PVDF多点脉搏波计算机辅助测试系统研究

按照中医脉诊的理论,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。

1　PVDF多点脉搏传感器

1969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10～20倍,而密度只有它的1/4。它具有很高的强度与很宽的频响(0.1～10 MHz),材料薄(几μm到几百μm)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:

式中:qi为薄膜单位面积输出的电荷,Qi为薄膜总的输出电荷,σj为薄膜承受的应力,Fj为薄膜承受的外力,dij为薄膜的压电应变常数。

本文设计研制了两种PVDF传感器,Ⅰ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。Ⅱ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1 mm。这两种传感器均采用厚度为35μm的PVDF薄膜,单个测点面积为1.5 mm×1.5 mm。由于PVDF薄膜厚度仅35μm,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0.4 mm。