石墨烯脉搏波传感器

现今市面上的诊脉装置,基本上都是利用陶瓷电容或陶瓷电阻传感器,将带有传感器的绷带或腕带绑在手腕处,通过电机的控制来调节手腕的压力,这种设备的测量装置十分不便利,这种传感器很不柔软,测量结果也容易引起较大误差。现今大多数的脉搏监测设备都具有操作复杂,需要专业的测量人员等问题。为此,需要发明出一种既具有柔性、灵敏度高、稳定性好等特性,同时能够更精确的随时监测脉搏信号的柔性电容压力传感器。

石墨烯是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯可应用在多种电子设备上。另一方面,石墨烯比表面积高达2600m2/g。基于上述特性,可以将石墨烯用于制作一种高灵敏柔性传感器,可用来检测脉搏,查看脉象,可达到便携、快速、透明及耐用等效果。

基于石墨烯柔性压力传感器的脉诊仪,包括石墨烯电容压力传感器、腕带以及气囊气泵加压装置,其中石墨烯电容式压力传感器用于探测脉搏波的特征信息,腕带用于固定传感器以及气囊,气囊气泵加压装置用于模拟中医诊脉时三根手指加压的指法。石墨烯电容式压力传感器柔软、轻质、透明,具有良好的人体兼容性和高的灵敏度,可以贴在手腕上测量人的脉搏,判断脉象,适用于家庭、医院等各种场合。

石墨烯不仅可以做柔性可折叠的手机屏幕,还能够做柔性传感器,监测人体血压情况。

中科院重庆绿色智能技术研究院的魏大鹏博士研发了基于石墨烯柔性传感器的可穿戴式动态血压检测设备,他们应用石墨烯柔性力学传感器精确提取脉搏波,像智能手环一样可以随身携带,精准度更高,可以达到医疗级别。

这种石墨烯多点脉搏波血压监测智能穿戴设备,包括用于穿戴于人体手部的穿戴设备本体,所述穿戴设备本体上设置有若干用于采集脉搏波的石墨烯脉搏波传感器以及用于采集背景噪声的背景噪声传感器;智能穿戴设备本体上还设置有与石墨烯脉搏波传感器以及背景噪声传感器连接的电路模块,所述电路模块包括处理芯片以及用于供电的电源;所述石墨烯脉搏波传感器为若干个,分别设置在左右手的手指指腹以及手腕脉搏处。本实用新型不仅可以得到准确的脉搏心率次数和脉搏波特征信息,还可以利用三个不同位置处的脉搏波信号的延时,得到血流速度,并进而获得血压值。

魏大鹏说,现在的电子血压计采用充气加压,单点血压测量,虽然达到了医疗级的测量准确,但不能联网,无法实现智能监控;而智能手环采用光电传感器,虽然能够联网监测,但准确度较低。

而他们研究的石墨烯柔性力学传感器准确度能达到医疗级,同时可穿戴、可联网,能够实现对血压的实时监测。老人戴上这个手环,家人和医生在APP上就能看到老人的血压情况,遇到突发疾病还能报警。

他们还在研发石墨烯可穿戴式背心,对心电、心跳、脉搏等实时监测。

为了适应复杂多变的生存环境,很多生物(如变色龙、章鱼)通过改变表皮颜色达到伪装、保温及情感交流的目的。变色功能不仅提高了动物的生存能力,更提高了其繁衍能力。受自然界的启发,可产生丰富色彩的多功能电子皮肤应运而生,同时具备触觉和变色双重功能,通过颜色改变感知外界环境刺激,有望模拟、还原甚至取代人体皮肤。然而,传统压致变色材料受限于复杂的合成工艺和反应条件,变色阈值开启应变较大,难以监测微变形。因此,如何通过人造皮肤色彩的改变识别微小变形仍然是目前面临的挑战之一。

近日,清华大学、北京大学的研究人员合作开发了一种基于石墨烯的多功能电子皮肤,极大地降低了变色阈值的开启应变,在应变10%以内,通过快速变化的器件颜色准确地探测微小的变形刺激。将高灵敏的应变传感单元与可拉伸的有机电致变色单元一体化集成,应变传感单元感受外界力学刺激输出电学信号,进而调控变色单元的色彩输出。

由化学气相沉积法合成的编织结构石墨烯既作为应变传感单元的变形敏感材料,又作为电致变色单元的可拉电极。前者要求石墨烯变形作用下结构迅速改变,后者要求石墨烯在变形作用下结构稳定,如何解决这一矛盾是关键所在。该研究详细探讨了高分子衬底的作用,发现调节衬底刚度极大地影响了石墨烯与衬底间的相互作用及石墨烯的形貌,进而调控石墨烯的应变传感行为,使其从不灵敏的可拉伸电极材料转变为高灵敏的应变敏感材料。通过引入模量梯度的弹性衬底,该材料实现了传感、变色功能的一体化集成。结果表明,衬底和界面对器件性能的影响十分显著,分析一款功能材料的传感性能时应充分考虑衬底的作用,而不能将器件的性能仅归因于功能材料本身。

基于石墨烯的多功能电子皮肤在微应力传感、信息存储、商标防伪和发光器件等领域具有潜在的应用。同时,上述衬底调控功能材料应变传感行为的思路,也为相关柔性电子材料的设计带来有益的启发。例如,该研究团队近日开发了一款脉搏传感器,以石墨烯为敏感材料,可与人体皮肤紧密贴合,通过调节衬底的刚度获得了适中的器件灵敏系数和线性度,从而高保真地采集人体的桡动脉脉搏信息,并利用USB或近程无线蓝牙(Bluetooth)通讯技术将传感器采集到的生理信号传输出到智能终端(如手机、电脑),实现了脉搏波形的深入分析与诊断,有望为心血管等疾病的诊断提供参考。

石墨烯脉搏波传感器还可以用于中医脉象采集,其通过压力传感器,在桡动脉寸、关、尺三个部位检测脉搏信号,其开创性地模仿中医医师按脉指法的特点,按照中医举、按、寻的诊脉过程,利用全自动气体加压系统取脉,采集八个不同压力段的脉搏波波形,并自动分析脉搏的位、数、形、势和脉图的各项参数,可以将脉搏波分类为中医的28种基本脉类。

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