新型柔性呼吸传感器的设计与性能研究*

薛 君

(山西工程职业技术学院 电气工程系，山西 太原 030009)

0 引言

睡眠呼吸暂停综合症病因至今尚未完全明了，可导致高血压等多种并发症，随着病程的进展，甚至有夜间猝死的可能。因此，对病人进行睡眠实时监测十分必要。而传统的医用多导睡眠图检测要求被测试者住院观察，并应带有多种导联，有捆绑的不适感，夜间翻动身体时很容易造成导联脱落，严重影响使用者入睡，同时造成测试结果的不准确[1-2]。目前已有的医疗设备监测功能单一，监测的综合性和异地性较弱，这是由于采集到的信号通用性较差，只适用于与单一的医疗设备相连接。基于此，本文提出了基于PVDF的新型柔性呼吸传感器。

1 传感器整体设计

本文设计的新型柔性呼吸信号传感器采用PVDF环形薄膜结构进行数据采集，采用弹性医用网套佩戴于患者腹部。新型柔性呼吸信号传感器整体结构如图1所示。

图1 新型柔性呼吸信号传感器整体结构

该监测传感器佩戴方便，透气性较好，患者佩戴没有压迫不适感，减轻了患者睡眠呼吸信号检测时的心理负担，提高了舒适性，通过该传感器可得到工业标准用呼吸电压信号。

1.1 呼吸信号采集端材料的选用

PVDF属于压电材料中的压电聚合物，具有结构稳定、耐腐蚀性强、稳定性高、柔韧性好等优点，当受到机械外力时会在表面产生电位差，呈现出典型的正压电性，非常适用于人体皮肤表面或者植入人体内部对生命信号的监测，目前在医学、军事等领域都显示出其优异的特性[3-5]。

本柔性呼吸信号传感器呼吸信号采集端采用的PVDF薄膜由锦州科信电子材料有限公司生产，厚度为20 μm。

1.2 呼吸信号采集元件的结构设计

要确定PVDF薄膜的结构，首先要确定能使它产生较大形变的结构。

由板壳理论可知，在环形薄膜受力问题中，当挠度很大时，拉伸应力的作用占主导，这时荷载与挠度的关系就是三次方的关系。尤其是当挠度非常大或板的厚度非常薄的时候，板的抗弯刚度通常可以被忽略。因此在薄膜问题中，荷载与挠度的关系总是三次方的关系[6]，即：

(1)

其中：W为挠度；P为荷载；R为圆膜外径；h为圆膜厚度；β=R1/R,R1为圆膜内径；E为材料弹性模量；μ为材料泊松比。

基于式(1)，本文采用环形薄膜结构作为PVDF的受力结构，以期通过较小的荷载获得较大的形变，即产生较强的形变。呼吸信号采集元件整体结构如图2所示。

信号输出端的正、负极分别由PVDF环形薄膜的上、下极面引出，环形薄膜外形长度L=40 mm，宽度M=30mm，拱高H=30 mm。

图2 呼吸信号采集元件整体结构

在环形表面铺设一层弹性材料，用于外界荷载力消失时PVDF环形薄膜形状的自恢复。

1.3 呼吸信号的采集

呼吸运动是指胸腔的节律性扩大和缩小，主要由肋骨和胸骨运动产生的呼吸称为胸式呼吸，主要由膈肌舒缩产生的呼吸运动称为腹式呼吸。由此确定了3个可能产生最大荷载的部位：腹间、膈肌和肋间。为了明确佩戴位置对呼吸信号监测的影响，被测者分别在肋间、膈肌和腹部佩戴该传感器，提取呼吸信号进行比较。不同佩戴位置所提取的呼吸电压信号波形如图3所示。

图3 不同佩戴位置所提取的呼吸电压信号波形

由图3可知：在腹部佩戴传感器时，PVDF“环形薄膜”产生形变较大，信号比较灵敏，因此，临床上推荐在腹部位置佩戴该传感器。

另外，被测者模拟睡眠呼吸暂停患者，呼吸暂停10 s，测得腹部的呼吸暂停信号波形如图4所示。

图4 呼吸暂停电压信号波形

由图4可知：被测者在腹部佩戴该传感器装置，获得了较清晰的呼吸暂停信号。

1.4 呼吸电压信号调理电路设计

如图3、图4所示，监测到的电压信号微弱，为mV级，因此，需要设计调理电路对信号进行放大。

由于PVDF压电薄膜的阻抗高、表面生成的电荷量极小，加之呼吸信号频率较小(健康成年人的呼吸频率为0.20 Hz～0.33 Hz)，因此，首先需要对信号进行放大和滤波。信号调理电路框图如图5所示。

首先利用电荷放大电路将高阻抗输入变为低阻抗输出，并将微弱的电荷信号变成具有较高信噪比和一定抗干扰性的电压信号。经由电荷放大电路转换后所得的电压量尽管已有所放大，但我们更注重的是将电荷信号转换成电压信号的低噪声和稳定性，因此放大电路中更多的是要防止信号畸变，从而稳定输出。所以，需要在电压放大电路中将电压信号放大到理想稳定的幅度。本设计中，监测电路信号放大了20倍，产生±5 V范围的电压供PLC采集使用。

图5 信号调理电路框图

在采集呼吸信号的同时，会受到其他噪声的干扰，如人体的热噪声、其他电器的工频噪声等，这些噪声将会影响信号监测的准确性以及信号波形的精确度。由于这些噪声的频率相对于呼吸信号和脉搏信号的频率较高，因此采用二阶有源低通滤波器来滤除模拟信号中的噪声干扰，截止频率为10 Hz。

为防止后续电路对前级电路的影响，设计了一个电压跟随器，以达到电压的稳定输出。

2 标准呼吸电压信号的输出

图6为采用信号调理电路处理图3后得到的腹部呼吸电压信号波形，可以看出，呼吸电压信号范围为-5 V～+5 V，电压峰值大于4.5 V，呼吸间隔大约为3 s/次。

图6 标准呼吸电压信号波形

如图7为对图4进行滤波得到的呼吸暂停信号波形，可以看出，在14 s～24 s的10 s中，只出现了1个峰值(大于4.5 V)，只有一次有效呼吸，说明在此期间出现了呼吸暂停现象。

图7 标准呼吸暂停电压信号波形

图6、图7的这些信号符合工业用标准，适合进行进一步监控系统的开发[7]。

3 结语

本文设计了一种基于PVDF的新型柔性呼吸信号传感器，该传感器采用环膜结构，用弹性医用网带佩戴于患者腹部。采用信号调理电路提取了正常的呼吸信号和呼吸暂停信号，分析数据显示，该监测装置监测到的有效呼吸电压范围为-5 V～+5 V，电压峰值大于4.5 V，每3 s一次，另外，监测到呼吸暂停患者的呼吸信号，两者均准确地反映了当时被测试者的正确呼吸，提取的±5 V电压信号亦可作为多种控制设备的输入信号。该监测装置监测呼吸信号准确、通用，适用于多种控制系统，综合性较强，也为信号的远程控制奠定了良好的基础。