王艷雙， 鮑凱凱， 陳 建， 賈 鑫， 陳德勇， 王軍波

(1.中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039； 3.中國人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853)

基于LC壓力傳感器的無線血壓測量系統(tǒng)*

王艷雙1,2， 鮑凱凱1,2， 陳 建1， 賈 鑫3， 陳德勇1， 王軍波1

(1.中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039； 3.中國人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853)

針對腹主動脈瘤腔內(nèi)修復(fù)手術(shù)后內(nèi)漏檢測困難的問題，設(shè)計了一種基于感容(LC)壓力傳感器的無線血壓測量系統(tǒng)。采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片作為主控制單元，利用讀取線圈與傳感器之間的耦合作用實現(xiàn)傳感器信號的無線測量。基于直接頻率合成技術(shù)的正弦掃頻信號發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動信號，基于互相關(guān)算法的離散傅立葉變換計算信號頻譜，兩者的結(jié)合有效提高了系統(tǒng)的測量精度和速度。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)的測量壓力分辨率和測量速度分別為285 Pa和24.1 Hz，為血壓的無線測量提供了一種有效方法。

LC壓力傳感器； 血壓測量； 無線無源； 植入式； 現(xiàn)場可編程門陣列

0 引 言

腹主動脈瘤是一種常見的血管疾病，一般通過手術(shù)切除并移植人工血管的方式治療。然而，這種治療方式不適于用心臟、肺或腎部患有疾病的人群[1]。1991年，Parodi J C等人發(fā)明了腹主動脈瘤腔內(nèi)修復(fù)手術(shù)，其原理是將人工血管內(nèi)支架導(dǎo)入腹主動脈瘤并固定在瘤體兩端，從而避免血流對瘤壁的沖擊[2]。然而，隨著腹主動脈瘤腔內(nèi)修復(fù)手術(shù)的應(yīng)用，各類并發(fā)癥也相繼浮現(xiàn)，其中最為嚴(yán)重的是內(nèi)漏[3]。內(nèi)漏使瘤腔遭受血流沖擊而增大甚至破裂，其發(fā)病率高達(dá)15 %～25 %。因此，需要對進(jìn)行腹主動脈瘤腔內(nèi)修復(fù)手術(shù)后的患者進(jìn)行終生隨訪。

目前，適用于檢查內(nèi)漏的主要方法有CT、血管造影、核磁共振以及超聲等[4]。然而，這些方法因其測量的間接性對內(nèi)漏無法進(jìn)行有效的檢測。研究表明，動脈瘤內(nèi)壓力與內(nèi)漏密切相關(guān)，是準(zhǔn)確表征腹主動脈瘤狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)[5]。因此，瘤體內(nèi)血壓的測量可以作為內(nèi)漏檢測的另一有效手段[6]。

目前，穿刺技術(shù)是用于人體內(nèi)血壓測量的主要方法[6]。這種方法能夠有效地直接測量人體內(nèi)的血壓，但是因為有感染的風(fēng)險而不易用于腹主動脈瘤腔內(nèi)修復(fù)手術(shù)后的隨訪。近年來，MEMS技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了感容(induc-tance-capacitance,LC)LC壓力傳感器的發(fā)展，這類傳感器因其無線測量的特性而特別適用于人體生理參數(shù)的長期監(jiān)測[7,8]。但是，由傳感器的工作原理可知，最終的測量性能不僅取決于傳感器本身，還受制于外圍測量電路的測量能力。因此，目前尚未出現(xiàn)能夠用于臨床診斷的無線血壓測量系統(tǒng)。

本文提出了一種基于LC傳感器的無線血壓測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為主控芯片，通過將互相關(guān)算法和直接頻率合成技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)了測量精度和速度的提升，可以滿足血壓的臨床測量需求。

1 原 理

系統(tǒng)無線檢測的示意圖如圖1(a)所示，LC壓力傳感器的諧振頻率隨所受壓力變化[9]，傳感器經(jīng)手術(shù)植入到腹主動脈瘤內(nèi)，檢測電路通過測量讀取線圈的輸入阻抗變化得到傳感器的諧振頻率并上傳至上位機轉(zhuǎn)換成壓力實時顯示。圖1(b)是測量系統(tǒng)的等效電路圖。

圖1 系統(tǒng)測量原理

傳感器的本征諧振頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q式分別為[10]

(1)

(2)

讀取線圈的等效輸入阻抗Zeq的表達(dá)式為

(3)

式中f為頻率。當(dāng)f=f0時，Zeq簡化為

Zeq=j2πf0Lr(1+jQ2)

(4)

此時,Zeq的相位降至極小值[11]，下降幅度約為

Δφ≈tan-1(k2Q)

(5)

因此,相位是確定傳感器諧振頻率的一個理想?yún)?shù)[12]。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能框圖

2.1 LC壓力傳感器

LC壓力傳感器由壓力敏感MEMS電容和電感兩部分組成。壓力敏感MEMS電容主要包括一個動極板和一個定極板，二者構(gòu)成一個容積可變的腔室。當(dāng)在動極板上施加壓力時，極板間距產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致電容的變化[13]。電感直接影響LC傳感器的串聯(lián)電阻以及傳感器和讀取線圈間的耦合系數(shù)，在確定器件性能時起決定性作用。受趨膚效應(yīng)以及血管直徑的約束，電感使用的漆包線的直徑以及磁芯的尺寸分別為0.08 mm和φ4 mm×20 mm。

電感和電容最后經(jīng)印刷電路板(PCB)串聯(lián)固定于聚四氟乙烯支架上。為使傳感器具有生物兼容性，最后在傳感器外部包裹一層20 μm厚的聚對二甲苯(parylene)。最終的傳感器(如圖3所示)尺寸為φ5 mm×35 mm，滿足血壓測量的需要。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀(E5061B，Agilent Co，USA)測量的傳感器的等效串聯(lián)電氣參數(shù)：電容/100 pF,電感/10 mH,電阻/100 Ω。

圖3 LC傳感器實物圖

2.2 模擬前端電路

模擬前端電路包括信號轉(zhuǎn)換電路和阻抗提取電路兩部分。其中，信號轉(zhuǎn)換電路包括模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換兩部分。為了提高轉(zhuǎn)化精度，降低量化噪聲，二者分別采用采樣速率和分辨率較高的ADS4122和DAC900芯片。阻抗提取電路包括驅(qū)動放大電路、差分檢測電路、放大濾波電路以及單端轉(zhuǎn)差分電路，如圖4所示。驅(qū)動放大電路用于放大DAC輸出的掃頻信號；差分檢測電路用于提取傳感器信號；放大濾波電路用于傳感器信號的放大和濾波處理；單端轉(zhuǎn)差分電路用于將信號轉(zhuǎn)換成易于ADC采樣的信號。

圖4 阻抗提取電路

2.3 數(shù)字信號處理子系統(tǒng)

數(shù)字信號處理子系統(tǒng)主要由頻譜計算IP核和MicroBlaze軟核兩部分組成。頻譜計算IP核由正弦掃頻信號發(fā)生器和虛、實部計算模塊兩部分組成。正弦掃頻信號發(fā)生器采用直接頻率合成技術(shù)實現(xiàn)，可以產(chǎn)生頻率間隔為40 Hz的正弦信號。虛、實部計算模塊采用互相關(guān)算法實現(xiàn)。由離散傅立葉變換可知，信號x(n)在頻率fx處的傅立葉變換可以表示為

(6)

式中N為信號的采樣點數(shù)，Ts為信號的采樣周期，kx=(fx/fs)×N，且fs=1/Ts。由式(6)可知，信號x(n)在kx處的離散傅立葉變換的虛部和實部分別為x(n)與同頻率的正、余弦信號的互相關(guān)函數(shù)。因此，通過設(shè)置正、余弦信號的起始頻率、終止頻率以及頻率間隔，可以得到信號x(n)在給定頻率范圍內(nèi)的傅立葉變換。圖5為頻譜計算IP核的結(jié)構(gòu)框圖，其中，正、余弦查找表和相位累加器通過直接頻率合成技術(shù)構(gòu)成正、余弦信號發(fā)生器。起始頻率寄存器、頻率間隔寄存器以及控制寄存器通過頻率累加器間接控制正、余弦信號發(fā)生器的輸出信號，從而實現(xiàn)掃頻器的功能。此外，由式(6)可知，虛、實部計算模塊也需要正、余弦信號。因此，通過外加兩個乘加器以及正、余弦信號發(fā)生器的共享，頻譜計算模塊的功能得以實現(xiàn)。

圖5 頻譜計算IP核結(jié)構(gòu)圖

MicroBlaze核是Xilinx公司在其FPGA產(chǎn)品中設(shè)計的嵌入式處理器軟核，其通過FSL總線與頻譜計算IP核雙向通信。頻譜信號在MicroBlaze中經(jīng)降噪、峰值檢測后得到傳感器的諧振頻率。諧振頻率最后經(jīng)藍(lán)牙傳至上位機并轉(zhuǎn)換成壓力值并實時顯示。整個數(shù)字信號處理子系統(tǒng)的運行由MicroBlaze核控制，程序流程圖如圖6所示。

圖6 MicroBlaze程序流程圖

2.4 上位機

上位機是整個測量系統(tǒng)的控制終端，通過藍(lán)牙控制下位機并實時顯示測量結(jié)果。上位機軟件采用C#語言編寫，具有“系統(tǒng)校準(zhǔn)”、“單次測量”、“連續(xù)測量”、“數(shù)據(jù)傳輸”、“參數(shù)設(shè)定”和“測試”六大功能。

3 實驗與分析

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

標(biāo)定使用的壓力控制平臺主要包括壓力校準(zhǔn)儀(DPI 610，Druck Co，UK)、塑膠壓力腔以及由步進(jìn)電機控制的壓力源，如圖7所示。

圖7 壓力控制平臺

系統(tǒng)標(biāo)定曲線如圖8所示，從中可以看出，系統(tǒng)的測量范圍為-10～40 kPa，靈敏度為0.14 kHz/kPa?？紤]到正弦掃頻信號發(fā)生器的頻率分辨率為40 Hz，因此，系統(tǒng)的壓力分辨率為285 Pa。標(biāo)定時系統(tǒng)在5 min之內(nèi)平均測量7 237個壓力值，因此，系統(tǒng)的測量速度約為24.1 Hz。

圖8 系統(tǒng)標(biāo)定曲線

3.2 動物實驗

動物實驗在中國人民解放軍總醫(yī)院進(jìn)行，所有動物實驗均符合中國國家標(biāo)準(zhǔn)《實驗動物環(huán)境及設(shè)施》(GB14925—2001)及相關(guān)規(guī)定。實驗設(shè)備如圖9所示，包括網(wǎng)絡(luò)分析儀、上位機、測量電路和讀取線圈等。為對比分析本系統(tǒng)的性能，實驗同時使用多通道生理記錄儀(PEG—1000G)測量腹主動脈處的血壓。

圖9 動物實驗使用設(shè)備

本系統(tǒng)的測量結(jié)果如圖10(a)所示，血壓周期性變化，周期約為2.35 Hz，對應(yīng)心率約為141次/s。血壓長時波動范圍為75～115 mmHg，單個血壓周期的峰峰值約為30 mmHg。多通道生理記錄儀的測量結(jié)果如圖10(b)所示，血壓變化周期約為2.33 Hz，單個血壓周期的峰峰值約為32 mmHg。血壓長時波動范圍為105～145 mmHg，比本系統(tǒng)的測量結(jié)果高30 mmHg。經(jīng)分析，這一誤差可能是傳感器標(biāo)定與實驗的環(huán)境溫度不同造成的，可以通過校正系統(tǒng)標(biāo)定時的環(huán)境溫度消除。

圖10 動物實驗結(jié)果

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于LC壓力傳感器的無線血壓測量系統(tǒng)，其測量范圍為-10～40 kPa，壓力分辨率為285 Pa，測量速度為24.1 Hz。動物實驗表明：該系統(tǒng)的測量結(jié)果與醫(yī)用多通道生理記錄儀的測量結(jié)果相近，為血壓的無線測量提供了一種有效手段。

[1] Santos I C T,Sepulveda A T,Viana J C,et al.Improving post-EVAR surveillance with a smart stent-graft[M].Netherlands:Springer,2012:267-289.

[2] Parodi J C,Palmaz J C,Barone H D.Transfemoral intraluminal graft implantation for abdominal aortic aneurysms[J].Annals of Vascular Surgery,1991,5(6):491-499.

[3] Wain R A,Marin M L,Ohki T,et al.Endoleaks after endovascular graft treatment of aortic aneurysms:Classification,risk factors,and outcome[J].Journal of Vascular Surgery,1998,27(1):69-80.

[4] Ashoke R,Brown L C,Rodway A,et al.Color duplex ultrasonography is insensitive for the detection of endoleak after aortic endografting:A systematic review[J].Journal of Endovascular Therapy,2005,12(3):297-305.

[5] Weng H B,Guo X D.An invasive telemetric pressure sensor for detecting endoleaks after endovascular abdominal aortic aneurysm stent repair[J].Chinese Journal of Tissue Engineering Research,2012,16:2350-2353.

[6] Tang C,Yang G S,Tao X I.Research progress of noninvasive continuous blood pressure measurement methods[J].Chinese Medical Equipment Journal,2004,10:26-34.

[7] Potkay J A.Long term,implantable blood pressure monitoring systems[J].Biomedical Microdevices,2008,10(3):379-392.

[8] Mokwa W.Medical implants based on microsystems[J].Measurement Science & Technology,2007,18(5):R47-R57.

[9] Fonseca M A,Allen M G,Kroh J,et al.Flexible wireless passive pressure sensors for biomedical applications[C]∥Tech Dig Solid-State Sensor,Actuator,and Microsystems Workshop,Hilton Head,2006:37-42.

[10] Nopper R,Niekrawietz R,Reindl L.Wireless readout of passive LC sensors[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement,2010,59(9):2450-2457.

[11] Marioli D,Sardini E,Serpelloni M,et al.A new measurement method for capacitance transducers in a distance compensated telemetric sensor system[J].Measurement Science & Technology,2005,16(8):1593-1599.

[12] Chen P J,Rodger D C,Saati S,et al.Microfabricated implantable parylene-based wireless passive intraocular pressure sensors[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2008,17(6):1342-1351.

[13] Shi Q,Wang J,Chen J,et al.A wireless and power-free micro sensor enabling gastrointestinal pressure monitoring[C]∥2012 IEEE Int’l Conf on Sensors,IEEE,2012:1-4.

Wireless blood pressure measuring system
based on LC pressure sensor*

WANG Yan-shuang1,2, BAO Kai-kai1,2, CHEN Jian1, JIA Xin3, CHEN De-yong1, WANG Jun-bo1

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China;3.Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,China)

In order to solve endoleak emerged after endovascular aneurysm repair,a wireless blood pressure measuring system based on LC pressure sensor is designed.A chip based on field programmable gate array(FPGA)is used as main processing unit and wireless measurement is realized using mutual coupling effect between the reader coil and the sensor.A sine signal generator based on direct digital frequency synthesis technology is used to generate driving signals and discrete Fourier transform based on cross-correlation algorithm is used to calculate frequency spectrum of signals.The combination of them improves precision and speed effectively.Experimental results demonstrate that the resolution and the speed of the system is 285 Pa and 24.1 Hz respectively,meaning that a new approach to measure blood pressure non-invasively is realized.

LC pressure sensor; blood pressure measurement; wireless and passive; implantable; field programmable gate array(FPGA)

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0117—04

TP 212.9

A

1000—9787(2017)02—0117—04

王艷雙(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電子通信與儀器儀表。

陳德勇(1967-)，男，通訊作者,研究員，主要從事MEMS物理傳感器的設(shè)計、制作、封裝及測試和微執(zhí)行器及智能微系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究工作,E—mail:dychen@mail.ie.ac.cn。