有关柔性可穿戴应变传感器在人体运动监测中的应用毕业论文写作资料-论文写作网

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摘要：随着现在社会的快速发展,人们也慢慢的步入信息化时代,如当今的大数据、云数据、万物互联的物联网、5G通讯等一些高新技术,这也使得时代信息的应用需求越来越强,在对测量信息的范围、精度和稳定情况各项性能的参数的期望值和理想化也逐步提升,特别是在一些恶劣环境中对气体、压力、湿度的需求量尤为突出,就我们普通的传感器已不能满足这些需求,主要是新材料、新工艺和研发的时候和一些交叉学科进行整合的时候的就会产生很多层出不穷,伴随着柔性材料的迅速发展,因它具有透明、柔韧、延展、可弯曲和折叠、方便携带和可穿戴的特性柔性传感器在医疗器械和健身运动等领域的潜力都备受人们的关注.

关键词：柔性;应变传感器;人体运动监测

中图分类号：TS941.15;TQ336.6

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）07-0142-04

现在可穿戴设备在一些临床上的使用也受到了一些限制,主要是它的准确性、有效性和可靠性受到了一定限制.除此之外,还有就是因为设备体积的刚性和不灵活性导致了使用的舒适性和持续时间有所限制,还有就是传感器和数据处理以及分析硬件等方面具有高功耗来限定了长期的可操作性,这就迫使研发人员在精度上进行减少来延续电池的寿命,最后的限制那便是传感器的放置位置和运动伪像或生成的数据的处理.

1柔性可穿戴传感器在医学上的应用

1、1柔性可穿戴传感器的材料

普通的传感器是由刚性不可弯曲的衬底所制作的,主要是以硅衬底的传感器最为突出.当今的传感器在我们的实际生活中应用是比较广泛的,这当然就会有一些缺点,例如像刚度、不敏感和不可弯折等方面,但柔性可穿戴传感器就需要一些可弯曲的柔性材料,像一些可弯曲的石墨烯、导电纱线或是纤维纺织、有机高分子聚合物都是得到相应的应用.

传感器材料的选取就直接性的决定了传感器的应用、可用性和制造成本等因素,主要部门的材料方面是有机电子材料,被大量的应用于制造柔性可穿戴设备,主要是制作的设备具有灵活性、体积可变、好的稳定性、适应性强等优势.因此被用于制造薄膜晶体管、离子泵和聚合物电极等,有机和OLAE是用功能性油墨开发用薄层印刷的电子器件.所用的操作基材主要是PET和PEN,主要是它和其他的有机聚合物具有透明性和低成本的优势,OLAE流程主要是在开发可穿戴的健康和医疗设备,PDMS、PEN、PI,P的使用在开发柔性传感器对于不同的应用,传感器的电极部分都是用新型的导电材料,例如碳基纳米材料和金属纳米颗粒.应用的导电材料有石墨烯、碳纳米管（CNTs）碳纤维州、银、金和镍,常用于开发柔性传感器的绝缘基板有PDMS、PET、PEN和PI.像这些聚合材料的差异性主要是在杨氏模量和折射率,常用的导电聚合物主要3,4-亚乙二氧基噻吩、聚乙炔、聚苯胺、聚苯乙烯磺酸盐和绝缘聚合物,它们主要是应用于太阳能的开发和电池领域.一般在碳纳米管CNT中,用的是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的材料在制造传感器的方面,制作的工艺也是相当多的,列如像光刻、丝网印刷、喷墨印刷和激光切割等一系列的办法,常常我们都是依据柔性传感器的尺寸来选择适当的制作工艺.

1、2感测指标类型

可穿戴的柔性传感器多数都是应用于人体生理指标的检验,所以被人们广泛的应用的我们的生活中.它一般都是通过检验人的生理指标,像血压、胆固醇含量、PH值,通过检测这些我们就可以针对性的人体的健康状态提出对应的参考建议.在我们的生活中主要的应用仪器有电化学传感器、压力和应变传感器和磁场传感器等.电化学传感也是多年以来最为常见的一种柔性传感方式,传感器之所以被人们广泛的应用在我们的生活中那是因为它具有特有的化学和电子特性,这也使得在不同类型生化传感中是最好的选择,我们常见的电化学传感有监测葡萄糖、PH值和胆固醇等等,葡萄糖和PH传感器主要是由CNT开发而来的.它运作的原理主要是它的曲率侧壁和疏水性质是通过r一键合来提供它们之间的强烈相互作用,而有些传感器则是用逐层结构,使得它们具有更为坚固的结构,为了显影基材我们一般都是用PDDA和PET,而用一COOH基团官能作为电极的SWCNT来增加电极的氧化性.当使用葡萄糖传感器的时候,为保持传感器高的灵敏度则要使传感器所处的pH值保持在5～9的范围内,像其他的电化学传感器,列如像胆固醇传感器.胆固醇是组成动物细胞的细胞膜中所形成的一种脂质,制造这些传感器我们一般都是采用SWCNT和溶胶凝胶结合的MWCNT.为了便于制作的传感器结合的额更为紧凑,我们常用LBL的方式使得传感器结构化,所以像这种传感器在丝网印刷、旋涂等方面开发的更好,在传感器的表面我们常单独用像胆固醇氧化酶这样的生化酶.

除了以上所说的传感器,像压力和应变传感器也是柔性传感器较为标准的应用,到此为止,已经研发了不同类型的压阻和压电传感器,监测的生理参数一般是通过绷带、手套等方式进行,像这些传感器在GF（应变系数）和所承受的拉伸和压缩应变的百分比变化而不达到断裂点,而一些传感器被制作成电子绷带,也被应用于触觉传感和人工智能.在进行研发的过程中,研究者在实验中都是测试一些应变传感器的导电率的变化,使得应变达到300%和GF是50,制作这些传感器一般都是TPU（聚氨酯纳米复合材料）和纳米复合材料纳米复合材料,把NFC（原纤化纤维素）当做填料.

磁場传感器则是用有聚合物箔的无机功能纳米膜研发的一种,它是通过8个传感器的线性阵列、霍尔效应和高体积的灵敏度,通过这些特性,便研发了一种可以穿戴的电子鼻,它所形成的传感器阵列是由CNT和PEN的纳米复合材料所制造的,而在聚层的顶部则是用的旋涂和热固化的PI层制作的水凝胶系统和电生理传感器.制作电极的则是用Cr和Au金属并使用电子束进行蒸发,制作的器件则被应用于ECG,应力一应变测量,除了使用这两种金属之外,合金也被用于WFS进行生物传感器的开发,列如像使用SbzTes和BiTes薄膜热电偶来制造低功率、柔性的微热电发机.

1.3具体的实现举例

第一种是可穿戴的口服钠传感器,主要是被用于患有高血压和其他的疾病的病人.当人体摄入过量的食盐,就会使得人体的血压增加而导致心脏的并发症高发率,为了时刻监测食盐的摄入量,研发者便开发了一种灵活并可伸缩的无线传感系统,这样就会在佩戴在口腔中时时刻监测人体钠的消耗量,它实现的原理便是基于超薄透气弹性膜,来集成小型化的柔性电子系统,并使用相应的蓝技术和智能手机或平板电脑进行连接来测试钠消耗的无线报告.随着科研人员不断将系统进行小型化,使得制造的仪器和牙科保持器类似,从而达到和牙齿相同的大小.在进行口内传感器的研发的时候,就必须让网状电路连接的生物相容性,除此之外,要用一些超薄部件替换传统的塑料和电子仪器,随着研发进度的不断提升,钠传感器也在市场上销售的很好,但是从使用者的反应中还是有某些缺点要研发者继续改进.所以研发者便研发了一种灵活的微膜版本,使得和微型混合电路集成,这样使得整个传感器与电子组件均匀的和用户的柔性材料相结合,传感器的佩戴也是较为舒适的,便于将获取的数据输人智能手机或是平板电脑.在通过网络运输到医生和医疗人员的手里进行远程的监控,这样灵活的设计便于研发者的建模,以此来优化医疗器械的性能,就可以和弯曲而柔软的口腔相完美结合,随着现在无机材料的快速发展,科研人员又研发了一种纳米膜电路并选择组件.

此设备可以对人体的钠摄入量进行实时的监控,同时记录每日的摄人量,此设备可以和相距10m的通讯设备进行连接.这种设备还可以和多个设备进行操作,对人们的饮食和治疗等饮食行为定向的控制,对于钠传感器的第一步就是使得设备小型化,在和有医疗条件的用户进行实验,主要是测试的对象有：高血压、肥胖和糖尿病.为了取消小电池,就得对传感器每天进行充电,常用的一种传感充电方式为感应充电,用从嘴向外发射器来获得电力的线圈代替复杂电路和电池.

第二种是可穿戴设备测心率,常被用于商业上的可穿戴的设备,现在被用于在我们生活中的有Fitbit和AppleWatch,获取它的心率是用体积描记术的光学模式.使用这种方式使得发光二极管和皮肤零接触,通过这样来照亮动脉上的光,它是通过吸收和散射光后,光电二极管检测反射光,主要是因为含氧的血红蛋白具有高的光吸收,因此可以通过心脏收缩来观测较小的反射光的强度.在实验时,考虑到测量的反射是能通过环境光的,就用运动和接触质量来进行

调制,使用复杂的算法来获取相应的心率,即使建立了测量重症监护病房和血氧饱和度和急诊病房的光学方法.然而他还是会有一定的缺漏,那便是在使用穿戴设备的长时间的心率监测,它的准确性和接触质量就是一种高的挑战,还有就是能量的消耗问题,一般是采用降低探测器系统长时间功耗的常用方法.通过用快速LED和短时间里捕获数据的光电探测器来减少系统的占空比,使得这两者维持在平衡中,主要是在功耗、精度和运动灵敏度,当今有一种LED和光电探测器HR传感器使用刚性的连接在一起,也有对灵活的光学HR传感器进行开发的,它可以提供更好的皮肤接触和改进的设计形式.在最近的一道报道中,由有机发光二极管凹（OLED）和有机光电二极管（OPD）来制作柔性脉冲血氧计贴片,在实验室中已经证明了它是具有测量心率的估计值和市场上售卖的脉搏血氧仪是具有相似的灵敏度.

通过多个小组的几番尝试,测量出一种用于心率可穿戴监测的心电图（ECG）,在心脏病学上的黄金标准是12导联心电图,一个心电图导联可以提供相应的心率,这样就可以监测一些心脏的突发状态,像心率失常,在使用ECG监测的方法是在胸前设置两个电极,获得导联IECG.般的电池的电极通常都是用Ag/Ag-Cl,为了改善接触,采用凝胶,这是因为开发柔性的和千燥电极是有一定意义的,共有两种方式是将小电容电极和必须的信号处理和通信电路一起载入棉质的T恤里,第二种用带的形式设计电极,附接到前臂来提供一个导联的ECG,把两个电极并人一个柔性带,在和其余的电路一起监测心电图,如图1中c、d,但用于可穿戴的UR监测的ECG的缺点是这种模式对运动伪影的高度敏感性,对于可穿戴设备是使用干电极的影响.

2柔性应变或压力传感器

近几年里有一种传感器引起了人们较大的关注度,那便是用于人力资源监测模式的柔性传感器.Soltanian的团队就研发了一种柔软而贴合的应变的传感器,它是由包裹在弹性体中的导电纳纤维网所制造".而灵活的压阻式传感器是用静电纺丝制造的,它具有快速、精确和可重复的应变传感行为,应变的系数可以达到60,并且此传感器能实现低至yW的低功率传感器,应变敏感性是通过封装弹性体的弹性体的弹性作用使得NF间接的可逆脱离或是连接,将应变传感器放在桡动脉上.这样就可以精准的显示脉搏率和清晰的脉搏波形,在通过脉搏波速度（PWV）来测试均匀的血压估计值,其压力传感器在报告心率监测的目的,而另一种可生物降解的压力传感器是由一层柔性电容器所制造的,叠层是在两层的柔性基板之间,在PCS（甘油癸二酸酯）,上生产出一种微金字塔形状的结构.通过外部的压力对压力进行弹性的变形,把传感器放在人体不同的位置,像桡动脉,股动脉和颈动脉,它就可以显示实验HR和脉搏波形监测的行使性.在一种可穿戴柔性传感器的贴片便是FPS和ECG电极集成在一起,用来测试心率和估计血压,其中FPS传感器则是由Au交叉电极和一层碳装饰织物整合而成的,两个组件都是采用PEN（聚萘二甲酸乙等于二醇酯）进行封装,装置的压阻特性源于值压制和释放循环期间的碳颗粒和电极之间的接触的变化.

除了以上的传感器,我们还有一种传感器那便是用于呼吸速率监测的可穿戴传感器,呼吸频率是人体重要的生命特征,测试的重要指标那便是呼吸的频率.

而且呼吸频率也是心肺疾病的一个重要指征,列如像急性呼吸综合征（ARDS）,慢性阻塞性肺病（COPD）、肺炎、肺栓塞、肺水肿和其他一些疾病,还可以用于严重的临床状态.但是在实际的操作中还必须改进它的测量精度,这就必须研发出新型的传感器.呼吸监测分为2种,分别是非接触式和接触式,非接触式有红外热成像,它是基于雷达和光学的方法不和患者有直接性的接触.这也是研发的一个难点;而另外一个方面那便是此接触方式是通过可穿戴传感器来提供更为精准的实验结果,用于麻醉后的监护室（PACU）中的连续呼吸频率监测.它是将声传感器放在气道上,使得这些传感器所提供的數据便于移动,声学传感器最为重要的一个优点那便是能够检验到胸壁移动的气道阻塞.然而他并没有相应的

气流流入到肺部.另外的一种传感器则是使用新材料来制作的应变或者是压力传感器,使用石墨烯注入橡胶制作的导电复合材料,使得传感器的具有高的应变灵敏度,可以达到35,并能在超过800%的应变下进行工作（如图a、b）,将一片密封的橡胶复合材料放置在人体的喉部,精准的报告出呼吸机的呼吸频率（如图2c）,下图2中的d、e、f是基于石墨烯织物的应变传感器用于呼吸速率监测.

3结语

当今用于可穿戴的健康监测也是近几年里兴起的一个领域,可提升医疗的质量和可及性.在实验中为了解决高功耗、低精度、可靠性和重复性等问题也花费大量的精力,研发更多的新型材料,来适合在不同的环境中,也随着现在智能纺织品的快速发展,改善了传感器的一致性问题,主要是灵敏度和可持续性具有好性能的传感器,还有一个便是存储的问题,可穿戴的传感器.

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柔性引用文献: