基于差動電感式角位移傳感器的血栓彈力測量

錢　俊，孫海旋，陳弈博，梁偉國，盧勢浩，王弼陡

(中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州　215163)

基于差動電感式角位移傳感器的血栓彈力測量

錢俊，孫海旋，陳弈博，梁偉國，盧勢浩，王弼陡

(中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州215163)

分析了血栓彈力測量的原理。針對其測量要求，設(shè)計了一種變面積差動電感式角位移傳感器。詳細(xì)介紹了傳感器的結(jié)構(gòu)，對設(shè)計過程做了計算分析。介紹了基于L-C諧振方法的傳感器測量電路與測量方法。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計傳感器及測量系統(tǒng)的測量結(jié)果與角位移有良好的線性關(guān)系，系統(tǒng)分辨率不低于0.01°。

血栓彈力圖；角位移傳感器；差動電感

本文著錄格式：錢俊，孫海旋，陳弈博，等. 基于差動電感式角位移傳感器的血栓彈力測量[J]. 軟件，2016，37（9）：17-20

0　引言

血栓彈力測量通過連續(xù)監(jiān)測凝血—纖溶過程的血液粘彈性變化來研究凝血過程，能全面反映從凝血到纖溶全過程血液各個成分之間相互作用的結(jié)果，從而協(xié)助臨床醫(yī)師對臨床病人的術(shù)后出血、心外手術(shù)中或術(shù)后的血栓、器官移植、外傷和心臟手術(shù)過程中或術(shù)后發(fā)生的血栓癥等凝血狀況做出準(zhǔn)確判斷[1-3]。

監(jiān)測血凝塊的粘彈力基于以下原理[4]：伴隨凝血過程，纖維蛋白、血小板、血細(xì)胞形成三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，血液粘彈性隨之變化；一特制靜止盛有血液的圓柱形杯，以4°45’的角度旋轉(zhuǎn)，周期為10秒；一根由螺旋扭絲懸掛的針浸泡在血樣中；纖維蛋白—血小板復(fù)合物將杯和針粘在一起后，杯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能傳遞至血樣中的針，纖維蛋白—血小板復(fù)合物的強(qiáng)度影響針的運(yùn)動幅度，以致強(qiáng)硬的血凝塊能使針的運(yùn)動與杯的運(yùn)動同步；血凝塊溶解時，針與血凝塊的聯(lián)結(jié)解除，杯的運(yùn)動不再傳遞給針。其原理示意圖見1。因此，通過連續(xù)監(jiān)測針的運(yùn)動幅度，就可以間接監(jiān)測血樣凝結(jié)過程中血栓的粘彈力。

1　差動電感式角位移傳感器設(shè)計

監(jiān)測針的運(yùn)動幅度即監(jiān)測其轉(zhuǎn)動角度，需要用到角位移傳感器。采用的角位移檢測裝置不應(yīng)該對針的運(yùn)動有大的影響，所以多采用非接觸式的角位移傳感器。常見非接觸式的角位移傳感器主要有基于光學(xué)原理和電磁感應(yīng)原理的兩類。光學(xué)傳感器測量精度高，但是制造裝配困難，對使用環(huán)境也有一定的要求[5]。而基于電磁感應(yīng)原理的傳感器制造容易、可在較惡劣的環(huán)境中使用。電感式角位移傳感器是電磁感應(yīng)原理傳感器的一種。常規(guī)的電感式角位移傳感器較光學(xué)傳感器簡單，但也相對的存在零件件數(shù)多，裝配工序多的問題。系統(tǒng)設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便的基于PCB制造工藝的變面積差動電感式角位移傳感器。

圖1　血栓彈力測量原理圖Fig.1　The principle diagram of thrombelastography

1.1差動電感式角位移傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器結(jié)構(gòu)見圖2，包括傳感器定子和轉(zhuǎn)子兩部分。

圖2　差動電感式角位移傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure diagram of the angular transducer

傳感器定子為一PCB板，PCB 板上加工有銅箔螺旋結(jié)構(gòu)的兩相繞組以及一個實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連接的連接器，其結(jié)構(gòu)見圖3。每相繞組由兩個徑向相對的繞組串聯(lián)構(gòu)成，兩相繞組共包含四個繞組。四個繞組均為同心螺旋扇環(huán)形結(jié)構(gòu)，各繞組銅箔螺旋方向相同。這樣，每相繞組中的兩個繞組串聯(lián)連接時，確保在磁路中其磁通量相互疊加。在PCB板上繞組中心位置處有一鉆孔。

圖3　傳感器定子PCB頂層、底層圖Fig.3　Toplayer and bottomlayer of the stator PCB

傳感器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖4，由兩個相同的鐵磁材料薄片及轉(zhuǎn)動軸構(gòu)成。每個薄片為徑向?qū)ΨQ的扇環(huán)形結(jié)構(gòu)。兩薄片安裝于一軸上，彼此軸向?qū)ΨQ。薄片軸向距離稍大于PCB厚度。

圖4　傳感器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Structure diagram of the rotor

轉(zhuǎn)子鐵磁薄片扇環(huán)外圓直徑大于定子繞組線圈扇環(huán)外圓直徑，轉(zhuǎn)子鐵磁薄片扇環(huán)內(nèi)圓直徑小于定子繞組線圈扇環(huán)內(nèi)圓直徑；定子扇環(huán)形繞組圓心角大于轉(zhuǎn)子扇環(huán)圓心角的一半。

安裝時，粘彈力測量探針穿過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動軸中心，并由螺旋扭絲懸掛，上端固定。同時，轉(zhuǎn)子軸穿過PCB中心孔與繞組同心，PCB中心孔孔徑大于轉(zhuǎn)子軸外徑，兩者之間沒有接觸。水平方向固定定子位置。其安裝圖見圖5。

圖5　角位移傳感器安裝圖Fig.5　Assembly diagram for the angular transducer

1.2差動電感式角位移傳感器計算分析

如上述傳感器結(jié)構(gòu)，繞組中通過電流時，產(chǎn)生的磁通通過兩片鐵磁材料薄片、薄片與繞組間的氣隙形成閉合磁路。由于鐵磁材料薄片與繞組軸向距離很小，即氣隙很短，所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的[6]。不考慮磁路鐵損時，工程近似磁路總磁阻Rm為

式中：l1——PCB板導(dǎo)磁長度；

μ1——PCB板材料磁導(dǎo)率；

A1——PCB板導(dǎo)磁橫截面積；

L2——鐵磁薄片導(dǎo)磁長度；

μ2——鐵磁材料磁導(dǎo)率；

A2——鐵磁薄片等效導(dǎo)磁橫截面積；

δ——PCB板與鐵磁薄片間氣隙長度；

μ0——空氣磁導(dǎo)率；

A0——?dú)庀秾?dǎo)磁橫截面積。

鐵磁材料的磁導(dǎo)率相比空氣的磁導(dǎo)率是很大的，鐵磁材料的磁阻在計算時可以忽略，PCB板導(dǎo)磁橫截面積A2等于氣隙導(dǎo)磁橫截面積A0，故

線圈電感L由下式確定

式中：W——線圈匝數(shù)。

傳感器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中l(wèi)1、δ保持不變。A0隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度改變，兩相繞組中A0的變化成差動關(guān)系。設(shè)兩相繞組中的A0值分別為A01、A02，故

式中：S1、S2——常量，分別為兩相繞組的初始?xì)庀秾?dǎo)磁面積；

θ——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度；

K——比例常數(shù)。

令故兩相繞組自感差值ΔL為

即自感差動量與轉(zhuǎn)子角度成線性關(guān)系。

為保證傳感器有最大線性范圍，安裝時轉(zhuǎn)子初始位置應(yīng)和定子繞組對中，此時傳感器線性范圍為

傳感器靈敏度S為

2　差動電感式角位移傳感器信號的測量

常用電感測量方法有交流電橋法、諧振法等，系統(tǒng)采用諧振法。用諧振法測量電感時，將電感接入

通過測量諧振周期便可以計算出電感值。測量兩相繞組的電感，將測量結(jié)果相減，即得出差動電感值。

L—C振蕩電路采用反相器構(gòu)成的振蕩電路，其原理圖見圖6。圖中SWITCH開關(guān)信號控制PNP三極管的通斷，將兩相繞組交替接入振蕩回路。這種方法與采用兩套振蕩回路的方法相比，避免了兩套振蕩回路元件匹配不一致帶來的測量結(jié)果偏差。兩相繞組交替接入電路，故兩個電感值不是在同一時間測得，這樣在計算差動電感值時會引入誤差。但是，開關(guān)切換時間即每次測量時間非常短，約幾毫秒，相對于電感變化周期10S來說非常小，故由于兩組電感非同時測量引入的誤差非常小。

因而通過將角位移傳感器接入上述L—C振蕩回路，測量輸出信號諧振周期，計算電感值，便可以得到一個受待測角度調(diào)制的差動電感輸出。L—C振蕩回路，其諧振周期為

3　實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)裝置

（1）差動電感式角位移傳感器

按照前述的差動電感式角位移傳感器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計的傳感器具體參數(shù)為：定子PCB：FR-4基材；0.035μm厚銅箔；雙面板；PCB為直徑33mm的圓形，中心孔直徑8mm，PCB邊緣兩安裝孔直徑3.3mm；線圈在PCB頂層、底層層疊兩層，線寬 0.127mm，每層線圈7匝，扇環(huán)外圓直徑28mm，內(nèi)圓直徑13mm，圓心角50°。轉(zhuǎn)子鐵芯：材料為電磁純鐵，厚度1mm，扇環(huán)外圓直徑31mm，內(nèi)圓直徑10mm，圓心角30°，中心直徑6mm。

（2）差動電感式角位移傳感器信號測量電路信號測量電路為上述L—C振蕩回路，電路器件參數(shù)見圖6。

（3）電動旋轉(zhuǎn)臺

固定傳感器定子，傳感器轉(zhuǎn)子安裝于一個由電動旋轉(zhuǎn)臺驅(qū)動的軸上，通過電動旋轉(zhuǎn)臺控制傳感器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度。旋轉(zhuǎn)臺型號為MRS102，技術(shù)指標(biāo)見表1。

3.2實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)置電動旋轉(zhuǎn)臺以每步0.01°的角度步進(jìn)量，在±6°的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動傳感器定子同步旋轉(zhuǎn)，測量每步所對應(yīng)的傳感器信號測量裝置輸出。

表1　MRS102電動旋轉(zhuǎn)臺技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)式5、9可知，諧振周期與傳感器角度并非線性關(guān)系。若根據(jù)式9，由測得的諧振周期計算出具體的差動電感值，則計算較為麻煩。如果在測量范圍內(nèi)L的相對變化量很小，可將式9作泰勒級數(shù)展開并忽略高階項(xiàng)，近似認(rèn)為諧振周期和電感量為線性關(guān)系。實(shí)際測量中，用LCR測試儀測量發(fā)現(xiàn)，定子每相繞組靜態(tài)電感為4.25μH，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度范圍為±2.5°時，繞組電感變化量為±0.005μH，相對變化量約為±0.1%。故近似計算時，可忽略泰勒級數(shù)中的高階項(xiàng)。

諧振回路輸出信號頻率約為5MHz。對于5MHz的信號，直接測量其周期相對困難。實(shí)驗(yàn)中實(shí)際是測量信號頻率，并取倒數(shù)，得到周期值。取倒數(shù)時，為了運(yùn)算方便，用十六進(jìn)制數(shù)0X7FFFFFFF除以測量得到的信號頻率。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測得轉(zhuǎn)子差動周期—轉(zhuǎn)角關(guān)系，并描出其散點(diǎn)圖，見圖6。從圖中可以看出，系統(tǒng)在±6°的范圍內(nèi)有很好的線性關(guān)系。采用最小二乘法線性擬合，擬合得的線性方程為

式中：y—差動周期值，單位為s/2147483647；

x—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，單位為°。

相關(guān)系數(shù)R2=0.9998，可見擬合方程有很好的擬合優(yōu)度。

圖6　±6°范圍測量結(jié)果散點(diǎn)圖Fig.6　Scatter diagram for an angular range of ±6°

圖7，是上述散點(diǎn)圖在±0.1°范圍內(nèi)的局部圖。在局部圖中，差動周期—轉(zhuǎn)角仍然保持很好的線性關(guān)系。從放大圖中可以看出，系統(tǒng)測量的有效分辨率不低于0.01°。

圖8是基于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的血栓彈力圖實(shí)際測量結(jié)果，各項(xiàng)測量參數(shù)與現(xiàn)有商品儀器測量結(jié)果相關(guān)性較好。

圖7　±0.1°范圍測量結(jié)果散點(diǎn)圖Fig.7　Scatter diagram for an angular range of ±0.1°

圖8　實(shí)驗(yàn)血栓彈力圖Fig.8　Experimental thrombelastography

4　結(jié)論

設(shè)計的差動電感式角位移傳感器及其信號測量電路與方法用于血栓彈力測量，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有較好的測量結(jié)果，具有以下優(yōu)點(diǎn)：該傳感器不存在對溫度、濕度、灰塵等因素敏感的元件，使用環(huán)境限制較小；傳感器為電感輸出，后續(xù)的檢測電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)；用PCB銅箔螺旋層疊的結(jié)構(gòu)作為繞組，結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝簡單，安裝方便；實(shí)現(xiàn)了高精度、高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)的角度測量，成本、尺寸、可靠性方面都得到提高。

[1] Westbrook AJ, Olsen J, Bailey M, et al. Protocal based on thrombelastograph(TEG) out-performs physician preference using laboratory coagulation tests to guide blood replacement during and after cardiac surgery: a pilot study[J]. Heart Lung Circ. 2009, 18(4): 277-288.

[2] Gurusamy KS, Pissanou T, Pikhart H, et al. Methods to decrease blood loss and transfusion requirements for liver transplantation[J]. Cochrane Database Syst Rev. 2011, (12): CD009052.

[3] Sch?chl H, Nienaber U, Maegele M, et al. Transfusion in trauma: thrombelastometry-guided coagulation factor concentrate-based therapy versus standard fresh frozen plasmabased therapy[J]. Crir Care. 2011, 15: R83.

[4] Reikvam H, Steien E, Hauge B, et al. Thrombelastography[J]. Transfus Apher Sci. 2009, 40(2): 119-123.

[5] 馬青, 史金飛. 基于LVDT原理的精密角位移傳感器的研制[J]. 中國制造業(yè)信息化, 2003, 33(12): 124-126.

[6] 潘煉. 傳感器原理及應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012: 83.

Measurement of Thrombelastography Based on Differential Inductive Angular Displacement Transducer

QIAN Jun, SUN Hai-xuan, CHEN Yi-bo, LIANG Wei-guo, LU Shi-hao, WANG Bi-dou
(Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, CAS, Suzhou 215163 China)

The principle of thrombelastography measurement was analyzed. According to the requirements of this measurement, an area variable differential inductive angular displacement transducer was designed. A detailed introduction for the structure of this transducer and a mathematical analyzation of the design procedure were proposed. A signal detecting circuit and method were given based on L-C resonant. Experimental result indicates a great linear relationship between the input and output of this measurement system. The resolution of this system is better than 0.01°.

Thrombelastography; Angular displacement transducer; Differential inductor

TP273

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.09.004

中科院裝備研制項(xiàng)目(YZ201550)；中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KFZD-SW-204)；江蘇省科技支撐計劃(BE2014640)。

錢俊(1983-)，男，助理研究員，主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)電子儀器。