[发明专利]多功能纳米复合传感器和传感系统以及用于监测患者心血管系统的方法和聚合物组合物

说明书

技术领域

本发明涉及一种多功能纳米复合传感器、一种传感系统、一种用于长时间监测患者心血管系统的方法以及一种聚合物组合物。 

背景技术

电极在感知和测量生物电位信号的使用已经作为各种诊断工具的一部分（如用于监测心脏功能的心电图（electrocardiography）(ECG/EKG)并用于研究大脑活动的脑电图（electroencephalography）(EEG)等）在医学领域广泛实行。先前的相关技术中是使用金属电极，该金属电极通过随后接触皮肤的凝胶绑定电解液(gel-bound electrolyte)与其离子形式接触。通常使用的这类系统为“湿”电极，典型的为Ag/AgCl电极。文献上记载了这类系统具有的许多缺点，如需要皮肤准备，包括剃除头发和擦洗去除角质层。此外，对敏感皮肤的人而言，湿电极通常会引起皮肤刺激。 

Licata和Mitchell曾经利用填充有导电液体作为生物电位传感器的柔软弹性的刷毛进行先前关于生物电位传感器的工作(见美国专利6,510,333)。美国专利6,510,333所公开的技术无需皮肤准备，然而，该技术需要液体浸在刷毛中，也建议用磨料擦洗皮肤的方法消除皮肤表面的电阻。该刷毛也需要再填充，该过程贯穿其使用期，这增加了使用者的不便。 

Dunseath Jr.曾经在干电极组装上进行了先前关于干电极的工作（见美国专利4,865,039）。然而，据报道，使用负载有石墨的聚氨酯泡沫材料制成的电极起作用所允许的最大体积电阻率为200KΩ-cm。此外，这种组装需要铅放大器提高生物电位的信号强度。 

轨道研究公司(Orbital Research Inc.)的Schmidt、Lisy、Skebe和Prince曾经在无需任何皮肤准备的生理记录干电极上进行了先前关于干电极的工作（美国专利7,032,301）。这种先前技术的组件需要始终接触皮肤。为确保始终接触，这种组装需要刺穿皮肤以获得生物电位信号，这导致了使用者的疼痛和不适。 

发明内容

本发明的传感器材料的独特之处在于无需如擦洗的皮肤准备或用于收集信号的凝胶的存在。所述传感器材料的使用可以直接或不直接接触皮肤。所述材料提供了独特的性能特性，如它具有弹性、韧性、柔软、易熔融加工且导电的特点。所述传感器材料可以通过如纤维纺丝、片材挤出（sheet extrusion）、注射成型（injection molded）和压缩成型（compression molding）等商业的熔体加工技术进行加工。选择的加工技术的可用性导致了几种不同传感器组装的选择。例如，所述材料可以纺成纤维织成布用来做衣服、被单和臂带等。所述材料也可以进行片材挤出或注射成型成各种的形状和尺寸来符合更标准或传统的生物电位传感器组件。 

所述传感器材料可以装入包括各种模块的传感器系统来捕捉生物信号，将生物信号转化成可用格式并将可用格式整合到特定的终端应用程序上。另外，本发明的传感系统能测量应变和水分含量等。这赋予本发明的传感器独特的能力以作为例如单独的通用传感器，该通用传感器在使用顺序扫描诊断和监视的应用中用于测量多个参数，或作为用相同材料制成的用于平行测量上述参数的分段传感器。 

本发明涉及一种传感器系统，该传感器系统包括：(1)传感器材料，(2)传感器形式和(3)信号捕获接口。所述“传感系统”用于捕获生理信号，更具体地，用于皮肤表面所表现的生物电位的探测和测量，这些生物电位产生于 如心脏、大脑、神经系统、眼睛和肌肉等各种器官的活动。除了捕获生物电位信号，其他类型的信号如机械应变、水分含量和温度同样地可以使用所述传感系统进行探测。 

本发明包括一种含有传感器材料的传感器系统，该传感器材料含有聚合物/纳米复合化合物。一个具体的例子是聚合物和碳纳米管的复合物。所述材料可以用于使得无凝胶/干传感器无需任何的皮肤准备。而且，所述材料可以作为非接触(不直接接触皮肤)传感器，特别用于信号(例如存在的生物电位)的探测和测量。 

所述传感器材料可以利用几乎任何塑料的加工方法加工成多种形式之一，以便成为用户环境的一部分。一个具体的例子为以薄板形式作为床垫或椅子靠背的内衬。 

当加工成合适的形式后，将所述传感器附在信号捕获接口上用于捕捉、传输和处理被传感器材料收集的信号。一个具体的例子是可以被成型到片状的传感器中以产生信号传感器系统的嵌入式的绞线，该信号传感器系统可以用作通过连接到所述电线上捕获信号的“传感器垫”。