超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备

soi材料。
10.进一步地，所述柔性电路层包括定制式模拟电路，其模拟电路至少包含用于信号滤波和放大的电路模块。
11.进一步地，所述超声检测装备为可穿戴式外观，且通过柔软亲肤的纺织物与膝盖固定，其外观结构为贴片式或绷带式。
12.以上技术方案具体展开来说：
13.本发明膝关节活动及血流变化超声检测设备，具体包括至少一个生物粘合层，其材料可以但不限于是pdms、弹性耦合材料、有机化合物合成的匹配层，用于匹配pmut阵列，可以减少人跑步、运动时的动态干扰；一个超声波收发层，用于超声波的发射和接收，超声波收发层由pmut阵列组成，上述pumt阵列由常规mems工艺流程制备，其衬底材料可以但不限于是si、cavity-soi等材料。其中，超声波发射器向体内发射超声波，用于探测关节，积液、血流量(速度)等信息，接收模块接受两种信号，一是接受超声回波，二是可用于采集膝盖摩擦、振动产生的声音；一个柔性电路层，收集到的超声信息及回波可到数据处理模块，进一步过滤、放大、量化采集的超声波信息。再与临床上的诊断标准结合，通过算法提取声波特征，最终得出膝关节健康评估结果。以及包括无线传输模块和智能终端，方便用户能实时读取有关健康数据，接收系统给出的提示、预警，实现提前预防，及时治疗的效果。
14.上述超声波收发层包括pmut阵列，用于向膝关节内发射超声波，并在探测关节组织积液后形成超声回波。超声波收发层所包括的pmut阵列还可以接收超声波信号，用于采集膝盖摩擦、振动产生的声音，以及接收回波信号。pmut阵列由mems工艺制备而成，且可与coms电路兼容。生物粘合层可以但不限于是pdms、弹性耦合材料、有机化合物合成的匹配层，用于减少人跑步、运动时的动态干扰。采集信号，要经过柔性电路层处理、分析，该电路模块可采用特定的数字、模拟、混合电路来放大、过滤、量化采集的超声波信息。
15.上述经过处理的采集到的超声波信息，可用机器学习算法进一步量化，与临床上的诊断标准结合，得出最终的膝关节健康评估结果，再通过无线通讯模块(蓝牙传输协议等)传输到智能终端上。
16.本发明的技术原理如下：
17.人体在活动的过程中，膝关节铰链处会产生相应的摩擦，会形成特定频率的关节声音，健康的膝盖和受到不同程度损伤的膝关节所形成的关节声音是不同的，因此可以通过分析传感器采集到的声音信号来判断膝关节的健康情况。除此之外，关节局部的血流速度(量)、关节积液(水肿)等信息也能从另一维度反映膝关节生理功能状态。目前大多是采用电生物阻抗(ebi)的方法来探测膝关节水肿情况，在这种情况下，需要向膝关节肌肉组织注入一个小电流来实现探测功能，则至少需要两套不同的传感器系统(超声系统和ebi测量单元)，本发明提出用收发超声波来代替小电流的的方法来检测膝关节健康状态，其中，超声波的收发用pmut阵列来实现，利用贴合人体皮肤，有弹性，粘合能力强的材料作为基底，同时在pmut阵列上覆盖一层柔性电路层，用于信号的收集和处理，利于后续小型化、集成化的设计。
18.本发明的优点及有益效果：
19.本发明的核心主要是pmut阵列的结构创新(通过柔性材料封装与顶层电路层集成，且pmut单元有角度的空腔设计)，以及应用场景创新。其利用pmut阵列发射超声波并接
收其回波来探测膝关节的活动情况、水肿和血流等生物信息，同时pmut阵列还可以接收膝关节摩擦的声音。这是一种无需植入式的检测方法，而且使用贴合皮肤的材料作为生物粘合层，顶层覆盖柔性电路层，将pmut阵列与柔性电路层集成，大大缩小了检测装置的体积，具有小型化、集成化的优点，多个模块可以通过mems工艺集成到芯片上，占用空间小，与穿戴式贴片结合，通过穿戴式贴片或其他一切合适的穿戴式外观固定在膝关节处，方便与皮肤紧密贴合，以达到日常使用、及时检测和运动步态纠正的效果，此外该检测方法还可作为术后康复阶段的有效辅助手段。
附图说明
20.图1是人体跑步姿态及本发明检测人体膝关节活动及血流变化的示意图；
21.图2是人体膝关节解剖示意图；
22.图3是本发明膝关节健康检测设备的示意图；
23.图4是本发明膝关节健康检测设备的另一示意图；
24.图5是本发明检测设备的立体图层结构示意图；
25.图6是本发明检测设备的截面结构示意图；
26.图7是本发明检测设备的另一截面结构示意图；
27.图8是本发明检测设备的另一截面结构示意图；
28.图9是本发明检测设备的另一截面结构示意图；
29.图10是本发明检测设备的另一图层结构示意图；
30.图11是本发明检测设备的另一截面结构示意图；
31.图12是pmut阵列的简单俯视图；
32.图13是本发明检测系统的框架图；
33.图14是本发明检测设备的示意图及其立体结构图。
34.图中：1、滑膜；2、半月板；3、关节囊；4、髌上囊；5、髌骨；6、髌前滑囊；7、髌下囊；8、软骨；9、股骨；10、胫骨；11、第一智能终端；12、第二智能终端；13、超声波接收贴片；14、超声波发射贴片；15、超声波收/发贴片；100、人体跑步姿态图；101、膝关节检测设备；200、膝关节解剖图；301、贴片式设备示意图；302、贴片式外观；401、环绕式设备示意图；402、环绕式外观；500、检测设备立体图层结构；501、生物粘合层；502、超声波收发层；503、第一柔性电路层；110、第二柔性电路层；601、生物粘合层；602、衬底层；603、压电层；604、电极层；605、顶层柔性电路层；606、柔性封装；607、具有倾斜角的空腔；807、矩形空腔；115、旁路柔性电路层；120、传感器阵列。
具体实施方式
35.以下结合附图与具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
36.如图1-4所示，为本发明检测设备系统结构示意图。
37.实施例1
38.如图1所示，是膝关节活动健康检测系统，其中膝关节声音的检测原理是声学传感器捕获特定频率范围内的超声波信号，膝关节活动过程中由于股骨、髌骨、韧带等关节部件之间的摩擦，会产生一定频率的声波(振动)，声波可经关节组织传输到皮肤，从而被声学传
感器所收集到。不同人群的膝关节软骨情况、关节病变情况，所发出的声音信号的特征是不同的，因此可以通过检测关节发声频率、特征峰值等来分析得到膝关节健康情况。
39.除了关节声学信号的采集，还包括主动向膝关节组织发射一定频率的超声波，以检测组织水肿，关节积液等情况。在现有研究技术中，大都采用电生物阻抗测量方法(ebi)来探测组织水肿，ebi方法是向体内注射小电流，由于骨骼、组织的结构不同，会有不同的电压降，即得到不同的电阻抗。该方式虽然可行，但测量精度不够高，需要的模拟前端设计电路难以设计，而且可操作性复杂。将上述方式改为向体内发射超声波，通过检测超声回波来达到目的。还有一个优点是可以仅使用一种超声波收发设备完成多个模块的测量，降低系统的复杂性。本发明仅用超声波便可以从多维度去评估关节健康情况，接受两种超声信号，使分析结果尽可能准确全面。
40.如图3所示：
41.301是本实施例中贴片式检测设备在人体膝盖上的检测测示意图；302是其贴片式外观，超声波收发模块分别位于两个贴片超声波接收贴片13、超声波发射贴片14上，传感模块、电路处理模块，微处理器、无线通讯模块、包括电源等都可以通过mems工艺集成到一块或者多块芯片系统上，后续封装可通过柔性材料或纺织物与皮肤贴合固定在在髌骨两侧，方便日常检测，对皮肤也无负担。此外，经过处理得到的数据可以通过无线通讯模块传输到第一智能终端11或第二智能终端12上，以供用户及时得到反馈的膝关节健康评估信息。
42.实施例2
43.如图4所示，显示了本实施护膝环绕式检测设备在人体膝盖上的检测示意图401，其外观是护膝环绕式402，超声波收发模块位于同一超声波收/发贴片15上。无论哪种外观形式，均会采用柔性衬底或舒适贴合的生物粘合材料，作为与皮肤的接触层。经过处理得到的数据可以通过无线通讯模块传输到第一智能终端11或第二智能终端12上，以供用户及时得到反馈的膝关节健康评估信息。但本发明并不以此为限。其中，待检测部位除了上述描述的膝关节，也可用于腕关节、肘关节、踝关节处。
44.图5是本发明检测设备的立体图层结构示意图，根据实施例1，检测系统的生物粘合层501支撑有超声波收发层502，其中超声波收发层502由pmut阵列组成，pmut阵列由mems工艺制备而成。超声波收发层502用于向体内发射信号，同时接受包括回波和膝关节活动摩擦音在内的两种信号。生物粘合层501由柔性材料制备而成，用于匹配超声波收发层502与皮肤。第一柔性电路层503覆盖在超声波收发层502上，第一柔性电路层503包含电路处理模块，用于采集、处理并传输超声波信号。其中，电路处理模块可以采用定制的模拟前端电路、带通滤波器、数模转换等预处理采集的超声波信息，将得到的信号过滤、放大、去背景噪声。后续再通过机器学习、算法等做进一步的数据处理、量化。根据临床上的诊断标准和收集的样本信息，识别判断出不同膝关节的损伤程度、病发情况，并通过无线通讯系统将信息反馈到智能终端，生成膝关节健康情况报告，给予用户及时的通知和预警。或作为做过膝关节相关手术(全膝关节置换等)患者，康复期间的医疗监护设备。
45.如图6所示，是图5检测设备的立体图层的截面结构图：
46.生物粘合层601上有衬底层602，其中衬底层602包含具有倾斜角度的空腔607。在衬底层602上方有压电层603和电极层604，这里只举例了具有一层压电层和一层电极层的结构，还可以是多层压电层和电极层的结构。为了让pmut阵列和顶层柔性电路层互不干扰，
在pmut阵列四周形成柔性封装606，在柔性封装606上方集成顶层柔性电路层605。
47.图7、8是区别于图6检测设备立体图层的截面结构图：
48.图7中，生物粘合层601上有衬底层602，其中衬底层602没有空腔。在衬底层602上方有压电层603和电极层604。为了让pmut阵列和顶层柔性电路层互不干扰，在pmut阵列四周形成柔性封装606，在柔性封装606上方集成顶层柔性电路层605。图8中，生物粘合层601上有衬底层602，其中衬底层602包含矩形空腔807，空腔807没有倾斜角度的设计。在衬底层602上方有压电层603和电极层604。同时在pmut阵列四周形成柔性封装606，在柔性封装606上方贴合顶层柔性电路层605。
49.如图9所示，为图5检测设备的立体图层的另一截面结构图：
50.生物粘合层601上有衬底层602，其中衬底层602包含具有倾斜角度的空腔607。在衬底层602上方有压电层603和电极层604，其中，压电层603和电极层604均匀覆盖衬底层602上方。为了让pmut阵列和顶层柔性电路层互不干扰，在pmut阵列四周形成柔性封装606，在柔性封装606上方集成有顶层柔性电路层605。
51.实施例2
52.图10是本发明检测设备的另一图层结构示意图：
53.包括生物粘合层501、超声波收发层502和第二柔性电路层110，其中第二柔性电路层110通过侧面与pmut阵列连接，相当于外接电路，用于处理信号并将其过滤、放大、去噪。后续再通过机器学习、算法等做进一步的数据处理、量化。根据临床上的诊断标准和收集的样本信息，识别判断出不同膝关节的损伤程度、病发情况，并通过无线通讯系统将信息反馈到智能终端。
54.图11是图10检测设备的图层的一种截面结构图：
55.生物粘合层601上有衬底层602，其中衬底层602包含具有倾斜角度的空腔607。这里只是举例一种衬底结构，但本发明并不仅限于此，衬底层还可以不包括空腔或包含没有倾斜角度变化的空腔，如实施例1种的空腔结构607、807所示。在衬底层602上方有压电层603和电极层604，这里只举例了具有一层压电层和一层电极层的结构，还可以是多层压电层和电极层的结构。为了让pmut阵列和顶层柔性电路层互不干扰，在pmut阵列四周形成柔性封装606，在柔性封装606外侧集成旁路柔性电路层115。
56.图12是本发明pmut阵列的简单俯视图：主要是组成传感器阵列120，用于接收和发射超声波，可以用密度较高的pmut阵列实现。
57.图13是本发明检测系统框架图：
58.超声波发射器向体内发射超声波，超声波接收器接收两种信号，分别是发射的超声波回波和膝盖活动过程中的关节摩擦音，超声波转换成电信号后，经柔性电路的电路数据处理模块，可以将得到的信号过滤、放大、去背景噪声。后续再通过机器学习、算法等做进一步的数据处理、量化。根据临床上的诊断标准和收集的样本信息，识别判断出不同膝关节的损伤程度、病发情况，并将其通过无线传输模块传输到智能终端，供使用者查看。
59.综上，本发明超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，利用超声的发射和接收就可以同时测量关节多种生物信息，准确度高，还可以集成到芯片上，体积小，贴片式或穿戴式的外观，便于日常使用，持续检测，达到及时预警的效果。

技术特征：
1.一种超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：该设备至少包括一个可穿戴式贴片，贴片上包括超声波收-发模块，用超声波测量膝盖健康状态；所述超声波收-发模块具体至少包括一个生物粘合层(501)，一个超声波收发层(502)和一个柔性电路层(503)；其中，超声波收发层(502)由pmut阵列组成，用以发射和接收超声波，发射超声波用于监测血流变化来评估膝关节组织水肿等病症；同时，pmut阵列接受两个信号的超声波，其中一个信号是发射的回波，另一个信号是膝关节活动过程中的摩擦音；生物粘合层(501)作为支撑基底，用于与皮肤良好贴合。2.根据权利要求1所述的超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：所述超声波收发层(502)为基于mems工艺所制备的，连同柔性电路层(503)、生物粘合层(501)一起集成到芯片上。3.根据权利要求1或2所述的超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：所述生物粘合层(501)为pdms材料，用来贴合皮肤；其材料是弹性耦合材料、有机化合物合成的匹配层，用于匹配pmut阵列，以减少人跑步、运动时的动态干扰。4.根据权利要求3所述的超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：所述pumt阵列由常规mems工艺流程制备，其衬底材料为si或cavity-soi材料。5.根据权利要求1或2或4所述的超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：所述柔性电路层(503)包括定制式模拟电路，其模拟电路至少包含用于信号滤波和放大的电路模块。6.根据权利要求5所述的超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，其特征在于：所述超声检测装备为可穿戴式外观，且通过柔软亲肤的纺织物与膝盖固定，其外观结构为贴片式或绷带式。

技术总结
本发明公开了一种超声检测膝关节活动及血流变化的可穿戴设备，包括一个超声波收发贴片。贴片上的超声波收发模块由PMUT阵列组成。贴片的组成结构包括：一个生物粘合层；一个超声波收发层；一个柔性电路层。其中超声波收发层，通过发射和接收回波，可以获取人体活动过程中关节摩擦情况和血流变化、积液等信息，采样得到的信息经过柔性电路层的处理，能得到个性化的健康反馈.此外，该膝关节检测系统还包括无线传输模块及相应外设装置。本发明仅用一层超声波收发层便可采集膝关节相关的生物信息；且采用MEMS工艺制备，该检测设备体积小，便于佩戴，能达到日常监护、及时预警的效果。及时预警的效果。及时预警的效果。


技术研发人员：刘文娟 曾敏 卢亮宇 胡博豪 蔡耀 刘炎 孙成亮
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/9