(jiǎn)化為：

方程式3中唯一未知的是比率ν/r。因此，來(lái)自實(shí)驗(yàn)的δtsteady/tactuator與通過(guò)fea獲得的穩(wěn)態(tài)標(biāo)度律的數(shù)值擬合(圖2f示出了對(duì)于r＝0.95mm和r＝1.65mm的擬合)的比較給出了此比率ν/r。

δtsteady的值當(dāng)然不包括由血液流動(dòng)速度的變化引起的改變。實(shí)驗(yàn)式地，依賴于組織屬性，所述傳感器響應(yīng)于流動(dòng)速率瞬間改變，其中時(shí)間常數(shù)為～10s(圖16)。結(jié)果是，可以容易地測(cè)量具有＜0.1hz的頻率的流動(dòng)改變。這包括與血管平滑肌的肌源性活動(dòng)相關(guān)的流動(dòng)改變(0.1hz)、與脈管壁的神經(jīng)源性活動(dòng)相關(guān)的流動(dòng)改變(0.04hz)以及與血管內(nèi)皮影響相關(guān)的流動(dòng)改變(0.01hz)[38]。無(wú)量綱流動(dòng)參數(shù)單獨(dú)允許評(píng)估血液流動(dòng)的相對(duì)改變。對(duì)潛在的噪聲源和其他潛在的不確定性源的分析呈現(xiàn)在圖17和圖18中。結(jié)果證實(shí)在分析中使用的δtsteady/tactuator的測(cè)量值通常比實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電子噪聲和/或環(huán)境噪聲強(qiáng)＞10x，且比在不具有大脈管的皮膚位置上記錄的信號(hào)強(qiáng)＞5x。在以下實(shí)施例中，在此概述的分析程序提供了熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率、脈管深度以及血液流動(dòng)的改變的局部值。

大血管流動(dòng)的測(cè)量

多種體內(nèi)實(shí)驗(yàn)展示了這些方法的效用。第一實(shí)施例例示了時(shí)變熱流動(dòng)映射的捕獲，所述時(shí)變流動(dòng)映射是因由近表面脈管的局部閉塞產(chǎn)生的血液流動(dòng)的改變?cè)斐傻?圖3a-圖3c)。在此，該器件駐留在腕的掌側(cè)上(男性，27歲)，其中熱致動(dòng)器居中在一個(gè)近表面脈管上方。施加到該致動(dòng)器達(dá)五分鐘的功率建立一個(gè)基準(zhǔn)加熱水平以達(dá)到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)涉及使用具有15cm的木桿的棉頭施加器(56810solon，美國(guó))向圍繞該器件的外周邊的一系列位置施加局部閉塞壓力(近似地在0.2cm²的面積上施加25kpa)。具體地，首先沿著靜脈施加壓力(圖3a中的第二個(gè)面板)六十秒，且然后釋放六十秒。在相對(duì)于該熱致動(dòng)器偏移45°的位置處順次施加相同壓力循環(huán)(六十秒壓迫，六十秒釋放)直到返回到初始位置為止，完成該實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)示出的是，當(dāng)壓力被直接施加到靜脈時(shí)，該器件記錄最小血液流動(dòng)，且在全部其他時(shí)間記錄強(qiáng)血液流動(dòng)。流動(dòng)矢量場(chǎng)(圖3c中的矢量映射)記錄流動(dòng)方向?yàn)槌蛏眢w移動(dòng)，如對(duì)靜脈流動(dòng)所預(yù)期的并且通過(guò)靜脈查看器證實(shí)的(圖12)。在皮膚的不具有大脈管的區(qū)域上進(jìn)行的對(duì)照實(shí)驗(yàn)(圖3d-圖3f)指示所施加的壓力的可忽略的影響，如預(yù)期的。在類似條件下執(zhí)行的激光散斑對(duì)比成像(lsci)產(chǎn)生不確定的數(shù)據(jù)，這是由于與皮膚的扭曲相關(guān)聯(lián)的且與運(yùn)動(dòng)偽像相關(guān)聯(lián)的不受控制的變化。在此報(bào)道的器件平臺(tái)不受這樣的影響困擾。

在圖3中總結(jié)的實(shí)驗(yàn)表示涉及由外力引起的血液流動(dòng)的突然變更的眾多應(yīng)用中的一個(gè)。另一個(gè)實(shí)例例示了先前概述的定量分析例程。在此，在延長(zhǎng)周期期間，在沒(méi)有外部刺激的情況下，器件功能可以揭示近表面血液流動(dòng)(血管運(yùn)動(dòng))中的自然波動(dòng)。如同之前，該器件駐留在腕(男性，27歲)的掌側(cè)上，其中該熱致動(dòng)器被居中在一個(gè)可視的靜脈上方。當(dāng)受驗(yàn)者在黑暗的、安靜的房間內(nèi)靜止躺臥45分鐘時(shí)，測(cè)量連續(xù)地發(fā)生。lsci數(shù)據(jù)通過(guò)該器件的金屬跡線之間的透明區(qū)域被記錄。三十秒的基準(zhǔn)溫度記錄之后是在t＝30s時(shí)向該熱致動(dòng)器施加功率。在t＝2430s時(shí)停用功率，以允許另一組基準(zhǔn)溫度記錄持續(xù)最后五分鐘。根據(jù)圖2c的方法，組織熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率分別是0.32wm^-1k^-1+/-0.03wm^-1k^-1和0.17mm²s^-1+/-0.02mm²s^-1。根據(jù)圖2d的方法，脈管的深度是1.3mm+/-0.2mm。lsci數(shù)據(jù)與從所公開(kāi)的器件計(jì)算的無(wú)量綱流動(dòng)的比較示出相當(dāng)一致，這由流動(dòng)信號(hào)(圖4a、圖4b)中的峰值和谷值的良好對(duì)準(zhǔn)突出顯示。不能夠用幀對(duì)準(zhǔn)算法完全去除的運(yùn)動(dòng)偽像通常導(dǎo)致lsci信號(hào)中的尖銳峰值。因此，注意到，穿過(guò)皮膚的lsci測(cè)量和ldf測(cè)量二者都不提供對(duì)次表面靜脈中的血液流動(dòng)的直接測(cè)量，這是由于靜脈上方的組織中的信號(hào)的強(qiáng)影響。然而，發(fā)現(xiàn)，對(duì)于腕上的近表面靜脈，所述一致是顯著的(在以下段落中所討論的隨后實(shí)驗(yàn)例示lsci不能夠捕獲較深的靜脈中的信號(hào)，所述信號(hào)通過(guò)所公開(kāi)的器件捕獲)。該器件和lsci數(shù)據(jù)的互相關(guān)性與lsci數(shù)據(jù)的自相關(guān)性比較的比較以及兩個(gè)數(shù)據(jù)集合之間的相干性量化了統(tǒng)計(jì)符合(圖19)。數(shù)據(jù)的頻率-時(shí)間頻譜圖在頻率帶在時(shí)間上的對(duì)準(zhǔn)方面示出了類似水平的一致(圖4c、圖4d)。在不同的受驗(yàn)者上以及在腕和手上的不同的靜脈上的相關(guān)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的結(jié)果也與ldf工具(bloodflowmeter，adinstruments，美國(guó))的結(jié)果(圖20和圖21)一致。

涉及施加到整個(gè)前臂的外力的另一個(gè)實(shí)例揭示了在沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的情況下增強(qiáng)的信號(hào)變化，用于與光學(xué)工具比較。在此，在通過(guò)前臂的閉塞和再灌注誘發(fā)的反應(yīng)性充血響應(yīng)期間監(jiān)控血液流動(dòng)的改變。該器件再次駐留在左腕(男性，27歲)的掌側(cè)上，其中該熱致動(dòng)器被居中在一個(gè)皮下表面靜脈上方。如同之前，lsci工具通過(guò)該器件以及它周圍的光學(xué)半透明區(qū)域同時(shí)地記錄數(shù)據(jù)。該程序呈現(xiàn)在材料和方法中，且結(jié)果呈現(xiàn)在圖5a-圖5i中。組織熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的測(cè)量分別指示0.33wm^-1k^-1+/-0.03wm^-1k^-1和0.17mm²s^-1+/-0.02mm²s^-1的值。脈管的深度是1.3mm+/-0.2mm。這些值與用于圖4的實(shí)驗(yàn)的那些值一致，如預(yù)期的。使用先前概述的致動(dòng)器的相對(duì)側(cè)上的熱信號(hào)，從靜脈上方取得的lsci數(shù)據(jù)和從器件記錄的熱信號(hào)在整個(gè)研究過(guò)程期間示出相當(dāng)一致(圖5a)。然而，此實(shí)驗(yàn)揭示了定量分析例程的一個(gè)限制。在再灌注時(shí)，血液流動(dòng)迅速地從低流動(dòng)狀態(tài)過(guò)渡到高流動(dòng)狀態(tài)(圖20a)，這改變并且反轉(zhuǎn)了熱信號(hào)和血液流動(dòng)之間的關(guān)系的斜率(圖20b)。因此，在此周期期間立即遵循再灌注的定量轉(zhuǎn)換導(dǎo)致計(jì)算出的流動(dòng)中的假抑制(圖20b)。然而，由于外部微擾，此組特定情況不可能在沒(méi)有流動(dòng)的迅速改變的情況下發(fā)生。本發(fā)明的熱器件數(shù)據(jù)與lsci數(shù)據(jù)的互相關(guān)性與lsci數(shù)據(jù)的自相關(guān)性比較的比較以及數(shù)據(jù)集合之間的相干性，示出了極好的統(tǒng)計(jì)一致性(圖21)。在圖5a中數(shù)據(jù)的頻率-時(shí)間頻譜圖的比較展現(xiàn)類似水平的一致，包括在再灌注時(shí)的相同的階躍函數(shù)偽像(由于輸入到頻譜圖內(nèi)的流動(dòng)數(shù)據(jù)中的階躍函數(shù))(圖5b、圖5c)。來(lái)自所公開(kāi)的器件的數(shù)據(jù)在峰值流動(dòng)(圖5d-圖5f)和閉塞流動(dòng)(圖5g-圖5i)期間在時(shí)間快照處展示流動(dòng)信號(hào)的加強(qiáng)和消失分別對(duì)應(yīng)于未閉塞流動(dòng)和閉塞流動(dòng)。在與對(duì)于圖5a所描述的程序相同的程序之后而且在具有明顯較深的靜脈的不同的受驗(yàn)者(男性，23歲)上的一個(gè)附加的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)在圖5j中。在此，所公開(kāi)的器件在閉塞期間從靜脈捕獲一個(gè)異常信號(hào)(通過(guò)紅外線證實(shí))，該異常信號(hào)幾乎完全不存在于lsci信號(hào)中。一系列四個(gè)強(qiáng)流動(dòng)脈沖在閉塞期間在時(shí)間400s＜t＜600s期間出現(xiàn)(可能是由于不充足閉塞或通過(guò)脈絡(luò)分流)，如由信號(hào)中的四個(gè)顯著的峰值反應(yīng)的(圖5j)。對(duì)同時(shí)記錄的紅外信號(hào)的仔細(xì)檢查揭示了靜脈在閉塞周期期間的四個(gè)強(qiáng)脈動(dòng)。個(gè)體幀例示了脈動(dòng)(圖5k-圖5m)。

微血管流動(dòng)的測(cè)量

與上文所討論的大血管應(yīng)用相反，測(cè)量微血管的改變的應(yīng)用表示相關(guān)的但不同的感興趣區(qū)域。對(duì)于這些研究，微血管被限定為具有通常＜200μm的直徑的這些脈管，即，小動(dòng)脈、毛細(xì)血管和小靜脈[39，40]。微血管可能對(duì)在平行于皮膚表面的平面中的熱傳送具有或不具有顯著的各向異性影響。使用所公開(kāi)的器件的實(shí)驗(yàn)指示該平行平面中的各向異性在缺少局部大脈管的區(qū)域中是相對(duì)小的。使用與在此報(bào)道中的原理相同的原理，具有針對(duì)小動(dòng)脈規(guī)模修改的傳感器尺寸和密度的器件設(shè)計(jì)可以潛在地監(jiān)控更局部化個(gè)體小動(dòng)脈各向異性。更一般地，微血管各向異性的程度可以是依賴區(qū)域-規(guī)模的和依賴尺寸-規(guī)模的，最終由橫跨該器件的面積的凈側(cè)向流動(dòng)確定。在此，關(guān)注該致動(dòng)器和周圍的傳感器之間的毫米規(guī)模各向同性運(yùn)輸?shù)母淖?。在一個(gè)實(shí)例中，對(duì)前臂(男性，59歲)的手掌表面的局部創(chuàng)傷(表現(xiàn)為“手指拍打”的形式)被用來(lái)誘發(fā)皮膚劃痕癥，導(dǎo)致局部微血管系統(tǒng)的血管舒張和組織充血(圖6a、圖6e)。在“手指拍打”之后測(cè)量的ldf灌注單位中的500％-700％的增加(圖24)(在拍打區(qū)域內(nèi)且遠(yuǎn)離該熱致動(dòng)器2cm測(cè)量的)證實(shí)充血效應(yīng)。在創(chuàng)傷之前和之后(圖6b、圖6f)，使用本發(fā)明的器件對(duì)皮膚表面的局部精確溫度測(cè)量揭示了由局部血管舒張?jiān)斐傻念A(yù)期溫度增加。各向同性流動(dòng)將不誘發(fā)任何可感知的溫差。因此，先前對(duì)用于大脈管的血液流動(dòng)分析的討論不適用。而是，微血管灌注的改變更改從致動(dòng)器到皮膚內(nèi)的熱量提取速率?？梢栽谥聞?dòng)器的初始時(shí)間動(dòng)態(tài)和飽和溫度中容易地觀察到此效應(yīng)。在血管舒張開(kāi)始之前和之后的測(cè)量(圖6c、圖6g)例示了此效應(yīng)。在血管舒張之后，該致動(dòng)器更迅速地達(dá)到較低的飽和溫差(與擴(kuò)張之前的時(shí)刻比較)，被量化為測(cè)量的熱擴(kuò)散率的130％-250％的增加以及測(cè)量的熱傳導(dǎo)率的6％-19％的增加。該致動(dòng)器的飽和溫差隨著血管舒張減小，即使皮膚的基礎(chǔ)溫度由于從該致動(dòng)器提取熱能造成的對(duì)流熱量轉(zhuǎn)移的增加而增加。在血管舒張之前的各向同性熱量分布和在血管舒張之后的各向同性熱量分布二者都例示了大血管效應(yīng)和微血管效應(yīng)之間的明顯差異(圖6d，圖6h)。

一個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)(其中該器件位于指尖上(紅外圖像，圖6i；數(shù)據(jù)，圖6j))例示了對(duì)微循環(huán)的自然改變的連續(xù)測(cè)量。對(duì)致動(dòng)器和內(nèi)環(huán)的傳感器之間的溫度差的分析(平均的)提供了對(duì)血液流動(dòng)的改變得到的熱量轉(zhuǎn)移系數(shù)的時(shí)間動(dòng)態(tài)改變的測(cè)量。在此情況下，幾個(gè)深呼吸可以誘發(fā)外周循環(huán)的變化(圖6j中向下的尖峰，與文獻(xiàn)一致)，且所有變化(不論是深呼吸的結(jié)果還是其他方式的結(jié)果)似乎都被該器件捕獲。互相關(guān)性數(shù)據(jù)和相干性數(shù)據(jù)示出了使用lsci和本發(fā)明的器件的測(cè)量之間的極好水平的一致(圖25)。

脈沖操作模式

器件響應(yīng)中的環(huán)境誘發(fā)的漂移和功率消耗中的低效率表示對(duì)于長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)控重要的考量。脈沖熱致動(dòng)模式表示一種解決這些問(wèn)題的簡(jiǎn)單策略。以減少的占空比的方式操作致動(dòng)器的能力導(dǎo)致功率消耗的減少。對(duì)長(zhǎng)期漂移的益處是更細(xì)微的。在連續(xù)操作模式中，從致動(dòng)器的相對(duì)側(cè)上的傳感器的溫度差提取與血液流動(dòng)相關(guān)的信息。對(duì)于每個(gè)傳感器，相關(guān)的溫度不是絕對(duì)值，而是相對(duì)于在向該致動(dòng)器施加功率之后建立的基準(zhǔn)的改變。在長(zhǎng)期測(cè)量中，皮膚溫度的局部非均質(zhì)改變可以由于與由血管誘發(fā)的各向異性對(duì)流效應(yīng)無(wú)關(guān)的原因發(fā)生。例如，一個(gè)傳感器但不是相對(duì)的傳感器的位置處的局部的、環(huán)境誘發(fā)的溫度改變將影響血液流動(dòng)的測(cè)量。脈沖致動(dòng)模式通過(guò)連續(xù)地調(diào)整對(duì)于每個(gè)溫度差有效的基準(zhǔn)而有效地去除此類型的漂移誤差。圖7例示了脈沖致動(dòng)模式在充血響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的使用，類似于對(duì)于圖5所描述的充血響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。如先前通過(guò)該器件的透明區(qū)域測(cè)量的來(lái)自該實(shí)驗(yàn)的lsci數(shù)據(jù)示出了基本流動(dòng)、閉塞和再灌注的周期(圖7b)。熱致動(dòng)器的溫度(圖7c)(脈沖頻率為0.067hz、具有33％的占空比)例示了通過(guò)超薄器件設(shè)計(jì)和其低熱質(zhì)量所實(shí)現(xiàn)的迅速加熱速率。脈沖頻率不受該致動(dòng)器限制，而是受熱量可以通過(guò)皮膚從致動(dòng)器向傳感器轉(zhuǎn)移的速率限制。在該致動(dòng)器的相對(duì)側(cè)上并且沿著靜脈的一對(duì)傳感器的溫度差(圖7d)揭示了一個(gè)0.067hz的信號(hào)，該信號(hào)在流動(dòng)周期(由于由流動(dòng)誘發(fā)的各向異性)期間較強(qiáng)且在閉塞(由于各向異性的損失)期間較弱。注意到，施加到加熱器的頻率和功率保持固定，使得差分信號(hào)的改變不能夠由加熱的改變引起。圖7d中的信號(hào)的頻率-時(shí)間頻譜圖(圖7e)以及在0.067hz下提取的幅度(圖7f)例示了在閉塞期間的改變。脈沖致動(dòng)的一個(gè)缺點(diǎn)是，提取的血液流動(dòng)信號(hào)的時(shí)間分辨率低于連續(xù)操作模式中可能的時(shí)間分辨率。此限制由每個(gè)脈沖必須足夠長(zhǎng)以誘發(fā)周圍的傳感器的可測(cè)量的溫度改變的事實(shí)產(chǎn)生，該事實(shí)將有效最大采樣速率減少到與脈沖速率相當(dāng)?shù)闹?。減少脈沖的持續(xù)時(shí)間導(dǎo)致減小的信號(hào)幅度和測(cè)量精度的對(duì)應(yīng)降低，但是具有提高的時(shí)間分辨率。在實(shí)踐中，0.05–0.1hz的脈沖頻率生成在保持在用于感覺(jué)的閾值以下的熱致動(dòng)水平處的合理的信號(hào)。33％的占空比在脈沖之間提供了足夠的時(shí)間用于致動(dòng)器返回到皮膚的基準(zhǔn)溫度。一個(gè)對(duì)于連續(xù)致動(dòng)模式和脈沖致動(dòng)模式二者的對(duì)照實(shí)驗(yàn)(在該實(shí)驗(yàn)中，用熱烙鐵尖端(通過(guò)65℃的烙鐵尖端的接近而在傳感器讀數(shù)中誘發(fā)～10℃的誤差)在個(gè)體傳感器附近施加局部加熱誘發(fā)變化性)導(dǎo)致與連續(xù)模式相比，脈沖模式測(cè)量的流動(dòng)中的誤差的平均5×的減少。

討論

在此呈現(xiàn)的器件提供了一種可穿戴的、連續(xù)的、非侵入性測(cè)量到皮膚的大血管系統(tǒng)和微血管系統(tǒng)的局部血液流動(dòng)的途徑。這些能力由消除了致動(dòng)器/檢測(cè)器和血液之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、使熱載荷對(duì)皮膚的影響最小化并且在穿戴和測(cè)量期間避免了壓力的任何外部施加的材料和設(shè)計(jì)產(chǎn)生。在固定化環(huán)境中，與已建立的商業(yè)光學(xué)工具的比較驗(yàn)證了測(cè)量的準(zhǔn)確度。該器件對(duì)特定脈管的流動(dòng)靈敏度依賴于諸多參數(shù)，諸如，脈管深度和脈管半徑、流動(dòng)速率狀態(tài)以及周圍的組織成分，并且可以用對(duì)器件幾何結(jié)構(gòu)的改變修改。認(rèn)識(shí)到這些潛在變化并且基于在此的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和fea結(jié)果，發(fā)現(xiàn)大血管檢測(cè)極限的一般指導(dǎo)準(zhǔn)則是深度達(dá)2mm的脈管中的流動(dòng)(靈敏度隨著深度減小而增加)、0.1mm/s–100mm/s的流動(dòng)速率(δt是傳感器噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差的至少3×，記住每單位流動(dòng)改變的熱改變的程度和方向依賴于流動(dòng)速率)和低至0.25mm的脈管半徑(靈敏度隨著半徑增加而增加)。對(duì)大血管流動(dòng)的靈敏度高度依賴于皮膚位置，盡管本發(fā)明的結(jié)果指示在指尖上的lsci的靈敏度附近(～50％)的靈敏度，且本發(fā)明的器件不需要lsci所需的固定化。對(duì)器件幾何結(jié)構(gòu)的改變將導(dǎo)致這些靈敏度范圍的改變，允許針對(duì)特定的身體結(jié)構(gòu)(anatomy)定制器件設(shè)計(jì)。

此類器件適于使用已建立的微制造程序進(jìn)行低成本、大批量生產(chǎn)，從而暗示在臨床環(huán)境和家庭環(huán)境中廣泛使用的潛能。感興趣的應(yīng)用包括監(jiān)控近表面血液流動(dòng)作為血管健康的指標(biāo)，特別是在具有血管相關(guān)聯(lián)的病理的疾病中，如原發(fā)性成分或繼發(fā)性成分，即，動(dòng)脈粥樣硬化、鐮狀細(xì)胞性貧血、糖尿病、慢性腎臟疾病以及血管炎，且更廣泛地作為用于臨床研究的工具。此技術(shù)還具有連續(xù)監(jiān)控由于由創(chuàng)傷、環(huán)境暴露(例如，太陽(yáng)灼傷、凍傷(凍瘡))以及涉及局部血液流動(dòng)停滯、不足、逆向流動(dòng)以及血管舒張或血管收縮的現(xiàn)象誘發(fā)的炎癥造成的局部微循環(huán)改變的效用；且還具有長(zhǎng)期監(jiān)控導(dǎo)致外周血液流動(dòng)和組織灌注的變更的慢性疾病的效用。此外，此類型的器件的柔性的、可拉伸的形式也適用于直接在內(nèi)部器官上使用，作為與可植入器件、體內(nèi)診斷、外科手術(shù)工具或其他療法集成的元件。

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材料和方法

研究設(shè)計(jì)

此研究被設(shè)計(jì)成測(cè)試基于構(gòu)建可拉伸的、柔性的電子器件的最新技術(shù)進(jìn)展的概念，以可穿戴的非侵入性方式穿過(guò)皮膚測(cè)量血液流動(dòng)信號(hào)的可行性。這樣，選擇實(shí)驗(yàn)以用幾個(gè)不同的應(yīng)用示出概念的證明。在開(kāi)發(fā)技術(shù)平臺(tái)之后，設(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)程序以示出器件的概念和可行性，該實(shí)驗(yàn)程序?qū)⒃谙挛脑敿?xì)說(shuō)明。不從器件血液流動(dòng)讀數(shù)排除任何數(shù)據(jù)點(diǎn)。所有受驗(yàn)者都是健康的志愿者。人類受驗(yàn)者被登記在由美國(guó)國(guó)家心肺血液研究所的機(jī)構(gòu)審查委員會(huì)(clinicaltrials.gov標(biāo)示符nct01441141)批準(zhǔn)的nih研究協(xié)議和特定大學(xué)批準(zhǔn)的(亞利桑那大學(xué))志愿者協(xié)議上。在解釋研究的性質(zhì)和可能的結(jié)果之后，受驗(yàn)者提供書(shū)面知情同意。

統(tǒng)計(jì)分析

所有隨著時(shí)間顯示數(shù)據(jù)的圖表(對(duì)于所公開(kāi)的器件和對(duì)于lsci)已經(jīng)經(jīng)過(guò)5s鄰近平均平滑濾波以改善數(shù)據(jù)的顯示。在熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的具體值被報(bào)道的情況下，它們被報(bào)道為12個(gè)個(gè)體傳感器元件測(cè)量的平均+/-標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中最低的2個(gè)值和最高的2個(gè)值(來(lái)自16個(gè)傳感器的陣列)已經(jīng)被系統(tǒng)地排除以考慮由于體毛造成的潛在局部誤差。溫度和流場(chǎng)的空間顏色映射是通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的三次插值(matlab，mathworks，美國(guó))確定的。統(tǒng)計(jì)相關(guān)性圖表是通過(guò)表皮器件數(shù)據(jù)和lsci數(shù)據(jù)之間的數(shù)值時(shí)間同步(matlab)實(shí)現(xiàn)的。

表皮器件的制造

詳細(xì)的制造步驟呈現(xiàn)在補(bǔ)充材料中。制造首先將3”si晶圓涂覆有600nm的聚(甲基丙烯酸甲酯)層，隨后涂覆1.5μm的聚酰亞胺。對(duì)通過(guò)電子束蒸發(fā)沉積的雙層的cr(6nm)/au(100nm)的光刻圖案化限定感測(cè)元件/加熱元件。光刻圖案化的第二多層的ti(10nm)/cu(550nm)/ti(20nm)/au(25nm)形成到感測(cè)元件/加熱元件以及用于外部電連接的非氧化鍵合位置的連接。第二層的聚酰亞胺(1.5μm)將所述感測(cè)元件/加熱元件放置在中性機(jī)械平面中，并且提供電絕緣和機(jī)械應(yīng)變隔離。聚酰亞胺的反應(yīng)性離子蝕刻限定該陣列的網(wǎng)格布局并且暴露鍵合位置。水溶性膠帶(3m，美國(guó))實(shí)現(xiàn)從該si晶圓去除該網(wǎng)格布局，以暴露其后表面用于通過(guò)電子束蒸發(fā)沉積ti(3nm)/sio2(30nm)。向旋涂于玻璃載片上的薄硅樹(shù)脂層(5μm；ecoflex，smooth-on，美國(guó))的轉(zhuǎn)移(該玻璃載片被表面處理以減少硅樹(shù)脂的附著力)導(dǎo)致強(qiáng)鍵合的形成，這是由于sio2和硅樹(shù)脂上暴露的羥基基團(tuán)之間的縮合反應(yīng)。沉浸在溫水中允許該膠帶的去除。用熱量和壓力鍵合到接觸襯墊外周處的薄的(100μm)、柔性的、傳導(dǎo)性電纜用作與外部電子器件的連接。最后一層硅樹(shù)脂層(～40μm)與醫(yī)用膠帶(3m，美國(guó))的框架結(jié)合提供足夠的機(jī)械支撐，以允許單個(gè)器件的重復(fù)使用(數(shù)百次)。

用于表皮器件的數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集通過(guò)集成到移動(dòng)性手提箱內(nèi)的usb接口控制電子器件的定制系統(tǒng)(圖27b)發(fā)生。全系統(tǒng)由一個(gè)精密dc電流源(6220，keithleyinstruments，美國(guó))、兩個(gè)22位usb供電的數(shù)字萬(wàn)用表(usb-4065，nationalinstruments，美國(guó))以及兩個(gè)電壓隔離機(jī)械繼電器開(kāi)關(guān)矩陣(u802，ledgestonetechnologies，美國(guó))組成。布線圖呈現(xiàn)在圖27a中，其中s10是中心熱致動(dòng)器且s1-s9、s11-s16是周圍的傳感器。周圍的傳感器網(wǎng)絡(luò)共用一個(gè)公共接地路徑，而該熱致動(dòng)器(s10)獨(dú)立地接線。所述繼電器由集成到u802平臺(tái)內(nèi)的微控制器控制。此設(shè)置允許三個(gè)一般操作模式：1)為了映射溫度，通過(guò)相關(guān)繼電器的打開(kāi)和關(guān)閉，可以通過(guò)dmm1對(duì)每個(gè)傳感器元件的電阻順次地采樣。在此情況下，dmm1提供0.1ma的dc探測(cè)電流并且記錄所述電阻。所述繼電器被控制以使得，dmm2在一個(gè)傳感器上取得一個(gè)電阻記錄，并且然后切換到下一個(gè)傳感器用于取得一個(gè)記錄等，遍及整個(gè)陣列。0.015s的dmm孔徑時(shí)間(aperturetime)和0.001s的穩(wěn)定時(shí)間導(dǎo)致每個(gè)傳感器的～2hz的采樣速率，具有～0.01k的分辨率。2)為了對(duì)每個(gè)傳感器的局部熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率迅速地采樣，如在圖2c中所描述的，從keithley6220順次地為每個(gè)傳感器供應(yīng)2ma的電流，每個(gè)傳感器供應(yīng)兩秒。通過(guò)dmm2記錄來(lái)自keithley6220的電壓，dmm2允許計(jì)算在致動(dòng)期間電阻隨時(shí)間的改變。繼電器設(shè)置允許與dmm1電路隔離，以及每個(gè)元件的順次致動(dòng)。0.005s的孔徑時(shí)間和0.005s的穩(wěn)定時(shí)間提供了對(duì)于分析充足的采樣速率(100hz)。3)為了映射隨時(shí)間的熱傳送，如對(duì)于血液流動(dòng)測(cè)量所進(jìn)行的，該熱致動(dòng)器從keithley6220接收連續(xù)的電流輸入(2ma)。同時(shí)地，以對(duì)于模式1)所描述的相同方式通過(guò)dmm1對(duì)傳感器電阻采樣，但這次不對(duì)s10(該中心致動(dòng)器)采樣。通過(guò)dmm2讀取致動(dòng)器電壓。繼電器電路允許將s10-keithley-dmm2電路與傳感器陣列-dmm1電路隔離。

數(shù)學(xué)建模

用于圖2a和圖2b中的模型系統(tǒng)的能量守恒是：

其中對(duì)于流體(血液)，λ＝λf，ρ＝ρf，c＝cf，對(duì)于固體(組織)λ＝λs，ρ＝ρs和c＝cs。通過(guò)fea數(shù)值地求解此方程式。量綱分析連同邊界條件給出了歸一化溫度對(duì)血管的血液流動(dòng)速度v、半徑r和深度h以及其他幾何參數(shù)和材料參數(shù)的依賴性，即，

它的穩(wěn)態(tài)值是時(shí)間t接近無(wú)窮大的極限，這導(dǎo)出方程式2。圖10和圖11示出的是，δt/δtsteady近似獨(dú)立于在它們生理范圍內(nèi)的脈管半徑r和流動(dòng)速度v，這然后導(dǎo)出方程式1。

大血管流動(dòng)測(cè)試

用棉簽的局部靜脈閉塞(圖3)

圖3(a-c)：一名志愿者(男性，27歲)斜躺在椅子上，其中他的左前臂放置在扶手上。將表皮器件放置在腕的掌側(cè)上，其中該熱致動(dòng)器居中在一個(gè)近表面靜脈之上，如通過(guò)視覺(jué)檢查(圖12中指示的位置)識(shí)別的。紅外攝像機(jī)和激光散斑對(duì)比成像器二者都被定位成距該表皮器件31cm。指示受驗(yàn)者放松，且器件測(cè)量在t＝0時(shí)開(kāi)始。在t＝30s時(shí)，開(kāi)始向該熱致動(dòng)器連續(xù)地施加2ma的電流。在t＝330s時(shí)，使用握在研究者的手中的棉簽向皮膚施加輕輕的壓力(在靜脈上方，距表皮熱致動(dòng)器的遠(yuǎn)端1cm；圖3a的第二面板中示出的位置)。在t＝390s時(shí)，釋放壓力。在t＝450s時(shí)，遠(yuǎn)離該致動(dòng)器1cm以相同的方式施加壓力，但是現(xiàn)在在相對(duì)于該致動(dòng)器按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45°的位置。在t＝510s時(shí)釋放壓力。60s有壓力、60秒無(wú)壓力的此過(guò)程被重復(fù)總共8次，其中每個(gè)位置相對(duì)于先前的位置按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45°。相對(duì)于最初位置成270°的一個(gè)位置被跳過(guò)，且最終位置與最初位置相同。熱致動(dòng)在t＝1290s時(shí)結(jié)束。

圖3(d-f)：對(duì)照實(shí)驗(yàn)以相同的方式發(fā)生，但是其中該器件被放置在手掌前臂的不具有顯著可視的靜脈的區(qū)域(圖12中指示的位置)上。

自然振蕩的擴(kuò)展測(cè)試(圖4)

一名志愿者(男性，27歲)斜躺在椅子上，其中他的左前臂放置在扶手上。該表皮器件、紅外攝像機(jī)和激光散斑對(duì)比成像器以與用于先前的用棉簽的局部靜脈閉塞的方式相同的方式定位。在t＝0時(shí)，關(guān)掉室內(nèi)燈且指示該受驗(yàn)者放松。在t＝30s時(shí)，開(kāi)始向該熱致動(dòng)器連續(xù)地施加2ma的電流。熱致動(dòng)在t＝2430s時(shí)結(jié)束。

反應(yīng)性充血測(cè)試(圖5和圖7)

圖5(a-i)：一名志愿者(男性，27歲)斜躺在椅子上，其中他的左前臂放置在扶手上。該表皮器件、紅外攝像機(jī)和激光散斑對(duì)比成像器以與用于先前的用棉簽的局部靜脈閉塞的方式相同的方式定位。壓力袖帶被應(yīng)用到左二頭肌區(qū)域。在t＝0時(shí)，關(guān)掉室內(nèi)燈且指示該受驗(yàn)者放松。在t＝30s時(shí)，開(kāi)始向該熱致動(dòng)器連續(xù)地施加2ma的電流。在t＝330s時(shí)，向該壓力袖帶施加200mmhg的壓力。在t＝630s時(shí)開(kāi)始以4mmhg/s的釋放速率從該袖帶釋放壓力。記錄持續(xù)直到t＝1200s為止。

圖5(j-m)：通過(guò)一名不同的志愿者(男性，23歲)的相同實(shí)驗(yàn)。該表皮器件被放置在一個(gè)皮膚位置處，該皮膚位置通過(guò)光學(xué)靜脈成像器(veinviewerflex,christiemedicalholdingsinc.，美國(guó))被識(shí)別為在手掌前臂上的一個(gè)靜脈之上。

圖7：與圖5(a-i)的志愿者相同的志愿者和與對(duì)于圖5(a-i)進(jìn)行的程序相同的程序，不同之處在于，閉塞在t＝400s時(shí)開(kāi)始，閉塞在t＝700s時(shí)結(jié)束，且記錄在t＝900s時(shí)結(jié)束。用2ma的電流以0.067hz和33％的占空比向該致動(dòng)器施加脈沖。

微血管流動(dòng)測(cè)試

拍打誘發(fā)的皮膚劃痕癥以及相關(guān)聯(lián)的充血(圖6，a-h)

一名志愿者(男性，59歲)坐在椅子上，其中他的左前臂放置在一個(gè)桌子上。該表皮器件被放置在前臂的掌側(cè)的不具有任何局部的、在視覺(jué)上突出的靜脈的區(qū)域上。在t＝0時(shí)，用該表皮器件開(kāi)始溫度測(cè)量。在t＝30s時(shí)，開(kāi)始向熱致動(dòng)器連續(xù)地施加2ma的電流。熱致動(dòng)在t＝330s時(shí)結(jié)束。溫度記錄持續(xù)直到t＝510s為止。在第一組記錄之后，該志愿者使用他的右手來(lái)以單個(gè)迅速手指拍打的形式向他的左前臂上的測(cè)量位置施加創(chuàng)傷。在該拍打之后近似120s將該器件施加到相同的位置，并且再次進(jìn)行相同的表皮器件測(cè)量程序。

指間上的微循環(huán)(圖6，i和j)

一名志愿者(男性，27歲)斜躺在椅子上，其中他的前臂放置在扶手上。該表皮器件被放置在左手上的中指的最遠(yuǎn)端位的掌側(cè)上。紅外攝像機(jī)和激光散斑對(duì)比成像器被放置成距指尖31cm。在t＝0時(shí)，關(guān)掉室內(nèi)燈且指示受驗(yàn)者放松。在t＝30s時(shí)，開(kāi)始向熱致動(dòng)器連續(xù)地施加2ma的電流。在t＝330s時(shí)，指示該受驗(yàn)者深深地吸氣。在t＝375s時(shí)，指示該受驗(yàn)者呼氣，且然后正常呼吸。在t＝510s和t＝690s時(shí)，再次指示該受驗(yàn)者吸氣并且保持45s。記錄持續(xù)直到t＝800s為止。

補(bǔ)充材料：用于對(duì)大血管血液流動(dòng)和微血管血液流動(dòng)的非侵入性、精確且連續(xù)的監(jiān)控的表皮器件

補(bǔ)充方法：器件制造

制備聚合物基本層

1.清潔3”的si晶圓(丙酮，ipa->在110℃干燥5分鐘)。

2.用pmma(聚(甲基丙烯酸甲酯)495a6(microchem))旋涂，以3,000rpm旋轉(zhuǎn)30s。

3在180℃退火2min。

4.用聚酰亞胺(pi，聚(均苯四甲酸二酐-共-4,4'-二氨基二苯醚))、酰胺酸溶液(sigma-aldrich)旋涂，以4,000rpm旋轉(zhuǎn)30s。

5.在110℃退火30s。

6.在150℃退火5min。

7.在250℃在真空下退火1hr。

沉積第一金屬化層

8.通過(guò)電子束蒸發(fā)沉積6/100nmcr/au。

9.用365nm光學(xué)光刻通過(guò)氧化鐵掩膜(karlsussmjb3)使光刻膠圖案化(pr；clariantaz5214,3000rpm,30s)。

在水基顯影劑(mif327)中顯影

10.用tfaau蝕刻劑(transene)蝕刻au。

11.用cr-7cr掩膜蝕刻劑(cyantek)蝕刻cr。

12.用az400-t剝離器去除pr。

13.在150℃干燥5min。

沉積第二金屬化層

14.通過(guò)電子束蒸發(fā)沉積10/550/20/25nmti/cu/ti/au。

15.使praz5214圖案化。

16.用tfaau蝕刻劑蝕刻au。

17.用6:1緩沖氧化物蝕刻劑蝕刻ti。

18.用ce-100蝕刻劑(transene)蝕刻cu。

19.用6:1緩沖氧化物蝕刻劑蝕刻ti。

20去除prw/丙酮，ipa沖洗。

21.在150℃干燥5min。

隔離整個(gè)器件

22.用pi旋涂，以4,000rpm旋轉(zhuǎn)30s。

23.在110℃退火30s。

24.在150℃退火5min。

25.在250℃在真空下退火1hr。

26.用365nm光學(xué)光刻通過(guò)氧化鐵掩膜(karlsussmjb3)使光刻膠圖案化(pr；clariantaz4620,3000rpm,30s)。

在水基顯影劑(az400k:水，1:3稀釋的az400k)中顯影

27.反應(yīng)性離子蝕刻(50mtorr，80sccmo2，200w，30min)。

釋放和轉(zhuǎn)移

28.通過(guò)沉浸在熱丙酮(60℃)中5min來(lái)釋放器件。

29.用水溶性膠帶(wavesoldertape，5414，3m)去除器件。

30.通過(guò)電子束蒸發(fā)將3/30nmti/sio2沉積到水溶性膠帶上的器件上。

31.用寬帶uv光使涂覆在硅烷化玻璃載片上的～10μm硅樹(shù)脂片材(ecoflex，smooth-onco.)曝光5min。

32.將帶有器件的水溶性膠帶施加到曝光的硅樹(shù)脂片材。

33.沉浸在溫水中以使膠帶溶解。

34.快速沉浸在鉻掩膜蝕刻劑中以去除全部剩余殘?jiān)?/p>

35.使用熱烙鐵用強(qiáng)有力的壓力鍵合薄的、柔性的電纜(elform,hst-9805-210)。

36.通過(guò)刮片施加附加的硅樹(shù)脂(10-100μm)。

37.施加硅樹(shù)脂醫(yī)用膠帶框架(easereleasetape，3m)(可選的，用于魯棒的重復(fù)的單個(gè)器件應(yīng)用)

38.將器件從玻璃載片去除。

實(shí)施例2：用于皮膚的溫度特性和熱傳送特性的定量成像的表皮光子器件

皮膚的溫度屬性和熱傳送屬性的精確表征可以產(chǎn)生與皮膚生理學(xué)中的臨床醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)研究關(guān)聯(lián)的重要信息。在此，介紹了如下一種超薄的、皮膚般順從的或‘表皮的’光子器件，該光子器件將比色溫度指示器與無(wú)線可拉伸的電子器件結(jié)合用于當(dāng)該光子器件被柔和地層壓在皮膚表面上時(shí)進(jìn)行精確的熱測(cè)量。傳感器利用被圖案化成薄彈性體襯底上的大規(guī)模像素化陣列的熱致變色液晶(tlc)：所述電子器件提供用于通過(guò)射頻(rf)信號(hào)受控的局部加熱的手段。用于提取用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)從這些器件記錄的顏色圖案的算法以及用于使結(jié)果與皮膚表面附近的基本熱處理關(guān)聯(lián)的計(jì)算工具向得到的數(shù)據(jù)增添定量值。應(yīng)用實(shí)施例包括皮膚溫度的具有毫開(kāi)爾文精度和亞毫米空間分辨率的非侵入性空間映射。血液流動(dòng)的反應(yīng)性充血評(píng)估中的實(shí)例和水化作用分析中的實(shí)例分別建立了與心血管健康和皮膚護(hù)理的關(guān)聯(lián)性。

皮膚溫度的空間-時(shí)間成像作為乳房x線照相術(shù)的輔助篩查工具提供了用于乳腺癌和其他并發(fā)癥的檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究?jī)r(jià)值^1-3。所需的毫開(kāi)爾文水平的精度和毫米量級(jí)分辨率最通常利用精密的紅外數(shù)字成像攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)。然而，這樣的技術(shù)的廣泛采用受高資本成本、運(yùn)動(dòng)偽像以及不能夠在臨床環(huán)境或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境外使用的限制。其他低成本熱像技術(shù)早已被利用于深靜脈血栓形成^4-7、乳腺癌^8-10、脊髓根綜合癥^11,12、慢性背痛¹³以及甚至肺病診斷¹⁴的潛在篩查。最近的工作^15,16展示的是，電子溫度映射器件可以被構(gòu)造成超薄的、軟的且順從的形式，由于所述電子溫度映射器件的物理特性與皮膚本身的物理特性的類似性，因此所述形式有時(shí)被稱為“表皮”形式。這些系統(tǒng)提供了令人印象深刻的能力，繞開(kāi)紅外攝像機(jī)的許多限制，而僅提供適度的空間分辨率和成像保真度，受處理大傳感器陣列所需要的多路復(fù)用系統(tǒng)限制。無(wú)系留的(untethered)、無(wú)線操作也需要數(shù)據(jù)傳輸部件和功率源。具有前所未有的功能和舒適度的、可以監(jiān)控穿戴者的至關(guān)重要的健康信號(hào)的其他可拉伸的智能皮膚器件已經(jīng)被深入地研究了^17-26。在此，介紹了一種將比色讀出和射頻致動(dòng)結(jié)合用于精確映射皮膚的熱特性的簡(jiǎn)單替代方案。傳感器利用在薄的彈性體襯底上圖案化成大規(guī)模像素化陣列的熱致變色液晶(tlc)。協(xié)同整合(co-integration)電子器件提供了一種用于通過(guò)rf信號(hào)進(jìn)行受控局部加熱以不僅使能溫度的映射而且實(shí)現(xiàn)固有熱本構(gòu)屬性的手段。不具有電子器件的不可滲透水的、非可拉伸的厚塑料鞘(sheath)內(nèi)的均勻的tlc層已經(jīng)被開(kāi)發(fā)用于皮膚熱像^27-29，但是不具有充分良好地共形到皮膚的弧形的、有紋理的表面用于準(zhǔn)確、可重現(xiàn)的測(cè)量的能力。這樣的器件也妨礙了經(jīng)表皮的水損失。它們熱加載于皮膚，且在皮膚界面處引起刺激，從而防止在長(zhǎng)時(shí)間周期內(nèi)以連續(xù)模式可靠地、準(zhǔn)確地評(píng)測(cè)或使用。熱致變色紡織品可用于美容目的和時(shí)尚目的^30-32，但是它們不能夠維持與皮膚的緊密接觸以及使用已知的熱致變色染料用于精確溫度評(píng)測(cè)的有限能力防止了它們?cè)谠诖嗽O(shè)想的多種應(yīng)用中的使用。在此報(bào)道的器件不僅避免了這些缺點(diǎn)，而且它們也允許通過(guò)分析在集成的rf部件的操作期間獲得的空間-時(shí)間圖像來(lái)精確地測(cè)量熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率。常規(guī)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和rf傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以超過(guò)使皮膚上的溫度變化和熱屬性變化成像所需要的分辨率的分辨率來(lái)同時(shí)讀出數(shù)千個(gè)像素。表皮形式誘發(fā)對(duì)皮膚的自然機(jī)械屬性和熱屬性的最小微擾。在此實(shí)施例中呈現(xiàn)的結(jié)果建立了用于電有源表皮tlc(e-tlc)器件和電無(wú)源表皮tlc(e-tlc)器件的材料學(xué)基本方面、機(jī)械學(xué)基本方面和熱物理學(xué)基本方面，包括用于從顏色數(shù)字圖像提取精確的、校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)的算法。血液流動(dòng)的反應(yīng)性充血評(píng)估(因?yàn)樗c心血管健康有關(guān))和水化作用分析(因?yàn)樗c皮膚護(hù)理有關(guān))中的實(shí)例提供了在臨床上有意義的測(cè)試中的使用的兩個(gè)實(shí)施例。

e-tlc熱成像器使用一種多層設(shè)計(jì)，該多層設(shè)計(jì)包括(1)一個(gè)薄的(20μm)黑色彈性體隔膜作為機(jī)械支撐和用于tlc材料的準(zhǔn)確比色評(píng)測(cè)的不透明背景，(2)一個(gè)tlc圓點(diǎn)陣列(即，像素，具有25μm的厚度，以及250μm或500μm的直徑，間隔開(kāi)250μm或500μm)，和一個(gè)用于校準(zhǔn)的可選的具有固定顏色的散置的圓點(diǎn)陣列(具有25μm的厚度，400μm的直徑，間隔開(kāi)600μm)，二者都通過(guò)轉(zhuǎn)移印刷被遞送到該黑色彈性體的表面，(3)一個(gè)薄的(30μm)用于包封的透明彈性體的保護(hù)層以及(4)以薄的、可拉伸的配置安裝在黑色表面上的可選的電子器件用于隨后所描述的有源功能(細(xì)節(jié)呈現(xiàn)在圖34和補(bǔ)充說(shuō)明1中)。tlc材料由微包封的手性向列型液晶構(gòu)成。隨著溫度增加，在幾度的范圍內(nèi)，相從結(jié)晶固體相變化到近晶相、膽甾相且最后變化到各向同性液體相，這由化學(xué)性質(zhì)決定^17,18。在膽甾相中，從tlc像素反射的光跨越由與液晶組件的相位相干相互作用限定的窄波長(zhǎng)范圍。溫度的增加減小節(jié)距，從而導(dǎo)致此反射光的峰值波長(zhǎng)的藍(lán)移。此行為提供了比色光學(xué)讀出的基礎(chǔ)。其他相不具有分子平面的手性向列型定向并且因此不對(duì)反射產(chǎn)生任何強(qiáng)波長(zhǎng)依賴性。tlc和校準(zhǔn)像素的小尺寸和大間距連同襯底、包封層和電子器件的低模量屬性、彈性屬性在整個(gè)e-tlc系統(tǒng)中產(chǎn)生軟的、順從的結(jié)構(gòu)。這些屬性產(chǎn)生非常適合于安裝在皮膚上的器件。

圖28a示出了當(dāng)被扭曲且用適度加熱的棒溫柔地捅時(shí)在前臂的皮膚上的e-tlc。由該器件的低有效模量和小厚度產(chǎn)生的低界面應(yīng)力僅通過(guò)范德瓦爾斯交互作用實(shí)現(xiàn)充足的粘附。獨(dú)立式器件在其自身重量下的崩潰(如在右?guī)?提供了這些機(jī)械特性的定性證據(jù)。圖28b示出了e-tlc器件的一對(duì)放大圖像；在底部的那些器件包括由無(wú)毒丙烯酸基(有機(jī)顏料和丙烯酸聚合物的水分散體，createx)中的紅色染料、綠色染料和藍(lán)色染料組成的散置顏色校準(zhǔn)像素。放置在手的背部的弧形表面上的此后一種類型的完整器件呈現(xiàn)在圖28c中。如先前提及的，黑色彈性體襯底的背面提供了一個(gè)用于可拉伸的電子器件的安裝位置。圖28d中的圖像示出了具有以此方式集成用于遠(yuǎn)程遞送受控水平的熱量的無(wú)線系統(tǒng)的e-tlc器件的一個(gè)實(shí)施例。折疊的配置揭示了該蛇形天線結(jié)構(gòu)的一部分(插圖)。此系統(tǒng)的表現(xiàn)為三維有限元分析(3d-fea)的形式的一個(gè)例示呈現(xiàn)在圖28e中。天線捕獲入射的rf能量，以為一個(gè)焦耳加熱元件供電(插圖，圖28e)。結(jié)果提供了明確限定的局部溫度增加，如圖28f的tlc像素中的顏色圖案和圖28g的紅外圖像中揭示的。如隨后所描述的，在這樣的條件下來(lái)自測(cè)量的結(jié)果允許確定皮膚的熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率。

一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)是生產(chǎn)誘發(fā)對(duì)皮膚的最小微擾從而避免刺激、增強(qiáng)可穿戴性并且確保準(zhǔn)確測(cè)量能力的e-tlc系統(tǒng)。機(jī)械屬性和熱屬性在此背景下是特別重要的。對(duì)前者的實(shí)驗(yàn)研究和理論研究揭示了在大范圍的應(yīng)變內(nèi)的低模量、彈性特性。圖29a示出了在靜態(tài)單軸測(cè)試下e-tlc器件的應(yīng)力/應(yīng)變響應(yīng)。結(jié)果與3d-fea的預(yù)測(cè)相當(dāng)一致。特別是，tlc像素(～221mpa)和彈性體襯底(～131mpa)產(chǎn)生僅比與裸彈性體相關(guān)聯(lián)的固有值稍大(16％-35％)并且與表皮本身的有效模量相當(dāng)?shù)挠行Ａ?～152kpa和178kpa，分別來(lái)自3d-fea和實(shí)驗(yàn))。tlc像素甚至在極端拉伸(例如，200％)下經(jīng)歷超低應(yīng)變(例如，＜2％)，如圖29b中示出的。tlc像素的可忽略的變形，如在實(shí)驗(yàn)和fea(圖29b)中觀察到的，允許機(jī)械學(xué)的簡(jiǎn)單的、但定量準(zhǔn)確的解析解的近似值(參見(jiàn)補(bǔ)充說(shuō)明2和圖35a)。這些器件的厚度、抗彎剛度、有效模量和可拉伸性分別是50μm、3.0nn·m、178kpa和超過(guò)200％；這些特性優(yōu)于具有～125μm、570,000nn·m、3.3gpa和～5％的對(duì)應(yīng)屬性的典型的、商業(yè)可得的tlc片材(hallcrest)的特性。所述差異在對(duì)于在皮膚上部署重要的定性水平上是顯著的。特別是，集合機(jī)械特性允許在很大程度上不受約束的皮膚自然運(yùn)動(dòng)，包括甚至在挑戰(zhàn)性區(qū)域(諸如，膝和肘)中起皺紋和拉伸。校準(zhǔn)像素的添加減少可拉伸性且增加模量(圖35b)，但是保持超過(guò)表皮可以容忍的彈性應(yīng)變水平(線性響應(yīng)于多達(dá)15％的張力應(yīng)變，非線性響應(yīng)于30％的張力應(yīng)變，且在張力應(yīng)變＞30％時(shí)斷裂³⁵)的彈性應(yīng)變水平(50％)。納入一個(gè)無(wú)線電子加熱系統(tǒng)進(jìn)一步減少可接近的應(yīng)變，但是具有將近20％的彈性可拉伸性，其對(duì)于許多應(yīng)用是有用的(參見(jiàn)圖36)^36,37。盡管該天線的特性隨著機(jī)械變形改變，實(shí)驗(yàn)指示單軸拉伸(多達(dá)50％)不中斷總體功能或功率采集的效率(參見(jiàn)圖37)；彎曲僅略微減小該效率。

所述系統(tǒng)的熱特性限定了皮膚上的熱載荷以及總體時(shí)間響應(yīng)。對(duì)于有源e-tlc器件，每單位面積的熱質(zhì)量是～7.7mj·cm^-2·k^-1(補(bǔ)充說(shuō)明3)。該值對(duì)應(yīng)于～20μm的皮膚厚度的等同物，即，僅為表皮本身的厚度的25％²²。對(duì)e-tlc器件和feverscan^tm條帶器件(補(bǔ)充說(shuō)明4和圖38)的水蒸氣滲透性測(cè)試揭示的是，e-tlc器件為在皮膚上操作提供了輕微的水分阻擋。減小該器件的厚度使水滲透增加，如預(yù)期的(參見(jiàn)圖38b)。附加的增加可以通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)(即，引入孔(hole)陣列或氣孔(pore)陣列)實(shí)現(xiàn)。小熱質(zhì)量和高水滲透性使由該器件的存在所誘發(fā)的皮膚溫度和水化程度的改變最小化。在前臂上鄰近一個(gè)e-tlc和直接在它下面用紅外攝像機(jī)測(cè)量的溫度(圖39a-c)示出了最小差異。該裝置對(duì)皮膚水化的影響(圖39d-e)也很小。在良好水化的皮膚上(～35)安裝的80μm厚的e-tlc在3個(gè)小時(shí)之后導(dǎo)致水化作用的小百分比增加(7.5％)。對(duì)于在其他方面相同的一組測(cè)試條件，feverscan^tm條帶導(dǎo)致～100％的水化增加。為了監(jiān)控瞬態(tài)過(guò)程，該系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)是重要的。對(duì)于在此研究的幾何結(jié)構(gòu)和材料，e-tlc器件的響應(yīng)時(shí)間由黑色彈性體襯底的厚度和熱屬性決定。瞬態(tài)測(cè)量揭示了小于～30ms的響應(yīng)時(shí)間(補(bǔ)充說(shuō)明5)，與使用分析模型(圖40)獲得的估計(jì)一致。對(duì)于大多數(shù)tlc材料，固有切換時(shí)間是～3-10ms^39-42。

tlc材料對(duì)32℃-39℃之間的溫度改變的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的反射模式光譜表征(zeissaxioobserverd1)示出了期望的行為，如圖30a中的。通過(guò)接下來(lái)描述的適當(dāng)校準(zhǔn)，從當(dāng)e-tlc器件被保持在標(biāo)稱恒定溫度下時(shí)使用典型的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(canon5dmarkii)確定的色調(diào)值和飽和度值提取的溫度在760s的測(cè)量時(shí)間上顯示出～30mk的標(biāo)準(zhǔn)偏差。此值與從用紅外攝像機(jī)同時(shí)確定的溫度讀數(shù)觀察到的值(～50mk)(圖30b)相當(dāng)。在這些實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)量精度則是至少±50mk。從在校準(zhǔn)像素處記錄的顏色(紅色，綠色，藍(lán)色)的分析提取的等同溫度示出了具有類似量級(jí)的波動(dòng)，如在圖30c中總結(jié)的。這些觀察表明圖像捕獲和顏色分析的過(guò)程使與紅外攝像機(jī)的精度水平相當(dāng)?shù)木人匠蔀榭赡?，而不受tlc的物理學(xué)的限制。關(guān)于溫度提取的詳細(xì)校準(zhǔn)繪圖和信息呈現(xiàn)在圖41中。

對(duì)從數(shù)字?jǐn)z像機(jī)獲得的色調(diào)/飽和度/明度數(shù)據(jù)的分析表示最簡(jiǎn)單且最直接的分析方法。然而，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的復(fù)雜算法不僅有利于顏色確定，而且有利于完整的e-tlc器件的全像素化分析。圖30d例示了利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)代碼(opencv)的過(guò)程的一個(gè)實(shí)施例，在該過(guò)程中，一個(gè)由7×7像素陣列組成的e-tlc器件的圖像經(jīng)歷一組顏色提取和數(shù)據(jù)變換步驟(細(xì)節(jié)在補(bǔ)充說(shuō)明6中)。高斯濾波器首先通過(guò)平滑化減少噪聲，以產(chǎn)生灰度渲染，用于與補(bǔ)償照明非均勻性的自適應(yīng)閾值一起使用。輸出是在明亮區(qū)域處含有值“1”且在其他區(qū)域含有值“0”的二進(jìn)制掩碼。兩步腐蝕(erode)/膨脹過(guò)程消除了由缺陷引起的小散斑。完整的輪廓列表可以是從此“清潔”圖像提取的，在該“清潔”圖像中，每個(gè)輪廓界定陣列中的單個(gè)像素。封閉圓圈函數(shù)使用所述輪廓作為輸入以限定像素位置，用于從原始的、未經(jīng)處理的圖像提取顏色信息。使以此方式提取的色調(diào)值和飽和度值與用紅外攝像機(jī)評(píng)測(cè)的溫度相關(guān)的典型校準(zhǔn)呈現(xiàn)在圖30e中。使用色調(diào)/飽和度/明度(hsv)顏色空間代替紅色/綠色/藍(lán)色(rgb)的最大優(yōu)點(diǎn)是，顏色信息僅被編碼在兩個(gè)(色調(diào)和飽和度)通道而不是三個(gè)(紅色，綠色和藍(lán)色)通道中。這兩個(gè)值相對(duì)能復(fù)原照明水平的改變，因?yàn)槟莻€(gè)信息被單獨(dú)地存儲(chǔ)在明度信號(hào)內(nèi)。任何可能的色調(diào)/飽和度組合可以由極坐標(biāo)中的一個(gè)點(diǎn)表示，在極坐標(biāo)中徑向坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于飽和度且角坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于色調(diào)。用對(duì)應(yīng)色調(diào)著色的圓點(diǎn)標(biāo)記校準(zhǔn)集的位置。這些點(diǎn)通過(guò)二維線性擬合來(lái)限定溫度校準(zhǔn)表面。結(jié)果允許任何色調(diào)/飽和度組合被指派到一個(gè)溫度值，如在繪圖中使用一個(gè)顏色梯度指示的。

此過(guò)程的規(guī)?；褂帽豢偨Y(jié)在圖30f中。在此，在腕的近表面靜脈所位于的一部分上的全e-tlc器件揭示表皮的溫度的對(duì)應(yīng)變化。橫跨該e-tlc的色調(diào)值產(chǎn)生以高空間分辨率反映血管的三維溫度等高線圖(圖30g)。與用紅外攝像機(jī)在相同區(qū)域中測(cè)量的溫度分布的直接比較(圖30h)展現(xiàn)出極好的一致性。從在由圖30g、圖30h中的紅色虛線指示的位置處的這兩組結(jié)果提取的溫度的繪圖呈現(xiàn)在圖30i中。這些結(jié)果表明，在不需要昂貴的紅外攝像機(jī)系統(tǒng)的情況下，在應(yīng)用(諸如，用于深靜脈血栓形成的篩查)中e-tlc系統(tǒng)用于映射血管分布的適合性。

在這樣的實(shí)際情況中，光照條件可以強(qiáng)烈地影響溫度確定的精度和準(zhǔn)確度^43-46。特別是，色調(diào)和飽和度依賴于用于照明所使用的光源的類型。顏色校準(zhǔn)像素提供了一種補(bǔ)償這樣的影響的手段，因?yàn)樗鼈兊囊阎伾耘ctlc相同的方式受光照影響。因此，應(yīng)該能夠開(kāi)發(fā)考慮這些校準(zhǔn)像素的表觀顏色中的移位并且產(chǎn)生一組可以恢復(fù)它們的實(shí)際的已知顏色的數(shù)值補(bǔ)償?shù)乃惴?。將相同的補(bǔ)償應(yīng)用到tlc像素將用作在一些合理范圍內(nèi)獨(dú)立于照明條件的溫度評(píng)測(cè)過(guò)程的基礎(chǔ)。三個(gè)不同的照明條件的效果呈現(xiàn)在圖31中。橫跨整個(gè)器件散置的紅色校準(zhǔn)像素、綠色校準(zhǔn)像素和藍(lán)色校準(zhǔn)像素存在于此有源e-tlc樣本中。圖31a呈現(xiàn)了該器件的一個(gè)圖像，具有指示tlc像素的位置的圓圈。一個(gè)焦耳加熱元件存在于中心區(qū)域中。熒光的、發(fā)光二極管(led)和鹵素(圖31c-圖31e)光源提供了眾多實(shí)際實(shí)施例。對(duì)應(yīng)的溫度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在圖31b中。圓圈對(duì)應(yīng)于在不同溫度下記錄的tlc像素的色調(diào)/飽和度值，以針對(duì)特定光源限定校準(zhǔn)擬合。星形描繪照明對(duì)校準(zhǔn)像素的顏色的影響。紅色校準(zhǔn)像素、綠色校準(zhǔn)像素和藍(lán)色校準(zhǔn)像素分別位于～5°、～100°和～240°處。因?yàn)檫@些顏色是已知的，所以來(lái)自它們的數(shù)據(jù)對(duì)于任何給定光照條件都允許提取補(bǔ)償因素。將結(jié)果應(yīng)用到tlc像素的測(cè)量顯著地降低了溫度檢測(cè)過(guò)程對(duì)照明源的靈敏度。圖31f呈現(xiàn)了在焦耳元件被激活時(shí)沿著穿過(guò)中心區(qū)域的線評(píng)測(cè)的計(jì)算溫度。全部三個(gè)照明源的結(jié)果是相當(dāng)?shù)?。為了展示適當(dāng)校準(zhǔn)的重要性，圖31g總結(jié)了利用熒光溫度擬合在此調(diào)查研究的所有照明條件的數(shù)據(jù)。顯著的差異出現(xiàn)，如由于鹵素源和led源的不同顏色溫度而可以預(yù)期的。所得到的溫度讀數(shù)的差異不僅反應(yīng)在溫度最大值中，而且反應(yīng)在溫度曲線、形狀和噪聲水平中，溫度曲線、形狀和噪聲水平再次強(qiáng)調(diào)適當(dāng)校準(zhǔn)的重要性和用于補(bǔ)償方法的潛能。

如由圖31中的有源e-tlc結(jié)果表明的，局部焦耳加熱元件實(shí)現(xiàn)附加的測(cè)量能力。特別是，在此加熱器附近的位置處溫度的空間變化和時(shí)間變化可以與熱模型一起使用，以提取皮膚的熱傳導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率。幾℃的溫度增加足以用于準(zhǔn)確評(píng)測(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)將測(cè)量的溫度穩(wěn)態(tài)分布與軸對(duì)稱熱傳導(dǎo)模型(參見(jiàn)補(bǔ)充說(shuō)明7)比較來(lái)確定熱傳導(dǎo)率(k)。基于此模型的計(jì)算表明溫度(tsensor-layer)中隨著1/r而變化(除中心傳感器以外)的空間衰減，其可以被寫成

其中r是與加熱源的距離，q是由焦耳加熱元件生成的熱量，且t∞是周圍空氣的溫度。一個(gè)實(shí)施例呈現(xiàn)在圖32a中，其中細(xì)節(jié)在圖42a、圖42b、圖42e中?？梢酝ㄟ^(guò)具有已知屬性的材料的測(cè)量來(lái)執(zhí)行校正(圖32b)。圖32c指示用一個(gè)有源e-tlc評(píng)測(cè)的皮膚的熱傳導(dǎo)率和用依賴于電阻的濕度計(jì)(delfinmoisturemetersc)確定的水化水平之間的極好對(duì)應(yīng)。k的定量值落入與通過(guò)皮下熱電偶和高速輻射計(jì)等確定的文獻(xiàn)值一致的范圍內(nèi)³¹。通過(guò)將該加熱元件簡(jiǎn)化為一個(gè)在時(shí)間t＝0時(shí)接通的點(diǎn)加熱源，瞬態(tài)溫度變化可以被解析地求出為(參見(jiàn)補(bǔ)充說(shuō)明8)

其中α是皮膚的熱擴(kuò)散率，且erfc(x)是余誤差函數(shù)(complementaryerrorfunction)。因此，與焦耳加熱元件的激活或停用相關(guān)聯(lián)的瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)可以被用來(lái)確定熱擴(kuò)散率α，如圖32d中例示的(參見(jiàn)圖42a、圖42b、圖42f)。同傳導(dǎo)率一樣，可以使用具有已知擴(kuò)散率的樣品來(lái)校準(zhǔn)該器件(圖32e)。在此，一個(gè)無(wú)線有源e-tlc系統(tǒng)用作測(cè)量工具。溫度(而非絕對(duì)值)的時(shí)間依賴性足以用于提取擴(kuò)散率。該器件以～2ghz的頻率操作，對(duì)于在此所描述的研究的受驗(yàn)者具有～2.5w/kg的最大功率輸出(即，由聯(lián)邦通信委員會(huì)的指導(dǎo)準(zhǔn)則推薦的功率限制的三分之一)。所述值還緊密對(duì)應(yīng)于水化水平，如圖32f中示出的。同k一樣，α的值與基于諸如光熱測(cè)量的技術(shù)的文獻(xiàn)報(bào)道一致⁴⁸。k的值和α的值可以被結(jié)合以基于關(guān)系(cρ＝k/α)產(chǎn)生皮膚的密度(ρ)和熱容(c)的乘積。計(jì)算(參見(jiàn)圖42g)示出的是，熱容隨著水化水平的增加而略微增加(假設(shè)ρ是近似恒定的)，這與預(yù)期一致，因?yàn)樗臒崛?～4.2j/g/k)大于人體組織(例如，對(duì)于真皮是～3.7j/g/k，對(duì)于脂肪是～2.3j/g/k)⁴⁹。

甚至用無(wú)源e-tlc系統(tǒng)的空間-時(shí)間映射產(chǎn)生關(guān)于血液循環(huán)^50,51、閉塞之后血液流動(dòng)速率的最大百分比增加⁵²以及反應(yīng)性充血的持續(xù)時(shí)間⁵³的有用信息。測(cè)量在尺骨動(dòng)脈上方和鄰近靜脈的溫度波動(dòng)用作反應(yīng)性充血實(shí)驗(yàn)方法的一個(gè)重要部分。在此，血液的流動(dòng)被上臂上的壓力袖帶臨時(shí)閉塞，之后突然釋放。圖33a和圖33b總結(jié)了用e-tlc器件和紅外攝像機(jī)執(zhí)行的測(cè)量的結(jié)果。圖33c呈現(xiàn)了在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間以20s的間隔捕獲的溫度分布的代表性幀。在t＝0s時(shí)開(kāi)始的閉塞導(dǎo)致在尺骨動(dòng)脈上方和鄰近區(qū)域的皮膚溫度大幅降低，這是由于缺乏進(jìn)入的血液流動(dòng)以及到環(huán)境的熱量損失所造成的。在t＝160s時(shí)達(dá)到最小溫度；在此時(shí)，閉塞被釋放并且血液流動(dòng)恢復(fù)。溫度急劇增加發(fā)生在血管上方的區(qū)域中，如圖33c中示出的，直到溫度穩(wěn)定化為止。橫跨e-tlc陣列的像素的響應(yīng)依賴于它們距血管的距離的多種變化。最大溫度波動(dòng)是～1.2℃且在尺骨動(dòng)脈上方立即發(fā)生；最小溫度波動(dòng)是～0.4℃且在遠(yuǎn)離近表面血管的位置處發(fā)生。從e-tlc獲得的溫度的空間-時(shí)間變化的直接比較示出了與來(lái)自紅外攝像機(jī)的結(jié)果(圖43)的定量一致。圖33d和圖33e突出顯示了沿著圖33a的右圖像中例示的水平線和豎向線的溫度變化?？紤]閉塞的時(shí)間-動(dòng)態(tài)影響和來(lái)自尺骨動(dòng)脈的熱擴(kuò)散的人的腕的熱模型(補(bǔ)充說(shuō)明9和圖44)可以捕獲測(cè)量中揭示的影響(圖33f、圖33g)并且實(shí)現(xiàn)附加的生理信息的提取?？梢杂梅侄蔚摹⒅笖?shù)型函數(shù)描述血液流動(dòng)的時(shí)間變化^54,55，對(duì)應(yīng)于該過(guò)程的三個(gè)階段：預(yù)閉塞、血管閉塞和再灌注。在每個(gè)階段期間，可以通過(guò)使由該模型預(yù)測(cè)的溫度-時(shí)間曲線和由e-tlc器件測(cè)量到的溫度-時(shí)間曲線之間的平均差異最小化來(lái)確定表征此分段函數(shù)的參數(shù)。圖33g示出的是，基于該熱模型計(jì)算出的溫度歷史在動(dòng)脈附近(即，距離＜6mm)的全部六個(gè)像素處與實(shí)驗(yàn)一致。由于簡(jiǎn)化了所述模型中的假設(shè)，fea沒(méi)有定量地捕獲在兩個(gè)最近的傳感器中觀察到的過(guò)沖(overshoot)行為。在兩個(gè)最遠(yuǎn)的傳感器處的差異可以歸因于在該模型中忽略了與附近靜脈(距動(dòng)脈～13mm)相關(guān)聯(lián)的加熱。對(duì)于位于報(bào)道的范圍內(nèi)的脈管直徑和深度(補(bǔ)充說(shuō)明9)，閉塞之后的峰值血液流動(dòng)速度經(jīng)計(jì)算是58.8cm/s，表示增加到19.6cm/s的基準(zhǔn)的三倍，具有144s的反應(yīng)性充血持續(xù)時(shí)間。這些值匹配文獻(xiàn)中對(duì)于具有低心血管風(fēng)險(xiǎn)的人報(bào)道的值^52,53。

總之，表皮光子系統(tǒng)(如通過(guò)在此介紹的e-tlc器件體現(xiàn)的)提供用于表征皮膚且通過(guò)擴(kuò)展用于表征在確定心血管健康和生理狀態(tài)中相關(guān)的重要參數(shù)的強(qiáng)大潛能。這些相同的能力在傷口治療和在愈合過(guò)程期間的監(jiān)控、癌癥篩查、核心體溫評(píng)估以及其他臨床關(guān)聯(lián)性中可以是有用的。在所有情況中，在幾天或幾周內(nèi)持續(xù)地穿戴所述器件并且通過(guò)常規(guī)智能手機(jī)執(zhí)行讀出和功率遞送的能力代表獨(dú)特地使能特征。在紅色以及近紅外中的光子操作可以實(shí)現(xiàn)在近表面可植入診斷法中使用。

方法

e-tlc熱成像器件的制造。該制造(細(xì)節(jié)在圖34中)開(kāi)始于將一層薄的(20μm)混合有氧化鐵顏料黑色11(theearthpigmentscompany，llc)的聚(二甲基硅氧烷)(pdms，sylgard184，混合比為40:1)旋涂并且固化在聚(對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)(pet)的襯底上。使一個(gè)具有正方形柱(在15cm²的面積上每個(gè)柱0.5mm×0.5mm；參見(jiàn)補(bǔ)充說(shuō)明1a)陣列的pdms印章接觸抵靠一層微包封的熱致變色液晶(hallcrestssn33r5w)。去除該印章并且使它在空氣中干燥導(dǎo)致在凸起區(qū)域上形成具有25μm的平均厚度的e-tlc材料的固體層。一個(gè)熱釋放膠帶(nittodenkorevalpha90℃)促進(jìn)此材料從該印章到黑色pdms膜的表面的轉(zhuǎn)移。通過(guò)將一層薄的(30μm)透明pdms旋涂并且固化在該結(jié)構(gòu)的頂上作為包封來(lái)完成該器件。用于有源e-tlc器件的無(wú)線加熱器的制造開(kāi)始于聚酰亞胺(sigmaaldrich)薄膜在硅晶圓上的聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma；100nm，microchem)的犧牲層上的旋涂。金屬蒸發(fā)(cr/au，5nm/50nm)、光刻和濕法蝕刻限定用于焦耳加熱器的蛇形結(jié)構(gòu)。用于接觸、互連以及天線電路的附加的聚酰亞胺旋涂、氧氣反應(yīng)性離子蝕刻以及金屬沉積完成無(wú)線系統(tǒng)。溶解該pmma并且然后將電子結(jié)構(gòu)物理地轉(zhuǎn)移到e-tlc器件的背面完成該制造。

器件校準(zhǔn)和噪聲水平測(cè)試。一個(gè)e-tlc器件被放置在熱板上的具有黑色亞光飾面(mattfinish)的金屬板上。兩個(gè)白色的熒光光源被放置在該器件的相對(duì)側(cè)上，用于以避免鏡面反射的方式照明。并排放置的一個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(canonmarkii5d)和一個(gè)紅外攝像機(jī)(flirexaminir)在～30cm的距離處聚焦在該器件的相同區(qū)域上。攝像機(jī)和每個(gè)光源之間的角度是～90度。在該熱板上將該器件加熱到40℃且然后該熱板被關(guān)掉。在冷卻過(guò)程期間，用該數(shù)字?jǐn)z像機(jī)每隔10秒收集高分辨率圖像；該紅外攝像機(jī)以12.5s^-1的速率捕獲幀。此冷卻過(guò)程從40℃到32℃持續(xù)20分鐘。從33℃到39℃以0.5℃的步長(zhǎng)提取該tlc的顏色信息。為了實(shí)現(xiàn)此任務(wù)而開(kāi)發(fā)的算法集是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)opencv(opencv.org)庫(kù)。主要函數(shù)是(按字母表順序)：“adaptivethreshold”、“cvtcolor”、“dilate”、“drawcontours”、“erode”、“findcontours”、“gaussianblur”、“getstructuringelement”、“imread”、“inrange”、“matchshapes”、“minenclosingcircle”、“threshold”。在hsv顏色空間中，光強(qiáng)度信息被存儲(chǔ)在“明度”通道中，并且完全與編碼在“色調(diào)”通道和“飽和度”通道中的顏色信息分開(kāi)。因此，由于色調(diào)和飽和度不受照明強(qiáng)度的改變強(qiáng)烈影響，所以它們是一個(gè)用于溫度校準(zhǔn)的自然基礎(chǔ)。溫度校準(zhǔn)通過(guò)二維線性擬合構(gòu)造。在此過(guò)程中使用的核心函數(shù)是來(lái)自numericalpython(www.numpy.org)的線性代數(shù)模塊的“l(fā)stsq”。色調(diào)值/飽和度值的任何組合可以被指派到一個(gè)溫度值。甚至對(duì)于對(duì)溫度不靈敏的材料(如，校準(zhǔn)顏色像素)，它們的色調(diào)/飽和度可以被視為一個(gè)具體溫度，以為了分析一致性。為了測(cè)試該系統(tǒng)的噪聲水平和精度，熱板溫度被設(shè)定在一個(gè)固定值處；在15分鐘的周期內(nèi)使用所述兩個(gè)攝像機(jī)記錄tlc顏色、校準(zhǔn)圓點(diǎn)顏色和紅外發(fā)射的時(shí)間波動(dòng)。顏色改變被轉(zhuǎn)換成溫度波動(dòng)并且直接與紅外波動(dòng)比較。

反射性充血測(cè)試。一名志愿者(女性，27歲)斜躺在椅子上，其中使用velcro條帶將她的左前臂溫柔地固定到扶手以減少移動(dòng)。一個(gè)壓力袖帶圍繞該受驗(yàn)者的左二頭肌固定。一個(gè)e-tlc器件被放置在左腕的皮膚上近似在尺骨動(dòng)脈上方。施加壓縮空氣的膨脹(puff)確保完全共形接觸。在該受驗(yàn)者的左腕上方30cm放置的紅外攝像機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)被聚焦在該器件的位置上，同時(shí)用白色熒光燈照明。指示該受驗(yàn)者放松5分鐘。該袖帶被充氣到250mmhg的壓力持續(xù)160秒。然后，當(dāng)閉塞開(kāi)始且然后被釋放時(shí)，用所述兩個(gè)攝像機(jī)收集連續(xù)的高分辨率顏色圖像和紅外溫度測(cè)量。測(cè)量周期的總持續(xù)時(shí)間是300秒。

熱傳導(dǎo)率/熱擴(kuò)散率測(cè)量以及水化作用測(cè)量。通過(guò)在緊接激活有源e-tlc器件中的焦耳加熱器之后幾秒內(nèi)分析溫度的空間分布來(lái)確定熱傳導(dǎo)率。為了驗(yàn)證計(jì)算模型，使一個(gè)有源e-tlc器件漂浮在預(yù)加熱到～33℃的乙二醇/水的混合物的表面上。供應(yīng)到該e-tlc焦耳加熱元件的恒定電壓在該加熱器的位置處造成幾度的穩(wěn)態(tài)溫度上升。然后用設(shè)置在該器件上方的數(shù)字和紅外攝像機(jī)收集圖像，僅用白色熒光光源。通過(guò)分析來(lái)自該紅外攝像機(jī)的圖像和來(lái)自該器件的顏色圖像的圖像來(lái)記錄該e-tlc中溫度的空間衰減。在一名志愿者的前臂皮膚上執(zhí)行相同的實(shí)驗(yàn)。在此，在應(yīng)用該有源e-tlc器件之前，通過(guò)將各種量的洗滌劑施加到測(cè)量位置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的水化水平。緊接于圖像捕獲之后，去除該e-tlc器件并且使用一個(gè)水化作用儀來(lái)確定實(shí)際水分水平(由5個(gè)讀數(shù)平均)。熱擴(kuò)散率的測(cè)量使用一個(gè)無(wú)線有源e-tlc，其中一個(gè)傳輸天線位于～10cm遠(yuǎn)并且被調(diào)整以實(shí)現(xiàn)幾度的溫度峰值改變(在1.95-2.35ghz之間的頻率下rf功率在2.5w/kg以下，被調(diào)諧以匹配該e-tlc上的接收器天線的響應(yīng))。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和紅外攝像機(jī)二者都以30cm的距離聚焦在該器件上。具有60秒持續(xù)時(shí)間的視頻記錄與該加熱器的激活和停用相關(guān)聯(lián)的溫度改變。在其他方面與用于熱傳導(dǎo)率測(cè)量的程序類似的程序中，使用乙二醇/水系統(tǒng)驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)，且然后在具有不同水化水平的皮膚上重復(fù)該實(shí)驗(yàn)。

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補(bǔ)充信息：用于評(píng)估皮膚的溫度特性和熱傳送特性的表皮光子器件

補(bǔ)充說(shuō)明1a：用于涂油墨于液晶的pdms柱印章的制造程序

1.清潔一個(gè)3”的si晶圓(丙酮，ipa->在110℃干燥5min)。

2.旋涂su850(microchem，1000rpm持續(xù)30s，退火65℃10min，95℃30min)。

3.用365nm光學(xué)光刻通過(guò)氧化鐵掩膜(karlsussmjb3)使su8圖案化，在su8顯影劑中顯影。

4.曝光后在65℃烘烤1min在95℃烘烤10min。

5.在20w下stsicprie硅蝕刻sf620s在0w下stsicprie硅蝕刻cf410s持續(xù)250個(gè)循環(huán)以實(shí)現(xiàn)大約400um的孔深度。

6.用pdms模制硅模板。

補(bǔ)充說(shuō)明1b：具有有線設(shè)計(jì)和無(wú)線設(shè)計(jì)的單個(gè)加熱器的制造程序

制備聚合物基本層

1.清潔3”的si晶圓(丙酮，ipa->在110℃干燥5min)。

2.用pmma(聚(甲基丙烯酸甲酯)旋涂，以3,000rpm旋轉(zhuǎn)30s。

3在180℃退火10min。

4.用聚酰亞胺(pi，聚(均苯四甲酸二酐-共-4,4'-二氨基二苯醚))、酰胺酸溶液(sigma-aldrich)旋涂，對(duì)于有線設(shè)計(jì)以4,000rpm旋轉(zhuǎn)30s，對(duì)于無(wú)線設(shè)計(jì)以1,000rpm旋轉(zhuǎn)30s。

5.在110℃退火30s。

6.在150℃退火5min。

7.在250℃在真空下退火1hr。

沉積第一金屬化層

8.電子束5/50nmcr/au。

9.用365nm光學(xué)光刻通過(guò)氧化鐵掩膜(karlsussmjb3)使光刻膠(pr；clariantaz5214；3000rpm,30s)圖案化。

在水基顯影劑(mif327)中顯影

10.用tfaau蝕刻劑(transene)蝕刻au。

11.用cr-7cr掩膜蝕刻劑(cyantek)蝕刻cr。

12.去除prw/丙酮，ipa沖洗。

13.在150℃干燥5min。

隔離第一金屬化層和使通孔圖案化

14.用pi旋涂。

15.在110℃退火30s。

16.在150℃退火5min。

17.在250℃在真空下退火1hr。

18.用365nm光學(xué)光刻通過(guò)氧化鐵掩膜(karlsussmjb3)使光刻膠(pr；clariantaz4620，3000rpm，30s；)圖案化。在水基顯影劑(az400k，3:1稀釋的)中顯影。

19.反應(yīng)性離子蝕刻(rie；marchcs-1701，5mtorr，20sccmo2，150w，35min)。

沉積第二金屬化層

20.對(duì)于有線設(shè)計(jì)電子束5/500nmcr/au或?qū)τ跓o(wú)線設(shè)計(jì)電子束5/1600nmcr/cu。

21.使praz5214圖案化。

22.用tfaau蝕刻劑蝕刻au或用tfacu蝕刻劑cs蝕刻cu。

23.用cr掩膜蝕刻劑蝕刻cr。

24.去除prw/丙酮，ipa沖洗。

25.在150℃干燥5min。

隔離整個(gè)器件

26.用pi旋涂。

27.在110℃退火30s。

28.在150℃退火5min。

30.使praz4620圖案化。

31.rie(50mtorr，20sccmo2，150w，對(duì)于有線設(shè)計(jì)35min且對(duì)于無(wú)線設(shè)計(jì)120min)。

釋放和轉(zhuǎn)移

32.釋放w/煮沸的丙酮。

33.轉(zhuǎn)移到水溶性膠帶。

34.電子束3/30nmti/sio2。

35.轉(zhuǎn)移到e-tlc器件的后面。

36.對(duì)于有線加熱器使用熱烙鐵用固定壓力鍵合薄的柔性電纜(elform,hst-9805-210)。

補(bǔ)充說(shuō)明2：在單軸拉伸期間e-tlc圓點(diǎn)的間距的解析解

分析e-tlc器件在單軸拉伸(沿著水平方向)下的變形，以確定與施加的應(yīng)變(ε)相關(guān)聯(lián)的像素之間的間距的改變。該e-tlc材料(～221mpa)比彈性體襯底(～131mpa)硬得多，并且因此經(jīng)歷可忽略的變形，如通過(guò)圖29b中的fea結(jié)果的實(shí)驗(yàn)圖像證明的。因此，拉伸變形主要通過(guò)軟襯底材料調(diào)節(jié)。對(duì)于具有初始間距δ0的像素(直徑為dtlc)，變形之后的水平間距(δhorizontal)由以下方程式給出

δhorizontal＝δ0+(δ0+dtlc)ε·

(s1)

豎向間距(δvertical)由于泊松效應(yīng)而減小。對(duì)于稀疏分布的像素(例如，dtlc＜δ0)，在橫向壓縮上與e-tlc相關(guān)聯(lián)的機(jī)械約束可以被忽略，使得變形之后的豎向間距(δvertical)可以被近似為

注意，由于拉伸(ε)，軟襯底的橫向壓縮應(yīng)變由εcompression＝1-(1+ε)^-1/2給出，因?yàn)樗鼛缀跏遣豢蓧嚎s的(即，泊松比ν＝0.5)。對(duì)于δ0＝0.3mm，dtlc＝0.2mm，如在實(shí)驗(yàn)中采用的，基于方程式(s1)和(s2)，圖35a中的分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和fea結(jié)果相當(dāng)一致。

補(bǔ)充說(shuō)明3：e-tlc器件的熱質(zhì)量計(jì)算

對(duì)于20μm的硅樹(shù)脂和黑色氧化鐵襯底以及30μm的透明硅樹(shù)脂襯底，確定器件的熱質(zhì)量。所述器件具有～15cm²的總體空中覆蓋范圍(aerialcoverage)。以下計(jì)算出的熱質(zhì)量以每單位皮膚面積的熱質(zhì)量給出。用于tcr器件的器件構(gòu)造近似含有8.7ng·cm^-2的au、56μg·cm^-2的pi、55.8μg·cm^-2的cu、0.64mg·cm^-2的黑色氧化鐵粉末、4.18mg·cm^-2的硅樹(shù)脂襯底、～0.61mg·cm^-2的液晶材料(hallcrest，密度為0.97g·cm^-3)。對(duì)空中熱質(zhì)量(aerialthermalmass)的材料貢獻(xiàn)是：21.48μj·cm^-2·k^-1來(lái)自cu、64.4μj·cm^-2·k^-1來(lái)自pi、0.42mj·cm^-2·k^-1來(lái)自黑色氧化鐵、～1.09mj·cm^-2·k^-1來(lái)自液晶(hallcrest，比熱為1.8j·g^-1·k^-1)、6.11mj·cm^-2·k^-1來(lái)自硅樹(shù)脂襯背(backing)(計(jì)算值)且來(lái)自au的材料貢獻(xiàn)可忽略。這導(dǎo)致～7.7mj·cm^-2·k^-1的總體器件空中熱質(zhì)量。皮膚的熱質(zhì)量取決于水含量，其中熱質(zhì)量隨著皮膚水化作用和水含量增加²。對(duì)于水化的皮膚，熱容是近似3.7j·cm^-3·k^-1，且7.7mj·cm^-2·k^-1的器件空中熱質(zhì)量相當(dāng)于具有20.8μm的厚度的皮膚的空中熱質(zhì)量。

補(bǔ)充說(shuō)明4：水蒸氣滲透性測(cè)試

水滲透性測(cè)試遵循astme96‐95標(biāo)準(zhǔn)，且涉及對(duì)e-tlc器件(厚度為80μm、50μm和30μm)和商業(yè)feverscan^tm器件(lcrhallcrest；聚酯覆蓋膜～75μm，液晶層～10-50μm，黑色襯背層～10-20μm和圖形印刷層～10-20μm)的評(píng)測(cè)。實(shí)驗(yàn)涉及用正在測(cè)試的器件密封相同的廣口瓶的頂部，每個(gè)含有固定量的干燥劑(97％無(wú)水硫酸鈣和3％氯化鈷)。對(duì)照樣品由頂部不具有任何密封的廣口瓶組成。水蒸氣穿過(guò)所述器件從周圍環(huán)境空氣的擴(kuò)散導(dǎo)致重量增加，這是由于水蒸氣被該干燥劑吸收。所有廣口瓶被放置在一個(gè)具有恒定溫度(～22℃)和濕度(～50％)的房間內(nèi)。在一天的同一時(shí)間在具有0.1mg的精度的天平上記錄每個(gè)廣口瓶的重量增加。通過(guò)此測(cè)試，在4天的周期之后，通過(guò)feverscan^tm密封的廣口瓶的重量保持未改變，與可忽略的水滲透一致。通過(guò)對(duì)比，用80μm的e-tlc器件的廣口瓶的重量增加的量幾乎是與該對(duì)照比較的量的一半(41％)。50μm和30μm的e-tlc器件展現(xiàn)出大于該對(duì)照的一半的重量增加，即，分別是60％和62％。這些結(jié)果指示的是，我們的pdms的配方，在我們的器件中使用的厚度下，僅提供對(duì)水分的輕微阻擋，特別是當(dāng)與常規(guī)類似物比較時(shí)。

補(bǔ)充說(shuō)明5：傳感器響應(yīng)時(shí)間

tlc圓點(diǎn)陣列被嵌入兩個(gè)pdms層中間。黑色pdms襯底和tlc層的厚度和熱屬性二者都確定從皮膚到tlc層的頂部的熱量轉(zhuǎn)移速率。來(lái)自頂部包封彈性體的影響被忽略以簡(jiǎn)化模型。

溫的乙二醇浴從黑色pdms襯底的背面加熱整個(gè)器件。彈性體層的面內(nèi)(in-plane)尺度遠(yuǎn)大于它的厚度，使得熱通量主要沿著厚度方向，其可以由在其他地方描述的一維熱量轉(zhuǎn)移模型表示¹。

傳感器響應(yīng)時(shí)間由傳感器溫度增加tsensor達(dá)到t0的90％的時(shí)間限定。對(duì)于如實(shí)驗(yàn)中使用的30μm的黑色pdms和25μm的tlc層，預(yù)測(cè)響應(yīng)時(shí)間是～30ms。這些與33ms的實(shí)驗(yàn)測(cè)量傳感器響應(yīng)時(shí)間(對(duì)于tsensor＝0.9t0)相當(dāng)一致。

補(bǔ)充說(shuō)明6：顏色和溫度提取過(guò)程

僅tls傳感器的對(duì)溫度靈敏的部分是液晶圓點(diǎn)。在圖像中找到它們并且從黑色彈性體背景分離是溫度提取過(guò)程中的必需的第一階段。這是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)視覺(jué)問(wèn)題(opencv,opencv.org)。該過(guò)程的必要步驟被例示在圖30a中。第一幀示出了傳感器陣列的7×7面積的原始圖片。第二幀是通過(guò)圖像平滑化來(lái)減少噪聲的高斯濾波器的輸出?；叶?第三幀)形式是自適應(yīng)閾值(第四幀)所需要的輸入。自適應(yīng)閾值是意識(shí)到圖像的不同部分處的照明非均勻性的魯棒算法。輸出是在明亮區(qū)域處含有值“1”且在其他地方含有值“0”的二進(jìn)制掩碼。來(lái)自缺陷的小散斑在此同樣是可見(jiàn)的。用兩步腐蝕/膨脹過(guò)程去除它們。腐蝕(第五幀)通過(guò)去除邊界處的幾個(gè)像素使幀四中的白色面積縮小。由于缺陷的小尺寸，因此它們完全消失。膨脹步驟(第六幀)通過(guò)添加在先前步驟中去除的相同量的像素來(lái)使白色區(qū)域擴(kuò)大回到感興趣的恢復(fù)面積。輪廓列表可以從此“清潔”圖像(第七幀)提取。每個(gè)輪廓封閉單個(gè)對(duì)溫度靈敏的圓點(diǎn)。該圓點(diǎn)的形狀緊密地令人聯(lián)想到(reminiscent)一個(gè)圓圈。用于圓點(diǎn)位置檢測(cè)的明顯選擇是opencv的將一個(gè)輪廓當(dāng)作一個(gè)輸入的“封閉圓圈(enclosingcircle)”函數(shù)。最后一幀是原始圖像與對(duì)應(yīng)位置(紅色圓點(diǎn))和封閉圓圈(藍(lán)綠色環(huán))的集合的疊加。

數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的典型輸出是紅-綠-藍(lán)(rgb)顏色映射。在實(shí)驗(yàn)期間所有顏色的強(qiáng)度受照明條件影響。轉(zhuǎn)換成色調(diào)-飽和度-明度(hsv)顏色空間使分析更能復(fù)原照明的改變，這是由于強(qiáng)度現(xiàn)在被編碼在明度通道中且顏色在色調(diào)通道和飽和度通道中。為了追蹤顏色改變，僅色調(diào)和飽和度是感興趣的。圖30b示出了將顏色轉(zhuǎn)換成溫度所使用的校準(zhǔn)。標(biāo)繪的圓點(diǎn)被定位在對(duì)應(yīng)的色調(diào)/飽和度值處并且用它們的色調(diào)值著色。背景是用二維線性擬合從它們所評(píng)測(cè)的溫度。

補(bǔ)充說(shuō)明7：用于預(yù)測(cè)熱傳導(dǎo)率的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型

笛卡爾坐標(biāo)系被設(shè)置為使得原點(diǎn)位于pdms的頂部表面的中心處，如圖41a和圖41b中示出的，在所述圖中從3d視圖和橫截面視圖呈現(xiàn)了器件幾何結(jié)構(gòu)的示意性例示。fea指示超薄e-tlc圓點(diǎn)(～20μm)對(duì)溫度分布具有可忽略的影響，且因此在解析模型中不被考慮。皮膚層(從真實(shí)皮膚和在下面的組織均質(zhì)化的，具有的厚度＞2mm)通常比pdms層(具有～60μm的厚度)厚得多，使得它可以被認(rèn)為無(wú)限厚。對(duì)于pdms和皮膚二者，穩(wěn)態(tài)熱量傳導(dǎo)方程式是其中t是溫度。正方形電阻器(aresistor×bresistor)用作熱量源，具有泵送到pdms和皮膚內(nèi)的熱量生成q。對(duì)于雙層系統(tǒng)，這可以被模型化為一個(gè)表面熱通量(q0＝q/(aresistorbresistor.)，即，對(duì)于由熱量源占據(jù)的區(qū)域，pdms的自由的頂部表面與周圍空氣(t∞)具有自然對(duì)流，即，qzpdms|z＝0＝h(t-t∞)，其中h表示熱量轉(zhuǎn)移系數(shù)。連續(xù)性條件包括橫跨pdms/皮膚界面[t]＝0且[qz]＝0，其中[]＝0代表橫跨該界面的跳躍。通過(guò)采用雙重傅里葉變換的方法，傳感器平面(z＝-hsensor)處的溫度被獲得為

其中下標(biāo)‘pdms’和“skin”分別表示pdms和皮膚；k是熱傳導(dǎo)率。方程式(s3)對(duì)應(yīng)于正向熱傳導(dǎo)問(wèn)題的溫度解，給出了皮膚層的熱傳導(dǎo)率。在實(shí)驗(yàn)中采用的參數(shù)包括aresister＝bresister＝0.5mm，h＝5w·m^-2k^-1，hsensor＝30μm，hpdms＝60μm，kpdms＝0.16w·m^-1k^-1，以及熱擴(kuò)散率αpdms＝1.07m²·s^-1。對(duì)于kskin＝0.31w·m^-1k^-1和q＝3.8mw的代表性值，在傳感器平面處的溫度分布(如由方程式(s3)給出的)被示出在圖41c中，其與fea結(jié)果(圖41d)相當(dāng)一致。沿著x軸(在圖41e中)的溫度曲線與所述fea結(jié)果定量地一致。中心區(qū)域處的相當(dāng)大的差異主要?dú)w因于穿過(guò)整個(gè)加熱器的均勻熱量生成q0的假設(shè)，該假設(shè)被采用是出于模型簡(jiǎn)化的目的。圖41e還示出，在距加熱器中心～4mm的距離內(nèi)的區(qū)域內(nèi)溫度梯度是明顯的。對(duì)于遠(yuǎn)離該加熱器(0.5×0.5mm)的傳感器，溫度分布可以通過(guò)一個(gè)點(diǎn)熱量源的簡(jiǎn)單解近似，即，

其中超薄pdms層被忽略，且是與原點(diǎn)的面內(nèi)距離。圖41e展示的是，此近似解對(duì)于r≥aresister/2具有非常良好的準(zhǔn)確度。采用此簡(jiǎn)化解以通過(guò)擬合來(lái)自e-tlc器件的溫度數(shù)據(jù)(如圖32a中示出的)來(lái)預(yù)測(cè)皮膚的熱傳導(dǎo)率，對(duì)于一個(gè)實(shí)施例，其中t∞＝33.9℃且q＝3.83mw。圖32b展示了針對(duì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的熱傳導(dǎo)率的預(yù)測(cè)，在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，采用具有不同混合比的水/乙二醇溶液，以模擬處于不同水化水平的真實(shí)皮膚。通過(guò)當(dāng)前的模型所預(yù)測(cè)的熱傳導(dǎo)率與文獻(xiàn)(meglobal，ethyleneglycolproductguide)中報(bào)道的熱傳導(dǎo)率相當(dāng)一致。

補(bǔ)充說(shuō)明8：用于預(yù)測(cè)熱擴(kuò)散率的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型

為了簡(jiǎn)化對(duì)瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的分析，繼續(xù)假設(shè)加熱器是一個(gè)點(diǎn)熱量源?？紤]到在時(shí)間t＝0時(shí)該加熱器被接通，誘發(fā)的瞬態(tài)溫度解由以下方程式給出

其中αskin是皮膚的熱擴(kuò)散率，且erfc(x)是余誤差函數(shù)。對(duì)于kskin＝0.31w·m^-1k^-1，αskin＝1.14m²·s^-1以及q＝3.8mw的代表性值，對(duì)于三個(gè)不同的點(diǎn)(與原點(diǎn)的距離為0.5mm、1.0mm和2.0mm)，由方程式(s5)給出的時(shí)間動(dòng)態(tài)溫度與fea結(jié)果顯著非常一致，如圖41f中示出的。

基于方程式(s5)，甚至當(dāng)功率是未知的(例如，當(dāng)采用無(wú)線系統(tǒng)為加熱器供電時(shí))，可以基于來(lái)自e-tlc器件的瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)確定熱擴(kuò)散率。圖32d給出了在距加熱器的距離為0.5mm的傳感器處的溫度曲線的一個(gè)實(shí)施例，其中具有0.43×10^-7m²/s的熱擴(kuò)散率的解析曲線給出與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最佳匹配。圖32e展示了針對(duì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的熱擴(kuò)散率的預(yù)測(cè)，所述預(yù)測(cè)與文獻(xiàn)(meglobal,ethyleneglycolproductguide)中報(bào)道的預(yù)測(cè)相當(dāng)一致。

補(bǔ)充說(shuō)明9：反應(yīng)性充血的數(shù)學(xué)建模

開(kāi)發(fā)了人的腕的二維(2d)瞬態(tài)熱量轉(zhuǎn)移模型，其考慮了圍繞尺骨動(dòng)脈的多種組織，且定量地表征血液流動(dòng)和周圍組織之間的熱量交換。圖43a和圖43b示出了組織幾何結(jié)構(gòu)的示意性例示，在所述組織幾何結(jié)構(gòu)中采用一個(gè)圓形橫截面用于腕以簡(jiǎn)化分析。在體溫下的血液流動(dòng)通過(guò)嵌入脂肪層中的圓形動(dòng)脈，加熱周圍組織。用一個(gè)熱量對(duì)流模型²來(lái)描述血液流動(dòng)和脂肪層之間的橫跨動(dòng)脈壁的熱量交換，所述熱量對(duì)流模型假設(shè)交換的熱通量(q)與血液流動(dòng)速率成比例，即，

其中ρb、cpb、ωb(t)是血液的密度、比熱容和時(shí)變流動(dòng)速率；dartery是動(dòng)脈的直徑；tbody和ts分別是體溫和動(dòng)脈壁處的脂肪的溫度。由于血液流動(dòng)的加熱，溫度非均勻地分布在這些組織內(nèi)，其由的時(shí)間熱量傳導(dǎo)方程式支配，其中下標(biāo)表示不同的組織(其中皮膚為j＝1，脂肪為j＝2，肌肉為j＝3，且骨骼為j＝4)。皮膚的自由外表面與空氣具有自然對(duì)流，該自然對(duì)流通常冷卻皮膚，這是由于比體溫更低的室溫。內(nèi)部骨骼層被假設(shè)維持核心溫度(接近于體溫tbody)

閉塞的建模涉及兩個(gè)步驟，開(kāi)始于由于血液流動(dòng)的恒定加熱造成的各種組織中的穩(wěn)態(tài)熱量傳導(dǎo)的模擬，對(duì)應(yīng)于預(yù)閉塞階段(階段i)。用穩(wěn)定-狀態(tài)解作為輸入，進(jìn)一步模擬由于閉塞的施加和釋放造成的溫度分布的時(shí)間改變，分別對(duì)應(yīng)于血管閉塞階段(階段ii)和再灌注階段(iii)?；谙惹暗膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在這些不同階段期間血液流動(dòng)的時(shí)間改變可以由以下分段函數(shù)很好地描述^2,3

其中ω0表示基準(zhǔn)血液流動(dòng)；ωs是在施加閉塞足夠長(zhǎng)時(shí)間之后的血液灌注，在此處的實(shí)驗(yàn)的情況下，該時(shí)間是160s；ωmax是最大充血血液流動(dòng)；τ0是在施加閉塞之后描繪血液流動(dòng)的下降速度的時(shí)間常數(shù)；tdw是在閉塞釋放之后達(dá)到最大充血血液流動(dòng)所需要的時(shí)間；τh指示在再灌注期間血液流動(dòng)返回到基準(zhǔn)值的速率；tocc,st和tocc,end分別表示閉塞的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。除了tocc,st和tocc,end(它們?cè)趯?shí)驗(yàn)中是已知的，tocc,st＝0s，tocc,end＝160s)以外，在此反應(yīng)性充血模型中存在六個(gè)可以變化以模擬血液灌注的溫度歷史的參數(shù)。熱分析的目的是獲得一組優(yōu)化的參數(shù)，該組優(yōu)化的參數(shù)可以使在距動(dòng)脈的距離≤7mm的那些傳感器處的溫度-時(shí)間曲線的模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的平均差異最小化(圖43g)?；鶞?zhǔn)血液流動(dòng)ω0不涉及閉塞過(guò)程，其因此可以使用在閉塞之前(階段i)測(cè)量的溫度值來(lái)確定。血液流動(dòng)ωs和時(shí)間參數(shù)τ0(僅涉及階段ii)由在階段ii期間測(cè)量的溫度-時(shí)間曲線確定，且其他三個(gè)參數(shù)(ωmax、τdw和τh)由在階段iii期間的數(shù)據(jù)確定?？偣?，在我們的模擬中存在六個(gè)參數(shù)，即，ω0、α＝ωs/ω0、β＝ωmax/ω0、τ0、tdw和τh，它們的范圍被列出在表1中，基于報(bào)道的實(shí)驗(yàn)^2,3。

采用有限元分析(fea)來(lái)解以上瞬態(tài)熱量轉(zhuǎn)移方程式，且用數(shù)字確定溫度分布。使用4-節(jié)點(diǎn)線性熱量轉(zhuǎn)移元件，且采用細(xì)化的網(wǎng)格以確保準(zhǔn)確度。邊界條件包括骨骼層中的規(guī)定溫度(t＝tbody)，在動(dòng)脈壁處與體溫的血液流動(dòng)的熱量對(duì)流(即，方程式(s6))，以及在皮膚的外表面處與室溫(～27.0℃)的空氣的自然對(duì)流。在表2中給出了多種組織的幾何屬性和熱-物理屬性。對(duì)于上文所描述的反應(yīng)性充血模型，基準(zhǔn)血液流動(dòng)速率被確定為ω0＝30ml/min(對(duì)于1.8mm的脈管直徑，19.6cm/s)，其可以使fea和實(shí)驗(yàn)之間的差異(即，方差)最小化，如圖43c中示出的?；讦?＝30ml/min，從處在穩(wěn)態(tài)處的動(dòng)脈計(jì)算出的溫度衰減確實(shí)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖43d)相當(dāng)一致。為了使階段ii期間的溫度方差(圖43e)最小化，血液流動(dòng)ωs和時(shí)間參數(shù)τ0被確定為ωs＝1.5ml/min和τ0＝2s。類似地，對(duì)應(yīng)于階段iii的其他三個(gè)參數(shù)可以被獲得為ωmax＝90ml/min(58.8cm/s)、tdw＝15s和τh＝35s。對(duì)于此組參數(shù)，對(duì)于接近動(dòng)脈的所有傳感器點(diǎn)，從fea獲得的溫度-時(shí)間曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖33g)相當(dāng)一致。

表1.用于模擬的反應(yīng)性充血模型中的參數(shù)范圍

表2.腕的多種組織的幾何屬性和熱-物理屬性，其中t表示厚度，d是動(dòng)脈的直徑，且d是動(dòng)脈的深度。

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關(guān)于納入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)和變體的聲明

在該整個(gè)申請(qǐng)中引用的所有參考文獻(xiàn)(例如，專利文件，其包括公開(kāi)的或授權(quán)的專利或等同物；專利申請(qǐng)公布；以及非專利文獻(xiàn)文件或其他來(lái)源材料)在此以引用的方式整體納入，就如同以引用的方式單獨(dú)地納入，在一定程度上，每個(gè)參考文獻(xiàn)至少部分地與本申請(qǐng)中的公開(kāi)內(nèi)容不一致(例如，通過(guò)引用納入部分不一致的參考文獻(xiàn)中的、除了該參考文獻(xiàn)的部分不一致的部分以外的部分)。

本文中已經(jīng)采用的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)被用作對(duì)術(shù)語(yǔ)的描述而非限制，且并非意在使用這些術(shù)語(yǔ)和表述排除所示出的和所描述的特征或其部分的任何等同物，而且應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)可以有多種改型。因此，應(yīng)理解，盡管通過(guò)優(yōu)選實(shí)施方式、示例性實(shí)施方案和可選的特征具體公開(kāi)了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以采用本文中所公開(kāi)的概念的改型以及變體，且這樣的改型和變體被認(rèn)為在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本文中提供的具體實(shí)施方案是本發(fā)明的有用的實(shí)施方案的實(shí)施例，且本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明了，可以使用本說(shuō)明書(shū)中闡明的器件、器件部件以及方法步驟的大量變體來(lái)執(zhí)行本發(fā)明。如對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，對(duì)本實(shí)施方案有用的方法和器件能夠包括大量可選的組成和處理元件和步驟。

當(dāng)本文公開(kāi)了一組取代基時(shí)，應(yīng)該理解，該組和所有子組的所有個(gè)體成員，包含該組成員的任何同分異構(gòu)體、對(duì)映異構(gòu)體和非對(duì)映異構(gòu)體被分別公開(kāi)。當(dāng)本文使用馬庫(kù)什組或其他分組時(shí)，該組的所有個(gè)體成員和該組可能的所有組合和子組合意在被單獨(dú)地包含在本公開(kāi)內(nèi)容中。當(dāng)本文以這樣的方式描述化合物，即，未指定特定的同分異構(gòu)體、對(duì)映異構(gòu)體或非對(duì)映異構(gòu)體時(shí)，例如，用分子式或化學(xué)名稱描述化合物時(shí)，該描述意在包括單獨(dú)地或以任何組合方式描述的化合物的每個(gè)同分異構(gòu)體和對(duì)映異構(gòu)體。此外，除非另有說(shuō)明，否則本文所公開(kāi)化合物的所有同位素變體都意在被本公開(kāi)內(nèi)容包含。例如，應(yīng)理解，公開(kāi)的分子中的任何一個(gè)或多個(gè)氫可被氘或氚替代。分子的同位素變體通?？稍谟糜谒龇肿拥膶?shí)驗(yàn)以及在涉及所述分子或其用途的化學(xué)研究和生物研究中用作標(biāo)準(zhǔn)物。用于制作這樣的同位素變體的方法是本領(lǐng)域已知的?；衔锏奶囟Q意在是例示性的，因?yàn)橐阎绢I(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠以不同的方式命名相同的化合物。

以下參考文獻(xiàn)通常涉及用于制作電子器件的制造方法、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，并且在與此申請(qǐng)中的公開(kāi)內(nèi)容不一致的程度上通過(guò)引用納入本文。

本文中所描述或例示的成分的每一個(gè)配方或組合可以被用于實(shí)踐本發(fā)明，除非另有說(shuō)明。

每當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中給出范圍(例如，數(shù)量范圍、溫度范圍、時(shí)間范圍、成分范圍或濃度范圍)時(shí)，所有中間范圍和子范圍，以及包含在給定的范圍中的所有個(gè)體值都意在被包含于本公開(kāi)內(nèi)容中。應(yīng)理解，包含在本文中的描述中的一個(gè)范圍或子范圍中的任何子范圍或個(gè)體值可以被從本文中的權(quán)利要求排除。

說(shuō)明書(shū)中提及的所有專利和出版物都指示本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員的技術(shù)水平。本文中引用的參考文獻(xiàn)以整體引用的方式納入本文以指示自它們的公開(kāi)日期或提交日期起的現(xiàn)有技術(shù)，且如果需要?jiǎng)t旨在可以在本文中采用此信息以排除現(xiàn)有技術(shù)中的特定實(shí)施方案。例如，當(dāng)要求保護(hù)物質(zhì)的組合物時(shí)，應(yīng)理解，申請(qǐng)人的發(fā)明之前的現(xiàn)有技術(shù)中已知的且可用的化合物(包括在本文中引用的參考文獻(xiàn)中為其提供了啟示公開(kāi)內(nèi)容的化合物)并非旨在被包含于本文中的物質(zhì)的組合物權(quán)利要求中。

如本文中所使用的，“包括”是與“包含”、“含有”或“其特征在于”同義的，且是包括性的或開(kāi)放式的，并且不排除附加的、未列舉的元件或方法步驟。如本文中所使用的，“由...組成”排除了權(quán)利要求元素中未指定的任何元素、步驟或組成。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“基本上由...組成”不排除不會(huì)實(shí)質(zhì)上影響權(quán)利要求的基礎(chǔ)和新穎特性的材料或步驟。在本文中的每種情況下，術(shù)語(yǔ)“包含”、“基本上由...組成”和“由...組成”中的任一可以用其它兩個(gè)術(shù)語(yǔ)中的任何一個(gè)代替?？梢栽谌鄙俦疚闹形淳唧w地公開(kāi)的任何一個(gè)元件或多個(gè)元件和/或一個(gè)限制或多個(gè)限制的情況下恰當(dāng)?shù)貙?shí)施本文中例示性描述的發(fā)明。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，可以在不做過(guò)度實(shí)驗(yàn)的情況下，在本發(fā)明的實(shí)踐中采用除具體示例那些以外的起始材料、生物材料、試劑、合成方法、純化方法、分析方法、化驗(yàn)方法以及生物方法。任何這樣的材料與方法的所有本領(lǐng)域已知的功能等同物旨在被包含在本發(fā)明中。已經(jīng)被采用的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)被用作對(duì)術(shù)語(yǔ)的描述而非限制，且并非意在使用這些術(shù)語(yǔ)和表述排除示出和描述的特征或其部分的任何等同物，而且應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)可以有多種改型。因此，應(yīng)理解，盡管通過(guò)優(yōu)選實(shí)施方式和可選的特征具體公開(kāi)了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以采用本文中所公開(kāi)的概念的改型以及變體，但這樣的改型和變體仍被認(rèn)為在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。

必須注意，如本文中和所附權(quán)利要求中所使用的，單數(shù)形式“一個(gè)(a)”、“一個(gè)(an)”和“該”包含復(fù)數(shù)引用，除非上下文清楚地指定其他情況。因此，例如，提及“一個(gè)單元”包含多個(gè)這樣的單元和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其等同物等。另外，術(shù)語(yǔ)“一個(gè)(a)”(或“一個(gè)(an)”)、“一個(gè)或多個(gè)”和“至少一個(gè)”在本文中可以互換使用。還應(yīng)注意，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”和“具有”也可以互換使用?！皺?quán)利要求xx-yy中任一的”的表達(dá)(其中xx和yy是指權(quán)利要求編號(hào))意在以替代方式提供多項(xiàng)從屬權(quán)利要求，并且在一些實(shí)施方案中是可與“根據(jù)權(quán)利要求中xx-yy中的任一項(xiàng)權(quán)利要求”的表達(dá)互換的。

除了另有限定，否則本文中所使用的所有技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員通常理解的意義相同的意義。盡管可以在本發(fā)明的實(shí)踐或測(cè)試中使用與本文中所描述的方法和材料類似或等同的任何方法和材料，但是描述了優(yōu)選的方法和材料。