压电薄膜传感器在生命特征监测方面应用的解决方案

2019-04-16 16:03:12 admin
高级检测
作为动态应变传感器的压电薄膜,其独特性质使其特别适合生命特征监测,既可与皮肤直接接触,也可通过中间层进行机械耦合。一些薄膜元件具有很高的灵敏度,足以通过外衣口袋中携带的设备检测人体脉搏.
 
压电式聚偏二氟乙烯聚合物薄膜压电薄膜的膜条经过拉伸后,它将在电极上下表面之间产生一个与延长量成正比的电信号(电荷或电压)。 通常认为压电材料会响应压力,但在使用压电薄膜的情况下,由于薄膜元件的特殊几何形状,当纵向施加非常小的力时,在薄膜的横截面可产生非常高的应力,而在薄膜表面的较大区域施加相同水平的力则会产生低得多的应力。因此,压电薄膜表现出了针对动态应变的非凡敏感性,通常对于 28 μm 厚的聚偏二氟乙烯,每微应变(ppm 级的长度变化)产生的电压级别为 10 至 15 mV。之所以使用“动态”应变这一说法,是因为由应变变化所产生的电荷会漏入连接到薄膜的电路中,于是实际上检测不到应变的静态状态。如果传感器处于不同程度的预载下,压电薄膜的这种特性可成为一种优势。薄膜仅能识别随时间改变的动态应变,起始的频率响应可低至 0.1 Hz。压电薄膜还具有轻巧、纤薄和 高弹性的特点,无需外部电力即可正常工作。凭借这种独特的属性组合,可满足大量需检测极低机械振动的医疗应用的需求。在电力有限的情况下,这种技术显然极具吸引力(在一些配置中,它甚至可产生少量电力)。此外,压电薄膜还极为耐用,能够承受数亿次弯曲,而且可抗冲击。
 
压电薄膜具有轻巧、纤薄和高弹性的特点,无需外部电力即可正常工作。
直接接触皮肤
利用压电薄膜作为“动态应变计”的特性,可轻易将一个元件直接贴附到皮肤上(例如,手腕内侧)。 TE 制造一种通用传感器,此传感器已在一面涂有压敏粘合剂,但是这种粘合剂不具备生物相容性,所以对于短期试验,先在皮肤上固定一张 3M 9842 贴片(含有粘合剂涂层的薄型聚氨酯胶带),再在贴片上贴附压电薄膜传感器。图 1 显示了使用频率下限设为 1 Hz 且灵敏度为 1 mV/pC 的电荷放大器获得的一个脉搏信号。大约 130 mV 峰峰值的输出对应于大约 100 mV 峰峰值的开路电压,这反过来可以解释为大约 8 με 的动态应变。此信号是手处于静止状态时记录的。弯曲或旋转手腕可以产生幅度高得多的信号,尤其是在前置放大器上选择了较低的频率限值的情况下。例如,图 2 显示了当反复抓放物体时的传感器响应,可看出开路幅度大约为 3V 或动态应变大约为 250 με。
压电薄膜之所以既能检测极小的物理信号,也能检测大幅运动,原因在于聚偏二氟乙烯薄膜的压电响应在很大一个动态范围(估计高达 14 个数量级)内都是线性的。 在许多情况下可通过滤波提取更小的信号,前提是目标信号和“噪声”的带宽实现了充分的分离。目前,类似的自粘式传感器已用于在睡眠障碍研究过程中检测胸部、腿部和眼睑的肌肉和皮肤运动。另外,可检测肌肉(例如,拇指和食指之间的肌肉)对故意电刺激的响应,以此作为麻醉效果的指标(称为神经肌肉传递)。
 
加速度传感器
Minisense 100 是一种标准部件,它采用了负重的悬臂设计且其夹具由刚性 PCB 材料制成,并允许安装连接插针。 附加的质量块使传感器能够在加速度的影响下做出惯性响应。薄膜元件在质量块静止时弯曲,从而使得电压灵敏度极高(约 1 V/g)。此部件的一种变体可在工作人员或患者佩戴“智能徽章”(配备射频遥感)时检测其生命特征,并允许发送周期性信号以便于跟踪或定位。当传感器检测到徽章已从人体上取下时,徽章将进入睡眠模式,而肌肉震颤、剧烈身体动作甚至脉搏的跳动都会使徽章保持“唤醒”。使用轻薄的弹力带将这种标准传感器紧靠在胸部时,传感器可揭示心脏的“声音”细节。通过在电子接口上选择一个非常低的频率限值,还可看到呼吸频率(图 3)。在该波形中,胸壁运动表现为大约四秒周期的缓慢周期信号,而单次心跳可看出约为 1/s (60 bpm)。为了消除呼吸信号并去除某些噪声,可在 1 Hz(下限)和 10 Hz(上限)位置应用滤波器来获得实时信号(图 4)。注意,图 4 波形中的曲线均源自处于休息状态的患者。当然,使用加速度传感器的情况下,身体运动很容易影响心跳信号。事实上,这种悬臂梁加速度传感器的一种微型版本 (传感器工作区域尺寸为 1.3 x 3 mm)在心脏起搏器内用于检测患者的身体活动水平,以便能够相应地调节起搏频率。
 
Mini100传感器应用
得益于压电薄膜的坚固性、高灵敏度和宽带宽,多种电子听诊器已采用压电薄膜作为有源传感元件。 在此情况下,必须用一些“反作用力”使传感元件紧靠身体,这种元件通常像直接声学听诊器那样使用常规的巨大钟形结构设计。一旦动态压力信号转换成电信号,便可对信息内容进行以下处理:通过选择性滤波或放大进行增强、作为音频信号回放、使用更复杂的算法进行分析以检测特定情况、通过数据链路传输到远程基站以进行进一步的分析和存储,等等。使用紧凑的声敏传感器意味着可同时监测多个点。
 
使用紧凑的声敏传感器意味着可同时监测多个点。
 
在直接身体接触的基础上进一步发展,目前已在床垫中采用压电薄膜和压电电缆来检测患者的心跳、呼吸和身体运动。 通过将传感器阵列集成到床垫外罩中,可以在患者躺在或坐在这些收集装置上时被动地监测患者信息,即使透过衣服、病服或床单也能提供精确的测量结果。柔性开关将检测到离床状态,而压电薄膜元件会将患者的所有动态生命特征转换为相应的电信号,这些电信号可显示在带有报警逻辑的床头装置上。该系统可预警心脏或呼吸频率异常以及患者擅自离床情况,所有这些功能均无需直接接触患者。
 
结论
正如上述各种应用中所显示的,压电薄膜可很好地替代更传统的电子元件来将生命体征数据传输到患者监测系统。该技术具有诸多优点,可能会在未来运用到更多的救护医疗设备中。