皮肤贴片

技术领域

本发明涉及一种测量体液的生物特征参数的皮肤贴片及其套件。

背景技术

随着健身制度变得越来越流行，人们已经将许多注意力集中在个性化训练上。汗液分析尤其可以指示健康状况。许多现有技术旨在收集汗液，然后在实验室环境中分析收集的汗液。但是，平均出汗率仅为每腺体每分钟约5nl。每平方厘米只有100个腺体，这就带来了一个问题，即很难收集足够的汗液用于实验室分析，并且到在实验室条件下进行分析的时候汗液是不新鲜的，从而降低了所得结果的准确性。

一些现有技术实时地分析汗液，例如US 2017/296114。然而，当测量如此少量的汗液时，特别是当汗液流淌倾向于不连续时，在获得准确数据方面存在问题。

因此，本发明的目的是克服现有技术中的至少一个问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了如权利要求1所限定的皮肤贴片。

本发明的皮肤贴片是一种可以在运动过程中佩戴的主动式测量装置。实际上，当体液与亲水性感测珠接触时，亲水性感测珠的电荷浓度发生变化以达到平衡并由传感器监测。这样，传感器生成实时定量数据，以便实时分析诸如汗液之类的体液的生物特征参数。

此外，由于传感器嵌入在亲水性感测珠中，所以即使在没有汗液的情况下，亲水性感测珠也可以保持电连接性，因此具有不断获取与亲水性感测珠的浓度有关的数据的潜力。因此，可以监测新鲜汗液以获得实时数据。通过将当前数据与过去表现进行比较，可利用该数据提供高度个性化的训练辅助工具，以广泛用于诸如健康、运动和军事行业等各个行业中。

根据本发明的第二方面，提供了一种如权利要求20所述的套件。

附图说明

现在将通过进一步的示例并参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1a是根据第一实施例的皮肤贴片的俯视图；

图1b是第一实施例的仰视图；

图1c是第一实施例的侧视图；

图2是使用中的第一实施例的一系列示意图；

图3是第一实施例的传感器部的示意图；

图4是第一实施例的亲水性感测珠的剖视图；

图5是与第一实施例的传感器部连通的第二层的示意图；

图6是根据第二实施例的皮肤贴片的感测部的透视图；以及

图7是根据第三实施例的传感器套管的剖视图。

具体实施方式

本发明的第一实施例是皮肤贴片，该皮肤贴片是用于监测各种生物特征参数例如汗液的化学组成的主动测量装置。然而，皮肤贴片不限于这种用途，还可以用于测量诸如眼泪、唾液或尿液之类的其他体液的生理参数。

图1a、图1b和图1c分别展示了皮肤贴片10的第一实施例的俯视图、仰视图和侧视图，皮肤贴片10包括第一层12和第二层14。第一层12是在使用中用于接触皮肤的下层，而第二层14提供上层。在使用中，皮肤贴片10以类似于膏药等的方式直接佩戴在使用者的皮肤上。皮肤贴片10的面积为1-25cm

如图1a和图1b所示，第二层14基本上是平面的，具有整体曲形的卵形、梨形、泪滴形或蛋形轮廓。更具体地，如图1a的俯视图所示，使第二层14的下半部分成圆形以提供基本半球形的轮廓，而第二层14的上半部分限定了圆形的上顶点。

如图1b和图1c所示，第一层12与第二层14共面，并且具有第一表面16和第二表面。第一层12的第二表面接触第二层14，并且具有与第二层14基本相同的蛋形轮廓和尺寸。第一表面16具有基本上为半球形的下半部和基本上是具有尖顶的三角形的下半部。然而，第一层12不必具有与第二层14相同的泪滴形状。

如图1b所示，当从仰视透视图观察时，第一表面16的表面积小于第二层14的表面积，并且布置于第二层14上方的中央。第一层12具有从第一表面16向第二层14倾斜的倾斜部分18。将粘合剂施加到第一层12的倾斜部分18，使得在使用中，当将皮肤贴片10施加到皮肤上时，粘合剂将皮肤贴片10保持在适当的位置。

皮肤贴片可以是柔性的并且还可以是可伸展的。皮肤贴片可以包括聚酯纤维，其允许皮肤贴片伸展。然而，皮肤贴片不限于使用聚酯纤维，并且可以包含其他合适的材料。

提供这种整体卵形或泪滴形的皮肤贴片提供了符合身体轮廓的人体工程学设计，从而改善了皮肤贴片10对皮肤的展性和施加。而且，该皮肤贴片可以施加于身体上的任何部位。图2展示出了皮肤贴片10可以被施加在身体上的示例，包括腋下以及颈部区域、背部区域和胸部区域。

第一层12包括具有多个微传感器的传感器部20，每个微传感器包括至少一个电极30。为多个传感器设置多个亲水性感测珠24，使得每个传感器嵌入每个亲水性感测珠24中。传感器被配置为测量亲水性感测珠24的浓度。

实际上，当汗液与亲水性感测珠24接触时，汗液和亲水性感测珠24进行分子或离子交换，从而达到电荷平衡。传感器监测并获得与亲水性感测珠24的电荷或组成的任何变化有关的数据，并且该数据可用于确定已经与亲水性感测珠24相互作用的汗液的组成，从而实时提供生物特征数据。

图3展示出了第一层12中的传感器部20的第一实施例，其包括亲水性感测珠24的阵列，每个亲水性感测珠24包括传感器。阵列的多个亲水性感测珠24经由一对电连接线26利用伴随的互连线27并联连接。如图3所示，提供了多个线对26。通过在电连接线26的阵列上并联连接亲水性传感珠24，可以测量更大的电流或电压以提高所得数据的精度。此外，将各个珠并联而不是串联连接确保了，如果任何亲水感测珠发生故障，电路仍可工作。或者，亲水性感测珠可以串联连接。

然而，在其他实施例中，连接器可以设置为将各个亲水性感测珠24彼此连接的栅格或网格。在另外的实施例中，亲水性感测珠24不彼此连接，使得每个亲水性感测珠24提供单独的数据。在另外的实施例中，亲水性感测珠经由柔性2D电路连接在可渗透的基础聚合物片材上。

多个亲水性感测珠24优选具有相互间隔的距离，以确保它们彼此不影响。优选地，相互间隔的距离至少等于亲水性感测珠的半径的五倍。这意味着可以获得结果总和的平均值，从而提高测量的准确性。例如，多个亲水性感测珠可以基本上均匀地分布在整个传感器部20上。

在第一实施例中，亲水性感测珠24嵌入在第一层12中的多根纤维内。纤维提供毛细管通道，毛细管通道通过皮肤贴片10并经过亲水性感测珠24，即在使用中朝向和远离亲水性感测珠24芯吸汗液。这样，纤维提供了用于输送汗液或其他体液以与传感器部20中的亲水性感测珠24接触的输送部。该输送部被配置为控制体液输送至传感器的速率。纤维还提供了用于将汗液排出皮肤贴片10的去除部，这样做，可以有效地去除旧的汗液。

优选地，多根纤维包括具有芯吸能力的弹性材料。在这样的实施例中，弹性材料可以具有双层结构，其内部具有相对较细的聚酯纤维，而外部具有较大的聚酯纤维，以形成从外部到内部的芯吸梯度。这具有使材料在皮肤上感觉干燥的优点。

汗液贴片优选地还包括银络合物，例如氯化银涂层，以阻止汗液气味。商业实例包括

在一些实施例中，可以在本发明的装置10上形成膜。该膜可以形成为部分地覆盖或优选地完全覆盖和包围贴片。膜可以是多孔的或无孔的，以允许体液透过膜或保护贴片不受外界环境的影响。这样，膜可以是可渗透的，从而允许体液从膜外部通过到达贴片内的传感器。

在替代实施例中，本发明的装置10不需要粘附到使用者的皮肤上，甚至不需要直接佩戴在使用者的皮肤上，而是可以集成到佩戴者/使用者的一件衣服中。在这种情况下，该装置可以编织到服装的材料中，也可以作为服装材料的一部分整体形成。当该装置被集成到一件衣服中时，它可以接触使用者的皮肤或可以与使用者的皮肤分离，从而该服装将使用者的体液芯吸到装置10上。或者，可以将该装置放置在一个周期性与使用者的皮肤接触的位置，从而与使用者的体液相互作用。这样的一个实例是该装置被集成到使用者的T恤的与使用者的皮肤分开的腋窝部分中。在体育锻炼过程中，使用者的姿势会导致装置与腋窝接触，从而与使用者的体液(在这种情况下为汗液)相互作用。或者，当将装置集成到使用者的衣服中时，装置可以配置为吸收由该装置所集成到的该件衣物所吸收的任何体液。

图4展示出了亲水性感测珠24和嵌入亲水性感测珠24内的传感器的第一实施例。

如图4所示，第一实施例中的亲水性感测珠24是大致球形的。然而，本发明的亲水性感测珠不限于该形状，并且可以形成为例如卵形或半球形。

亲水性感测珠24包括水凝胶28。每个亲水性感测珠24体积小并且成高度曲形而呈近似球形，从而使所得数据的信噪比最小。因此，每个珠优选是或包含水凝胶的液滴或斑点，其是独立的并且具有固定体积。亲水性感测珠24的半径在1μm-1mm的范围内，并且更优选地在30-100μm的范围内。亲水性感测珠24的体积在1fl–10μl的范围内。这增加了亲水性感测珠24的表面的分子或离子交换的通量，从而提高了电荷平衡的速率。电极30表面的分子或离子交换的通量也增加，从而增加了电极30对浓度或组成变化的响应速度。因此，提高了电荷的任何变化的检测速率，从而为准确的实时结果提供了快速的响应时间。

该传感器是电流型传感器，其包括嵌入在亲水性感测珠24内的两个电极30。该电流型传感器通过库仑法工作，其中通过测量积分电流来监测给定亲水性感测珠24中的指定变量(例如生物标记分子)的电荷浓度。具体地，每个亲水性感测珠24中的水凝胶28具有预定的体积和化学组成。给定变量的浓度的任何变化表示已经发生的任何分子或离子交换。

库仑法的好处是不必执行校准技术。这是因为，不管给定传感器的检测效率如何，所获得的电荷总量将相同。

电流型传感器可以通过测量乳酸水平来确定组织代谢，乳酸水平是整体和局部肌肉疲劳和恢复的指标。皮肤贴片10还可以监测葡萄糖水平，作为测量血糖的非侵入性手段。

提供聚合物以结合待测量的物种，例如乳酸盐和/或葡萄糖。在一些实施例中，通过诸如具有分析物特异性结合位点的生物蛋白之类的生物识别部分进行目标物种的识别。实例包括但不限于：酶，抗体，膜通道蛋白或结合分子，例如缬氨霉素(用于K+离子)。在其他实施例中，通过使用合成的结合位点来实现识别，所述合成的结合位点被选择为与其他化学物种相比选择性地结合分析物。实例包括但不限于：适体和合成离子载体。

根据要测量的物种预先确定聚合物。聚合物可提供在传感器电极上。

在一些实施例中，聚合物是水凝胶，其是结合了高水含量的高疏水性聚合物。在电流型传感器中，结合位点化学处理地接合到该聚合物以将结合位点们保持在珠内。水凝胶的例子是在0.01M PBS中包含30mg/ml白蛋白，60mg/ml PEG-DE，2％甘油的水凝胶，可以使用其他形式的水凝胶，并调节水凝胶以得到所需的性质。水凝胶提供了连续导电的环境，该环境允许珠始终提供导电性。

此外，可以打开和关闭电流型传感器。接通电极30以形成电路耗尽电荷，并且在平衡速率慢的情况下，断开电路以更好地平衡通过亲水性感测珠24的汗液。因此，最好定期打开和关闭传感器，这样可以检测出汗液中较小浓度的被测离子。另外，可以提高电流型传感器对较少量汗液的灵敏度。可替代地，可以通过保持电极30导通来提供连续检测。

在第一实施例中，电极30包括碳，而电极30的表面是铂基的。电极30的直径在10至50μm之间。此外，连接器26与连接每个传感器的伴随的互连线27一起被设置为直径在10至50μm之间的导线。

然而，本发明不限于电流型传感器。在其他实施例中，传感器是电位型传感器，其包括嵌入在亲水性感测珠24内的第一指示电极和在亲水性感测珠24外部的第二参考电极，该电位型传感器测量第一电极与第二电极之间的电压差。电位型传感器监测给定亲水性感测珠中的指定变量(例如，钾离子、钠离子和/或氯离子)的总电位变化，其指示已经发生的任何离子交换。这种电位型传感器可用于检测水合程度。

在第一实施例中，在皮肤贴片10中提供了多个参考亲水性感测珠，这些参考亲水性感测珠不暴露于汗液。因此，电荷浓度的任何变化都取决于体温，而不取决于汗液。然后可以将来自参考亲水性感测珠的数据与暴露于汗液的亲水性感测珠24进行比较，以进行温度校准。当在锻炼期间用作补偿可能影响所获得的数据的皮肤温度的任何变化的手段时，这是特别有益的。

第一实施例的皮肤贴片10包括用于控制亲水性感测珠24和与亲水性感测珠24接触的汗液之间的平衡速率的平衡速率装置。如图4所示，该平衡速率装置采取覆盖每个亲水性感测珠24的扩散层32或膜的形式。该扩散层可以包括水含量低于水凝胶的聚合物膜。在一些实施例中，扩散层可以是基本上致密的聚合物膜，其具有贯穿膜分布的纳米孔。

实际上，扩散层32通过合适的机制将亲水性感测珠外部的分子在内部加载到水凝胶芯中。例如，在一些实施例中，扩散层提供了到亲水性感测珠的内部水凝胶的无源导管。

在其他实施例中，扩散层32是选择性可渗透的，并且仅允许预定的离子或分子通过渗透作用而通过。以这种方式，亲水性感测珠24可以涂覆有不同的扩散层32，以便感测汗液中的不同成分。这意味着可以选择所需的分析物渗透到亲水性感测珠中，同时可以防止汗液中存在的可能产生干扰响应的其他分子渗透到亲水性感测珠中。

图5展示出了与传感器部20连通的第二层14的示意图。

在第一实施例中，控制单元40、电源50、处理单元60和通信单元70设置在该上部第二层14中。

控制单元40连接到用于控制和监测来自传感器的信号的传感器，并且电源50连接到控制单元40，并且用于激活传感器部20中的传感器。在第一实施例中，控制单元40是包括专用集成电路的芯片，该芯片可以被配置为控制电流型传感器和电位型传感器。芯片的面积在2至4mm

处理单元60连接到电连接器26，并且用于从传感器接收数据并处理接收到的数据。在第一实施例中，处理单元60包括用于将接收到的数据数字化的模数转换器。

在一些实施例中，控制单元40和处理单元60可以彼此组合以形成单个单元。

来自处理单元60的处理后的数据被输入到通信单元70，该通信单元70无线地连接至智能装置，例如经由无线电、蓝牙、Wi-fi等进行通信。通信单元70包括无线模块以启用该通信，并且被配置为将数据输出到智能装置。智能装置通常是具有定制应用程序的智能电话、手表、计算机或平板电脑，该定制应用程序配置为将数据与过去的结果进行比较。

在第一实施例中，智能装置被配置为对数据执行另外的处理。然而，在其他实施例中，皮肤贴片内的处理单元60可以执行数据的一些或全部处理，使得智能装置仅需要执行部分处理，如果有的话。

第二层14中的电子器件20、30、40、50、60、70可以被嵌入在透气膜或织物中。如上所述，第二层14覆盖第一层12，因此使用这种透气的膜或织物允许第一层12中的纤维芯吸的汗液从贴片10逸出。另外，透气织物或膜优选是防水的。这使贴片保持防水，从而使其可以在潮湿的条件下使用，例如在雨中奔跑，甚至在水中，例如由游泳者使用。合适的透气织物将由例如GoreTex

替代地，第一层12中的输送部中的芯吸纤维可以通过第二层14中的适当尺寸的孔暴露于空气中，以使汗液逸出。在另一种选择中，芯吸纤维可在贴片的位于第二层14下方的侧暴露于空气中。这将允许第二层14或覆盖第二层14的另一层(未示出)是防水的，但不透气。

也可以将电子器件20、30、40、50、60、70结合在透气的，不防水的材料中，例如，该材料由与第一层中的输送部相似的材料制成。然后，该材料可以覆盖有第三层，该第三层是透气的并且优选地是防水的，如上所述。

在又一个实施例中，电子器件20、30、40、50、60、70可以结合在第一层12中，并且第二层14可以包括透气的、优选防水的材料或由其组成。

电子器件20、30、40、50、60、70也可以设置在第二层14中，该第二层由任何期望的材料(例如，不可透气的)制成，但是具有比第一层12小的表面积。然后，可以用第三层透气的，最好是防水的织物覆盖这两层，使得通过保持感测珠24的输送层芯吸的汗液可以围绕第二层并且通过第三层逸出。

在平面图中，电子器件20、30、40、50、60、70中的一些或全部可以与一些或全部感测珠24和/或输送层重叠。在实践中，优选的是，形成输送层的纤维中没有一个或只有一小部分被电子器件20、30、40、50、60、70覆盖，以使汗液可以在电子器件20、30、40、50、60、70周围以及围绕/或通过第二层14并通过第三层(如果提供)逸出。

与定制的应用程序一起，皮肤贴片10可通过实时监测各种生物特征参数来提供高度个性化的训练和健身辅助工具。这特别适合用作个人训练辅助工具，因为诸如运动员和骑自行车者的使用者可以在锻炼时监测诸如钾、钠、氯、葡萄糖和乳酸水平的指标，以确定适合自己的个人健康的最佳锻炼制度。皮肤贴片10的另一用途可以包括在诸如足球的比赛期间监视团队成员，以在比赛期间监视整个团队的能量储备。皮肤贴片10不仅限于运动和健身训练，而且在从医学到军事的其他行业中具有广泛的应用。

第二层14还可为第一层12提供物理和/或电保护以免受外部环境影响。这是因为重要的是保持传感器部20的隔离和受控的环境，以提高获得的数据的准确性。

在第一实施例中，皮肤贴片10是一次性的。然而，第一层12可以是一次性的，而第二层14可以与新的第一层一起重复使用，以便将通信单元重新用于其他贴片。

皮肤贴片10也可以扩展为多模态的，例如测量温度变化、脉搏和氧气水平。

本发明不限于以上配置，并且可以被实现为提供各种拓扑结构。

例如，图6展示出了皮肤贴片的第二实施例，该第二实施例在传感器部200和控制单元210的拓扑结构方面与第一实施例不同。传感器部200包括围绕中央布置的控制单元210的多个传感器区域220。

传感器区域220和控制单元210可以设置在同一层中，这尤其有利于在皮肤贴片是一次性的实施例中的高效制造。然而，在其他实施例中，传感器区域220和控制单元210布置在彼此不同的层中。如果控制单元210要在另一皮肤贴片中重复使用，则这是优选的。

每个传感器区域220包括根据第一实施例的嵌入在纤维内的亲水性感测珠24。以这种方式设置多个传感器区域220是有利的，因为每个传感器区域220可以用于检测不同的变量，或者用作彼此的对照。

在一些实施例中，第一层和第二层的元件可以构成同一层。例如，皮肤贴片可以包括一层，在该一层中，通信单元的电子器件围绕中心部分，该中心部分包括传感器部和输送部。

此外，皮肤贴片可包括单独的汗液处理层，该汗液处理层包括在使用中接触皮肤的输送部。在这样的构造中，包括传感器部的第一层插入在汗液处理层与上层之间。

另外，本发明不限于包括皮肤贴片中包含的所有电子器件的第二层。例如，控制单元和电源可以被设置在第一层中，即与传感器部相同的层中，而处理单元和通信单元被设置在不同的层中。

图7展示出了皮肤贴片中的传感器的第三实施例，该传感器包括一系列纤维，嵌入在纤维内的多条导电导线360以及沿着每条导线360的长度的部分的传感器套管362。传感器套管362以与第一和第二实施例中的亲水性感测珠24相同的方式包括水凝胶和传感器。

纤维限定了沿着导线360延伸的毛细管通道364，以便将汗液引导通过传感器套管362，如图7中的箭头所示。因此，与被引导的汗液接触的传感器套管362根据与第一和第二实施例的亲水性感测珠24相同的机制进行离子或分子交换以达到平衡。传感器套管362以与第一和第二实施例相同的方式连接到通向控制单元、电源、处理单元和通信单元的导线360。

这样的实施例包括电位型传感器。聚合物是疏水聚合物，例如聚氯乙烯(PVC)，其作为膜提供，该膜作为绝缘屏障以包含离子载体分子。这种膜是薄的，以使所得的亲水性感测珠有效地响应。可以使用导电聚合物，例如PEDOT.PSS(也称为聚(3,4-乙撑二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐)。这样的导电聚合物具有为PVC膜提供高电荷密度的低阻抗接触的优点。这种疏水性聚合物可以作为聚合物套管提供，也可以提供在导线上。聚合物套管也可以设置在导线上。

前面的描述仅是通过示例的方式给出的，并且本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的权利要求所限定的范围的情况下进行修改。