可用于遠程人體脈搏信息恢復的微流泵及其系統(tǒng)研究

李欣然,張 維,劉國華,陽春霞,趙迎新*,慈 騁,唐 然,穆巍煒,王 沖,吳 虹

(1.南開大學電子信息與光學工程學院,天津 300350;2.天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡技術重點實驗室,天津 300350)

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可用于遠程人體脈搏信息恢復的微流泵及其系統(tǒng)研究

李欣然1,2,張 維1,2,劉國華1,2,陽春霞1,趙迎新1,2*,慈 騁1,2,唐 然1,2,穆巍煒1,2,王 沖1,2,吳 虹1,2

(1.南開大學電子信息與光學工程學院,天津 300350;2.天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡技術重點實驗室,天津 300350)

為了改進當前脈博恢復技術存在的不足,設計了一種新型微流泵,并且在此基礎上構建了完整的脈搏恢復系統(tǒng)。首先,利用有機玻璃作為基底、聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為泵膜,設計并制作了不同尺寸的微流泵。隨后,為微流泵配備了外圍電路,使其在電磁裝置的驅動下正常工作,實現(xiàn)完整的脈搏恢復功能。最后,通過HK2010脈搏傳感器采集脈搏數(shù)據(jù)、觀察恢復出的波形,驗證了微流泵技術應用于中醫(yī)脈診研究領域的可行性。

中醫(yī)脈診;脈搏恢復;微流泵;傳感器應用

近年來,遠程醫(yī)療技術在全世界范圍內的發(fā)展和應用,為中醫(yī)診斷技術的遠程化和規(guī)范化奠定了基礎。目前遠程中醫(yī)診斷技術研究主要依靠的是計算機及網(wǎng)絡技術、傳感技術和通訊技術[1-2],實現(xiàn)中醫(yī)望診、聞診及問診,而遠程脈診的研究與臨床應用還存在很多困難。在醫(yī)生與患者分隔兩地的情況下,如何幫助醫(yī)生感知患者橈動脈顯現(xiàn)的豐富信息,進一步判別患者的病因、病機和病位,一直是困擾廣大科研工作者的難題。現(xiàn)有的脈象儀只能獲取脈搏跳動的頻率、強度等基本信息,無法在醫(yī)生端將患者的脈搏跳動完全還原出來,與傳統(tǒng)的診脈方法差別較大。而很多科研機構設計的脈象模擬或者恢復裝置,其工作原理往往采用液壓系統(tǒng)來模擬血液循環(huán),即通過步進電機驅動傳動絲杠和活塞,將封閉液路中彈性人造脈管的人造血液壓出和吸入[3],利用類似注射器的原理推動人造血液運動,使脈管產(chǎn)生相應的膨脹和收縮,最終形成脈搏波動。用這樣的系統(tǒng)模擬脈象的形成過程仍然存在如下幾點不足:方法本身比較復雜、影響模擬效果的因素較多、原理上與心臟供血方式差別較大,這就使得最終的恢復結果與原始脈搏的相關性較差,需要探索更加科學的解決方案。

微流泵具有結構輕巧、運行可靠、成本低廉等諸多優(yōu)點,近年來已經(jīng)引起了越來越多科研工作者的廣泛關注[4-9]。本文對生物醫(yī)學檢測系統(tǒng)中廣泛使用的微流控技術進行了深入研究,提出了一種新型微流泵,利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的厚膜作為泵膜解決脈搏恢復的難題。該微流泵結構簡單直觀,易于制備和攜帶,同時比較適合添加外圍驅動電路來控制其中液體的流向和內部的壓力。本文旨在以該微流泵為基礎建立脈搏恢復系統(tǒng),將來自患者端的脈搏信號盡可能真實地再現(xiàn)出來,為醫(yī)生還原盡量真實的切脈環(huán)境,為遠程脈診的研究提供借鑒。最終通過理論分析、模型制作和實驗測量,驗證了這種微流泵應用于脈搏恢復的可行性。

1 微流泵的結構與工作原理

人體血液經(jīng)由心臟的左心室收縮而擠壓流入主動脈,造成動脈內壓力變大、管徑擴張,隨即迅速以波的形式傳遞到全身動脈,這就是脈搏產(chǎn)生的原因[10-11]。心臟分為心房和心室,心房與心室之間有房室瓣,心室與動脈之間則是半月瓣,瓣膜控制血液在心臟中單方向流動,經(jīng)心房流向心室,再由心室射入動脈。心室的舒張和收縮會使心室內壓力發(fā)生變化,進而促進血液流動,而瓣膜的開放和關閉則決定著血流的方向。本文期望實現(xiàn)的脈搏恢復,主要難點也集中在如何控制心室的收縮和瓣膜的開閉上?；谝陨显?本研究中設計的微流泵及其所構成的脈搏恢復系統(tǒng)包含以下幾個部分:有機玻璃基底、PDMS泵膜、乳膠管、單片機及電磁鐵的驅動電路。

有機玻璃基底的形狀如圖1所示,在矩形基底的正中央挖一個半徑為R1深度為D2的圓柱形槽,作為模擬心臟,更確切的說是起到模擬心室的作用,槽的左右兩側各開一條微流溝道,右側較深的溝道連接擴散口,模擬主動脈口血液輸出;左側較淺的溝道連接收縮口,模擬房室口血液的流入[12]。舒張口和收縮口的角度暫時用α表示,今后的實驗中會測試不同參數(shù)微流泵的實際效果,表示寬度的L1、L2、L3和表示深度的D1、D2、D3也是如此。

圖1 有機玻璃基底的示意圖

圖2 PDMS泵膜的示意圖

PDMS泵膜的形狀如圖2所示。泵膜的大小與有機玻璃基底完全匹配,為的是做好之后可以直接封裝在基底上。其最主要設計是在對應于基底的兩側微流溝道位置靠近收縮口和擴散口的位置各有一道凸起,兩道凸起的高度也分別為D2、D3,封裝時與溝道完全貼合,用以模擬心臟瓣膜的作用,限制溝道內液體只能單向流動,其中收縮口一側凸起模擬人體的房室瓣,擴散口一側凸起則模擬半月瓣,這樣兩道模擬瓣膜能夠將微流泵的溝道劃分為3個部分。此外,在研究中還制作了兩片半徑同樣為R2(R2應略大于R1)的薄膜,能夠直接粘在泵膜的正中心,可以在接下來的實驗中隨時改變膜的厚度和張力。

封裝好的微流泵,兩側要連接不同內徑的乳膠管,構成一個封閉的循環(huán)系統(tǒng),其中注滿液體;這樣獨特的模型結構配合合理的驅動方式,能夠充分發(fā)揮微流泵的整流效應[13-14]。因為兩側溝道的不對稱性,泵內液體在不同方向所受壓力不同,當壓強增大時,液體會按照之前的設計單向流動,即由舒張口流出。它的工作原理如圖3所示。

圖3 微流泵的工作原理示意圖

本文利用這個系統(tǒng)來模擬人體心臟的泵血過程。與心動周期類似,微流泵的每個工作周期也包括收縮期和舒張期。在收縮期,電磁驅動裝置按照程序的控制擠壓泵膜,使得泵內液體壓力很快超過兩側乳膠管中的壓力,推動模擬房室瓣關閉,避免液體反方向流動;同時模擬半月瓣被沖開,泵內液體迅速由擴散口注入乳膠管中。在舒張期,電磁驅動裝置回歸原位,隨著乳膠管內液體壓力的升高,逐漸超過泵內壓力,模擬半月瓣被關閉,阻止液體回流;同時模擬房室瓣被沖開,液體從收縮口注入微流泵,使之重新變得充盈,泵膜也在自身張力和液體壓力的共同作用下恢復原位。

微流泵如此周而復始地工作,引起乳膠管內液體壓力發(fā)生周期性的變化,管壁也隨之發(fā)生規(guī)律性地搏動。在管壁選一個合適的位置安放脈搏傳感器,即可檢測到恢復出來的脈搏跳動。

2 微流泵的制作流程

2.1 微流泵的制作方法

用來制作微流泵的主要材料是有機玻璃和聚二甲基硅氧烷(PDMS)。有機玻璃的成分是聚甲基丙烯酸甲酯的聚合物,它的優(yōu)點是機械強度很高、絕緣性好、透明度高并且易于加工,因此本文用它來制作微流泵的基底和澆注PDMS膜所需要的模具。PDMS的特點是機械性能非常優(yōu)良(彈性模量為0.75 MPa、延伸率可達350%),并且適合熱加工,因此用它來制作微流泵的泵膜,能夠在豎直方向承受極大的形變。

首先采用電路板刻制機對有機玻璃表面進行加工,依靠日漸完善的光刻蝕技術來完成微結構圖形的轉化,按照圖1制作微流泵的基底,再按照圖2制作泵膜所需模具。

接下來采用澆注法制備PDMS泵膜[15]。該制備方法的原理非常簡單,只需借助熱加工技術即可在實驗室的條件下比較精確地復制微米級別的微結構。詳細的操作步驟是先把PDMS預聚體和固化劑按10∶1的配比混合,攪拌均勻后放入真空干燥器20 min去除氣泡,然后將其澆注在有機玻璃模具上,再放入到65 ℃的恒溫烘箱里加熱20 min后取出,最終將基本固化的PDMS泵膜從模具中脫出,完成初步制備。實驗中用到的不同尺寸的微流泵基底和泵膜如圖4所示。

圖4 兩種不同尺寸的微流泵基底和泵膜

最后是PDMS泵膜與有機玻璃基底的封裝和表面改性。封裝采用熱鍵合方法,取上一步中配制好的膠狀PDMS作為粘合劑,在有機玻璃基底上和之前已經(jīng)基本固化的泵膜上需要粘結的地方各涂抹0.1 mm厚的一薄層,將二者對準位置粘合在一起,而后繼續(xù)放在60 ℃的恒溫箱中加熱20 min,從而制得完全固化的微流泵。再用紫外光燈對微流泵進行表面改性處理,實現(xiàn)永久封合。將微流泵封裝好之后,剪一塊半徑為R1厚度為0.1 mm的鐵箔,粘在泵膜中央位置,以后當外界對其施加電磁力時,它就會帶動泵膜發(fā)生形變。最后在泵的兩側擴散口與收縮口的位置分別連接內徑合適的乳膠管,再向管中注滿液體,之后首尾相連徹底密封,最終得到的微流泵封閉循環(huán)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 微流泵封閉循環(huán)系統(tǒng)的完整實物圖

2.2 微流泵的外圍驅動電路

驅動電路由單片機控制,其核心控制芯片是STC89C52單片機,通過它對PCF8591數(shù)據(jù)轉換芯片編程,產(chǎn)生驅動電磁裝置所需的模擬信號,該信號的頻率和幅度都可以通過修改程序中的參數(shù)來調節(jié)。由于從PCF8591數(shù)據(jù)轉換芯片輸出的信號電壓較小,需要用功率放大器對其進行電壓放大才能為電磁鐵提供足夠的動力。放大之后的模擬信號與直流電磁鐵的正極相連,將電能轉化成機械能,利用電磁鐵產(chǎn)生的吸引力帶動已經(jīng)預先粘好鐵箔的微流泵泵膜進行往復運動,微流泵開始正常工作。如此一來,微流泵與它所需的驅動電路相結合,就構成了一個完整的脈搏恢復系統(tǒng),系統(tǒng)的框圖如圖6所示。

圖6 脈搏恢復系統(tǒng)的完整框圖

另外一點需要說明的是,PDMS泵膜有自己的本振頻率,膜的厚度與它的本振頻率是正相關的。當泵膜與電磁鐵能夠產(chǎn)生共振時,引起的泵膜形變最明顯,微流泵的效果也就會最好。為了充分發(fā)揮微流泵的共振效能,先將本系統(tǒng)中電磁鐵輸入信號的頻率設定為與人體脈搏頻率接近的1 Hz,然后利用之前做好的兩片半徑為R2的薄膜改變泵膜的厚度,分別測試電磁鐵能夠引起的不同泵膜振幅大小,選擇在該頻率下能夠產(chǎn)生最大幅度共振的泵膜進行以后的實驗。

3 實驗結果與分析討論

在前期研究工作中,本文已經(jīng)選用HK2010脈搏傳感器采集了相對完整的患者脈象信息。將該傳感器的一個探頭固定在患者手腕寸關節(jié)的位置,它會每隔5 ms采樣一次,然后以十六進制數(shù)的形式記錄下采集到的脈搏壓力,后臺可以獲取其原始數(shù)據(jù)如表1所示,其中的一通道數(shù)據(jù)就是此次采集的寸關節(jié)脈搏信息;隨后利用MATLAB軟件再將所得數(shù)據(jù)進行處理、描點繪圖,就可以繪制出如圖7所示的患者寸部脈搏壓力曲線。

表1 脈象信息原始數(shù)據(jù)表(部分)

圖7 寸部脈搏壓力曲線圖

現(xiàn)在,用上文制備好的微流泵配合HK2010脈搏傳感器,驗證整個脈搏恢復系統(tǒng)的性能。利用單片機處理表1中包含原始脈搏信息的一通道數(shù)據(jù),經(jīng)過簡單的進制轉換和加權運算之后,通過程序讀給PCF8591數(shù)據(jù)轉換芯片將其轉化為模擬的電壓值,為電磁鐵提供動力。在電磁鐵的驅動下,微流泵封閉循環(huán)系統(tǒng)開始周而復始地工作,泵內的液體也按照前文的設計循環(huán)運行。整個脈搏恢復系統(tǒng)的實物圖如圖8所示。

圖8 脈搏恢復系統(tǒng)的實物圖

最后,再次選用HK2010脈搏傳感器,將它的一通道采集探頭與微流泵靠近擴散口一側的乳膠管固定在一起,選取最佳位置,測量管壁的跳動壓力。與之前采集患者脈搏信息的方法一樣,也能得到十六進制的脈搏恢復數(shù)據(jù),利用MATLAB軟件將此數(shù)據(jù)繪制成的脈搏恢復曲線如圖9所示。

圖9 恢復出來的脈搏曲線

經(jīng)過相關函數(shù)的運算,以上圖7和圖9中兩條曲線的相關性大于0.7,可見利用電磁裝置驅動微流泵的方法能夠大體還原出脈搏信號的頻率和波形,可以相對真實地反映原始的脈象特征,恢復效果較為明顯。

針對脈搏波波形數(shù)據(jù)進行分析運算能夠獲得多個與患者體質信息相關的特征參數(shù),K值則是其中較為常用的一個[16],它的定義為K=(pm-pd)/(ps-pd),上式中pm為平均動脈壓,即一個心動周期中脈搏壓力的平均值;ps、pd分別為收縮壓和舒張壓,可以理解為一個周期中脈搏壓力的最大值與最小值,如圖9所標注。K值的大小僅決定于脈搏波的脈圖面積,它和ps與pd的絕對值無關,是一個無量綱值。雖然不能完全包含脈搏波曲線所有局部的生理意義,但它的確能較好地反映人體心血管系統(tǒng)中血管外周阻力、血管壁彈性和血液粘度等健康因素。更重要的是,K值能夠將對脈搏波信息的解讀簡化到只有一個特征量,因而它常被看作中醫(yī)臨床診斷的重要指標之一。

雖然實驗設備的制作精度存在局限、手工操作也難免帶來誤差,受到這些因素的影響,本文所搭建的脈搏恢復系統(tǒng)還不能完全展現(xiàn)出脈搏波的局部細微變化,但由它所恢復出的曲線卻較好地保全了脈圖面積變化的規(guī)律。經(jīng)過測試,由恢復出來的脈搏數(shù)據(jù)的pm、pd、ps計算所得的K值,同患者原始脈搏數(shù)據(jù)所對應的K值相比,誤差可控制在0.03以內,基本不會影響對患者體質信息的判斷。在簡化模型下,該脈搏恢復系統(tǒng)可以起到復現(xiàn)患者健康狀況的作用,為遠程脈診提供借鑒。由此可見,將微流泵技術應用于脈搏恢復領域的嘗試具備相當?shù)目尚行浴?/p>

4 總結

本文以微流泵為主要研究對象,探討其在脈搏恢復領域的應用。制備出了一種小型、低成本、高精度的新型微流泵,并將其與電磁裝置相結合,構建了完整的脈搏恢復系統(tǒng),還利用脈搏傳感器驗證了該系統(tǒng)的恢復效果。研究結果表明,微流泵理論應用于脈搏恢復領域是可行的。與現(xiàn)在比較常見的脈象模擬恢復裝置相比,這種微流泵結構簡單直觀,易于制備和攜帶,并且仍然具備進一步研究和開發(fā)的價值,對于拓寬脈搏恢復領域的研究思路具有相當積極的啟發(fā)意義。當然,現(xiàn)在對微流泵的研究還只能算剛剛起步,在以后的工作中,仍要繼續(xù)修正微流泵模型的深度、寬度、擴散角等參數(shù),不斷探索最佳尺寸組合,優(yōu)化制作工藝,實現(xiàn)更加精確的脈搏恢復功能。

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Study on a Micropump System Used in Remote Human Pulse Information Recovery

LI Xinran1,2,ZHANG Wei1,2,LIU Guohua1,2,YANG Chunxia1,ZHAO Yingxin1,2*, CI Cheng1,2,TANG Ran1,2,MU Weiwei1,2,WANG Chong1,2,WU Hong1,2

(1.College of Electrical Information and Optical Engineering,Nankai University,Tianjin 300350,China; 2.Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology,Tianjin 300350,China)

In order to improve current pulse simulation technology,a complete pulse recovery system based on the new kind of micropump is proposed in this paper. Firstly,different sizes of micropumps are designed and fabricated by using Polydimethylsiloxane(PDMS)as the diaphragms and the organic glass as the bases. Secondly,the micropump is equipped with peripheral circuits,so that it can work under the drive of electromagnetic device to achieve a complete pulse recovery function. Finally,the HK2010 pulse sensor is used to collect pulse data and observe the recovered waveforms,which verifies the feasibility of the application of micropump technology in the pulse diagnosis of traditional Chinese medicine.

TCM pulse diagnosis;pulse replay;micropump;sensor applications

李欣然(1990-),男,南開大學電子信息與光學工程學院通信工程系碩士研究生,主要研究無線通信傳感技術在醫(yī)療領域的應用,13920918292@163.com;

趙迎新(1983-),女,工學博士,南開大學電子信息與光學工程學院通信工程系講師,主要從事通信傳感領域的科研工作,zhaoyx@nankai.edu.cn;

吳 虹(1967-),女,天津市人,南開大學電子信息與光學工程學院通信工程系教授,博士生導師。主要研究方向為無線通信技術、智能監(jiān)控與物聯(lián)網(wǎng)技術、輔助衛(wèi)星定位技術等。近年來,作為項目負責人,先后承擔國家級課題、省部級課題、軍口項目和橫向課題多項,wuhong@nankai.edu.cn。

項目來源:國家自然科學基金項目(61271099);國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201610055069)

2016-12-19 修改日期:2017-02-15

TH323

A

1004-1699(2017)06-0950-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.024