用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料及其实现方法

用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及力致变色显示技术领域，特别是涉及一种用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料及其实现方法。
【背景技术】
[0002]康复医学是有关功能障碍的预防、诊断和评估、治疗、训练和处理的一门医学学科，主要涉及到利用物理因子和方法来诊断、治疗和预防残疾和疾病，使病、伤、残者在体格上、精神上、社会上和职业上得到康复，以消除或减轻功能障碍，帮助他们发挥残留功能，恢复其生活能力和工作能力以重新回归社会。现代医学体系已把预防、医疗、康复相互联系，组成一个统一体。
[0003]虽然康复医学发展迅速，但在损伤评估和康复训练中，往往必须借助许多仪器设备或者评估计量表，不能即时地给出反馈。这主要有以下几点原因，一是患者的反馈往往带有主观性，缺少客观量化；二是仪器设备并不能很好地实现个性化评估和治疗。

【发明内容】

[0004]本发明主要解决的技术问题是提供一种用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料及其实现方法，能够使康复医疗可视化。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料，所述弹性光子晶体材料是由弹性基质和均匀分布在所述弹性基质中的胶体粒子形成的，所述弹性光子晶体材料具有光子晶体结构，能够反射特定波段的环境光，其在机械力的作用下发生颜色的改变，且颜色变化程度与机械力的强度相关。
[0006]在本发明一个较佳实施例中，所述机械力包括张力、压力和挠曲力。
[0007]在本发明一个较佳实施例中，所述胶体粒子选自二氧化硅、聚苯乙烯、四氧化三铁、碳、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化钛中的一种或两种以上的任意组合。
[0008]在本发明一个较佳实施例中，所述胶体粒子的直径为50~200nm，单分散度高于90%，折射率为1.5-2.5。
[0009]在本发明一个较佳实施例中，所述弹性基质选自聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚二甲基硅氧烷、聚氨脂中的一种或两种以上的任意组合。
[0010]在本发明一个较佳实施例中，所述弹性基质的折射率为1.3~1.6，伸长率大于500% ο
[0011]在本发明一个较佳实施例中，所述颜色的改变为不可逆改变或者可逆改变。
[0012]在本发明一个较佳实施例中，所述光子晶体结构的结构色由弹性基质的折射率、胶体粒子的折射率和胶体粒子间的平均距离共同决定，其反射光的最大波长的计算公式为:
λ =2氺d氺naverage ，
其中，d为两层胶体粒子的层间距离，naverage为弹性光子晶体材料的平均折射率。
[0013]为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是:提供一种用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料的实现方法，包括如下步骤:
(1)将单分散的胶体粒子分散到弹性基质的挥发性有机溶剂中，超声分散均匀，涂敷在人体器官形状的模具表面，挥发干燥得到厚度和颜色均匀的薄膜；
(2)调节胶体粒子与基质的配比和挥发性有机溶剂中的浓度，以控制薄膜的初始颜色和厚度；
(3)对制得的弹性光子晶体薄膜进行拉伸挠曲机械力学试验，得到机械力与颜色变化之间的标准曲线；
(4)将步骤(3)中的弹性光子晶体薄膜用于可视化康复医学中。
[0014]在本发明一个较佳实施例中，所述弹性光子晶体材料能够制备成贴膜、紧身衣、毡子或垫子。
[0015]本发明的有益效果是:本发明一种用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料，其制备方法简便，容易实现，其在各种机械作用(如拉伸、挤压、挠曲等)下可发生形变，同时产生颜色变化，具有直观可视的效果，可以作为一种敏感的可视化材料用于康复医学，可视化康复医疗，对于医生还是病人均具有非常重要的意义。
【附图说明】
[0016]图1是本发明一种用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料在机械力作用下发生形变的示意图；
图2是所示弹性光子晶体材料用于膝关节损伤评估和康复训练的示意；
图3是所示弹性光子晶体材料用于肘关节损伤评估和康复训练的示意图；
图4是所示弹性光子晶体材料用于手部损伤评估和康复训练的示意图；
图5是所示弹性光子晶体材料用于足弓塌陷评估及步态矫正训练的示意图；
图6为图5中的弹性光子晶体材料上的颜色变化图案示意图；
图7是所示弹性光子晶体材料用于肺部和心脏损伤评估和康复训练的示意图；
图8是所示弹性光子晶体材料用于牙齿畸形评估与矫正的示意图；
图9是所示弹性光子晶体材料用于轮椅使用者的腰背及腿部力量综合评估的示意图；附图中各部件的标记如下:1.弹性基质，2.胶体粒子，3.弹性光子晶体薄膜材料，4.颜色变化敏感区，5.弹性光子晶体薄膜手套，6.弹性光子晶体薄膜毡子，7.彩色脚印，8.颜色变化最大区域，9.弹性光子晶体薄膜背心，10.弹性光子晶体薄膜牙模，11.弹性光子晶体薄膜毯子，1.张力作用下弹性光子晶体材料倍拉伸，II.压力作用下弹性光子晶体材料被压缩，II1.挠曲力作用下弹性光子晶体材料部分被拉伸，部分被压缩。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0018]请参阅附图，本发明实施例包括:
一种用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料，由低折射率的弹性基质I和高折射率的胶体粒子2组成，胶体粒子2均匀分布在弹性基质I中，形成光子晶体结构，这种光子晶体结构能够反射特定波段的环境光，其在机械力(张力、压力和挠曲力)的作用下发生颜色的改变，且颜色变化程度与机械力的强度相关。
[0019]所述弹性基质I选自聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚二甲基硅氧烷、聚氨脂中的一种或两种以上的任意组合；其折射率为1.3-1.6，伸长率大于500%。
[0020]所述胶体粒子2选自二氧化硅、聚苯乙烯、四氧化三铁、碳、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化钛中的一种或两种以上的任意组合；胶体粒子2的直径为50~200nm，单分散度高于90%，折射率为1.5-2.5。
[0021]所述光子晶体结构的结构色由弹性基质的折射率、胶体粒子的折射率和胶体粒子间的平均距离共同决定，其反射光的最大波长的计算公式为:
λ =S^cH=Iiaverage ,
其中，d为两层胶体粒子的层间距离，naverage为弹性光子晶体材料的平均折射率。在弹性光子晶体材料上施加不同的机械力(如张力、压力、扭曲力等)，使得局部被拉伸或压缩，颜色发生红移或蓝移。这种颜色变化分为不可逆变化，即固定住的最大形变的颜色和可逆变化，即实时改变的颜色。
[0022]将这种弹性光子晶体材料制成自适应的贴膜、紧身衣、毡子或者垫子等，可以直接或间接地接触人体器官或关节(包括所有可以主动或被动活动的器官或关节，如颈、肩、肘、手、背、腰、臀 、膝、足、肺、心脏等，这些器官或关节的运动速度和幅度不同，需要使用不同灵敏度的弹性光子晶体材料)，应用于康复医学，将人体运动的机械力表现为可视的颜色变化，具体实现方法为:
(1)将单分散的胶体粒子分散到弹性基质的挥发性有机溶剂中，超声分散均匀，涂敷在人体器官形状的模具(包括颈、肩、肘、手、背、腰、臀、膝和足等)表面，挥发干燥得到厚度和颜色均匀的薄膜；
(2)调节胶体粒子与基质的配比和挥发性有机溶剂中的浓度，以控制薄膜的初始颜色和厚度；
(3)对制得的弹性光子晶体薄膜进行拉伸挠曲机械力学试验，得到机械力与颜色变化之间的标准曲线；
(4)将步骤(3)中的弹性光子晶体薄膜用于可视化康复医学中，主要指通过机械设备和主动活动以消除或减轻功能障碍，发挥残留功能，恢复其生活、工作能力，涉及到预防、诊断和评估、治疗、训练等环节，在整个过程中医生和病人都能直观地看到各环节的结果(即薄膜颜色的变化)，并通过颜色与机械力的关系曲线的准确测量和校正，使医生和病人能够直观地根据颜色评估损伤的程度和康复训练的成果。其原理为人体的器官或关节进行主动或被动活动时，产生的机械形变作用于弹性光子晶体材料，改变材料内部胶体粒子的间距，使得结构色发生红移或蓝移。
[0023]本发明基于一类力致变色的弹性光子晶体材料，将这些材料与人体的器官或关节耦合起来，感受器官或关节运动的速度和幅度，并实时直观地表现为颜色的改变，使康复医疗方法简单化、可视化，无论对于医生的评估和训练计划，还是对病人的心理暗示与鼓励，都是非常有意义的。
[0024]实施例1
弹性光子晶体材料用于膝关节损伤评估和康复训练如图2所示，自适应性弹性光子晶体薄膜材料3能紧密贴合膝关节上，膝关节活动范围影响薄膜的拉伸程度，直观地显示为颜色的红移量，显示于颜色变化敏感区4。
[0025]在本实施例的弹性光子晶体材料用于膝关节损伤评估和康复训练的方法中，核心部分的弹性光子晶体薄膜包含了高折射率单分散性的胶体粒子2和低折射率的弹性基质1，胶体粒子2在弹性基质I中均匀分布，胶体粒子2选自二氧化硅、聚苯乙烯、四氧化三铁、碳、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化钛等的一种或两种以上的任意组合，其折射率为1.5-2.5，粒子尺寸50?200nm ;弹性基质I选自聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚二甲基硅氧烷、聚氨脂等的一种或两种以上的组合，其折射率为1.3?1.6，伸长率大于500%。
[0026]弹性光子晶体材料用于膝关节损伤评估和康复训练的实现方法:
首先，制备弹性光子晶体薄膜。选用二氧化硅、聚苯乙烯、四氧化三铁、碳、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化钛等的一种或两种以上的任意组合的单分散粒子，将其分散到聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚二甲基硅氧烷、聚氨脂的一种或两种以上组合的挥发性有机溶剂(如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等)中，超声分散均匀，涂敷在膝关节形状的模具表面，挥发干燥得到厚度和颜色均匀的薄膜。通过胶体粒子与基质的配比可控制初始颜色；通过在挥发性有机溶剂中的浓度可控制薄膜的厚度；
然后对制得的弹性光子晶体薄膜进行拉伸挠曲等机械力学试验，并得到机械力与颜色变化之间的标准曲线；
再将制得的弹性光子晶体薄膜紧密贴合于患者的膝关节处，因为这种材料非常柔软且与皮肤相亲，所以它几乎会自动贴合紧密而不留任何气泡，也不会与皮肤发生相对滑移；接着让患者主动伸着和弯曲膝关节，记录颜色的变化范围和腿弯曲的程度；医生持患者小腿进行伸展和弯曲动作，逐渐增加幅度直至患者感觉明显疼痛后停止，记录颜色的变化范围和腿弯曲的程度，然后与标准曲线对照并修正；
最后，对患者进行康复训练和治疗若干疗程后，再戴上弹性光子晶体薄膜进行评估，如果观察到颜色变化范围增大，说明患者的康复训练效果明显。患者甚至可以自己看到一点点的进步。
[0027]实施例2
弹性光子晶体材料用于肘关节损伤评估和康复训练
如图3所示，自适应性弹性光子晶体薄膜材料3能紧密贴合肘关节上，肘关节活动范围影响薄膜的拉伸程度，直观地显示为颜色的红移量，显示于颜色变化敏感区4。
[0028]本实施例的弹性光子晶体材料用于肘关节损伤评估和康复训练的方法中，核心部分的弹性光子晶体薄膜及肘关节损伤评估和康复训练的实现方法均与发明实施例1的弹性光子晶体材料用于膝关节损伤评估和康复训练的方法类似。
[0029]实施例3
弹性光子晶体材料用于手部损伤评估和康复训练
如图4所示，自适应性弹性光子晶体薄膜手套5能紧密贴合整个手，手指关节活动范围影响薄膜的拉伸程度，直观地显示为颜色的变化，显示于颜色变化敏感区4。
[0030]本实施例的弹性光子晶体材料用于手部损伤评估和康复训练的方法中，核心部分的弹性光子晶体薄膜及手部损伤评估和康复训练的实现方法均与发明实施例1的弹性光子晶体材料用于膝关节损伤评估和康复训练的方法类似。
[0031]实施例4
弹性光子晶体材料用于足弓塌陷评估及步态矫正训练
如图5所示，受测者在弹性光子晶体薄膜毡子6上留下的彩色脚印7，脚掌与毡子6的压力影响薄膜的压缩程度，直观地显示为颜色的蓝移量，见颜色最大变化区域8。
[0032]本实施例的弹性光子晶体材料用于足弓塌陷评估及步态矫正训练的方法中，核心部分的弹性光子晶体薄膜与实施例1的弹性光子晶体材料用于膝关节损伤评估和康复训练中的弹性光子晶体薄膜类似，但本实施例中毡子6的厚度会更厚，甚至达到5_以上。
[0033]弹性光子晶体材料用于足弓塌陷评估及步态矫正训练的实现方法:
首先，制备弹性光子晶体薄膜毡子，方法与实施例1类似；
然后，对制得的弹性光子晶体薄膜毡子进行机械力学试验，并得到机械力与颜色变化之间的标准曲线；
然后，让不同体重的正常人站立在弹性光子晶体薄膜毡子上，记录脚印的形状及颜色分布;
接着，让患者站立在弹性光子晶体薄膜毡子上，记录脚印的形状及颜色分布。特别地，医生可以嘱咐患者将重心分别施加在前脚掌、后脚掌、左侧脚掌、右侧脚掌等特殊位置，记录脚印和颜色的变化。然后与标准曲线和正常人的做比较；
最后，对患者进行康复训练和治疗若干疗程后，再站立在弹性光子晶体薄膜毡子上进行评估，如果观察到脚印性质和颜色分布逐渐接近正常人的，说明患者的康复训练效果明显。患者甚至可以自己看到一点点的进步。
[0034]实施例5
弹性光子晶体材料用于肺部和心脏损伤评估和康复训练
如图7所示，自适应性弹性光子晶体薄膜背心9示意地表示弹性光子晶体材料用于肺部和心脏损伤评估和康复训练。4为颜色变化敏感区，为呼吸时胸廓运动幅度最大处，直观地显示为颜色的最大变化。
[0035]本实施例的弹性光子晶体材料用于肺部和心脏损伤评估和康复训练的方法中，其核心部分的弹性光子晶体薄膜背心9与实施例1的弹性光子晶体材料用于膝关节损伤评估和康复训练中的弹性光子晶体薄膜类似，本实施例中背心也有很强的自适用性，能有效贴合胸背部皮肤。
[0036]弹性光子晶 体薄膜材料用于肺部和心脏损伤评估和康复训练的实现方法:
首先，制备弹性光子晶体薄膜背心，方法与实施例1类似；
然后，对制得的弹性光子晶体薄膜背心进行机械力学试验，并得到机械力与颜色变化之间的标准曲线；
然后，让正常人穿上弹性光子晶体薄膜背心，记录颜色分布；
接着，让患者穿上弹性光子晶体薄膜背心，记录颜色分布。特别地，医生可以嘱咐患者进行深呼吸，记录颜色改变的最大程度，然后与标准曲线和正常人的做比较；
最后，对患者进行康复训练和治疗若干疗程后，再穿上弹性光子晶体薄膜背心，如果观察颜色分布逐渐接近正常人的，说明患者的康复训练效果明显。患者甚至可以自己看到一点点的进步。
[0037]实施例6 弹性光子晶体材料用于牙齿畸形评估与矫正
如图8所示，上下牙床在弹性光子晶体薄膜牙模10上留下两排牙齿痕迹，对应着不同的颜色分布。医生可根据牙痕及颜色分布进行评估。
[0038]本实施例的弹性光子晶体材料用于牙齿畸形评估与矫正的方法中，核心部分的弹性光子晶体牙模10与发明实施例1的弹性光子晶体材料用于膝关节损伤评估和康复训练中的弹性光子晶体薄膜类似，但本实施例中牙模的厚度会达到Icm以上，且硬度也会提高很多。
[0039]弹性光子晶体材料用于牙齿畸形评估与矫正的实现方法:
首先，制备弹性光子晶体牙模；
然后，对制得的弹性光子晶体牙模进行机械力学试验，并得到机械力与颜色变化之间的标准曲线；
然后，让患者咬弹性光子晶体牙模，记录压痕及颜色分布，然后与标准曲线做比较；最后，对患者进行矫正治疗若干疗程后，再咬弹性光子晶体牙模，如果观察颜色分布均匀且对称，说明患者的矫正效果明显。患者甚至可以自己看到一点点的进步。
[0040]实施例7
弹性光子晶体材料用于轮椅使用者的腰背及腿部力量综合评估如图9所示，弹性光子晶体薄膜毯子11示意地表示弹性光子晶体材料用于轮椅使用者的腰背及腿部力量综合评估的方法。该方法中，背部、腰部、臀部、腿部等不同部位压力不同，对应着不同的颜色分布。4为颜色变化的敏感区，代表主要着力点，医生可据此判断病人身体各部分的损伤和恢复状况。
[0041]本实施例中的弹性光子晶体材料用于轮椅使用者的腰背及腿部力量综合评估的方法中，核心部分的弹性光子晶体薄膜毯子11与发明实施例1的弹性光子晶体材料用于膝关节损伤评估和康复训练中的弹性光子晶体薄膜类似，但本实施例中的弹性光子晶体薄膜毯子更厚，且与轮椅紧密贴合，主要用于记录身体与轮椅的作用。
[0042]弹性光子晶体材料用于轮椅使用者的腰背及腿部力量综合评估的实现方法: 首先，制备弹性光子晶体薄膜毯子；
然后，对制得的弹性光子晶体薄膜毯子进行机械力学试验，并得到机械力与颜色变化之间的标准曲线；
然后，让正常人坐轮椅并做各种动作，记录背部、腰部、臀部、腿部、侧身发力时的颜色分布;
接着，让患者坐轮椅并记录颜色分布，在医生的指导下，逐一测试身体各部分的力量，然后综合评估。
[0043]最后，对患者进行康复训练和治疗若干疗程后，坐轮椅并记录颜色分布，如果观察颜色分布逐渐接近正常人的，说明患者的康复训练和治疗效果明显。患者甚至可以自己看到一点点的进步。
[0044]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料，其特征在于，所述弹性光子晶体材料是由弹性基质和均匀分布在所述弹性基质中的胶体粒子形成的，所述弹性光子晶体材料具有光子晶体结构，能够反射特定波段的环境光，其在机械力的作用下发生颜色的改变，且颜色变化程度与机械力的强度相关。2.根据权利要求1所述的用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料，其特征在于，所述机械力包括张力、压力和挠曲力。3.根据权利要求1所述的用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料，其特征在于，所述胶体粒子选自二氧化硅、聚苯乙烯、四氧化三铁、碳、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化钛中的一种或两种以上的任意组合。4.根据权利要求3所述的用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料，其特征在于，所述胶体粒子的直径为50~200nm，单分散度高于90%，折射率为1.5-2.5。5.根据权利要求1所述的用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料，其特征在于，所述弹性基质选自聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚二甲基硅氧烷、聚氨脂中的一种或两种以上的任意组合。6.根据权利要求5所述的用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料，其特征在于，所述弹性基质的折射率为1.3-1.6，伸长率大于500%。7.根据权利要求1所述的用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料，其特征在于，所述颜色的改变为不可逆改变或者可逆改变。8.根据权利要求1所述的用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料，其特征在于，所述光子晶体结构的结构色由弹性基质的折射率、胶体粒子的折射率和胶体粒子间的平均距离共同决定，其反射光的最大波长的计算公式为:λ =2氺d氺naverage ， 其中，d为两层胶体粒子的层间距离，naverage为弹性光子晶体材料的平均折射率。9.一种如权利要求1所述的用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料的实现方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)将单分散的胶体粒子分散到弹性基质的挥发性有机溶剂中，超声分散均匀，涂敷在模具表面，挥发干燥得到厚度和颜色均匀的薄膜； (2)调节胶体粒子与基质的配比和挥发性有机溶剂中的浓度，以控制薄膜的初始颜色和厚度； (3)对制得的弹性光子晶体薄膜进行拉伸挠曲机械力学试验，得到机械力与颜色变化之间的标准曲线； (4)将步骤(3)中的弹性光子晶体薄膜用于可视化康复医学中。10.根据权利要求9所述的用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料的制备方法，其特征在于，所述弹性光子晶体材料能够制备成贴膜、紧身衣、毡子或垫子。
【专利摘要】本发明公开了一种用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料及其实现方法，所述弹性光子晶体材料是由弹性基质和均匀分布在所述弹性基质中的胶体粒子形成的，所述弹性光子晶体材料具有光子晶体结构，能够反射特定波段的环境光，其在机械力的作用下发生颜色的改变，且颜色变化程度与机械力的强度相关。本发明一种用于可视化康复医学中的弹性光子晶体材料，其制备方法简便，容易实现，其在各种机械作用（如拉伸、挤压、挠曲等）下可发生形变，同时产生颜色变化，具有直观可视的效果，可以作为一种敏感的可视化材料用于康复医学，可视化康复医疗，对于医生还是病人均具有非常重要的意义。
【IPC分类】G02B26/00, A61B5/11
【公开号】CN104880820
【申请号】CN201510298816
【发明人】顾忠泽, 顾洪成, 赵远锦, 邹昕, 周雯婷, 谢卓颖
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月3日