[0001] 政府资助
[0002] 本
发明在由海军研究局授予的批准号为N00014-16-1-2044的政府资助下和由空军科学研究局授予的批准号为FA9550-15-1-0112的政府资助下完成。政府对本发明享有某些权利。
[0004] 本专利申请要求于2017年5月23日提交的美国临时专利申请序列号62/509,954的优先权和权益，该美国临时专利申请全文以引用方式并入并成为本文的一部分。
背景技术
[0005] 在美国，心
血管疾病(CVD)是致死的主要原因，每年给国家带来数千亿美元的负担。为了降低由CVD造成的死亡率和社会成本，可能需要可穿戴的连续心血管监测装置以便及时诊断和
治疗CVD。
[0006] 心血管功能可通过感测心脏的电活动(例如，心电图)来监测。此外，心血管功能可通过感测心脏的机械或声学活动(例如，心音图、心震图和心冲击图)来监测。
[0007] 感测电活动和机械-声学活动提供补充性信息。例如，电活动可提供有关心肌传导的信息，而机械活动可提供有关心肌收缩的信息。
[0008] 传统上，已采用多种类型的设备来测量心血管系统的电活动和机械-声学活动。例如，可使用可穿戴的Holter监测仪获得心电图(ECG)；可使用
听诊器获得心音图(PCG)；可使用在胸部上穿戴的数字
加速度传感器获得心震图(SCG)，以及可使用摇床或放置在计重秤上的
力传感器获得心冲击图(BCG)。
[0009] 传统上，测量心血管系统的血压(BP)需要
血压计，该血压计使用加压袖套。袖套的紧缩/膨胀致使不可能进行每次心搏BP测量。然而，非常需要进行每次心搏BP测量，以便快速评估与CVD相关的各种病症(例如，心脏病、中
风、终末期肾衰竭和周围性
血管疾病)。
[0010] 为了感测每次心搏BP，ECG传感器(在胸部上穿戴)和血管容积图(PPG)传感器(在
手指上穿戴)可组合使用以测量脉压(PP)
波形传播通过一段动脉树所花费的时间。因为传感器配置不方便，所以这种方法对于长期感测来说并不现实。此外，常规
银/氯化银(Ag/AgCl)凝胶
电极可引起
皮肤刺激和脱
水，如果穿戴较长时间，可降低其性能。
[0011] 最近的研究已证实，可使用(i)心脏的电活动(即ECG)和(ii)由心脏的震动运动引起的胸壁的局部震动(即SCG)或由心脏上的冲击力引起的整个身体运动(即BCG)的同步测量来估计每次心搏BP。
[0012] 用于同步测量ECG和SCG(或BCG)的常规方法仍然受到可靠性、准确性、成本、可达性和/或舒适性的挑战。例如，在人的胸部上安装刚性加速度传感器或刚性
压电换能器以在较长时间段内测量SCG是不舒服的和不切实际的。
[0013] 因此需要一种用于同时测量心血管电
信号和心血管机械信号的一体式、可穿戴的SCG传感器和ECG电极贴片以估计每次心搏BP。
发明内容
[0014] 因此，在一个方面，本公开包括一种双模式表皮传感器，该双模式表皮传感器用于同时测量心电图(ECG)和心震图(SCG)的信号。双模式表皮传感器包括粘附到并适形于表皮的柔性基底。ECG传感器由在柔性基底表面上的一
对电极形成。这一对电极中的每个电极均构造成电极图案以允许ECG传感器随柔性基底挠曲以适形于表皮。此外，SCG传感器由在柔性基底的表面上的压电材料的膜形成。压电材料构造成压电图案以允许SCG传感器随柔性基底挠曲以适形于表皮。
[0015] 在示例性
实施例中，双模式表皮传感器的柔性基底为水性胶体医用
敷料，在一个侧面上有
粘合剂以粘附到表皮。在一个可能的实施例中，水性胶体医用敷料的厚度小于50微米，并且其表面尺寸为大约65毫米乘40毫米。
[0016] 在另一个示例性实施例中，双模式表皮传感器的每个电极为在聚对苯二
甲酸乙二醇酯(PET)
支撑层上的金纳米膜(NM)。在一些情况下，金NM为大约100纳米(nm)厚。
[0017] 在双模式表皮传感器的另一个示例性实施例中，在柔性基底的表面上的电极图案为螺线型形状并且可包括用于连接到互连件的终端垫。
[0018] 在双模式表皮传感器的另一个示例性实施例中，压电材料的膜为聚偏二氟乙烯(PVDF)。在一些情况下，PVDF为小于30微米厚。
[0019] 在双模式表皮传感器的另一个示例性实施例中，柔性基底的表面上的压电图案为螺线型形状，并且在PVDF材料的膜的顶部表面和底部表面上可包括镍
铜电极。
[0020] 在双模式表皮传感器的另一个示例性实施例中，SCG传感器设置在ECG传感器的在柔性基底表面上的一对电极之间，因为这对电极可间隔开大约3cm。在一些情况下，SCG可被第二柔性基底
覆盖以使其与表皮隔离。
[0021] 在另一个示例性实施例中，双模式表皮传感器的总厚度小于125微米，并且在一些情况下，双模式表皮传感器的总
质量为150毫克或更少。
[0022] 在另一个示例性实施例中，电极图案和压电图案为螺线型图案，该螺线型图案具有大约2毫米的
曲率半径以及介于0.4和0.8之间的宽度与半径比率。
[0023] 在另一个方面，本公开包括一种制造双模式表皮传感器的方法。该方法包括通过将金沉积到PET膜上而形成电极片。然后将电极片附接到第一虚置基底上，并切割具有螺线型图案的一对电极，该螺线型图案适形于表皮以感测
电信号。然后将这对电极从第一虚置基底转移到柔性基底上。然后该方法包括将PVDF的膜附接到第二虚置基底上并且切割具有第二螺线型图案的
压电传感器，该第二螺线型图案适形于表皮以感测机械扰动。然后将压电传感器从第二虚置基底转移到在所述一对电极之间的柔性基底上。最后，用第二柔性基底覆盖在柔性基底上的压电传感器。
[0024] 在另一个方面，本公开包括一种使用双模式表皮传感器的方法。该方法包括将具有心电图(ECG)传感器和心震图(SCG)传感器的双模式表皮传感器靠近心脏附接到胸部。然后分别将ECG测试设备附接到ECG传感器并将SCG测试设备连接到SCG传感器，以同时测量心电图和心震图。
[0025] 在使用双模式表皮传感器的方法的示例性实施例中，该方法还包括从心电图和心震图计算每次心搏血压(BP)的步骤。
[0026] 本公开的上述例示性发明内容以及其他示例性目标和/或优势及其实现方式在下面的具体实施方式及其
附图中作进一步阐释。
[0027] 附图简要说明
[0028] 当结合附图考虑时会更好地理解本发明的各种其他对象、特征和伴随优势，因此将完全理解本发明的各种其他对象、特征和伴随优势，在附图中，类似的参考字符表示在若干视图中相同或相似的部件，并且其中：
[0029] 图1以图形的形式示出了根据本公开的示例性实施例的用于电和机械-声学心血管(EMAC)感测的一体式传感器/电极。
[0030] 图2以图形的形式示出了根据本公开的示例性实施例的用于EMAC感测的一体式传感器/电极的制造工艺的操作。
[0031] 图3以图形的形式示出了根据本公开的示例性实施方式的用于同时感测ECG和SCG的附接到胸部的示例性一体式传感器/电极。
[0032] 图4以图形的形式示出了根据本公开的示例性实施方式的来自用于EMAC感测的一体式传感器/电极的同时测量的ECG和SCG信号。
具体实施方式
[0033] 在公开和描述本发明方法和系统之前，应当理解本发明方法和系统不限于特定合成方法、特定部件或具体组成。另外应当了解，本文使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，并非旨在进行限制。
[0034] 如在
说明书和所附
权利要求书中所用，单数形式“一个”“一种”“该”和“所述”包括复数指代物，除非上下文另外明确规定不是这样。范围在本文中可表示为从“约”一个特定值和/或至“约”另一个特定值。当表达此类范围时，另一个实施例包括从一个特定值和/或至另一个特定值。相似地，在利用前词“约”将值表示为近似值时，应当理解，该特定值形成另一个实施例。还应当理解，每个范围的端点在相对于另一个端点和独立于另一个端点方面都是显著的。
[0035] “任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括所述事件或情况发生的情况和所述事件或情况不发生的情况。
[0036] 在本说明书的说明和权利要求书中，字词“包括”和该字词的变型诸如“包含”和“具有”意指“包括但不限于”，并不旨在排除例如其他添加剂、部件、整体或步骤。“示例性”意指“……的示例”并且不旨在表示优选的或理想的实施例。“诸如”不用于限制性意义，而是用于阐述性目的。
[0037] 本发明公开了可用于执行本发明所公开的方法和系统的部件。本文公开了这些及其他部件，并且应当理解，当公开这些部件的组合、子集、相互作用、组等时，虽然可能未明确公开这些部件的每个不同的单独和集体组合和排列的具体参考，但是其中每个在本文中均得到特别考虑和描述，以用于所有方法和系统。这适用于本专利申请的所有方面，包括但不限于本发明所公开的方法中的步骤。因此，如果存在可以执行的各种附加步骤，则应当理解，这些附加步骤中的每个均可用本发明所公开的方法的任何特定实施例或实施例的组合来执行。
[0038] 通过参考优选实施例的以下具体实施方式和包括在其中的实例并参考附图及其前面和后面的说明可更容易理解本发明方法和系统。
[0039] 本公开包括一种超薄的(例如，约122μm)、可拉伸的(例如，约60％)表皮贴片，该表皮贴片具有用于心血管监测的一体式心电图(ECG)电极和心震图(SCG)传感器。
[0040] SCG传感器和ECG电极(即ECG传感器)在单个可穿戴的贴片上集成在一起，在示例性实施例中该贴片的尺寸为63.5毫米(mm)×38.1mm×0.122mm，尽管在本公开的范围内设想了任何尺寸。当施用到胸部上时，该贴片可与测试设备一起使用以同步测量ECG和SCG。因此，该贴片可被称为双模式(即，ECG和SCG)表皮传感器。
[0041] SCG传感器为将机械能转
化成电能并且不需要电源的压电材料(例如，聚偏二氟乙烯)。ECG电极为空间上分开的金膜图案，当与皮肤
接触时，将来自身体的电
信号传输到一件测试设备上。
[0042] 用于电和机械-声学心血管(EMAC)感测的一体式传感器/电极提供优于用于心血管监测的其他装置/系统的若干优势。第一，用于EMAC感测的该传感器/电极不包含任何刚性部件。第二，该传感器/电极的操作不需要任何电源。第三，该传感器/电极可适形地且不显眼
地层合在人胸部上，不会由皮肤造成显著的声阻抗失配。第四，该传感器/电极可用于同步测量ECG和SCG，这使用于估计血压的方式更方便。第五，该传感器/电极可使用快速且有成本效益的切割-拼贴工艺制造。
[0043] 该传感器/电极以螺线型图案成形以提供柔韧性，从而替换通常使用的庞大且刚性的替代方案(例如，商用加速度传感器)。如下文将进一步描述，选择螺线型图案以平衡柔韧性(即，舒适度)和灵敏性(即，性能)。在示例性实施例中，该传感器/电极具有150毫克(mg)的质量、122微米(μm)的厚度和8.5兆帕(MPa)的有效模量。这些值代表已知最轻且最薄的机械-声学-电生理学(MAE)感测平台。可穿戴性和测量灵活性使得一体式传感器/电极适用于需要心脏的大多数医学、健康和/或健身应用。
[0044] 如所提到的，一体式传感器/电极可用于同步测量ECG和SCG。该方面允许估计血压(BP)。为了估计BP，使用施用到测试受试者的胸部上的传感器/电极测量ECG信号和SCG信号。所测量的ECG的R峰和所测量的SCG的AC峰之间的时间间隔表示等容收缩时间(IVCT)和左心室射血时间(LVET)的总和。R峰和AC峰之间的该时间间隔被称为“RAC”。已证实，RAC与心脏收缩/心脏舒张血压(BP)高度相关。因此，可使用RAC获得BP的估计值。
[0045] 传统上，每次心搏BP监测仪利用
脉搏传导时间(PTT)来估计BP。然而，测量PTT需要放置于测试受试者身上不同
位置的两个传感器。因此，测量设置可能需要麻烦的
导线或收发器。相反，使用源于从一体式贴片获得的SCG/ECG信号的RAC测量每次心搏BP需要简单得多的设置。这种简单得多的设置对测试受试者来说更舒服。
[0046] 如所提到的，一体式传感器/电极可使用切割-拼贴方法制造工艺制成。该工艺有时间效益而且成本低，因为可在周围环境中在短于20分钟内生产一体式传感器/电极贴片。这是对需要昂贵的材料、昂贵的工具和长制造时间的传统微型品制造方法(诸如
光刻法)的改进。
[0047] 图1以图形的形式示出了根据本公开的示例性实施例的用于电和机械-声学心血管(EMAC)感测的一体式传感器/电极。可拉伸的EMAC感测贴片(即，纹身贴)100包括在大约12.5μm厚的支撑聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上的大约100nm厚的金(Au)纳米膜(NM)的丝状螺线型带102、104，以及大约28μm厚的丝状-螺线型形状聚偏二氟乙烯(PVDF)，其中在PVDF的顶部表面和底部表面两者上有大约200nm厚的镍-铜(Ni-Cu)电极106、108。Au NM
102、104和PVDF设置在47μm厚的软医用敷料(例如，TAGADERMtm)上。Au NM在一个侧面上暴露以直接接触皮肤；然而为了避免通过皮肤排出，PVDF具有额外的大约47μm厚的软医用敷料的
覆盖层。由于
仪表放大器和后去噪处理的固有噪声去除能力，因此两个Au电极(在侧面上用箭头示出)102对于ECG感测是足够的。对于ECG测量，两个Au NM电极102通常间隔开大约
3cm。在图1所示的实施例中，SCG传感器110在贴片100的中心包括螺线型电极104。
[0048] 一体式传感器/电极(包括双层的TAGADERMtm)的总厚度为大约122μm并且总质量为大约150mg。因此，在人皮肤上层合传感器/电极，由于任意皮肤
变形而产生的机械限制可以忽略不计。即使在严重的皮肤变形之后，该传感器/电极仍可保持完全适形于皮肤，而不分层、滑移或出现机械故障，这确保高保真性感测。
[0049] 为了制造一体式EMAC感测纹身贴，可以使用干燥、自由的切割-拼贴方法。不是使用热释放
胶带，而是可使用弱粘合性转移带(例如，TransferRite Ultratm 582U)作为临时支撑体以避免PVDF的热变形。整个制造工艺可不使用化学品，不使用掩膜以及不使用
模版，并且可以在20分钟内完成。
[0050] 图2以图形的形式示出了根据本公开的示例性实施例的用于EMAC感测的一体式传感器/电极的制造工艺的实施例的操作。该工艺需要四个主要步骤以形成ECG电极(例如，Au tmNM)/将其转移至目标基底(例如，TAGADERM )和四个主要步骤以形成SCG传感器(例如，PVDF)/将其转移至目标基底。这四个主要步骤是：(i)将膜(例如，Au NM或PVDF)层合到虚置基底上(参见步骤1和6)；(ii)使用切割机切割膜(参见步骤2和7)；(iii)在切割后移除过量的材料；以及(iv)将剩余的图案转移到目标基底上(参见步骤3和8)。
[0051] 在该工艺的一种示例性实施方式中，将100nm Au热沉积在12.5μm PET膜上以进行支撑。为了固定膜防止其在切割过程中未对准，将76.2mm×50.8mm Au/PET膜附接到虚置基底上，该基底包括100μm转移带(例如，TRANSFERRITE-ULTRAtm 582U)和110μm背部
支撑膜(例如，INKPRESS MEDIAtm)。在若干分钟内，可使用具有通过机械制图程序(例如，AUTOCADtm)准备的切割图案的切割机(例如，SILHOUETTE-CAMEOtm)雕刻膜。使用
软件(例如，SILHOUETTE STUDIOTM)确定设定在
切割器上的刀片深度，以便不切割穿过虚置基底。在切割之后，使用转移带(2.2N/25mm，剥离粘合力@90°)和目标基底(35.6N，平均移除力)之间的粘合力差异将虚置基底上的图案转移到目标基底(例如，TEGADERMtm 3MTM)。
[0052] 在用于ECG的Au/PET(即，电极)图案转移到目标基底之后，附接四个25.4mm×3.81mm桥电极以连接PVDF膜的底部电极。桥电极也由Au/PET制成并使用附接的60μm背衬层(例如，AVERYtm)增强。当扁平柔性连接器(FFC，Clincher Flex连接器，AMPHENOL-FCItm)抓住桥电极时，背衬层保护Au/PET膜免于裂开。
[0053] 与Au/PET膜(即，电极)制备类似，将28.4μm PVDF膜(压电膜片，TE-TMCONNECTIVITY )附接到虚置基底并通过如上所述的切割机切成图案。接着，将PVDF图案转移到与桥电极对齐的目标基底上。最后，将覆盖层(例如，TEGADERMtm 3MTM)放置到
图案化PVDF膜上以防止压电材料直接接触皮肤。最终传感器/电极的总体尺寸为约63.5mm×
38.1mm×0.122mm。
[0054] 在图1中示出用于ECG电极和SCG传感器的图案为螺线型图案。与线型图案相比，螺线型图案可更好地拉伸并随皮肤挠曲；然而螺线型图案不提供同样高的
电压输出。提供合理平衡的一个示例性实施例为宽度与
曲率半径之比(即，w/R)为0.4(对于w＝500μm)的螺线型图案。该图案的有效模量为8.5MPa，这相当于人皮肤的
角质层的有效模量。
[0055] 图3以图形的形式示出了根据本公开的示例性实施方式的用于同时感测ECG和SCG的附接到胸部的示例性一体式传感器/电极。可优化传感器/电极的放置以提供最强的信号。图3也示出了附接到桥电极的互连件(例如，导线)。互连件也附接到DAQ测试设备(未示出)。
[0056] 图4以图形的形式示出了根据本公开的示例性实施方式的来自用于EMAC感测的一体式传感器/电极的同时测量的ECG和SCG信号。该图形示出了在
信号处理之后来自传感器/电极的同步测量的ECG(顶部)和SCG(底部)信号。标记了ECG的Q、R和S峰以及SCG的AO(主动脉瓣开放)、IVC(等容收缩)、AC(主动脉瓣关闭)和MO(二尖瓣开放)峰。在这些标记的特征中，ECG的R峰和SCG的AC峰用于估计BP。ECG的R峰是二尖瓣关闭的信号，PCG的第二个峰反映了主动脉瓣的关闭(与SCG的AC峰相同)。因此，ECG的R峰和SCG的AC峰之间的时间间隔为RAC间隔(即，心脏收缩)并由等容收缩时间(IVCT)和左心室射血时间(LVET)组成。IVCT是从二尖瓣关闭到主动脉瓣开放的时间，而LVET是主动脉瓣开放和关闭之间的时间。
[0057] 在说明书和/或附图中，已经公开了典型的实施例。本公开不限于此类示例性实施例。本领域的技术人员也将理解，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可构造上文描述的优选的和另选的实施例的各种改动和
修改形式。
[0058] 术语“和/或”的使用包括相关列举项目中的一者或多者的任何和所有组合。附图为示意图，并因此未必按比例绘制。除非另有说明，否则特定术语用于一般意义和描述性意义并且不用于限制目的。
[0059] 虽然已经结合优选的实施例和特定实例描述了本方法和系统，但并不旨在将范围限制于所述的具体实施例，因为本文的实施例在各方面旨在是例示性的而不是限制性的。
[0060] 除非另外明确指明，否则决不旨在将本文所述的任何方法解释为要求以特定顺序执行其步骤。因此，在方法权利要求实际上并未表述其步骤所遵循的顺序或者在权利要求书或说明书中没有特别指出该步骤将被限制为特定顺序的情况下时，则决非旨在在任何方面推断出某一顺序。这适用于任何可能的非表述的解释
基础，包括：关于步骤或操作流程的排列的逻辑问题；源于语法组织或标点符号的普通含义；说明书中描述的实施例的数量或类型。
[0061] 在整个本专利申请中，可参考各种出版物。这些出版物的全部公开内容据此以引用方式并入本申请，以便更全面地描述本方法和系统所涉及的
现有技术。
[0062] 对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明范围或精神的情况下，可作出各种修改和变型。对于本领域的技术人员而言，考虑到说明书和本文所公开的实践，其他实施例将显而易见。说明书和实例仅应视为是示例性的，真正的范围和精神由以下权利要求书指示。
