压电薄膜传感器及其在心脏监测中的应用

一、引言

　　心脏疾病是造成病残和灭亡的常见疾病，在发家国度中，心血管系统疾病已成为最为常见的疾病和致死的重要原因，而跟着我国人口老龄化，心血管疾病的比例也一年比一年高。心血管诊断除了临床外，主要依靠医疗器械。心电和心音是检测心血管疾病的两种差异的手段，心电主要应用于心率反常及心肌缺血的定性与定量阐明诊断，心血管药物的疗效评价。心音图可以或许有效的补充心脏听诊的不敷，将心脏听诊不能记录的心音信号或不容易鉴另外信号用图形的形式记录下来，供大夫阐明利用[1]。心音图团结心电图，可以或许大大提高心血管疾病的辨别和诊断程度，对付相识心血管成果，选择治疗，判定病理以及研究某些疾病的机理都提供了很有代价的资料，应用日益遍及。对人体微弱生理信号的有效收罗和处理惩罚一直是医疗器械规模的研究热点。今朝有多种用于人体微弱信号收罗的传感器，如压电陶瓷传感器、多普勒效应传感器等，但在布局和本钱上都存在必然的问题。今朝有一种回收新型高分子压电质料聚偏氟乙烯研制的压电传感器，其布局简朴，敏捷度高，能精确丈量微弱的人体信号。我们将其应用于对人体心音信号的收罗，研制了两通道的综合微型记录仪，别离动态记录心音信号和心电信号。尝试表白，该薄膜传感器与整机之间布局、机能匹配，该心音心电监测系统可以或许较量精确地监测阐明人体心音心电信号，为系统今后的产物化奠基了基本。

二、压电薄膜传感器的设计

　　PVDF压电薄膜是一种新型的高分子压电质料，在医用传感器中应用很普遍[2，3]。它既具有压电性又有薄膜柔软的机器机能，用它建造压力传感器，具有设计精良、利用利便、敏捷度高、频带宽、与人体打仗安详舒适，能紧贴体壁，以及声阻抗与人体组织声阻抗十分靠近等一系列特点[4]，可用于脉搏心音等人体信号的检测。脉搏心音信号携带有人体重要的生理参数信息，通过对该信号的有效处理惩罚，可精确获得波形、心率次数等可为大夫提供靠得住的诊断依据。

　　压电薄膜传感器的设计主要思量了传感器的敏捷度和信噪比，按照丈量信号的频率和响应幅度，我们设计薄膜传感器的布局有如同图1所示的几种。在收罗人体心音的信号时，由于心音的频响范畴较宽，同时其输出的物理信号值也很微弱，回收硬质衬底和中空的设计。这样可以提高传感器中薄膜在收到心音信号时的形变量，从而提高信号强度。这样布局设计的缺点是布局不安稳，利用时间长了需要校正。 PVDF压电薄膜的压电常数一般为D33=15×10-12C/N，g值较量高，可是具有很高的内阻抗，一般高达1012Ω，建造出的传感器的输出阻抗较大，倒霉于后头的信号收罗和放大。为防备信号的衰减，我们回收高输出阻抗的场效应管作为阻抗调动器，即为丈量系统的前置电路。我们操作结型场效应管的高输入阻抗的特点，按照其静态事情点设计阻抗调动器，如图2(a)所示，传感器得到的人体信号颠末阻抗调动器后，获得靠得住的低阻抗的输出信号。其输出阻抗如图 2(b)图所示。可以看出，在信号频率变革的环境下，传感器的输出阻抗保根基保持稳定。

三、心脏监测系统硬件

　　整个硬件系统可以分为三个部门：信号的收罗部门、信号的处理惩罚节制部门、信号的输出部门。信号的收罗包罗心音传感器、心电电极、阻抗调动电路、滤波器、同相放大器和模数转换电路。信号的处理惩罚节制部门主要由8031单片机完成，信号的输出由8255芯片完成。

　　1、信号收罗部门心音和心电综合检测系统的信号拾取包罗心电和心音信号的拾取，鉴于二者的产朝气理差异，该部门由心电电极和心音传感器构成。心电电极我们回收市售的普通一次性心电电极，心音传感器回收我们本身研制PVDF压电薄膜传感器。通过压电薄膜传感器收罗的心音信号强度仅有几个毫伏的数量级，需要对信号举办放大，我们操作一种高共模抑制比、高输入阻抗的运算放大器，操作电路的高度对称性，来节制放大倍数。心电放大单位包罗输入缓冲电路、高共模抑制比高增益差动放大器、低通滤波器、QRS波检测电路等部门。图3是我们的设计的前两级放大电路的频率响应图谱。从图中可以看出来，在包罗心音和心电信号的很大的一个宽频率范畴内，电路可以或许对信号有效放大，而且其增益基内情同。有效的淘汰了由于基线和信号放大不均所造成的误诊和漏诊。数据收罗系统是许多应用规模中不行缺少的部门。它是及时收罗与温度、湿度、压力、流量、速度等有关的持续变革的模仿量信号，通过模/数转换器把这些模仿信号酿成数字信号或直吸收罗代表某些状态特性的开关量，送计较机举办处理惩罚。我们的数据收罗系统的硬件布局如图4所示。
 

　　图4中，译码器用最高3位举办译码。它的输出别离作为ROM、RAM、通道地点锁存器、模/数转换器、数/模转换器、8255等片选信号。系统设置8K字节的EPROM监控措施，实现系统自检、输入/输出驱动;提供扩展8K字节RAM的本领。8路开关输入量通过光断绝器件后，直接连到P1口的8 位。8路开关输出接口到8255P的B通道。8模仿输入通道毗连到模仿开关，用软件节制切换，分时利用一片模/数转换器。模仿输出通道回收带输入数据缓冲器的数/模转换芯片。系统直接利用8031片内的串行输入、输出成果作为全双工的串行输入、输出口。数据的采样是依据采样定理，采样定理可以描写为：只要采样频率大于模仿信号中最高频率分量频率的两倍，则模仿信号中所包括的全部信息，也包括在它的采样值中。

　　按照这个定理我们可通过模/数转换器，按时(满意采样频率大于模仿信号最高频率)对检测波形举办采样，获得的采样数据(携带有检测波形的全部信息)可生存在存储器中，来实现波形的存储和输出。我们利用8位逐次迫近式A/D转换器AD0804，回收差动双端模仿输入。AD0804的WR信号节制三态门，实现数据输出线与系统数据线的毗连。

　　2、信号处理惩罚节制部门

　　信号处理惩罚节制器，该节制器由8031单片机完成。压电传感器得到通道一(心音)数据、心电电极得到通道二(心电)数据后，通过模仿电路先对其放大，后对其模仿信号举办整形，转化为脉冲形式(开关量)。操作8031单片机中的两个按时器/计数器T0和T1别离事情于按时和计数方法，对心音心电波形整形后的脉冲举办计数，然后通过软件计较脉搏心率每分钟跳动次数，并按照软件阐明心电心音数据相关的量。

　　3、信号的输出部门

　　信号的输出部门包罗接口电路和显示。接口电路部门回收了可编程输入输出接口片子8255，通过它可直接将CPU总线接向外设。我们选用8255 的能输入/输出方法，完成微型记录盒与PC机数据传送。为了利便计较机正确地找到该接口电路，赋予8255接口特定的地点，通过口地点译码确定接口电路地点。译码电路如图5所示。选择回收数据查询式传送方法向外界传送数据，其利益是当CPU与外部进程差异步时，也可以很好地办理CPU的时序和I/O端口的时序之间的共同问题，从而差异外设的状态信息，可以利用同一端口，而利用差异的位就行。功效显示部门由液晶显示块显示。选用点阵式液晶显示块显示心音和心电中心脏跳动次数及记录仪的事情时间、状态等。

四、心率计较措施

　　计较措施中，按照实际丈量精度，选择单片机按时器/计数器T0作为按时器，而按时器/计数器T1作为计数器，且都事情于16位计数器操纵模式0 为按时器时，选取按时时间为5ms，另设定一计数器CR。按照公式：(216-X)×T1=T2计较出X值。个中T1为一个呆板周期时间，T2为按时时间。首先设定模式节制字，接通T1计数器，当外部脉冲的第一个下降沿到时即TL1=1时，T0开始计数，当其溢生发生间断时，CR开始计数，直到TL1= 4时，T0、T1遏制计数，读取寄存器值，计较最终功效。简朴的措施流程图如图6。

五、功效接头

　　操作高分子压电质料聚偏氟乙稀研制成压电薄膜传感器应用于心音心电监测系统，可以或许精确不失真的收罗人体微弱的心音脉搏信号。该薄膜传感器与心音心电整机之间布局、机能匹配，通过尝试，良心音心电监测系统可以劈头监测人体的心音心电信号，该系统将应用于临床试验，估量不久将大概推广应用。