PVDF多点脉搏波计算机辅助测试系统研究

1、JOURNAL OF TSINGHUAUNIVERSITY SCIENCE ANDTECHNOLOGY 1999年 第39卷 第8期 Vol.39 No.8 1999PVDF多点脉搏波计算机辅助测试系统研究 *金观昌,于淼,鲍乃铿文摘提出了一种新型压电薄膜(PVDF多点脉搏波计算机辅助测试系统,它包 括多点PVDF传感器、多点信号放大装置、以及数据采集系统。该系统可测量脉搏波在 寸、关、尺三部的不同信息以及沿血管横截面方向脉搏波的变化,系统软件可全方 位、多功能地显示各种脉图,实现多点动态实时测量,并能对脉图进行频谱分析和数 字滤波。实验表明,本系统与中医脉诊相结合,将给中国传统医学的脉诊带来

2、新的应 用前景。关键词压电薄膜;计算机辅助测试;脉搏测量分类号TB 22Research of multi-point pulse wave computer measurement system using PVDF JIN Guanchang,YU MiaoDepartment of Engineering Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China; BAO NaikengDepartment of Electronic Engineering,City University of Hong Kong,Kowloon,Hong K

3、ongAbstractThis paper presented a new method for human pulse measuring,which used PVDF transducer to measure multi-point pulse wave.A new piezo-film transducer and computer aided testing system were developed,the system was made up of a multi-point piezo-film transducer,a multi-point amplifier equip

4、ment and computer data sampling system.It can measure three parts “Chi”,“Gua”,“Chun” of the pulse wave distribution and analyze the wave changes along the cross section of blood vessel.The software of system integrates all procedures in pulse measurement and analysis into a fully automated process,i

5、ncluding data collecting,real time display,active display,frequency analysis and digital filter.The experements prove that when the equipment is combined with the traditional Chinese medicine,it will provide wide practical application.Key wordspiezo-film;compute aided testing;pulse measuring按照中医脉诊的理

6、论,从两手腕的寸、关、尺三部按不同的轻重(沉、中、浮可 获知人体五脏六腑的病理变化,由于中医的脉诊是通过指下感觉进行判断的,各个医 生的临床切脉经验各有不同,切诊的结果往往难以一致,因此科学地对脉搏信息进行加工处理,提取其中与人体生理和病理变化密切相关的特征参量 1将为中医临床脉 诊提供客观依据。国内外在提取脉搏图象方面已经开展了大量的工作,先后研制了不同种类的传感 器及测量设备获得脉搏波形,例如80年代研制的液态传感器 2就是利用将单位长度 管段动脉内血液体积随时间变化量转换成导电液柱体电阻的改变参量来测量脉搏波形 的。这种传感器虽然有较高的灵敏度,但由于液态传感器本身结构特点的限制使测量

7、过程并不十分方便。近年来,一种新型高分子材料PVDF以其优良的性能引起了人们广 泛重视,已经有学者将PVDF材料成功用于脉搏的测量 3,但已有的研究仅限于单点测 量,而实际的脉搏信息往往很难用单点信号全面描述。本文作者曾研制了一种多点 PVDF薄膜传感器 4,这为多点脉搏波的测量创造了条件。本文将介绍一种用于测量多点脉搏的新型测量系统,它由传感器、信号放大装 置、以及数据采集系统三部分组成。系统采用PVDF作为传感元件,配有两种型号的传 感器,可分别用于测量寸、关、尺三部脉图以及脉搏沿血管横截面方向的变化。这种 新型测量系统将为中医脉象研究提供更为直观、科学的依据。1PVDF多点脉搏传感器19

8、69年Kawai 5发现经过高倍率拉伸和高电场下极化真空蒸发金属电极后的 PVDF薄膜(聚偏氟乙烯具有明显的压电特性,经过几十年的应用和基础研究,目前 PVDF的性能已明显提高,其压电常数比PZT压电陶瓷高1020倍,而密度只有它的 1/4。它具有很高的强度与很宽的频响(0.110MHz,材料薄(几m到几百m而柔 软,并且有很好的时间和温度稳定性。另外,PVDF与水及人体软组织的声阻抗匹配良 好,因此近年来在医疗仪器领域的应用十分活跃 6。当压电薄膜受力后,输出电荷 与外力之间有:(1式中:qi 为薄膜单位面积输出的电荷,Q i 为薄膜总的输出电荷,j 为薄膜承受的应 力,F j 为薄膜承受的

9、外力,d ij 为薄膜的压电应变常数。本文设计研制了两种PVDF传感器,型传感器可用于测量寸、关、尺三部脉搏波 形的不同变化,每部有4个测量点,共12个测点,这样的设计方案将给脉搏图象分析以 空间的概念,同时可以消除由单点测量而带来的偶然误差。 型传感器用于测量脉搏 波沿血管横截面方向各个点的不同,以得到脉图沿血管横向的变化规律,它采用9个测 点并排成一列,各测点间距为1mm。这两种传感器均采用厚度为35m的PVDF薄膜, 单个测点面积为1.5mm×1.5mm。由于PVDF薄膜厚度仅35m,又要进行多点测量, 因此引线问题成为一大难题。本文采用在绝缘薄膜基底上光刻出铜制栅线的方法来制

10、 作引线,将栅线上表面作为信号引出端,下表面接地。PVDF传感器属于高内阻弱信号 的传感器,在设计时稍有疏忽就将带来很大的干扰信号,因此本文将传感器设计成多 层结构,使它具有良好的绝缘性和屏蔽性,尽管采用多层结构,传感器的总体厚度也 仅为0.4mm。2信号放大装置与数据采集系统由于传感器在脉搏信号作用下会有电荷产生,这个电荷量不能直接测量,必须经 信号放大装置将电荷量转化为电压量才能进行采集。通常使用的电荷放大器比较昂贵 且很难满足多点测量的需要,因此设计简单易行的信号放大装置是测量多点脉搏信号 的一个重要环节。所设计的信号放大装置由两级运算放大电路组成,第一级是由一个 高输入阻抗放大器连接成

11、的电压跟随器,它采用CA3140作为基本元件,其输入阻抗可 达1.5×1012 ,采用MOS/FET输入,具有较低的输入失调电压和输入偏置电流。脉搏 信号经过电压跟随器,在CA3140的输出端可产生最大值约±160mV的电压,第二级放 大电路的作用就是将这一电压值放大到计算机进行数据采集较适宜的电压范围(±5V。利用上述电路进行脉搏测量,发现测量结果受温度变化影响很大,这主要是由于 PVDF材料在具有压电效应的同时热电效应也十分明显。以前人们所研制的PVDF脉搏 传感器并没有考虑其温度效应,这主要是考虑到人的体温是大致恒定的。但是在实验 中发现,尽管人的体温基本保

12、持恒定,但手腕部位皮肤表面的温度受外界温度变化的 影响仍很大,而且手腕部位皮肤与传感器表面的温差也会给测量带来很大影响。因此 本文在PVDF脉搏传感器的设计中,充分考虑了上述因素的影响,利用人体脉搏(1Hz左 右与温度信号(0.5Hz以下之间存在频率差别,在测量电路中加入简单的滤波电路,基 本上避免了温度效应给脉搏测量带来的不良影响。测量系统的最后一个环节是计算机数据采集系统,它由数据采集硬件和软件两部 分组成。数据采集硬件采用高性能价格比的数据采集板PC-1216K2,它将经过信号放大 装置转化为电压量的脉搏信号进一步转化为数字电压。数据采集软件则采用中断查询 方式对硬件进行编程控制,实现采

13、集过程。为了使整个测量系统更加完善,开发了人体脉搏测量分析软件,它具有强大的功 能,能实现实时采样、多种方式的脉图分析、频谱分析和数字滤波等功能。3实验测试利用动量定理可得到PVDF脉搏测量系统的输出量与动量M的标定曲线如图1。 对标定曲线进行线性拟合得到标定灵敏度S=2.839V/N,与理论值相差不大,但是由于 PVDF传感器在力的作用下产生的电荷量不可能无损失地输出,所以使得测量系统的实 际灵敏度比理论值偏小。 图1测量系统标定曲线使用型传感器,将传感器测点与腕部寸、关、尺三部分对准,通过人体脉搏测 量分析系统可得到12通道的时域脉图如图2所示。从图中可见,脉图能够反映出主动脉 最高压力点

14、及反潮波,并且能够看出寸(CH1CH4、关(CH5CH8、尺(CH9 CH12三部分脉图有所区别。型传感器的空间脉图如图3所示,通过人体脉搏测量分 析软件由动画显示可观察到脉搏幅值的空间变化情况。图2型传感器时域脉图 图3型脉搏直方图型传感器专为测量脉搏沿血管横截面变化情况而设计,使用该传感器可以得到 沿血管横向9个测点的脉搏时域图,如图4所示。从脉搏时域曲线可以看出,位于血管 中央位置的测点由脉搏所产生的系统输出电压幅值较大,并由运动中心向边缘衰减。 利用人体脉搏测量分析软件中二维条图能够更清楚地观察到这种现象,如图5所示为一 个心动周期(853ms脉搏幅值的变化情况,时刻18为等时间间隔的

15、8个状态,每个时 刻之间的时间间隔为0.12s,由图5中还可看出所有测点中幅最大的测点在一个心动周期 内沿血管横截面方向移动。图4型传感器时域脉图 图5心动周期脉搏的变化为了获得脉搏信号的更多信息,可以通过人体脉搏测量分析软件对脉搏信号进行 频谱分析,得到脉搏频谱曲线,如图6和图7所示。图6脉搏频域曲线 图7滤波后的频域曲线图6中(a,(b为两个不同人的脉搏频谱曲线,从这两个频谱曲线图可以看出:频 谱曲线含有一系列谱峰值,两谱线在低频段比较规则,而高频段差异较大。图6中的第 一个谱峰值A处对应的频率值分别为1.270Hz和1.172Hz,与软件测得的各自心率值(70次 和76次相吻合。接下来的

16、两个峰值与心脏射血期的活动有关,谱线的高频段也与血管 的特征及局部微循环特征有关,因此,可以通过分析它们对于不同人的差异,诊断心 脏和血管的某些疾病。从上图也可以看出高频段还含有一些随机噪声,可通过软件对 脉图进行选频低通滤波。利用图6的脉搏数据采用截止频率为10Hz的IIR滤波,可得到 如图7所示的滤波后脉搏的频域曲线图,图中10Hz以上频段的谱线比滤波前有了明显改 善。4结束语本文所研制的测量系统可以进行脉搏的多点动态实时测量与分析,是一种极具发 展潜力的新型脉搏测量系统。要想成为一种成熟的测量系统,它还需要进一步同中医 诊脉理论相结合,获得更多的与病例相结合的测量结果,才能更好地发挥其应

17、用价 值。本系统与先进的计算机电子技术相结合,具备一系列计算机辅助测量带来的有利 因素,因此,如果这套测量系统与传统的中医理论相结合,将有十分可观的应用前 景。*基金项目:国家自然科学基金项目 (19372028第一作者:男,1938年生,教授作者单位:金观昌,于淼(清华大学 工程力学系,北京 100084; 鲍乃铿(香港城市大学 电子工程系参考文献1王志良著.临床心电、 超声、 脑电、 脉象诊断手册.北京:中国医药科技出版 社,19922张大祥著.脉搏图象分析.江西:南昌市第二医院,19813Chen Yuquan.A piezopolymer finger pulse and breath

18、ing wave sensor.Sensors and Actuators,1990,2123: 8798824金观昌,于淼.压电薄膜压力分布计算机测试系统.清华大学学报,1998,38 (2:21245Kawai H.The piezoelectricity of polyvinylidene fluoride.J App Physics,1969,8(6: 9759796覃伟中,周啸.聚偏氟乙烯压电膜在医疗仪器中的应用.压电与声光,1995, (7:2431收稿日期:1998-10-20 PVDF多点脉搏波计算机辅助测试系统研究作者:金观昌 , 于淼 , 鲍乃铿 , JIN Guancha

19、ng, YU Miao, BAO Naikeng作者单位:金观昌,于淼,JIN Guanchang,YU Miao(清华大学,工程力学系,北京,100084 , 鲍乃铿,BAO Naikeng(香港城市 大学,电子工程系 刊名:清华大学学报(自然科学版 英文刊名: JOURNAL OF TSINGHUA UNIVERSITY(SCIENCE AND TECHNOLOGY年,卷(期:1999,39(8被引用次数:38次1. Kawai H The piezoelectricity of polyvinylidene fluoride 1969(062. 金观昌;于淼 压电薄膜压力分布计算机测试系

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24、采集和无线监护系统的研究 学位论文硕士 200620. 王艳苹 脉图信息采集处理系统 学位论文硕士 200621. 齐天华 . 高文秀 阵列式脉象采集探头的设计 期刊论文-微纳电子技术 2005(422. 赵东升 PVDF压电薄膜制作传感器的理论研究 期刊论文-计算机测量与控制 2005(723. 齐天华 . 刘继伟 . 高文秀 阵列式脉象传感器的设计与制作 期刊论文-传感器技术 2005(824. 牛欣 . 杨学智 动态识别的寸口桡动脉运动多维脉诊信息采集处理与分析系统 期刊论文-北京中医药大学学报 2005(625. QIN Jian. LIU Hong-jian. DENG Wei. WU Guo-zhen. CHEN Shu-q