壓電薄膜傳感器及其在心臟監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

一、引言

　　心臟疾病是造成病殘和死亡的常見(jiàn)疾病，在發(fā)達(dá)國(guó)家中，心血管系統(tǒng)疾病已成為最為常見(jiàn)的疾病和致死的重要原因，而隨著我國(guó)人口老齡化，心血管疾病的比例也一年比一年高。心血管診斷除了臨床外，主要依靠醫(yī)療器械。心電和心音是檢測(cè)心血管疾病的兩種不同的手段，心電主要應(yīng)用于心率失常及心肌缺血的定性與定量分析診斷，心血管藥物的療效評(píng)價(jià)。心音圖能夠有效的彌補(bǔ)心臟聽(tīng)診的不足，將心臟聽(tīng)診不能記錄的心音信號(hào)或不容易分辨的信號(hào)用圖形的形式記錄下來(lái)，供醫(yī)生分析使用[1]。心音圖結(jié)合心電圖，能夠大大提高心血管疾病的鑒別和診斷水平，對(duì)于了解心血管功能，選擇治療，判斷病理以及研究某些疾病的機(jī)理都提供了很有價(jià)值的資料，應(yīng)用日益廣泛。對(duì)人體微弱生理信號(hào)的有效采集和處理一直是醫(yī)療器械領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前有多種用于人體微弱信號(hào)采集的傳感器，如壓電陶瓷傳感器、多普勒效應(yīng)傳感器等，但在結(jié)構(gòu)和成本上都存在一定的問(wèn)題。目前有一種采用新型高分子壓電材料聚偏氟乙烯研制的壓電傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，能準(zhǔn)確測(cè)量微弱的人體信號(hào)。我們將其應(yīng)用于對(duì)人體心音信號(hào)的采集，研制了兩通道的綜合微型記錄儀，分別動(dòng)態(tài)記錄心音信號(hào)和心電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，該薄膜傳感器與整機(jī)之間結(jié)構(gòu)、性能匹配，該心音心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)分析人體心音心電信號(hào)，為系統(tǒng)以后的產(chǎn)品化奠定了基礎(chǔ)。 信息請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng)

　　二、壓電薄膜傳感器的設(shè)計(jì)

　　PVDF壓電薄膜是一種新型的高分子壓電材料，在醫(yī)用傳感器中應(yīng)用很普遍[2，3]。它既具有壓電性又有薄膜柔軟的機(jī)械性能，用它制作壓力傳感器，具有設(shè)計(jì)精巧、使用方便、靈敏度高、頻帶寬、與人體接觸安全舒適，能緊貼體壁，以及聲阻抗與人體組織聲阻抗十分接近等一系列特點(diǎn)[4]，可用于脈搏心音等人體信號(hào)的檢測(cè)。脈搏心音信號(hào)攜帶有人體重要的生理參數(shù)信息，通過(guò)對(duì)該信號(hào)的有效處理，可準(zhǔn)確得到波形、心率次數(shù)等可為醫(yī)生提供可靠的診斷依據(jù)。 信息請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng)

　　壓電薄膜傳感器的設(shè)計(jì)主要考慮了傳感器的靈敏度和信噪比，根據(jù)測(cè)量信號(hào)的頻率和響應(yīng)幅度，我們?cè)O(shè)計(jì)薄膜傳感器的結(jié)構(gòu)有如同圖1所示的幾種。在采集人體心音的信號(hào)時(shí)，由于心音的頻響范圍較寬，同時(shí)其輸出的物理信號(hào)值也很微弱，采用硬質(zhì)襯底和中空的設(shè)計(jì)。這樣可以提高傳感器中薄膜在收到心音信號(hào)時(shí)的形變量，從而提高信號(hào)強(qiáng)度。這樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不牢固，使用時(shí)間長(zhǎng)了需要校正。 PVDF壓電薄膜的壓電常數(shù)一般為D33=15×10-12C/N，g值比較高，但是具有很高的內(nèi)阻抗，一般高達(dá)1012Ω，制作出的傳感器的輸出阻抗較大，不利于后面的信號(hào)采集和放大。為防止信號(hào)的衰減，我們采用高輸出阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管作為阻抗變換器，即為測(cè)量系統(tǒng)的前置電路。我們利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的高輸入阻抗的特點(diǎn)，根據(jù)其靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)阻抗變換器，如圖2(a)所示，傳感器獲得的人體信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗變換器后，得到可靠的低阻抗的輸出信號(hào)。其輸出阻抗如圖 2(b)圖所示?？梢钥闯?，在信號(hào)頻率變化的情況下，傳感器的輸出阻抗保基本保持不變。