基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，屬于醫(yī)療儀器領域。植入式組件植入體內(nèi)，位于體外的可穿戴設備通過無源NFC技術與植入式組件進行通信并提供電能?？纱┐髟O備將植入式組件傳出的測量數(shù)據(jù)和可穿戴設備中傳感器得到的測量數(shù)據(jù)可以由可穿戴設備顯示出來，也可通過無線技術發(fā)送至移動終端設備反饋測量結(jié)果。本發(fā)明通過無源NFC技術可以實現(xiàn)可穿戴設備和植入式設備之間的數(shù)據(jù)傳輸和能量輸送，從而將可穿戴設備和植入式設備聯(lián)合使用構(gòu)成分布式傳感結(jié)構(gòu)，最大程度減小植入式設備的規(guī)模，并有效解決植入式設備供電問題。
【專利說明】
基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，屬于醫(yī)療儀器領域。
【背景技術】
[0002]個性化醫(yī)療(Personalized medicine)是目前醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展趨勢之一，要求對單個患者或特定群體依據(jù)其自身不同情況制定針對性醫(yī)療方案，從而實現(xiàn)最大程度提高療效，降低不良反應。實現(xiàn)個性化醫(yī)療的難點之一就是實時準確地提取患者的身體健康信息。隨著生物傳感技術的發(fā)展，人體健康相關的多種目標物質(zhì)和健康指標的快速準確檢測逐漸成為可能，為實現(xiàn)個性化醫(yī)療提供更全面的檢測數(shù)據(jù)和更方便快捷的檢測手段。
[0003]目前實現(xiàn)人體目標物質(zhì)和健康指標實時監(jiān)測的方法主要分為兩種，即植入式生物傳感技術和可穿戴生物傳感技術。其中所用酶型生物傳感器工作原理如圖4所示。植入式生物傳感技術將生物傳感器植入人體組織，可直接測量人體內(nèi)部目標物質(zhì)含量，但為了減少對人體的影響，其尺寸和材料有嚴格的限制，另外，植入式生物傳感器的供電和數(shù)據(jù)傳輸問題也是限制其實用化的主要因素之一?？纱┐魃飩鞲屑夹g將生物傳感器置于體表，通過對體表代謝產(chǎn)物的檢測間接反映體內(nèi)目標物質(zhì)含量，對人體影響小，更換方便，易于實用化推廣，但測量準確度相對較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出一種基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，將植入式生物傳感技術和可穿戴生物傳感技術相結(jié)合，提出分布式實時健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計。
[0005]本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。
[0006]基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括:包括植入式組件、可穿戴設備、移動終端設備和云服務設備。
[0007]植入式組件植入體內(nèi)，位于體外的可穿戴設備通過無源NFC技術與植入式組件進行通信并提供電能?？纱┐髟O備將植入式組件傳出的測量數(shù)據(jù)和可穿戴設備中傳感器得到的測量數(shù)據(jù)可以由可穿戴設備顯示出來，也可通過無線技術發(fā)送至移動終端設備反饋測量結(jié)果。移動終端設備可以將測量結(jié)果通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至云服務設備進行存儲和分析，也可從云服務設備下載歷史測量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。
[0008]植入式組件由第一傳感器、第一信號采集電路、第一控制模塊和無源NFC模塊組成;連接關系:第一傳感器輸出端與第一信號采集電路輸入端相連，第一信號采集電路輸出端與第一控制模塊的AD采集端口相連;第一控制模塊的通信端口與無源NFC通信模塊的通信端口相連;無源NFC通信模塊的供電端口分別與第一信號采集電路和第一控制模塊的供電端口相連；
[0009]可穿戴設備由第二傳感器、第二信號采集電路、第二控制模塊、NFC通信模塊、供電模塊、無線通信模塊和顯示模塊組成;第二傳感器與第二信號采集電路相連，第二信號采集電路的輸出端與第二控制模塊的AD采集端□相連;NFC通信模塊、無線通信模塊、顯示模塊的通信端口分別與第二控制模塊的通信端口相連;供電模塊的輸出端口分別與第二信號采集電路、第二控制模塊、NFC通信模塊、無線通信模塊和顯示模塊的供電端口相連；
[0010]優(yōu)選的，所述植入式組件電路板采用柔性印刷電路制作，在電路表面涂刷防水涂層，并在除電極以外部分包裹聚一■甲基娃氧燒等生物相容性材料。
[0011]優(yōu)選的，所述第一控制模塊選用STMicroelectronics N.V.的STM8L152系列單片機及其應用電路。
[0012]優(yōu)選的，所述無源NFC通信模塊中的無源NFC芯片選用STMicroelectronics N.V.的M24LR04E-R包含電能采集的動態(tài)NFC/RFID標簽芯片。
[0013]優(yōu)選的，所述植入式組件中傳感器采用酶型葡萄糖電化學傳感器。
[0014]優(yōu)選的，所述第二控制模塊選用STMicroelectronics N.V.的STM32F103系列單片機及其應用電路。
[0015]優(yōu)選的，所述NFC通信模塊的NFC芯片及其應用電路選用STMicroelectronicsN.V.的CR95HF系列多協(xié)議非接觸式收發(fā)器芯片及其應用電路。
[0016]優(yōu)選的，所述無線通信模塊中的藍牙模塊選用STMicroelectronics N.V.的BlueNRG低功耗藍牙通信芯片及其應用電路。
[0017]優(yōu)選的，所述可穿戴設備中的電路使用柔性印刷電路制造，電路外部由柔性橡膠外殼保護。
[0018]有益效果
[0019]本發(fā)明中，通過無源NFC技術可以實現(xiàn)可穿戴設備和植入式設備之間的數(shù)據(jù)傳輸和能量輸送，從而將可穿戴設備和植入式設備聯(lián)合使用構(gòu)成分布式傳感結(jié)構(gòu)，最大程度減小植入式設備的規(guī)模，并有效解決植入式設備供電問題。再通過藍牙模塊，可實現(xiàn)由可穿戴設備將植入式設備和可穿戴設備中各個傳感器的測量數(shù)據(jù)發(fā)送至移動終端設備以供用戶使用，也可由移動終端設備進一步發(fā)送至云服務設備，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的儲存和管理。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明提供的基于植入式和可穿戴生物傳感技術的分布式實時健康監(jiān)測系統(tǒng)組成方框圖；
[0021 ]圖2A為本發(fā)明所述植入式組件俯視圖；
[0022]圖2B為本發(fā)明所述植入式組件側(cè)視圖；
[0023]圖2C為本發(fā)明所述植入式組件皮下植入效果示意圖；
[0024]圖2D為本發(fā)明所述植入式組件腕部皮下植入示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明所述可穿戴設備設計示意圖；
[0026]圖4為酶型葡萄糖傳感器原理示意圖。
[0027]其中，I一植入式組件、2—可穿戴設備、3—移動終端設備、4一75:服務設備、5—第一傳感器、6—第一信號采集電路、7—第一控制模塊、8—無源NFC模塊、9 一第二傳感器、10—第二信號采集電路、11一第二控制模塊、12—NFC通信模塊、13—供電模塊、14一無線通信模塊、15—植入式組件電路板、16—生物相容性材料、17—無源NFC芯片及其輔助電路、18—第一NFC線圈、19一表皮組織、20—手臂、21 —NFC芯片及其應用電路、22—第二NFC線圈、23—穩(wěn)壓和電源管理電路、24—鋰離子電池、25—藍牙模塊、26—天線、27—柔性橡膠外殼、28—彈性表帶、29—心率傳感器、30—溫度傳感器、31 一顯示模塊。
【具體實施方式】
[0028]下文參考附圖詳細描述本發(fā)明實施方式。然而，本發(fā)明不限于以下實施方式。
[0029]實施例1
[0030]一種基于植入式和可穿戴生物傳感技術的分布式實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括:植入式組件1、可穿戴設備2、移動終端設備3和云服務設備4四個部分，如圖1所示。
[0031]所述植入式組件I由第一傳感器5、第一信號采集電路6、第一控制模塊7和無源NFC模塊8組成。使用柔性印刷電路板進行制造，構(gòu)成植入式組件電路板15，將無源NFC芯片及其輔助電路17和第一NFC線圈18連接構(gòu)成無源NFC模塊8。將無源NFC模塊8的通信端口與第一控制模塊7的通信端口相連，將無源NFC模塊8的供電端口與第一信號采集電路6和第一控制模塊7的供電端口相連。將第一傳感器5與第一信號采集電路6的輸入端相連，第一信號采集電路6的輸出端與第一控制模塊7的AD米集端口相連。在第一傳感器5以外的部分包裹聚二甲基硅氧烷等生物相容性材料16，如圖2A、圖2B所示。所述植入式組件使用時植入手背一側(cè)腕部皮下，如圖2C、圖2D所示。
[0032]所述第一控制模塊7選用STMicroelectronics N.V.的STM8L152系列單片機及其應用電路。
[0033]所述無源NFC芯片選用STMicroelectronics N.V.的M24LR04E-R包含電能采集的動態(tài)NFC/RFID標簽芯片。
[0034]所述植入式組件I中傳感器5采用酶型葡萄糖電化學傳感器，采用三電極體系進行測試，其中工作電極修飾有電子介體和葡萄糖氧化酶;參比電極選用Ag/AgCl電極;輔助電極選用鉑電極。采用恒電勢電路，保持工作電極與參比電極電勢差恒定，通過測量流經(jīng)工作電極的電流作為葡萄糖濃度的檢測信號。
[0035]可穿戴設備2由第二傳感器9、第二信號采集電路10、第二控制模塊11、NFC通信模塊12、供電模塊13和無線通信模塊14組成。如圖3A、圖3B所示。使用柔性印刷電路板制造，將NFC芯片及其應用電路21與第二 NFC線圈22連接構(gòu)成NFC通信模塊12。將NFC通信模塊的通信端口與第二控制模塊11的NFC通信端口相連。將第二傳感器9和第二信號采集電路10的輸入端相連，第二信號采集電路10的輸出端與第二控制模塊11的AD采集端口相連。心率傳感器29、溫度傳感器30的輸出端與第二控制模塊的測量通信端口相連。藍牙模塊25和天線26相連接，組成無線通信模塊14。無線通信模塊14的通信端口與第二控制模塊11的無線通信端口相連。顯示模塊31的控制端口與第二控制模塊11相連，用于顯示測量結(jié)果。鋰離子電池24與穩(wěn)壓和電源管理電路23連接，構(gòu)成供電模塊13，供電模塊13的供電端口與可穿戴設備2中各個模塊的供電端口相連，為各個模塊供電。使用柔性橡膠外殼27對可穿戴設備進行包裹，保護內(nèi)部電路。通過彈性表帶28將可穿戴設備固定于手腕處使用。
[0036]所述可穿戴設備2中傳感器包括Na離子選擇性電極、K離子選擇性電極、Ag/AgCl參比電極組成的電位型電化學傳感器9、溫度傳感器30、心率傳感器29。
[0037]所述第二控制模塊11選用STMicroelectronics N.V.的STM32F103系列單片機及其應用電路。
[0038]所述NFC芯片及其應用電路21選用STMicroelectronics N.V.的CR95HF系列多協(xié)議非接觸式收發(fā)器芯片及其應用電路。
[0039]所述藍牙模塊25選用STMicroelectronics N.V.的BlueNRG低功耗藍牙通信芯片及其應用電路。
[0040]工作過程:通過微創(chuàng)植入技術，將植入式組件I植入手背一側(cè)腕部皮下，如圖2C、圖2D所示?？纱┐髟O備2佩戴于手腕，并保持第二 NFC線圈22位于第一 NFC線圈18上方，如圖3所示。通過手機等移動終端設備3進行操作，與可穿戴設備2進行藍牙通信，發(fā)送測量指令?？纱┐髟O備2接收到測量指令后開始進行測量，并通過NFC通信模塊12與植入式組件I進行NFC通信，發(fā)送測量指令并提供電能。此時植入式組件I激活啟動，通過第一傳感器5和第一信號采集電路6進行測量，并將測量數(shù)據(jù)通過無源NFC技術反饋給可穿戴設備2，可穿戴設備2將由第二傳感器9和第二信號采集電路10測得的數(shù)據(jù)以及植入式組件I反饋數(shù)據(jù)通過藍牙技術實時傳輸至移動終端設備3直接反饋給用戶。移動終端設備3也可以通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務設備4進行分析、分享和存儲，或從云服務設備4下載歷史測量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果O
【主權項】
1.基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括植入式組件(1)、可穿戴設備(2)、移動終端設備(3)和云服務設備(4); 植入式組件(I)植入體內(nèi)，位于體外的可穿戴設備(2)通過無源NFC技術與植入式組件(1)進行通信并提供電能;可穿戴設備(2)將植入式組件(I)傳出的測量數(shù)據(jù)和可穿戴設備(2)中傳感器得到的測量數(shù)據(jù)由可穿戴設備(2)的顯示模塊(31)顯示出來，或者通過無線技術發(fā)送至移動終端設備(3)反饋測量結(jié)果;移動終端設備(3)將測量結(jié)果通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至云服務設備(4)進行存儲和分析;移動終端設備(3)從云服務設備(4)下載歷史測量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。2.如權利要求1所述的基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述植入式組件(I)由第一傳感器(5)、第一信號采集電路(6)、第一控制模塊(7)和無源NFC模塊(8)組成;連接關系:第一傳感器(5)輸出端與第一信號采集電路(6)輸入端相連，第一信號采集電路(6)輸出端與第一控制模塊(7)的AD采集端口相連;第一控制模塊(7)的通信端口與無源NFC通信模塊(8)的通信端口相連;無源NFC通信模塊(8)的供電端口分別與第一信號采集電路(6)和第一控制模塊(7)的供電端口相連。3.如權利要求2所述的基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述無源NFC模塊(8)是由無源NFC芯片及其輔助電路(17)和第一 NFC線圈(18)連接構(gòu)成的。4.如權利要求1所述的基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述可穿戴設備(2)由第二傳感器(9)、第二信號采集電路(10)、第二控制模塊(11)、NFC通信模塊(12 )、供電模塊(I 3 )、無線通信模塊(14)和顯示模塊(31)組成;第二傳感器(9)與第二信號采集電路(10)相連，第二信號采集電路(10)的輸出端與第二控制模塊(11)的AD采集端口相連;NFC通信模塊(12)、無線通信模塊(14)、顯示模塊(31)的通信端口分別與第二控制模塊(11)的通信端口相連;供電模塊(13)的輸出端口分別與第二信號采集電路(10)、第二控制模塊(11)、NFC通信模塊(12)、無線通信模塊(14)和顯示模塊(31)的供電端口相連。5.如權利要求4所述的基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述NFC通信模塊(12)由NFC芯片及其應用電路(21)與第二NFC線圈(22)連接構(gòu)成。6.如權利要求3或4所述的基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述可穿戴設備(2)中的第二NFC線圈(22)在使用過程中置于植入式組件(I)中的第一 NFC線圈(18)上方。7.如權利要求1所述的基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:構(gòu)成所述植入式組件(I)的植入式組件電路板(15)采用柔性印刷電路制作，在電路表面涂刷防水涂層，并在除電極以外部分包裹聚二甲基硅氧烷等生物相容性材料(16);所述可穿戴設備(2)中的電路使用柔性印刷電路制造，電路外部由柔性橡膠外殼(27)保護。8.如權利要求1或2所述的基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述第一控制模塊(7)選用STMicroelectronics N.V.的STM8L152系列單片機及其應用電路;所述無源NFC通信模塊(8)中的無源NFC芯片選用STMicroelectronics N.V.的M24LR04E-R包含電能采集的動態(tài)NFC/RFID標簽芯片。9.如權利要求1或2所述的基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述植入式組件(I)中傳感器采用酶型葡萄糖電化學傳感器;所述可穿戴設備(2)中傳感器采用離子選擇性電極和溫度傳感器。10.如權利要求1或4所述的基于植入式和可穿戴生物傳感技術的實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述第二控制模塊(11)選用STMicroelectronics N.V.的STM32F103系列單片機及其應用電路；所述NFC通信模塊(12)中的NFC芯片及其應用電路(21 )選用STMicroelectronics N.V.的CR95HF系列多協(xié)議非接觸式收發(fā)器芯片及其應用電路;所述無線通信模塊(14)中的藍牙模塊(25)選用STMicroelectronics N.V.的BlueNRG低功耗藍牙通信芯片及其應用電路。
【文檔編號】A61B5/01GK106073798SQ201610384026
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月1日 公開號201610384026.X, CN 106073798 A, CN 106073798A, CN 201610384026, CN-A-106073798, CN106073798 A, CN106073798A, CN201610384026, CN201610384026.X
【發(fā)明人】嚴乙銘, 薛亦飛
【申請人】北京理工大學