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    新型脈搏分析儀的實際測量與電路改進

    時間:2015-09-06 來源:未知 作者:小韓 本文字數:2484字

      引言

      心率能提供一個人常規健康狀態和在健身時的身體狀態、精神狀態、體力水平等信息。另外,心率也能被用于偵測心率失常。如心室顫動、心跳過速等情況。心率提供的信息也能用作其他特殊醫療儀器作輔助參考。人任何的劇烈體力運動都會引起心率增加。另外,在睡眠時潛在異常心跳運動也會通過心率變異度表示出來。心率變異度作為參數可用來計算驅動應力大小或特殊人群的身體狀態。吸煙、喝酒或任何咖啡因的攝入都會引起心率異常度的變化,人的年齡和性別差別也可通過心率變異度來表現。心肌梗塞、心律失常、糖尿病、心臟衰竭等病癥也會通過心率變異度來表現。因為脈搏是心臟射血而引起的動脈搏動,所以一般情況下,人的心率和脈搏是一樣的。中醫給人看病時,往往通過把脈來判斷人體的健康狀況,所以對脈搏的實時監測和分析具有重要的意義。

      近年來,一種新型換能材料---壓電駐極體,得到了學術界的廣泛關注。其中聚丙烯(PP)泡沫壓電駐極體是最常見的,研究最成熟和性能最穩定的壓電駐極體,具有靈敏度高、柔性、環保、加工制作工藝簡單等優點,適合作電聲器件的換能器,也很適合作脈搏分析儀前端的換能器。換能器輸出的信號經電路處理,通過液晶動態實時顯示,且可將數據傳輸到上位機進行分析處理,作為其他醫療儀器測量數據的參考。
      
      1 新型壓電駐極體脈搏分析儀的結構、材料與電路設計

      1.1新型壓電駐極體脈搏分析儀的結構

      圖1為脈搏分析儀的架構圖。由圖可知,新型壓電駐極體脈搏分析儀由壓電傳感器、放大和濾波電路、模數轉換電路、微型處理器、液晶顯示電路和外部通訊電路等構成。
      
      1.2新型壓電駐極體傳感器的材料與制作

      新型壓電駐極體傳感器是用PP壓電駐極體薄膜作為換能材料的新型傳感器。

      PP壓電駐極體是蜂窩多孔的有機材料,通過高壓極化在孔洞上、下表面分別沉積正負電荷,當給壓電薄膜施加一個應力,壓電駐極體具有較低的彈性模量,薄膜被壓縮。因此壓電薄膜內的電偶極距減小,表面電極內的補償電荷相應減少。如果兩個電極開路,則在電極間產生一個電勢差,如果兩個電極短路,則產生電流。通過這個原理,機械應力轉化成電信號,完成機電轉換過程。通常,我們通過在壓電駐極體上、下表面蒸鍍金屬電極的方式將材料表面的電信號導出來,也可用粘貼導電膠帶或絲印導電油墨的方式來引出電極。由于新型壓電駐極體具有聚合物材料的一般特性,如質量輕,厚度薄,材料柔性易彎折,耐腐蝕,防水,無毒無害環保及成本低等。與傳統壓電晶體和壓電陶瓷相比,這種新型壓電駐極體大大擴展了壓電駐極體的適用范圍。相比PVDF等其他壓電聚合物,壓電駐極體的壓電系數高1個數量級,靈敏度提高。

      1.3脈搏分析儀的電路設計

      脈搏分析儀的后端電路包括一個前置放大電路、低功耗微型處理器、液晶顯示模塊、擴展存儲器、藍牙裝置和按鍵輸入設備。前置放大電路主要由電荷放大器、后級適調放大器、濾波電路構成。壓電傳感器通過兩根引線輸出高阻電荷信號Q,經電荷放大器轉換電路轉變為低電阻電壓信號,再由后級放大調整輸出電壓幅值,通過帶通濾波器濾除不需要的雜波,最后進入模擬轉數字的采樣口。輸入的模擬信號進入微型處理器的A/D采樣口,并對信號進行算法處理。液晶顯示模塊能實時動態顯示模擬出脈搏信號波形,并計數顯示。脈搏信號不正常或設備操作不正確都會發出報警信號。擴展存儲器用來增加微處理器實時處理數據的容量。按鍵輸入設備能針對不同應用場合選擇不同工作模式。顯示的數據或波形都可通過藍牙裝置輸出到電腦或其他終端設備,進行參考分析。圖2為壓電傳感器等效電路和前置放大器電路。圖中,Cp為駐極體膜的電容;Rf為膜片的內阻;Cc為導線的寄生電容;Ri為起靜電保護作用的電阻;Cf和Rf為運放的外圍電路,起低頻截止作用;Vcc為供電電壓;Vo為輸出信號,代表脈搏的壓力信號轉化成電信號。
      
      2 新型壓電駐極體脈搏分析儀的實際測量與電路改進

      圖3為脈搏分析儀的實物圖。由圖可知,脈搏分析儀通過一個封裝好的傳感器貼附在腕部動脈處來采集脈搏信號。旋轉動脈壓迫器的旋鈕可調整膠墊壓迫橈動脈的松緊度。脈搏分析儀的后端電路封裝在一個盒子里,傳感器采集到的脈搏信號經過電路處理后,直接在液晶模塊上顯示脈搏的波形圖和次數。精確測量人手腕部位的有效脈搏是一個復雜的過程。測量時動脈和傳感器之間一般會存在間隙,以致脈搏信號中會損失大量的高頻部分。且在人體運動過程中,皮膚和傳感器由于相互摩擦會產生很大的噪音,這些噪音大多是低頻的。所以為避免脈搏信號淹沒在噪聲信號中,實際測量中要注意:

      1)選擇合適的壓電薄膜貼附位置,最大程度的感應脈搏強度。

      2)壓電薄膜需要一定按壓力度才能感應出脈搏信號。

      3)測試板和人體需引入地回路,抵消工頻干擾。

      2.1直接利用壓電薄膜做心率換能器測試

      圖4為典型心電圖。將壓電薄膜貼在手腕脈搏跳動處,前端運放采用電荷放大,直接輸出心率波形。圖5為利用電荷放大運放來測試心率波形和次數。由圖可知,由于未經硬件濾波處理,波形狀態顯示QRS波群明顯,其他波群不明顯。且采用塑化膜的形式封裝壓電電極,易引入干擾。電荷放大后要將信號濾波處理,需搭建濾波電路或軟件濾波才能接近心電圖波形。
      
      2.2利用場效應晶體管(FET)壓電麥克風做心率換能器

      利用壓電麥克風作心率換能器,通過FET電壓的放大方式將壓電薄膜高阻抗輸入轉換成低阻抗輸出。后面接入ECG及生物電測量應用的集成信號調理模塊AD8232,經里面放大和濾波處理輸出心率波形。

      壓電麥克風的封裝形式抗干擾能力強,利用FET轉換易集成,成本低,搭配ADI的AD8232專業ECG芯片能輸出接近與典型心電圖波形。圖6為利用FET電壓放大來測試心率波形和次數。由圖可知,實測的波形圖近似于典型心電圖波形,尤其QRS波群明顯,且其他波群也有一定相似度,具有很大的醫療參考價值。
      
      3 結束語

      心率監測廣泛應用于個人醫療保健領域,能較準確的反應出人的健康狀況和運動睡眠狀態。我們用多孔壓電駐極體傳感器、相應的后端電路和顯示裝置,制造出的壓電駐極體脈搏分析儀已可足夠清晰的反應人的心率,具有很大的醫療參考價值。下一步,我們準備將這種新型壓電駐極體脈搏分析儀進行微型化處理,集成到目前最熱門的可穿戴式電子產品---智能手表和智能手環中去。

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