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(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(chǎn)，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(chǎn)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，板的抗彎剛度通常可以被忽略。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(chǎn)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(chǎn)生的呼吸稱為胸式呼吸，主要由膈肌舒縮產(chǎn)生的呼吸運動稱為腹式呼吸。由此確定了3個可能產(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(chǎn)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?；颊撸粑鼤和?0 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?，并將微弱的電荷信號變成具有較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(chǎn)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)測到呼吸暫停患者的呼吸信號，兩者均準確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。