楊清志，嚴(yán)漫漫，張喜紅

（1.亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程系，安徽 亳州，236800；2.蕪湖市第五人民醫(yī)院 設(shè)備科，安徽 蕪湖，241000）

基于PVDF的便攜式脈搏儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊清志1，嚴(yán)漫漫2，張喜紅1

（1.亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程系，安徽 亳州，236800；2.蕪湖市第五人民醫(yī)院 設(shè)備科，安徽 蕪湖，241000）

針對(duì)目前市場(chǎng)上比較緊缺面向普通非醫(yī)務(wù)人員使用的高性能便攜式脈搏儀，設(shè)計(jì)了一種基于PVDF壓電薄膜的便攜式脈搏儀，可對(duì)人體的心率、血壓等進(jìn)行24小時(shí)監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)與電子血壓計(jì)、手環(huán)等市場(chǎng)上同類產(chǎn)品相比，簡(jiǎn)單可靠，性能穩(wěn)定，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

PVDF；脈搏；壓電傳感器

人體動(dòng)脈血管隨著心臟收縮與擴(kuò)張而周期搏動(dòng)的現(xiàn)象稱脈搏，脈搏在血管中傳播形成脈搏波。由于脈搏信號(hào)包含了多種人體健康參數(shù)，成為中醫(yī)診斷的重要依據(jù)，即脈診［1］。其中脈搏頻率與心臟跳動(dòng)頻率，即心率基本一致，是反映患者，特別是心臟病患者健康程度的重要指標(biāo)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前進(jìn)行脈搏頻率測(cè)量主要由專業(yè)人員在醫(yī)院實(shí)現(xiàn)，面向非醫(yī)務(wù)人員使用的便攜式脈搏儀還未廣泛使用，目前市場(chǎng)上面向非專業(yè)人員用的性能較好的脈搏儀主要是紅外式脈搏儀，其基本原理是用探頭夾住手指，通過紅外線檢測(cè)脈搏，再通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)饺梭w攜帶的后端設(shè)備。這種脈搏儀使用不太方便，而且不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)［2］。

通過理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出一種基于PVDF壓電傳感器的微型人體脈搏測(cè)試儀的設(shè)計(jì)。由于體積小，可直接佩戴在手腕上，簡(jiǎn)單方便，不僅實(shí)現(xiàn)便攜式，由于PVDF質(zhì)輕柔軟，對(duì)人體皮膚無刺激，還可實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)。隨著人們對(duì)健康的關(guān)注和我國(guó)人口老齡化的發(fā)展，這種面向普通人群，能連續(xù)監(jiān)測(cè)脈搏信息的便攜式脈搏儀具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)由壓電傳感器、前置放大電路、帶通濾波器、二級(jí)放大電路、微型單片機(jī)、液晶顯示屏及微型蜂鳴器等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

具體實(shí)現(xiàn)步驟為：首先由佩戴在手腕上的PVDF壓電薄膜制成的壓電傳感器拾取脈搏的壓力信號(hào)，將壓力的大小、作用頻率等轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后經(jīng)過放大、濾波處理后送入微型單片機(jī)MSP432，單片機(jī)將接收到的信號(hào)按設(shè)定程序進(jìn)行計(jì)算處理，再將心率、血壓等脈搏信息送到液晶顯示器顯示，如果脈搏異常則向蜂鳴器輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。

另外，單片機(jī)能將個(gè)人的24小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄保存，極大地方便了醫(yī)生進(jìn)行專業(yè)的脈象分析，從而準(zhǔn)確掌握患者的健康信息，更有針對(duì)性地進(jìn)行治療。

2　PVDF壓電傳感器

2.1PVDF壓電傳感器概述

目前用于脈搏測(cè)量的壓電傳感器主要有壓電陶瓷、壓電晶體、壓電薄膜及光電耦合器件等。由于壓電薄膜質(zhì)輕柔軟等特點(diǎn)，比較適合用于便攜式設(shè)備，本設(shè)計(jì)采用PVDF壓電薄膜作為壓電傳感器拾取脈搏的壓力信號(hào)［3］。

PVDF（Polyvinylidene Fluoride）壓電薄膜是一種高分子材料聚偏二氟乙烯，其壓電常數(shù)大（g33=-330 Vm/N），靈敏度高，可達(dá)1 Mv/εμ（長(zhǎng)度百萬分率變化），線性度好，質(zhì)輕柔軟，阻抗與人體皮膚接近，對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力非常敏感，適合于人體皮膚生命信號(hào)監(jiān)測(cè)，廣泛用于醫(yī)學(xué)和仿生領(lǐng)域［4］。

2.2PVDF壓電傳感器的制作

如圖2所示，為我們制作的壓電傳感器示意圖，共三層，按形狀設(shè)計(jì)→切割→邊緣絕緣處理→導(dǎo)線引出→加保護(hù)層的工藝制作［5］。

為提高靈敏度，我們選用厚度為50μm的國(guó)產(chǎn)PVDF壓電材料，兩層并聯(lián)（中間為負(fù)極，上下為正極），電極采用薄銅片，用導(dǎo)電銀膠與導(dǎo)線粘接，最后用環(huán)氧樹脂膠粘貼硅橡膠包封保護(hù)。整個(gè)壓電元件外形尺寸約為5 mm×10 mm。

圖2　PVDF壓電薄膜結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

壓電傳感器拾取人體脈搏的壓力信號(hào)，轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)非常微弱，還需放大、濾波等處理，相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)如下：

3.1前置放大電路設(shè)計(jì)

由于人體脈搏信號(hào)較弱，容易受到環(huán)境噪聲干擾，因此前置放大電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要，要求輸入阻抗高輸出阻抗低，增益穩(wěn)定，精度高，共模抑制比高。同時(shí)作為便攜式儀器，還應(yīng)該體積小、低功耗。綜合以上分析，我們選用AD620作為前置放大器的芯片。

AD620是美國(guó)Analog Devices公司（ADI）推出的一款放大器芯片，由于其體積小、低功耗、高精度、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于儀用放大器，尤其適合采用電池供電的便攜式產(chǎn)品應(yīng)用［6］。

經(jīng)查閱AD620的技術(shù)手冊(cè)（見參考文獻(xiàn)［7］）得知，AD620功耗較低，最大工作電流1.3 mA；精度高，增益誤差≤0.01%，非線性誤差≤0.002%（最大40 ppm），失調(diào)電壓≤50μV，輸入失調(diào)漂移≤0.6 μV/°C；共模抑制比≥100 dB，增益范圍1～10 000，可通過外接電阻調(diào)節(jié)。其輸入級(jí)采用超β工藝（Superβeta）處理，輸入電壓噪聲低，只有9 nV/√Hz（1 kHz時(shí)），VPP為0.28 μV（0.1 Hz至10 Hz），最小偏置電流0.1 pA/√Hz。

可見，AD620作為前置放大器使用很理想，適合于本設(shè)計(jì)使用。

如圖3所示為設(shè)計(jì)的放大電路（其中對(duì)應(yīng)的8個(gè)管腳已標(biāo)出），R1=R2=5 kΩ，R3=1 kΩ（用于調(diào)節(jié)增益），C1=C2=C3=0.1 pF。

3.2帶通濾波器

人體脈搏信號(hào)一般為每分鐘60～100次，即信號(hào)頻率在1 Hz上下，屬于超低頻?？紤]到不同群體的差異性及患者的脈搏信號(hào)異常，本設(shè)計(jì)把頻率限制在0.1～10 Hz，因此需要采用帶通濾波器。經(jīng)查閱相關(guān)技術(shù)資料和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，我們選用美國(guó)AD公司的OP07A運(yùn)放制作帶通濾波器。該芯片噪聲低，輸入失調(diào)電壓小（最大為25 μV）無須調(diào)零，精度高，開環(huán)增益高，比較適合放大傳感器的微弱信號(hào)使用。

圖3　運(yùn)算放大電路原理圖

圖4為我們?cè)O(shè)計(jì)的帶寬0.1～10 Hz的濾波電路，第一級(jí)為高通濾波器，選用R4=1 MΩ，C4=2 μF，截止頻率：

第二極為低通濾波器，選用R7=4.87 KΩ，C4=0.22 μF，截止頻率：

從而實(shí)現(xiàn)帶寬0.1～10 Hz的信號(hào)濾波。

圖4　頻率0.1～10 Hz的帶通濾波電路

3.3二級(jí)放大電路

由于考慮到信號(hào)失真不能太大，所以前置放大器放大倍數(shù)不能太大，放大后的信號(hào)電壓峰值約50 mV，還要用二級(jí)放大電路對(duì)電壓信號(hào)放大。本設(shè)計(jì)采用MSP432單片機(jī)，內(nèi)部AD電壓0～3.7 V，所以二級(jí)放大電路放大倍數(shù)約為100倍。本設(shè)計(jì)中二級(jí)放大電路采用市場(chǎng)通用的LM358芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。LM358具有低功耗、低噪聲、輸入失調(diào)電壓小等優(yōu)點(diǎn)，適合于本設(shè)計(jì)使用，具體放大電路如圖5所示。

3.4微型單片機(jī)

本設(shè)計(jì)的脈搏計(jì)數(shù)器是便攜式儀器，要求功耗低，外形小，便于在手腕上佩戴。經(jīng)過查閱相關(guān)資料并反復(fù)對(duì)比研究，最終采用采用美國(guó)TI公司于2015年3月推出的MSP432超低功耗單片機(jī)。查MSP432技術(shù)手冊(cè)（見參考文獻(xiàn)［8］）知，MSP432是運(yùn)行在1.62～3.7 V寬電壓范圍的超低功耗微控器，有效功耗95 μA/MHz，睡眠模式850 nA，在不到1 μs的時(shí)間里即可實(shí)現(xiàn)從低功耗模式至運(yùn)行模式的喚醒。由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)微型化便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)，還因其超低功耗，喚醒速度快而能實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊群體24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)還預(yù)留了諸如體溫測(cè)量等功能，方便后續(xù)開發(fā)，因此MSP432是本設(shè)計(jì)的理想選擇。

圖5　二級(jí)放大電路

圖6　脈搏測(cè)試主程序流程

3.5其他硬件

除了以上的主要硬件外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還需要一塊LCD顯示屏。我們選用市場(chǎng)上常見的技術(shù)也比較成熟的QC12864點(diǎn)陣式LCD顯示器，除了顯示心率和血壓的數(shù)值外，還應(yīng)顯示“偏低”、“正?！?、“偏高”等信息，方便大眾使用。

另外，還需要兩塊紐扣式鋰電池作電源供電，以及微型蜂鳴器用于脈搏超限報(bào)警，不再贅述。

4　脈搏儀的主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的目的，MSP432的工作流程包括硬件初始化、軟硬件自檢、脈搏信號(hào)循環(huán)檢測(cè)以及輸出報(bào)警等，程序流程如圖6所示。

5　測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可靠性，我們選擇了有代表性的6人作為測(cè)試對(duì)象，其中A為幼兒，B為成年人，C為老年人。將測(cè)試結(jié)果與用醫(yī)院大型設(shè)備（我們用蕪湖市第五人民醫(yī)院的歐姆龍BP-203RPEIII動(dòng)脈硬化檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試，可靠性較高）測(cè)試結(jié)果作比較，測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

表1　心率測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表2　血壓測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從測(cè)量結(jié)果對(duì)比可看出，本設(shè)計(jì)誤差較?。ㄓ捎诶夏耆嗣}搏無力，誤差偏大），可以較好地反映被測(cè)量者的脈搏信息，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

6　總結(jié)

本設(shè)計(jì)是基于PVDF壓電薄膜的壓電效應(yīng)，制作一種微型脈搏儀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，便于攜帶和使用。由于PVDF質(zhì)輕柔軟，特性與人體皮膚相似，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)患者24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)而不產(chǎn)生太大的副作用。測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)精度較高，具有較高的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)采用的MSP432微型單片機(jī)還預(yù)留了多種功能接口，便于開發(fā)關(guān)于脈相診斷的其他功能。

［1］ 李婧.自適應(yīng)檢測(cè)脈搏波系統(tǒng)的研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2008.

［2］ 陳天華，王倩.基于MSP430和壓電傳感器的人體心率檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2013（15）：88-89，108.

［3］ 史源，紀(jì)林海，陳春紅，等.基于PVDF薄膜材料的脈搏傳感器的研制［J］.山西電子技術(shù)，2012（2）：83-86.

［4］ 任程誠(chéng).基于PVDF壓電薄膜的脈博傳感器設(shè)計(jì)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2011.

［5］ 韓莉莉.PVDF壓電薄膜傳感器的制作［J］.智富時(shí)代，2015（9）：195.

［6］ 王樹振，單威，宋玲玲.AD620儀用放大器原理與應(yīng)用［J］.微處理機(jī)，2008，29（4）：38-40.

［7］ 低成本、低功耗儀表放大器AD620中文資料［Z］，http：//www.analog.com/media/cn/technical-documentation/data-sheets/AD620_cn.pdf

［8］ MSP432微控制器［Z］，http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/msp432p401r.pdf.

Design and implementation of a portable pulse analyzer based on PVDF

YANG Qing-zhi1，YAN Man-man2，ZHANG Xi-hong1

（1.Department of Electrical and Electronic Engineering，Bozhou Vocational and Technical College，Bozhou Anhui，236800，China；2.Facility Section，The Fifth People's Hospital of Wuhu，Wuhu Anhui，241000，China）

In view of the relative scarcity of the portable pulse meter with high performance for ordinary non medical personnel in the current market，a portable Pulse Analyzer based on PVDF was designed，which can monitor human body's heart rate，blood pressure and others 24 hours a day.Testing results show that compared to the electronic sphygmomanometer，bracelet and other similar products on the market，the design is simple and reliable，with stable performance and high practical value.

PVDF；pulse；piezoelectric sensor

R318.6TP212.3

A

1004-4329（2016）02-061-04

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2016）02-061-04

2015-11-03

安徽省教育廳重點(diǎn)教研項(xiàng)目（2015jyxm535）；安徽省省級(jí)特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（20101449）資助。

楊清志（1974－），男，碩士，講師，研究方向：醫(yī)用傳感器。