新型柔性呼吸傳感器的設(shè)計(jì)與性能研究*

薛 君

(山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，山西 太原 030009)

0 引言

睡眠呼吸暫停綜合癥病因至今尚未完全明了，可導(dǎo)致高血壓等多種并發(fā)癥，隨著病程的進(jìn)展，甚至有夜間猝死的可能。因此，對(duì)病人進(jìn)行睡眠實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分必要。而傳統(tǒng)的醫(yī)用多導(dǎo)睡眠圖檢測(cè)要求被測(cè)試者住院觀察，并應(yīng)帶有多種導(dǎo)聯(lián)，有捆綁的不適感，夜間翻動(dòng)身體時(shí)很容易造成導(dǎo)聯(lián)脫落，嚴(yán)重影響使用者入睡，同時(shí)造成測(cè)試結(jié)果的不準(zhǔn)確[1-2]。目前已有的醫(yī)療設(shè)備監(jiān)測(cè)功能單一，監(jiān)測(cè)的綜合性和異地性較弱，這是由于采集到的信號(hào)通用性較差，只適用于與單一的醫(yī)療設(shè)備相連接?；诖?，本文提出了基于PVDF的新型柔性呼吸傳感器。

1 傳感器整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的新型柔性呼吸信號(hào)傳感器采用PVDF環(huán)形薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用彈性醫(yī)用網(wǎng)套佩戴于患者腹部。新型柔性呼吸信號(hào)傳感器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型柔性呼吸信號(hào)傳感器整體結(jié)構(gòu)

該監(jiān)測(cè)傳感器佩戴方便，透氣性較好，患者佩戴沒(méi)有壓迫不適感，減輕了患者睡眠呼吸信號(hào)檢測(cè)時(shí)的心理負(fù)擔(dān)，提高了舒適性，通過(guò)該傳感器可得到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用呼吸電壓信號(hào)。

1.1 呼吸信號(hào)采集端材料的選用

PVDF屬于壓電材料中的壓電聚合物，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐腐蝕性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)受到機(jī)械外力時(shí)會(huì)在表面產(chǎn)生電位差，呈現(xiàn)出典型的正壓電性，非常適用于人體皮膚表面或者植入人體內(nèi)部對(duì)生命信號(hào)的監(jiān)測(cè)，目前在醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域都顯示出其優(yōu)異的特性[3-5]。

本柔性呼吸信號(hào)傳感器呼吸信號(hào)采集端采用的PVDF薄膜由錦州科信電子材料有限公司生產(chǎn)，厚度為20 μm。

1.2 呼吸信號(hào)采集元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要確定PVDF薄膜的結(jié)構(gòu)，首先要確定能使它產(chǎn)生較大形變的結(jié)構(gòu)。

由板殼理論可知，在環(huán)形薄膜受力問(wèn)題中，當(dāng)撓度很大時(shí)，拉伸應(yīng)力的作用占主導(dǎo)，這時(shí)荷載與撓度的關(guān)系就是三次方的關(guān)系。尤其是當(dāng)撓度非常大或板的厚度非常薄的時(shí)候，板的抗彎剛度通?？梢员缓雎?。因此在薄膜問(wèn)題中，荷載與撓度的關(guān)系總是三次方的關(guān)系[6]，即：

(1)

其中：W為撓度；P為荷載；R為圓膜外徑；h為圓膜厚度；β=R1/R,R1為圓膜內(nèi)徑；E為材料彈性模量；μ為材料泊松比。

基于式(1)，本文采用環(huán)形薄膜結(jié)構(gòu)作為PVDF的受力結(jié)構(gòu)，以期通過(guò)較小的荷載獲得較大的形變，即產(chǎn)生較強(qiáng)的形變。呼吸信號(hào)采集元件整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

信號(hào)輸出端的正、負(fù)極分別由PVDF環(huán)形薄膜的上、下極面引出，環(huán)形薄膜外形長(zhǎng)度L=40 mm，寬度M=30mm，拱高H=30 mm。

圖2 呼吸信號(hào)采集元件整體結(jié)構(gòu)

在環(huán)形表面鋪設(shè)一層彈性材料，用于外界荷載力消失時(shí)PVDF環(huán)形薄膜形狀的自恢復(fù)。

1.3 呼吸信號(hào)的采集

呼吸運(yùn)動(dòng)是指胸腔的節(jié)律性擴(kuò)大和縮小，主要由肋骨和胸骨運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的呼吸稱為胸式呼吸，主要由膈肌舒縮產(chǎn)生的呼吸運(yùn)動(dòng)稱為腹式呼吸。由此確定了3個(gè)可能產(chǎn)生最大荷載的部位：腹間、膈肌和肋間。為了明確佩戴位置對(duì)呼吸信號(hào)監(jiān)測(cè)的影響，被測(cè)者分別在肋間、膈肌和腹部佩戴該傳感器，提取呼吸信號(hào)進(jìn)行比較。不同佩戴位置所提取的呼吸電壓信號(hào)波形如圖3所示。

圖3 不同佩戴位置所提取的呼吸電壓信號(hào)波形

由圖3可知：在腹部佩戴傳感器時(shí)，PVDF“環(huán)形薄膜”產(chǎn)生形變較大，信號(hào)比較靈敏，因此，臨床上推薦在腹部位置佩戴該傳感器。

另外，被測(cè)者模擬睡眠呼吸暫?；颊?，呼吸暫停10 s，測(cè)得腹部的呼吸暫停信號(hào)波形如圖4所示。

圖4 呼吸暫停電壓信號(hào)波形

由圖4可知：被測(cè)者在腹部佩戴該傳感器裝置，獲得了較清晰的呼吸暫停信號(hào)。

1.4 呼吸電壓信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

如圖3、圖4所示，監(jiān)測(cè)到的電壓信號(hào)微弱，為mV級(jí)，因此，需要設(shè)計(jì)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。

由于PVDF壓電薄膜的阻抗高、表面生成的電荷量極小，加之呼吸信號(hào)頻率較小(健康成年人的呼吸頻率為0.20 Hz～0.33 Hz)，因此，首先需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。信號(hào)調(diào)理電路框圖如圖5所示。

首先利用電荷放大電路將高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵觯⑽⑷醯碾姾尚盘?hào)變成具有較高信噪比和一定抗干擾性的電壓信號(hào)。經(jīng)由電荷放大電路轉(zhuǎn)換后所得的電壓量盡管已有所放大，但我們更注重的是將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的低噪聲和穩(wěn)定性，因此放大電路中更多的是要防止信號(hào)畸變，從而穩(wěn)定輸出。所以，需要在電壓放大電路中將電壓信號(hào)放大到理想穩(wěn)定的幅度。本設(shè)計(jì)中，監(jiān)測(cè)電路信號(hào)放大了20倍，產(chǎn)生±5 V范圍的電壓供PLC采集使用。

圖5 信號(hào)調(diào)理電路框圖

在采集呼吸信號(hào)的同時(shí)，會(huì)受到其他噪聲的干擾，如人體的熱噪聲、其他電器的工頻噪聲等，這些噪聲將會(huì)影響信號(hào)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性以及信號(hào)波形的精確度。由于這些噪聲的頻率相對(duì)于呼吸信號(hào)和脈搏信號(hào)的頻率較高，因此采用二階有源低通濾波器來(lái)濾除模擬信號(hào)中的噪聲干擾，截止頻率為10 Hz。

為防止后續(xù)電路對(duì)前級(jí)電路的影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓跟隨器，以達(dá)到電壓的穩(wěn)定輸出。

2 標(biāo)準(zhǔn)呼吸電壓信號(hào)的輸出

圖6為采用信號(hào)調(diào)理電路處理圖3后得到的腹部呼吸電壓信號(hào)波形，可以看出，呼吸電壓信號(hào)范圍為-5 V～+5 V，電壓峰值大于4.5 V，呼吸間隔大約為3 s/次。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)呼吸電壓信號(hào)波形

如圖7為對(duì)圖4進(jìn)行濾波得到的呼吸暫停信號(hào)波形，可以看出，在14 s～24 s的10 s中，只出現(xiàn)了1個(gè)峰值(大于4.5 V)，只有一次有效呼吸，說(shuō)明在此期間出現(xiàn)了呼吸暫?，F(xiàn)象。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)呼吸暫停電壓信號(hào)波形

圖6、圖7的這些信號(hào)符合工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)，適合進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于PVDF的新型柔性呼吸信號(hào)傳感器，該傳感器采用環(huán)膜結(jié)構(gòu)，用彈性醫(yī)用網(wǎng)帶佩戴于患者腹部。采用信號(hào)調(diào)理電路提取了正常的呼吸信號(hào)和呼吸暫停信號(hào)，分析數(shù)據(jù)顯示，該監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到的有效呼吸電壓范圍為-5 V～+5 V，電壓峰值大于4.5 V，每3 s一次，另外，監(jiān)測(cè)到呼吸暫停患者的呼吸信號(hào)，兩者均準(zhǔn)確地反映了當(dāng)時(shí)被測(cè)試者的正確呼吸，提取的±5 V電壓信號(hào)亦可作為多種控制設(shè)備的輸入信號(hào)。該監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)呼吸信號(hào)準(zhǔn)確、通用，適用于多種控制系統(tǒng)，綜合性較強(qiáng)，也為信號(hào)的遠(yuǎn)程控制奠定了良好的基礎(chǔ)。