新型柔性呼吸傳感器的設計與性能研究*

薛 君

(山西工程職業(yè)技術學院 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，可導致高血壓等多種并發(fā)癥，隨著病程的進展，甚至有夜間猝死的可能。因此，對病人進行睡眠實時監(jiān)測十分必要。而傳統(tǒng)的醫(yī)用多導睡眠圖檢測要求被測試者住院觀察，并應帶有多種導聯(lián)，有捆綁的不適感，夜間翻動身體時很容易造成導聯(lián)脫落，嚴重影響使用者入睡，同時造成測試結果的不準確[1-2]。目前已有的醫(yī)療設備監(jiān)測功能單一，監(jiān)測的綜合性和異地性較弱，這是由于采集到的信號通用性較差，只適用于與單一的醫(yī)療設備相連接?；诖?，本文提出了基于PVDF的新型柔性呼吸傳感器。

1 傳感器整體設計

本文設計的新型柔性呼吸信號傳感器采用PVDF環(huán)形薄膜結構進行數(shù)據(jù)采集，采用彈性醫(yī)用網(wǎng)套佩戴于患者腹部。新型柔性呼吸信號傳感器整體結構如圖1所示。

圖1 新型柔性呼吸信號傳感器整體結構

該監(jiān)測傳感器佩戴方便，透氣性較好，患者佩戴沒有壓迫不適感，減輕了患者睡眠呼吸信號檢測時的心理負擔，提高了舒適性，通過該傳感器可得到工業(yè)標準用呼吸電壓信號。

1.1 呼吸信號采集端材料的選用

PVDF屬于壓電材料中的壓電聚合物，具有結構穩(wěn)定、耐腐蝕性強、穩(wěn)定性高、柔韌性好等優(yōu)點，當受到機械外力時會在表面產生電位差，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部對生命信號的監(jiān)測，目前在醫(yī)學、軍事等領域都顯示出其優(yōu)異的特性[3-5]。

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

1.2 呼吸信號采集元件的結構設計

要確定PVDF薄膜的結構，首先要確定能使它產生較大形變的結構。

由板殼理論可知，在環(huán)形薄膜受力問題中，當撓度很大時，拉伸應力的作用占主導，這時荷載與撓度的關系就是三次方的關系。尤其是當撓度非常大或板的厚度非常薄的時候，板的抗彎剛度通?？梢员缓雎?。因此在薄膜問題中，荷載與撓度的關系總是三次方的關系[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)形薄膜結構作為PVDF的受力結構，以期通過較小的荷載獲得較大的形變，即產生較強的形變。呼吸信號采集元件整體結構如圖2所示。

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

圖2 呼吸信號采集元件整體結構

在環(huán)形表面鋪設一層彈性材料，用于外界荷載力消失時PVDF環(huán)形薄膜形狀的自恢復。

1.3 呼吸信號的采集

呼吸運動是指胸腔的節(jié)律性擴大和縮小，主要由肋骨和胸骨運動產生的呼吸稱為胸式呼吸，主要由膈肌舒縮產生的呼吸運動稱為腹式呼吸。由此確定了3個可能產生最大荷載的部位：腹間、膈肌和肋間。為了明確佩戴位置對呼吸信號監(jiān)測的影響，被測者分別在肋間、膈肌和腹部佩戴該傳感器，提取呼吸信號進行比較。不同佩戴位置所提取的呼吸電壓信號波形如圖3所示。

圖3 不同佩戴位置所提取的呼吸電壓信號波形

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

另外，被測者模擬睡眠呼吸暫?；颊?，呼吸暫停10 s，測得腹部的呼吸暫停信號波形如圖4所示。

圖4 呼吸暫停電壓信號波形

由圖4可知：被測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。

1.4 呼吸電壓信號調理電路設計

如圖3、圖4所示，監(jiān)測到的電壓信號微弱，為mV級，因此，需要設計調理電路對信號進行放大。

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，首先需要對信號進行放大和濾波。信號調理電路框圖如圖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醯碾姾尚盘栕兂删哂休^高信噪比和一定抗干擾性的電壓信號。經(jīng)由電荷放大電路轉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轉換成電壓信號的低噪聲和穩(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放大到理想穩(wěn)定的幅度。本設計中，監(jiān)測電路信號放大了20倍，產生±5 V范圍的電壓供PLC采集使用。

圖5 信號調理電路框圖

在采集呼吸信號的同時，會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，這些噪聲將會影響信號監(jiān)測的準確性以及信號波形的精確度。由于這些噪聲的頻率相對于呼吸信號和脈搏信號的頻率較高，因此采用二階有源低通濾波器來濾除模擬信號中的噪聲干擾，截止頻率為10 Hz。

為防止后續(xù)電路對前級電路的影響，設計了一個電壓跟隨器，以達到電壓的穩(wěn)定輸出。

2 標準呼吸電壓信號的輸出

圖6為采用信號調理電路處理圖3后得到的腹部呼吸電壓信號波形，可以看出，呼吸電壓信號范圍為-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 標準呼吸電壓信號波形

如圖7為對圖4進行濾波得到的呼吸暫停信號波形，可以看出，在14 s～24 s的10 s中，只出現(xiàn)了1個峰值(大于4.5 V)，只有一次有效呼吸，說明在此期間出現(xiàn)了呼吸暫?，F(xiàn)象。

圖7 標準呼吸暫停電壓信號波形

圖6、圖7的這些信號符合工業(yè)用標準，適合進行進一步監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[7]。

3 結語

本文設計了一種基于PVDF的新型柔性呼吸信號傳感器，該傳感器采用環(huán)膜結構，用彈性醫(yī)用網(wǎng)帶佩戴于患者腹部。采用信號調理電路提取了正常的呼吸信號和呼吸暫停信號，分析數(shù)據(jù)顯示，該監(jiān)測裝置監(jiān)測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)測到呼吸暫?；颊叩暮粑盘枺瑑烧呔鶞蚀_地反映了當時被測試者的正確呼吸，提取的±5 V電壓信號亦可作為多種控制設備的輸入信號。該監(jiān)測裝置監(jiān)測呼吸信號準確、通用，適用于多種控制系統(tǒng)，綜合性較強，也為信號的遠程控制奠定了良好的基礎。