用于分析温度特性和热传送特性的表皮器件制造技术

公开了用于监控组织(诸如，皮肤)的热传送属性(例如，热传导率、热扩散率、热容)的组织安装的器件和方法。所述器件共形地安装到皮肤且包括一个或多个热致动器和多个传感器。所述致动器施加热量到组织并且所述传感器检测由加热造成的生理组织参数或物理属性的空间时间分布。此空间时间信息可以与血液流动的速率、速度和/或方向、血管闭塞的存在、由于炎症引起的循环改变、水化水平以及其他生理参数相关联。

An epidermal device for analyzing temperature characteristics and heat transfer characteristics

An apparatus and method for organizing an arrangement of heat transfer attributes (e.g., thermal conductivity, thermal diffusivity, heat capacity) for monitoring tissue (e.g., skin) are disclosed. The device is conformally mounted to the skin and includes one or more thermal actuators and a plurality of sensors. The actuator applies heat to the tissue, and the sensor detects spatial temporal distribution of physiological tissue parameters or physical attributes caused by heating. The spatial temporal information may be related to the rate, velocity, and / or direction of blood flow, the presence of vascular occlusion, changes in circulation caused by inflammation, hydration levels, and other physiological parameters.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于分析温度特性和热传送特性的表皮器件相关申请的交叉引用本申请要求享有2014年8月11日提交的第62/035,866号美国临时专利申请的权益和优先权，所述美国临时专利申请以整体引用的方式纳入本文。关于联邦政府赞助研究或开发的声明本专利技术是在美国国家科学基金会授予的DGE-1144245以及美国国立卫生研究院授予的1ZIAHL00601204的政府支持下完成的。美国政府对本专利技术具有一定权利。
技术介绍
可穿戴电子设备是一类对众多技术、工业和消费产品具有广泛影响潜力的系统。可穿戴系统的进展部分地由提供使用与身体兼容的器件形状因数(formfactor)实施的新功能的新材料和新器件架构的发展驱动。可穿戴消费产品是可得的，例如，利用以身体安装的形状因数提供的小且便携的电子系统和/或光子系统的可穿戴消费产品，所述系统诸如是建造常规身体穿戴器件(诸如，眼镜、腕带、鞋制品等)的系统。新器件平台也正在开发中，以扩展可穿戴技术应用的范围，可穿戴技术应用包括智能纺织品和可拉伸的/柔性的电子系统，所述智能纺织品和可拉伸的/柔性的电子系统将先进的电子和光子功能纳入与低功率运行、无线通信和用于与身体接口的新型集成方案兼容的空间顺从的(spatiallycompliant)形状因数中。(参见，例如，Kim等人，Annu.Rev.Biomed.Eng.2012.14；113-128；Windmiller等人，Electroanalysis；2013,25,1,29-46；Zeng等人，Adv.Mater.,2014,26,5310-5336；Ahn等人，JPhys.D:Appl.Phys.,2012,45,103001.)组织安装的(tissuemounted)系统表示一类支持健康护理、感测、运动识别以及通信中的各种不同应用的可穿戴系统。表皮电子设备的最新进展例如提供了一类设置成实现与皮肤的机械鲁棒且物理紧密接触的物理形式的皮肤安装的电子系统。已经开发了某些种类的表皮电子系统，例如，将高性能可拉伸的和/或超薄的功能材料与软弹性衬底结合，所述软弹性衬底以对于建立并且维持与皮肤的软的、曲线的且时变的表面的共形接触有用的器件几何结构实施。(参见，例如，美国公开号2013/0041235；W.-H.Yeo,Y.-S.Kim,J.Lee,A.Ameen,L.Shi,M.Li,S.Wang,R.Ma,S.H.Jin,Z.Kang,Y.Huang和J.A.Rogers,"MultifunctionalEpidermalElectronicsPrintedDirectlyOntotheSkin,"AdvancedMaterials25,2773-2778(2013).)对于采用该类新兴表皮电子系统关键是，继续开发支持此技术的宽范围应用的器件，所述应用包括用于个人健康护理评估和临床医学。将从前述内容理解，需要组织安装的系统来支持可穿戴电子器件中的迅速出现的应用。需要新的表皮系统，例如，提供新的感测方式、读出方式和分析方式来支持生理感测和环境感测中的各种不同技术应用。
技术实现思路
本专利技术提供了用于组织安装的电子系统和光子系统的系统和方法。一些实施方案的器件在柔性的且可拉伸的器件架构中实施热感测和热致动，包括用于内部组织和外部组织的体内生物计量感测，所述柔性的且可拉伸的器件架构与实现与众多组织种类的长期、机械鲁棒共形集成兼容。一些实施方案的组织安装的电子系统和光子系统将热致动与比色热感测和/或电子热感测(所述比色热感测和/或电子热感测在软弹性体衬底上以阵列形式设置)结合，以实现对组织的热传送属性的空间分辨感测和/或时间分辨感测，同时使对组织的不利物理影响最小化。一些实施方案的组织安装的电子系统和光子系统实现鲁棒热传送感测，所述鲁棒热传送感测可以提供与组织的众多生理属性和/或物理属性有关的信息，所述属性包括水化状态和/或血管系统信息(例如，血液流动速率和方向)。一些实施方案的组织安装的电子系统和光子系统具有提供与众多部署模式(诸如，直接粘附在组织的表面上和使用粘合剂或中间键合结构部署)兼容的机械属性的低有效模量和小厚度。在本系统和方法中有用的光子结构包括纳入了光学指示器的结构，所述光学指示器诸如是比色指示器或荧光指示器，所述光学指示器具有对于表征组织参数或环境参数有用的光学属性。在一个实施方案中，例如，像素的至少一部分包括比色指示器、荧光指示器或二者，包括包含对应于不同的比色指示器和/或荧光指示器的像素的器件。本专利技术与众多纳入了包括嵌入结构和/或包封结构的指示器的光子结构兼容。在一个实施方案中，例如，所述光子结构是微米包封结构和/或纳米包封结构，例如，具有由一个或多个包封结构(诸如，层压层、嵌入层或包封层)包封的指示器。在一个实施方案中，所述微米包封结构和/或所述纳米包封结构与组织或来源于组织的材料(诸如，生物流体)物理接触、热接触、光学接触或电接触。在一个实施方案中，例如，像素的至少一部分包括一个比色指示器，该比色指示器是液晶、电离变色(ionochromic)染料、pH指示器、螯合剂、荧光团或光敏染料。在一个实施方案中，例如，像素的至少一部分包括一个比色指示器，该比色指示器能够生成用于表征温度、暴露于电磁辐射或组织的化学成分或来源于组织的材料的化学成分的光子响应。在一个实施方案中，例如，像素的至少一部分包括一个比色指示器，该比色指示器包括热致变色液晶，该热致变色液晶经历当组织参数改变时被吸收、被透射或被散射的光的波长的可测量的改变。在一个实施方案中，例如，像素的至少一部分包括一个比色指示器，该比色指示器包括手性向列型(chiralnematic)液晶，该手性向列型液晶经历当组织的温度改变时被吸收、被透射或被散射的光的波长的可测量的改变。在一个实施方案中，例如，像素的至少一部分包括一个比色指示器，该比色指示器包括电离变色染料，该电离变色染料经历响应于组织的成分或属性或来源于组织的材料(诸如，生物流体)的成分或属性而被吸收、被透射或被散射的光的波长的可测量的改变。在一个实施方案中，例如，生物流体的成分或属性对应于pH、自由铜离子的浓度或铁离子的浓度的改变。在一个实施方案中，例如，像素的至少一部分包括一个响应于暴露于紫外线辐射而经历可测量的颜色改变的比色指示器。在一个实施方案中，例如，光子结构包括当与组织中的生物标记或来源于组织的材料(诸如，生物流体)中的生物标记接触时改变光学属性的比色指示器或荧光指示器。在一个实施方案中，例如，像素阵列还包括一个或多个校准像素，诸如，具有一个固定颜色的圆点。在一个实施方案中，例如，该器件还包括通过可拉伸的或柔性的衬底支撑的一个或多个光学部件，且可选地被设置成与光子结构光学连通。在一个实施方案中，例如，所述光学部件是光收集光学部件、光聚集光学部件、光漫射光学部件、光散射光学部件和光过滤光学部件中的一个或多个。在一个实施方案中，例如，所述光学部件是透镜、透镜阵列、反射器、反射器阵列、波导、波导阵列、光学涂层、光学涂层阵列、光学滤波器、光学滤波器阵列、光纤元件以及光纤元件阵列中的一个或多个。本光子器件的器件级机械属性、热属性、电子属性和光学属性对于支持众多技术应用是重要的。在一个实施方案中，例如，该器件具有的模量在该组织本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于与生物环境中的组织接口的器件，该器件包括：一个柔性的或可拉伸的衬底；以及通过所述柔性的或可拉伸的衬底支撑的一个或多个热致动器和多个热传感器，所述一个或多个热致动器和所述多个热传感器用于表征所述组织的热传送属性；其中所述柔性的或可拉伸的衬底、所述一个或多个热致动器和所述多个热传感器提供一个净抗弯刚度，使得该器件能够与该组织的表面建立共形接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.11 US 62/035,8661.一种用于与生物环境中的组织接口的器件，该器件包括：一个柔性的或可拉伸的衬底；以及通过所述柔性的或可拉伸的衬底支撑的一个或多个热致动器和多个热传感器，所述一个或多个热致动器和所述多个热传感器用于表征所述组织的热传送属性；其中所述柔性的或可拉伸的衬底、所述一个或多个热致动器和所述多个热传感器提供一个净抗弯刚度，使得该器件能够与该组织的表面建立共形接触。2.根据权利要求1所述的器件，其中所述一个或多个热致动器和所述多个热传感器空间地表征所述组织的所述热传送属性。3.根据权利要求1所述的器件，其中所述一个或多个热致动器和所述多个热传感器时间地表征所述组织的所述热传送属性。4.根据权利要求1所述的器件，其中所述热传感器用于表征由通过所述一个或多个热致动器提供的加热所导致的温度的空间时间分布。5.根据权利要求1-4中的任一项所述的器件，其中所述热传送属性是热传导率、热扩散率或热容。6.根据权利要求1-5中的任一项所述的器件，其中所述热传送属性与如下组织属性相关联，所述组织属性选自由水化状态、炎症状态、闭塞状态以及这些的任何组合组成的组。7.根据权利要求1-6中的任一项所述的器件，其中所述热传送属性与如下生理参数相关联，所述生理参数选自由大血管血液流动方向、大血管血液流动速率、微血管血液流动方向、微血管血液流动速率、闭塞的存在、大血管灌注、微血管灌注、由于炎症引起的循环改变以及这些的任何组合组成的组。8.根据权利要求1-7中的任一项所述的器件，其中当建立共形接触时，所述器件不实质地影响所述组织的自然温度。9.根据权利要求1-8中的任一项所述的器件，其中所述器件具有小于或等于3000微米的平均厚度。10.根据权利要求1-9中的任一项所述的器件，其中所述器件具有小于或等于50mJcm-2K-1的每面积热质量。11.根据权利要求1-10中的任一项所述的器件，其中所述器件具有大于或等于20gh-1m-2的气体渗透性。12.根据权利要求1-11中的任一项所述的器件，其中所述器件具有小于或等于10mgcm-2的面积密度。13.根据权利要求1-12中的任一项所述的器件，其中所述热致动器和所述热传感器包括可拉伸的或柔性的结构。14.根据权利要求1-13中的任一项所述的器件，其中所述热致动器和所述热传感器包括薄膜结构。15.根据权利要求1-14中的任一项所述的器件，其中所述热致动器和所述热传感器包括长丝金属结构。16.根据权利要求1-15中的任一项所述的器件，其中所述热传感器提供大于或等于10μm的空间分辨率。17.根据权利要求1或3-16中的任一项所述的器件，其中所述热传感器提供大于或等于1μs的时间分辨率。18.根据权利要求1-17中的任一项所述的器件，其中所述热传感器中的至少一个是用于测量背景温度以补偿漂移的温度传感器。19.根据权利要求1-18中的任一项所述的器件，其中所述热致动器向所述组织提供在0.1mWmm-2到50mWmm-2的范围内选择的功率输入。20.根据权利要求1-19中的任一项所述的器件，其中所述热致动器提供对所述组织的恒定加热。21.根据权利要求1-19中的任一项所述的器件，其中所述热致动器提供对所述组织的脉冲加热。22.根据权利要求1-21中的任一项所述的器件，其中所述热传感器相对于所述一个或多个热致动器对称地布置。23.根据权利要求22所述的器件，其中所述热传感器中的两个在所述热致动器的相对侧上形成匹配对，用于获得比较数据作为一个各向异性热传送属性的指示。24.根据权利要求23所述的器件，其中所述各向异性热传送属性指示血液流动的方向。25.根据权利要求22所述的器件，其中所述热传感器被布置为一个或多个同心环，使所述热致动器中的一个在所述一个或多个同心环的中心处。26.根据权利要求1-25中的任一项所述的器件，其中每个热传感器和热致动器提供独立地对应于一个像素化阵列的一个个体位置的个体像素。27.根据权利要求26所述的器件，其中所述个体像素具有选自10μm到1cm的范围的平均侧向尺度。28.根据权利要求27所述的器件，其中所述致动器的所述个体像素具有的面积是所述传感器的所述个体像素的面积的9倍。29.根据权利要求26所述的器件，其中所述个体像素具有选自1μm到1000μm的范围的平均厚度。30.根据权利要求26所述的器件，其中所述像素化阵列包括10到100,000个像素。31.根据权利要求26所述的器件，其中所述像素化阵列具有选自10mm2到2000cm2的范围的覆盖区。32.根据权利要求26所述的器件，其中所述像素的至少一部分包括微米包封结构或纳米包封结构。33.根据权利要求1-32中的任一项所述的器件，其中该器件还包括一个或多个电极、晶体管、电感器、电阻器、LED、电容器、振荡器、光电二极管、二极管或这些的任何组合。34.根据权利要求1-33中的任一项所述的器件，其中该器件还包括一个或多个放大器、应变计、温度传感器、无线功率线圈、太阳能电池、感应线圈、高频电感器、高频电容器、高频振荡器、高频天线、多路复用电路、心电图传感器、肌电图传感器、脑电图传感器、电生理传感器、热敏电阻器、晶体管、二极管、电阻器、电容性传感器、发光二极管或这些的任何组合。35.根据权利要求1-34中的任一项所述的器件，还包括通过所述柔性的或可拉伸的衬底支撑的一个或多个无线通信天线结构或近场通信线圈。36.根据权利要求1-35中的任一项所述的器件，其中所述一个或多个致动器和/或所述多个传感器通过一个电子电路连接。37.根据权利要求36所述的器件，其中该电子电路是柔性的或可拉伸的。38.根据权利要求37所述的器件，其中该柔性的或可拉伸的电子电路包括具有弧形几何结构、蛇形几何结构、弯曲几何结构、波浪形几何结构或卷曲形几何结构的一个或多个电子器件或器件部件。39.根据权利要求36所述的器件，其中该电子电路包括选自由曲折电极、叉指式电极、圆形电极和环形电极组成的组的多个电极。40.根据权利要求37所述的器件，其中该柔性的或可拉伸的衬底和该电子电路提供该器件的小于或等于1mNm的净抗弯刚度。41.根据权利要求1-40中的任一项所述的器件，其中该柔性的或可拉伸的衬底具有小于或等于100MPa的平均模量。42.根据权利要求1-41中的任一项所述的器件，其中该柔性的或可拉伸的衬底具有选自0.5kPa到100MPa的范围的平均模量。43.根据权利要求1-42中的任一项所述的器件，其中该柔性的或可拉伸的衬底具有小于或等于3mm的平均厚度。44.根据权利要求1-43中的任一项所述的器件，其中该柔性的或可拉伸的衬底具有选自1微米到3000微米的范围的平均厚度。45.根据权利要求1-44中的任一项所述的器件，其中该柔性的或可拉伸的衬底包括一个弹性体。46.根据权利要求1-45中的任一项所述的器件，其中该柔性的或可拉伸的衬底是低模量橡胶材料或低模量硅树脂材料。47.根据权利要求1-46中的任一项所述的器件，其中该柔性的或可拉伸的衬底是生物惰性材料或生物可兼容材料。48.根据权利要求1-47中的任一项所述的器件，包括一个多层器件，其中所述传感器和所述致动器由一个阻挡层至少部分地包封。49.根据权利要求1-48中的任一项所述的器件，其中该器件具有的模量在该组织与该器件的界面处的模量的1000倍内。50.根据权利要求1-49中的任一项所述的器件，其中该器件具有小于或等于1...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·罗杰斯，L·高，V·马尔亚查克，R·C·韦伯，
申请(专利权)人：伊利诺伊大学评议会，
类型：发明
国别省市：美国,US