壓電薄膜傳感器及其在心臟監測中的應用

一、引言

　　心臟疾病是造成病殘和死亡的常見疾病，在發達國家中，心血管系統疾病已成為最為常見的疾病和致死的重要原因，而隨著我國人口老齡化，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，主要依靠醫療器械。心電和心音是檢測心血管疾病的兩種不同的手段，心電主要應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價。心音圖能夠有效的彌補心臟聽診的不足，將心臟聽診不能記錄的心音信號或不容易分辨的信號用圖形的形式記錄下來，供醫生分析使用[1]。心音圖結合心電圖，能夠大大提高心血管疾病的鑒別和診斷水平，對于了解心血管功能，選擇治療，判斷病理以及研究某些疾病的機理都提供了很有價值的資料，應用日益廣泛。對人體微弱生理信號的有效采集和處理一直是醫療器械領域的研究熱點。目前有多種用于人體微弱信號采集的傳感器，如壓電陶瓷傳感器、多普勒效應傳感器等，但在結構和成本上都存在一定的問題。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，其結構簡單，靈敏度高，能準確測量微弱的人體信號。我們將其應用于對人體心音信號的采集，研制了兩通道的綜合微型記錄儀，分別動態記錄心音信號和心電信號。實驗表明，該薄膜傳感器與整機之間結構、性能匹配，該心音心電監測系統能夠比較準確地監測分析人體心音心電信號，為系統以后的產品化奠定了基礎。 信息請登陸:輸配電設備網

　　二、壓電薄膜傳感器的設計

　　PVDF壓電薄膜是一種新型的高分子壓電材料，在醫用傳感器中應用很普遍[2，3]。它既具有壓電性又有薄膜柔軟的機械性能，用它制作壓力傳感器，具有設計精巧、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[4]，可用于脈搏心音等人體信號的檢測。脈搏心音信號攜帶有人體重要的生理參數信息，通過對該信號的有效處理，可準確得到波形、心率次數等可為醫生提供可靠的診斷依據。 信息請登陸:輸配電設備網

　　壓電薄膜傳感器的設計主要考慮了傳感器的靈敏度和信噪比，根據測量信號的頻率和響應幅度，我們設計薄膜傳感器的結構有如同圖1所示的幾種。在采集人體心音的信號時，由于心音的頻響范圍較寬，同時其輸出的物理信號值也很微弱，采用硬質襯底和中空的設計。這樣可以提高傳感器中薄膜在收到心音信號時的形變量，從而提高信號強度。這樣結構設計的缺點是結構不牢固，使用時間長了需要校正。 PVDF壓電薄膜的壓電常數一般為D33=15×10-12C/N，g值比較高，但是具有很高的內阻抗，一般高達1012Ω，制作出的傳感器的輸出阻抗較大，不利于后面的信號采集和放大。為防止信號的衰減，我們采用高輸出阻抗的場效應管作為阻抗變換器，即為測量系統的前置電路。我們利用結型場效應管的高輸入阻抗的特點，根據其靜態工作點設計阻抗變換器，如圖2(a)所示，傳感器獲得的人體信號經過阻抗變換器后，得到可靠的低阻抗的輸出信號。其輸出阻抗如圖 2(b)圖所示。可以看出，在信號頻率變化的情況下，傳感器的輸出阻抗保基本保持不變。