PVDF傳感器的睡眠呼吸檢測研究

祝奔奔，萬 舟，魏建雄

(昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

0 引言

睡眠呼吸暫停綜合征(sleep apnea syndrome，SAS)有可能誘發(fā)心肌梗塞、腦血管意外和其他疾病，具有潛在危險性;在嚴重的情況下，即使在睡眠中也會危及生命。為了提高患者的生存率，可對患者的睡眠狀態(tài)進行實時監(jiān)視。通過監(jiān)測患者睡眠呼吸的時間長度和頻率，不但有利于病情的診斷和治療，同時還能夠及早地防范其他癥狀［1］。

目前，呼吸檢測的方式主要包括電感式體積描記檢測、磁電檢測、光纖傳導檢測、阻抗檢測和壓阻檢測。其中，電感應(yīng)體積描記法通過檢測纏繞在人體胸部的感應(yīng)線圈中的磁通量大小，間接分析呼吸過程。該方法測得的呼吸參數(shù)全面，但由于胸、腹之間存在耦合現(xiàn)象，所以信號的準確性較低。針對上述問題，本文采用了基于聚偏氯乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)傳感器的新型睡眠呼吸檢測方法。通過試驗驗證，該方法可用于睡眠呼吸的檢測［2］。

1 PVDF受力等效模型

分析PVDF壓電薄膜的傳感單元壓電效應(yīng)時，可以把該壓電單元看作一個受力裝置。PVDF受力坐標及換能模型如圖1所示。

圖1 PVDF受力坐標及換能模型Fig．1 Force coordinates and energy exchange model of PVDF

圖1中:數(shù)字下標1、2和3分別代表壓電晶體的X、Y、Z 方位，4、5、6分別代表環(huán)繞 3個界面軸方位的切向力。因為壓電材料的延伸方位上的壓電系數(shù)很大，偏振方位通常較大，所以，選擇沿X軸方位拉伸，偏振方向為垂直于薄膜平面的 Z軸方向［2-3］。

當感測單元是壓電膜時，在正負極之間生成的電壓為:

式中:δi為電荷密度;dij為壓電系數(shù);σi為應(yīng)力;i為1～3;j為1～6。

事實上，在彈性變化的一定范圍內(nèi)，電荷密度與應(yīng)力存在線性關(guān)系。在實際坐標中，壓電元件的應(yīng)力作用在X、Y、Z這3軸，同時，在3個三維平面YZ、XY和XZ上存在切向力。各平面的電荷密度如下:

式中:δX、δY、δZ分別為垂直于3 個平面的電荷密度，σXX、σYY、σZZ分別為3 軸的應(yīng)力;τYZ、τZX、τXY分別為3 個平面的切向應(yīng)力。以系數(shù)矩陣形式表示壓電材料壓電特性:

PVDF的壓電常數(shù)矩陣為:

式中:dij為受力在j方位上、i方位處的場強值。

在實際應(yīng)用中，大部分的系數(shù)量級都非常小，對測量結(jié)果產(chǎn)生的誤差極小，不必重點考慮。需要重點考慮的是垂直于壓電薄膜的壓力的壓電常數(shù)。

在壓電元件的延伸處產(chǎn)生應(yīng)變。由式(4)可得，當應(yīng)力產(chǎn)生變化后，PVDF壓電薄膜元件上生成的電荷變化值可以表示為:

式中:Δq為單個面上電荷變化值;d3j為不同面方位上壓電系數(shù);Δσj為應(yīng)力改變值。

設(shè)定PVDF壓電薄膜元件上的點(x，y)在t=0時刻的電荷密度值為0，則電荷密度值在 t時刻的大小為:

面積為S的PVDF單元上的電荷為:

因為壓電元件可能發(fā)生泄漏的情況，所以在與放大裝置相互連接后，電荷值在t時刻的大小為:

式中:Q(t0)為t=0時刻的電荷值;S為PVDF壓電薄膜面積值;C為壓電元件等值電容;σ為后加放大裝置的輸入電阻值。

當只有垂直方向的應(yīng)力作用時，令δx=δy=0、Q(t0)=0，則產(chǎn)生的電荷值可表示為:

式中:U(t)為電荷值隨應(yīng)力變化的常量函數(shù)值。

2 PVDF傳感器的設(shè)計

呼吸時，胸部會產(chǎn)生振動。PVDF傳感器中的PVDF壓電薄膜作為一種換能元件，可通過自身的壓電效應(yīng)把胸部運動產(chǎn)生的振動物理信號轉(zhuǎn)化為電信號。在本設(shè)計中，為了在檢測過程中避免檢測到的信號失真，從而將振動量最大限度地轉(zhuǎn)化為電信號，PVDF傳感器采用接觸式的方法檢測振動信號。

由于PVDF壓電薄膜直接和皮膚接觸時，皮表的溫度會對所測信號造成干擾，且不利于PVDF傳感器穿戴的舒適性。為解決上述問題，根據(jù)“液體可轉(zhuǎn)移的壓力性質(zhì)”，設(shè)計了PVDF傳感器，如圖2所示。

圖2 PVDF傳感器示意圖Fig．2 diagram of PVDF sensor

PVDF傳感器為長方體。長方體兩邊為胸部鑲嵌帶，將左邊的胸帶插入右邊的腰帶，即可實現(xiàn)傳感器的固定。橡膠壁厚0．3 mm，膠囊的厚度為2 mm。PVDF膜安裝位置見圖2，傳感層緊密地附著在膠囊的上壁。膠囊的下壁與皮表接觸，由于橡膠和腹部皮層具有的彈性，增加了傳感器的接觸部分。胸腔內(nèi)的呼吸振動從膀胱內(nèi)的液體傳遞到傳感器的傳感表面。此外，使用橡膠液壓膠囊不會刺激皮膚和絕緣以及熱傳導，并可避免PVDF膜與皮膚的直接接觸［4］。

3 信號調(diào)理電路

3．1 第一級放大電路

由于使用的PVDF材料經(jīng)歷了轉(zhuǎn)換，所生成的電荷數(shù)與外部電路并無關(guān)聯(lián)，故傳感器相當于一種穩(wěn)流源。其內(nèi)阻很大，需要與一種輸入阻抗很高的電荷放大裝置搭配使用。由于數(shù)據(jù)采集期間需要降噪，故本文設(shè)計的電荷放大裝置在實現(xiàn)信號放大的同時，還進行降噪處理［5］。

考慮到使用的傳感電路的電荷放大裝置的阻抗要與PVDF的相近，故使用CA3140高輸入阻抗電荷放大裝置。其值為1．2×1012Ω，具有非常低的輸入電流和較快的處理速度，使用時電壓值范圍為4～36 V，頻率范圍為0～5 MHz，轉(zhuǎn)換速度為10 V/μs，適合作為幅值很小的信號放大裝置［6-8］。故選取CA3140作為放大濾波裝置。放大電路如圖3所示。

圖3 放大電路Fig．3 Amplification circuit

3．2 第二級放大電路

使用OP07芯片作為信號調(diào)理電路的放大濾波電路。其電壓的輸入值能可以是極小的、幅值不勻稱的電壓，并且具有接收電流值低及高增益的優(yōu)點。這些優(yōu)點可讓OP07芯片應(yīng)用在許多放大傳感設(shè)備上［9］。放大濾波電路如圖4所示。

圖4 放大濾波電路Fig．4 Amplifying filter circuit

依據(jù)圖4，可以算出OP07濾波放大值:

傳遞函數(shù)為:

輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為:

3．3 濾波器電路

大多檢測過程中會發(fā)生工頻干擾。發(fā)生工頻干擾的原因包括周圍環(huán)境生產(chǎn)的噪聲以及電路中因為電磁效應(yīng)而生成的干擾。所以，必須獨立設(shè)計一種電路，以濾除此類工頻干擾。

本傳感器使用的濾波電路能在相應(yīng)的頻率范圍里對信號進行濾波。該設(shè)計采用核心放大器為LM358芯片的高速運算放大電路，作為該傳感器的濾波電路。濾波器電路如圖5所示。在濾波電路嵌入正反饋電路，可一次提高通帶中心頻率周圍的信號大小。

圖5 濾波器電路Fig．5 Filter circuit

3．4 數(shù)據(jù)采集

在試驗室中，本傳感器選取了Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集器。數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置安裝在數(shù)據(jù)采集器內(nèi)，同時內(nèi)嵌有儲存設(shè)備和邏輯門電路。其采用的采集方式為多接口同時輸入信號，能夠完成多信號記錄，接口傳輸方式為USB接口。

PVDF傳感器收集到的數(shù)據(jù)由放大器濾波，經(jīng)數(shù)據(jù)收集卡和USB接口傳輸至計終端。Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集器還具有配套的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能夠?qū)κ占臄?shù)據(jù)作相應(yīng)處理［10-12］。

4 試驗及結(jié)果分析

根據(jù)PVDF薄膜的受力等效模型，將PVDF薄膜固定在人體皮膚的某一處(例如手臂上)，手臂循環(huán)做出緊握和放松的動作，測出PVDF薄膜對手臂動作的的回應(yīng)。圖6為手臂緊握和放松時PVDF傳感器的受力波形圖。其中，振動幅值為0～3 V，應(yīng)力響應(yīng)為250 με左右。通過分析手臂緊握和放松時的PVDF傳感器受力波形圖，為PVDF傳感器檢測睡眠呼吸提供了實踐基礎(chǔ)。

圖6 傳感器受力波形圖Fig．6 Waveform of sensor stress

若將PVDF傳感器綁帶固定在受試者胸部。PVDF傳感器除了能檢測到因呼吸產(chǎn)生的胸部擴張信號，也能檢測出同一時刻的心跳信息，頻率約為1次/s。為取得如圖7所示的心跳實時信號，設(shè)置濾波器的濾波頻率為1～10 Hz，以過濾環(huán)境噪聲和呼吸信息。

圖7 心跳實時信號圖Fig．7 Real time signal of heartbeat

將PVDF傳感器綁在測試者胸前，對測試者進行呼吸檢測。將收集到的受試者胸部震動信號輸入MATLAB軟件，經(jīng)降噪處理和平滑處理后，過濾因呼吸聲和心跳產(chǎn)生的干擾信號，得到呼吸信號圖。測得呼吸信號波形的時長為2 min，取中間的30～40 s呼吸波形作為結(jié)果分析。受試者的呼吸信號波形如圖8所示。

圖8(a)為受試者正常的呼吸信號圖，測得波形的時長為2 min，取中間的10 s呼吸波形作為分析數(shù)據(jù)。由該圖可以看出，在此期間有2個呼吸周期，即2次呼吸。每次呼吸的最大幅值在0．5～1 V之間。

圖8(b)為受試者呼吸較為急促的信號圖。同樣測得波形的時長為2 min，取中間的10 s呼吸波形作為分析數(shù)據(jù)。由該圖可以看出，在這期間有5個周期，表明呼吸5次，平均每次呼吸用2．1 s，且每次呼吸的最大幅值介于0．4～0．7 V之間。

圖8(c)為受試者呼吸停止的信號圖。以中間10 s呼吸信號圖作為分析數(shù)據(jù)。由該圖可以看出，在這期間有了1個周期，表明呼吸1次，產(chǎn)生了呼吸停止的狀況，呼吸的最大幅值為0．7 V。

圖8 呼吸信號波形圖Fig．8 Waveforms of respiratory signals

需要指出的是，不同的人因體質(zhì)原因呼吸頻率不同，但這并不影響PVDF傳感器檢測因呼吸時腹部運動產(chǎn)生的振動信號。從試驗結(jié)果來看，本文提出的方案可以精準地測量受試者的呼吸頻次，并可進一步檢測受試者的呼吸暫停情況，反映出發(fā)生呼吸暫停的時間。

5 結(jié)束語

本文針對睡眠呼吸暫停綜合征有可能誘發(fā)心肌梗塞、腦血管意外和其他疾病，具有潛在危險性等問題，介紹了PVDF壓電材料的特性，并根據(jù)此特性設(shè)計了一種用于檢測睡眠呼吸的新型傳感器。通過設(shè)計合適的放大濾波電路，可實現(xiàn)PVDF傳感器的信號放大及濾波。通過對數(shù)名志愿者的呼吸振動檢測信號的采集，進行多次試驗得出數(shù)據(jù)，得到了不同頻率的呼吸信號圖。對比分析結(jié)果證明了PVDF傳感器的可行性。