劉小青，謝 非，王 立

（1.南昌大學(xué)理學(xué)院，南昌 330031；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所微納光子學(xué)與材料國(guó)際實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130033）

0 引言

面臨心血管疾病對(duì)人體健康日益劇增的威脅［1］，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心血管的各項(xiàng)信息，對(duì)于心血管疾病的預(yù)防與預(yù)后有著重要意義。脈搏波是心臟搏動(dòng)產(chǎn)生的沿動(dòng)脈血管和血流向外周傳播而形成的波，它的波幅和形態(tài)中攜帶了人體大量的心血管系統(tǒng)生理和病理信息，其特征指數(shù)可以有效反映人體生理狀況和各項(xiàng)指標(biāo)［2-3］。因此對(duì)脈搏參數(shù)的監(jiān)測(cè)在臨床診斷方面和基礎(chǔ)研究都具有非常重要的意義和價(jià)值。

脈搏監(jiān)測(cè)設(shè)備研制開始于上世紀(jì)50 年代，至今主要有兩類監(jiān)測(cè)脈搏的智能設(shè)備：一是通過測(cè)量電容、電阻或使用壓電材料來體現(xiàn)動(dòng)脈壓力變化的脈搏傳感器［4-5］，該類設(shè)備依賴于高性能材料；另一類是通過測(cè)量手指末端透光率的光電式脈搏傳感器，其極易受到外界干擾，如背景光干擾、電磁干擾等［6］。這兩類脈搏監(jiān)測(cè)設(shè)備都必須配備外接電源，工作電路系統(tǒng)復(fù)雜，各自的缺點(diǎn)限制了它們的應(yīng)用范圍。因此越來越多的研究人員將目光投向了柔性可穿戴脈搏傳感器［7-10］。

本文通過利用摩擦電納米發(fā)電機(jī)［11-14］的工作原理實(shí)現(xiàn)環(huán)境中機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換來解決監(jiān)測(cè)設(shè)備需外接電源問題，利用生活中常見的塑料聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚四氟乙烯（PTFE）做主要材料，解決柔性、靈敏度和成本問題，制備了一種柔性可穿戴、自驅(qū)動(dòng)、高靈敏、低成本的摩擦電脈搏波傳感器（TGPs），該探測(cè)器在人體橈動(dòng)脈處進(jìn)行無創(chuàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈搏波的性能良好。

1 TGP-s的制備

摩擦電脈搏波傳感器的主要材料有PET、PTFE，其制備流程如圖1 所示，主要包括PET、PTFE 的處理和TGP-s的組裝。

圖1 TGP-s制備流程圖

1.1 PET處理方法

（1）利用銑床加工或直接壓膜定制帶有凹槽PET，大小2 cm ×2 cm，厚度0.4 mm，凹槽深度0.2 mm，凹槽直徑12 mm，如圖1 所示；

（2）在PET表面的凹槽內(nèi)均勻涂抹導(dǎo)電銀膠，將溢出凹槽外的導(dǎo)電銀膠清理干凈后，放置一段時(shí)間，待其固化；

（3）處理漆包線兩端使之能夠?qū)щ?，利用銅膠帶將漆包線固定在PET表面的凹槽內(nèi)。

1.2 PTFE處理方法

（1）用剪刀剪裁一個(gè)大小10 cm × 10 cm 的PTFE，利用無水乙醇清洗PTFE，確保PTFE表面清潔；

（2）將清理后的PTFE平整地放置在電子束真空鍍膜機(jī)的樣品盤上，控制適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)速率，蒸鍍120 nm的銅金屬層作電極；

（3）將蒸鍍了金屬層的PTFE剪裁成若干個(gè)3 cm×3 cm的小正方形；

（4）處理漆包線兩端使之可以導(dǎo)電，利用銅膠帶將漆包線固定在PTFE蒸鍍了金屬層的一面。

1.3 TGP-s組裝

（1）處理后的PET凹槽周圍粘貼雙面膠。

（2）將處理后的PTFE 薄膜與無塵紙摩擦，PTFE薄膜充分摩擦后（摩擦是為了讓電子從無塵紙上轉(zhuǎn)移至PTFE，使PTFE表面帶有一定量的負(fù)電荷［15］，該處理方法可有效地提高傳感器的輸出電壓），將PTFE 平整放置在無塵紙上。

（3）除去PET 表面雙面膠的隔離紙，沿PTFE 沒有金屬鍍層一面的邊緣覆蓋其表面。

（4）剪去邊緣多余的PTFE 薄膜后，使用Kapton膠帶封裝整個(gè)傳感器，同時(shí)起到絕緣作用。

（5）為了使傳感器在測(cè)量過程中不受人體電勢(shì)的影響，對(duì)暴露在外側(cè)的PTFE 薄膜金屬鍍層表面采用Kapton膠帶作為絕緣層，該處理既可保留PTFE 薄膜材料的良好柔性，也能更好地保護(hù)傳感器上的電極不受損耗。除外，兩個(gè)電極引出的漆包線焊接到帶有水晶頭的導(dǎo)線上，便于傳感器的更換和傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接。

本探測(cè)器采用的PET 最大厚度為0.4 mm，較小的厚度使得它具有很好彈性性能，可以保證傳感器與橈動(dòng)脈充分接觸；PTFE 的厚度僅有0.1 mm，良好的柔性使得它能更加靈敏地感知人體脈搏搏動(dòng)，大大提高了傳感器的靈敏度；帶有凹槽結(jié)構(gòu)的PET可很好地解決摩擦電納米發(fā)電機(jī)中對(duì)兩種材料接觸-分離式的摩擦需求，僅0.2 mm的凹槽深度，對(duì)于采集人體中機(jī)械振動(dòng)較弱的脈搏搏動(dòng)來說十分靈敏，可以有效將脈搏搏動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。除外，本探測(cè)器內(nèi)嵌式的凹槽結(jié)構(gòu)，更有利于傳感器的封裝，避免了因外界環(huán)境氧化、腐蝕以及空氣濕度等因素影響到傳感器的穩(wěn)定性。

2 TGP-s的結(jié)構(gòu)與工作原理

TGP-s的基本結(jié)構(gòu)是由帶有金屬鍍層的PET 和PTFE薄膜組成，如圖2 所示。兩種材料表面的金屬鍍層作為電極（通過實(shí)驗(yàn)校正，規(guī)定PTFE 表面的金屬銅層為傳感器的正電極，PET 表面的金屬銀膠層為傳感器的負(fù)電極），使用銅膠帶將兩端去除絕緣層的漆包線固定在兩個(gè)電極上，用來連接數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入端。

圖2 TGP-s的結(jié)構(gòu)示意圖

TGP-s是基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)工作原理，實(shí)現(xiàn)環(huán)境中機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，如圖3 所示。在初始狀態(tài)，PET上的金屬銀膠層和PTFE 薄膜是分離的，當(dāng)一個(gè)外界刺激作用到TGP-s 上時(shí)，銀膠層與PTFE 薄膜接觸摩擦，由于摩擦起電效應(yīng)，電子從銀膠層流到PTFE薄膜，兩種薄層上產(chǎn)生等量異種的電荷。當(dāng)這個(gè)外界刺激被移除時(shí)，銀膠層與PTFE 薄膜將會(huì)由于PET的彈性而分離，它們的接觸面之間形成電勢(shì)差，若用外部負(fù)載將兩個(gè)電極連接起來，則電子經(jīng)外電路流回PET膜上的金屬銀膠層，從而平衡銀膠層與PTFE薄膜間形成的電勢(shì)差。當(dāng)銀膠層與PTFE 薄膜重新發(fā)生接觸，摩擦電荷形成的電勢(shì)差消失，電子從PET 膜上的金屬銀膠層回流至PTFE 薄膜。TGP-s 就是在這樣不斷的接觸分離過程中輸出交變變化的電流信號(hào)［7］。

圖3 TGP-s的工作原理

3 TGP-s性能測(cè)試

TGP-s使用方法：將TGP-s固定到人的橈動(dòng)脈上，由于PTFE材料良好的柔性使其更容易感知人體脈搏的搏動(dòng)，因此PTFE 面與人體皮膚接觸。測(cè)試前，將TGP-s與信號(hào)采集設(shè)備連接，在信號(hào)的輸入端連接一個(gè)短路開關(guān)，其作用是消除在固定傳感器的過程中，由于上下兩薄膜不斷地摩擦而積累的電勢(shì)，每次測(cè)量前，先將傳感器的正電極和負(fù)電極短路，平衡這一部分電勢(shì)后再斷開開關(guān)，最后開始監(jiān)測(cè)脈搏波的時(shí)域信號(hào)，并將采集到的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到頻譜圖。

3.1 TGP-s穩(wěn)定性分析

為驗(yàn)證本脈搏波傳感器的穩(wěn)定性，隨機(jī)選取一個(gè)TGP-s傳感器對(duì)護(hù)理專業(yè)中使用到的模擬人設(shè)備進(jìn)行了脈搏監(jiān)測(cè)。圖4 是對(duì)頻率為60 r/min的信號(hào)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換處理，得到的頻譜圖。

圖4 傳感器監(jiān)測(cè)模擬人設(shè)備橈動(dòng)脈處信號(hào)的頻譜圖

用該TGP-s對(duì)模擬人設(shè)備進(jìn)行兩組脈搏監(jiān)測(cè)。首先將傳感器固定到模擬人的橈動(dòng)脈處，進(jìn)行第1 組的連續(xù)測(cè)量4 次，然后將傳感器摘除并重新捆綁固定，再進(jìn)行第2 組的連續(xù)4 次測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表1、2所示。

表1 傳感器第1 組連續(xù)4 次監(jiān)測(cè)的頻譜中各級(jí)諧波的幅度及其相對(duì)誤差

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在諧波幅值方面，對(duì)于相同傳感器相同位置，每1 次測(cè)量之間仍有一定誤差，但是該誤差是極小的，最大的相對(duì)誤差也僅有1.67%，說明本脈搏波傳感器對(duì)于脈搏信號(hào)的監(jiān)測(cè)是十分穩(wěn)定的。特別值得關(guān)注的是，對(duì)于相同的信號(hào)源，其每一次測(cè)量的諧波都出現(xiàn)在相同的頻率上，即使調(diào)整固定傳感器的位置和捆綁力度，也不會(huì)影響頻譜中諧波的頻率，表明TGP-s對(duì)于監(jiān)測(cè)與時(shí)間有關(guān)的信息是十分準(zhǔn)確且穩(wěn)定的。

表2 傳感器第2 組連續(xù)4 次監(jiān)測(cè)的頻譜中各級(jí)諧波的幅度及其相對(duì)誤差

3.2 不同人群的監(jiān)測(cè)結(jié)果

用TGP-s對(duì)不同人群的脈搏進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，圖5～8分別給出了測(cè)試人群中2 名青年女生、2 名青年男生、2 名女性中年教師、2 名男性中年教師（青年對(duì)象：18～23 歲；中年對(duì)象：35～45 歲）脈搏波及頻譜圖。

圖5 兩名青年女生橈動(dòng)脈脈搏波頻譜圖

可以看出，在4 位青年人的脈搏波中，P波和D波十分明顯，極易區(qū)分，且P波和D波都非常尖銳，反映出了青年人的血管具有非常好的彈性；中年人的脈搏波中，無論是P波還是D波都相對(duì)較寬，普遍已經(jīng)有T波出現(xiàn)的趨勢(shì)，大部分監(jiān)測(cè)者的脈搏波出現(xiàn)D 波消失的現(xiàn)象，這是由于隨著年齡的增長(zhǎng)，人體中血管的彈性不可避免地逐漸降低，從而會(huì)引起脈搏波形發(fā)生明顯改變。

圖6 兩名青年男生橈動(dòng)脈脈搏波頻譜圖

圖7 兩名中年女性教師橈動(dòng)脈脈搏波頻譜圖

圖8 兩名中年男性教師橈動(dòng)脈脈搏波頻譜圖

通過對(duì)不同人群的脈搏波監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，TGP-s可以監(jiān)測(cè)到不同人群脈搏波之間的差異性，驗(yàn)證了TGP-s的普適性。

3.3 運(yùn)動(dòng)前后脈搏波的監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖9 所示為一位23 歲健康（無基礎(chǔ)疾病，無感冒、咳嗽、發(fā)炎等癥狀）青年人1 h籃球運(yùn)動(dòng)前后的脈搏波及頻譜對(duì)比。測(cè)量運(yùn)動(dòng)前的脈搏數(shù)據(jù)時(shí)，在被監(jiān)測(cè)者的橈動(dòng)脈處標(biāo)記傳感器的固定位置，便于運(yùn)動(dòng)后固定在相同位置，減小因測(cè)量位置不同帶來脈搏波的差異。從對(duì)比圖像可以看出，被監(jiān)測(cè)者運(yùn)動(dòng)前后的心率和脈搏波的波形都有著明顯的差異。被監(jiān)測(cè)者的脈搏波運(yùn)動(dòng)后尾波消失，D 波更加明顯，且心率明顯增加；頻譜方面，運(yùn)動(dòng)后的頻譜各級(jí)諧波分量發(fā)生偏移，出現(xiàn)在更高的頻率位置；頻譜中第1 次諧波的頻率恰好對(duì)應(yīng)著被監(jiān)測(cè)者的心跳頻率。從被監(jiān)測(cè)者運(yùn)動(dòng)前后的脈搏波及頻譜中表現(xiàn)出來的差異性，表明TGP-s 對(duì)個(gè)體不同生理狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是有效且準(zhǔn)確的，對(duì)人體日常的脈搏信號(hào)的監(jiān)測(cè)是可行的。

圖9 健康青年男性運(yùn)動(dòng)前（左）與運(yùn)動(dòng)后（右）的脈搏波及頻譜對(duì)比

4 結(jié)語

本文提出了一種基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)可穿戴脈搏波傳感器制作的綜合性實(shí)驗(yàn)方法。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，TGP-s傳感器不僅可以靈敏監(jiān)測(cè)到人體橈動(dòng)脈的搏動(dòng)，而且可以用采集到的數(shù)據(jù)清晰地描繪出脈搏波的波形，為從脈搏波中提取人體的生理病理信息奠定了基礎(chǔ)。由于使用的兩種主要材料價(jià)格十分低廉，且傳感器的制作工藝非常簡(jiǎn)單，使得本脈搏波傳感器與傳統(tǒng)的醫(yī)用脈搏波診斷儀以及常見的光電式等脈搏傳感器相比，具有低成本、體積小、柔性可穿戴、自驅(qū)動(dòng)，制備簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，用于對(duì)人體日常的脈搏監(jiān)測(cè)評(píng)估是有效且可行的。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)信號(hào)采集及處理方案和真空蒸鍍技術(shù)，蘊(yùn)含了確實(shí)可行的傳感器制備的創(chuàng)新思維，非常適合在普通高等院校物理、材料和生物及其相關(guān)交叉學(xué)科開展綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。