基于差动电感式角位移传感器的血栓弹力测量

钱　俊，孙海旋，陈弈博，梁伟国，卢势浩，王弼陡

(中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州　215163)

基于差动电感式角位移传感器的血栓弹力测量

钱俊，孙海旋，陈弈博，梁伟国，卢势浩，王弼陡

(中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏 苏州215163)

分析了血栓弹力测量的原理。针对其测量要求，设计了一种变面积差动电感式角位移传感器。详细介绍了传感器的结构，对设计过程做了计算分析。介绍了基于L-C谐振方法的传感器测量电路与测量方法。实验表明，所设计传感器及测量系统的测量结果与角位移有良好的线性关系，系统分辨率不低于0.01°。

血栓弹力图；角位移传感器；差动电感

本文著录格式：钱俊，孙海旋，陈弈博，等. 基于差动电感式角位移传感器的血栓弹力测量[J]. 软件，2016，37（9）：17-20

0　引言

血栓弹力测量通过连续监测凝血—纤溶过程的血液粘弹性变化来研究凝血过程，能全面反映从凝血到纤溶全过程血液各个成分之间相互作用的结果，从而协助临床医师对临床病人的术后出血、心外手术中或术后的血栓、器官移植、外伤和心脏手术过程中或术后发生的血栓症等凝血状况做出准确判断[1-3]。

监测血凝块的粘弹力基于以下原理[4]：伴随凝血过程，纤维蛋白、血小板、血细胞形成三维交联网状结构，血液粘弹性随之变化；一特制静止盛有血液的圆柱形杯，以4°45’的角度旋转，周期为10秒；一根由螺旋扭丝悬挂的针浸泡在血样中；纤维蛋白—血小板复合物将杯和针粘在一起后，杯的旋转运动能传递至血样中的针，纤维蛋白—血小板复合物的强度影响针的运动幅度，以致强硬的血凝块能使针的运动与杯的运动同步；血凝块溶解时，针与血凝块的联结解除，杯的运动不再传递给针。其原理示意图见1。因此，通过连续监测针的运动幅度，就可以间接监测血样凝结过程中血栓的粘弹力。

1　差动电感式角位移传感器设计

监测针的运动幅度即监测其转动角度，需要用到角位移传感器。采用的角位移检测装置不应该对针的运动有大的影响，所以多采用非接触式的角位移传感器。常见非接触式的角位移传感器主要有基于光学原理和电磁感应原理的两类。光学传感器测量精度高，但是制造装配困难，对使用环境也有一定的要求[5]。而基于电磁感应原理的传感器制造容易、可在较恶劣的环境中使用。电感式角位移传感器是电磁感应原理传感器的一种。常规的电感式角位移传感器较光学传感器简单，但也相对的存在零件件数多，装配工序多的问题。系统设计一种结构简单，装配方便的基于PCB制造工艺的变面积差动电感式角位移传感器。

图1　血栓弹力测量原理图Fig.1　The principle diagram of thrombelastography

1.1差动电感式角位移传感器结构

传感器结构见图2，包括传感器定子和转子两部分。

图2　差动电感式角位移传感器结构图Fig.2　Structure diagram of the angular transducer

传感器定子为一PCB板，PCB 板上加工有铜箔螺旋结构的两相绕组以及一个实现导电连接的连接器，其结构见图3。每相绕组由两个径向相对的绕组串联构成，两相绕组共包含四个绕组。四个绕组均为同心螺旋扇环形结构，各绕组铜箔螺旋方向相同。这样，每相绕组中的两个绕组串联连接时，确保在磁路中其磁通量相互叠加。在PCB板上绕组中心位置处有一钻孔。

图3　传感器定子PCB顶层、底层图Fig.3　Toplayer and bottomlayer of the stator PCB

传感器转子结构见图4，由两个相同的铁磁材料薄片及转动轴构成。每个薄片为径向对称的扇环形结构。两薄片安装于一轴上，彼此轴向对称。薄片轴向距离稍大于PCB厚度。

图4　传感器转子结构图Fig.4　Structure diagram of the rotor

转子铁磁薄片扇环外圆直径大于定子绕组线圈扇环外圆直径，转子铁磁薄片扇环内圆直径小于定子绕组线圈扇环内圆直径；定子扇环形绕组圆心角大于转子扇环圆心角的一半。

安装时，粘弹力测量探针穿过转子转动轴中心，并由螺旋扭丝悬挂，上端固定。同时，转子轴穿过PCB中心孔与绕组同心，PCB中心孔孔径大于转子轴外径，两者之间没有接触。水平方向固定定子位置。其安装图见图5。

图5　角位移传感器安装图Fig.5　Assembly diagram for the angular transducer

1.2差动电感式角位移传感器计算分析

如上述传感器结构，绕组中通过电流时，产生的磁通通过两片铁磁材料薄片、薄片与绕组间的气隙形成闭合磁路。由于铁磁材料薄片与绕组轴向距离很小，即气隙很短，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的[6]。不考虑磁路铁损时，工程近似磁路总磁阻Rm为

式中：l1——PCB板导磁长度；

µ1——PCB板材料磁导率；

A1——PCB板导磁横截面积；

L2——铁磁薄片导磁长度；

µ2——铁磁材料磁导率；

A2——铁磁薄片等效导磁横截面积；

δ——PCB板与铁磁薄片间气隙长度；

µ0——空气磁导率；

A0——气隙导磁横截面积。

铁磁材料的磁导率相比空气的磁导率是很大的，铁磁材料的磁阻在计算时可以忽略，PCB板导磁横截面积A2等于气隙导磁横截面积A0，故

线圈电感L由下式确定

式中：W——线圈匝数。

传感器转子转动过程中l1、δ保持不变。A0随转子转动角度改变，两相绕组中A0的变化成差动关系。设两相绕组中的A0值分别为A01、A02，故

式中：S1、S2——常量，分别为两相绕组的初始气隙导磁面积；

θ——转子转动角度；

K——比例常数。

令故两相绕组自感差值ΔL为

即自感差动量与转子角度成线性关系。

为保证传感器有最大线性范围，安装时转子初始位置应和定子绕组对中，此时传感器线性范围为

传感器灵敏度S为

2　差动电感式角位移传感器信号的测量

常用电感测量方法有交流电桥法、谐振法等，系统采用谐振法。用谐振法测量电感时，将电感接入

通过测量谐振周期便可以计算出电感值。测量两相绕组的电感，将测量结果相减，即得出差动电感值。

L—C振荡电路采用反相器构成的振荡电路，其原理图见图6。图中SWITCH开关信号控制PNP三极管的通断，将两相绕组交替接入振荡回路。这种方法与采用两套振荡回路的方法相比，避免了两套振荡回路元件匹配不一致带来的测量结果偏差。两相绕组交替接入电路，故两个电感值不是在同一时间测得，这样在计算差动电感值时会引入误差。但是，开关切换时间即每次测量时间非常短，约几毫秒，相对于电感变化周期10S来说非常小，故由于两组电感非同时测量引入的误差非常小。

因而通过将角位移传感器接入上述L—C振荡回路，测量输出信号谐振周期，计算电感值，便可以得到一个受待测角度调制的差动电感输出。L—C振荡回路，其谐振周期为

3　实验

3.1实验装置

（1）差动电感式角位移传感器

按照前述的差动电感式角位移传感器结构，系统设计的传感器具体参数为：定子PCB：FR-4基材；0.035μm厚铜箔；双面板；PCB为直径33mm的圆形，中心孔直径8mm，PCB边缘两安装孔直径3.3mm；线圈在PCB顶层、底层层叠两层，线宽 0.127mm，每层线圈7匝，扇环外圆直径28mm，内圆直径13mm，圆心角50°。转子铁芯：材料为电磁纯铁，厚度1mm，扇环外圆直径31mm，内圆直径10mm，圆心角30°，中心直径6mm。

（2）差动电感式角位移传感器信号测量电路信号测量电路为上述L—C振荡回路，电路器件参数见图6。

（3）电动旋转台

固定传感器定子，传感器转子安装于一个由电动旋转台驱动的轴上，通过电动旋转台控制传感器转子转动角度。旋转台型号为MRS102，技术指标见表1。

3.2实验方法

设置电动旋转台以每步0.01°的角度步进量，在±6°的范围内旋转，进而带动传感器定子同步旋转，测量每步所对应的传感器信号测量装置输出。

表1　MRS102电动旋转台技术指标

根据式5、9可知，谐振周期与传感器角度并非线性关系。若根据式9，由测得的谐振周期计算出具体的差动电感值，则计算较为麻烦。如果在测量范围内L的相对变化量很小，可将式9作泰勒级数展开并忽略高阶项，近似认为谐振周期和电感量为线性关系。实际测量中，用LCR测试仪测量发现，定子每相绕组静态电感为4.25μH，转子转动角度范围为±2.5°时，绕组电感变化量为±0.005μH，相对变化量约为±0.1%。故近似计算时，可忽略泰勒级数中的高阶项。

谐振回路输出信号频率约为5MHz。对于5MHz的信号，直接测量其周期相对困难。实验中实际是测量信号频率，并取倒数，得到周期值。取倒数时，为了运算方便，用十六进制数0X7FFFFFFF除以测量得到的信号频率。

3.3实验结果

测得转子差动周期—转角关系，并描出其散点图，见图6。从图中可以看出，系统在±6°的范围内有很好的线性关系。采用最小二乘法线性拟合，拟合得的线性方程为

式中：y—差动周期值，单位为s/2147483647；

x—转子转角，单位为°。

相关系数R2=0.9998，可见拟合方程有很好的拟合优度。

图6　±6°范围测量结果散点图Fig.6　Scatter diagram for an angular range of ±6°

图7，是上述散点图在±0.1°范围内的局部图。在局部图中，差动周期—转角仍然保持很好的线性关系。从放大图中可以看出，系统测量的有效分辨率不低于0.01°。

图8是基于该实验系统设计参数的血栓弹力图实际测量结果，各项测量参数与现有商品仪器测量结果相关性较好。

图7　±0.1°范围测量结果散点图Fig.7　Scatter diagram for an angular range of ±0.1°

图8　实验血栓弹力图Fig.8　Experimental thrombelastography

4　结论

设计的差动电感式角位移传感器及其信号测量电路与方法用于血栓弹力测量，经实验验证有较好的测量结果，具有以下优点：该传感器不存在对温度、湿度、灰尘等因素敏感的元件，使用环境限制较小；传感器为电感输出，后续的检测电路简单，抗干扰能力强；用PCB铜箔螺旋层叠的结构作为绕组，结构简单，加工工艺简单，安装方便；实现了高精度、高灵敏度、抗干扰能力强的角度测量，成本、尺寸、可靠性方面都得到提高。

[1] Westbrook AJ, Olsen J, Bailey M, et al. Protocal based on thrombelastograph(TEG) out-performs physician preference using laboratory coagulation tests to guide blood replacement during and after cardiac surgery: a pilot study[J]. Heart Lung Circ. 2009, 18(4): 277-288.

[2] Gurusamy KS, Pissanou T, Pikhart H, et al. Methods to decrease blood loss and transfusion requirements for liver transplantation[J]. Cochrane Database Syst Rev. 2011, (12): CD009052.

[3] Schöchl H, Nienaber U, Maegele M, et al. Transfusion in trauma: thrombelastometry-guided coagulation factor concentrate-based therapy versus standard fresh frozen plasmabased therapy[J]. Crir Care. 2011, 15: R83.

[4] Reikvam H, Steien E, Hauge B, et al. Thrombelastography[J]. Transfus Apher Sci. 2009, 40(2): 119-123.

[5] 马青, 史金飞. 基于LVDT原理的精密角位移传感器的研制[J]. 中国制造业信息化, 2003, 33(12): 124-126.

[6] 潘炼. 传感器原理及应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012: 83.

Measurement of Thrombelastography Based on Differential Inductive Angular Displacement Transducer

QIAN Jun, SUN Hai-xuan, CHEN Yi-bo, LIANG Wei-guo, LU Shi-hao, WANG Bi-dou
(Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, CAS, Suzhou 215163 China)

The principle of thrombelastography measurement was analyzed. According to the requirements of this measurement, an area variable differential inductive angular displacement transducer was designed. A detailed introduction for the structure of this transducer and a mathematical analyzation of the design procedure were proposed. A signal detecting circuit and method were given based on L-C resonant. Experimental result indicates a great linear relationship between the input and output of this measurement system. The resolution of this system is better than 0.01°.

Thrombelastography; Angular displacement transducer; Differential inductor

TP273

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.09.004

中科院装备研制项目(YZ201550)；中科院重点部署项目(KFZD-SW-204)；江苏省科技支撑计划(BE2014640)。

钱俊(1983-)，男，助理研究员，主要研究方向：生物医学电子仪器。