基于熱電偶的睡眠呼吸監(jiān)測(cè)傳感器的仿真與分析

高翔　苗曉丹　蘇開(kāi)明　楊卓青

摘要：針對(duì)阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥（OSAHS）這一常見(jiàn)疾病，本文設(shè)計(jì)了一種基于薄膜熱電偶的睡眠呼吸監(jiān)測(cè)傳感器，并通過(guò)賽貝克效應(yīng)和傳熱學(xué)原理分析了呼吸過(guò)程中溫度以及對(duì)流換熱系數(shù)的變化，為傳感器呼吸監(jiān)測(cè)能力的可行性提供了理論依據(jù)。本文采用COMSOL進(jìn)行了有限元仿真，研究了基底厚度、熱電偶材料、熱電偶厚度以及導(dǎo)線排布方式對(duì)傳感器的影響，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化處理。此后，還分析了在不同通氣情況下熱電偶熱端的溫度曲線差異，其結(jié)果表明傳感器具有判別OSAHS患者的能力。

關(guān)鍵詞：OSAHS;呼吸監(jiān)測(cè);薄膜熱電偶;傳熱學(xué);有限元仿真

【Abstract】Aimingatobstructivesleepapneahypopneasyndrome（OSAHS），thispaperdesignsakindofsleeprespirationmonitoringsensorbasedonthinfilmthermocouple，andanalyzesthechangesoftemperatureandconvectiveheattransfercoefficientintheprocessofrespirationthroughSeebeckeffectandheattransfertheory，whichprovidesatheoreticalbasisforthefeasibilityofthesensor'srespirationmonitoringability.Inthisresearch，thefiniteelementsimulationofCOMSOLisusedtostudytheinfluenceofsubstratethickness，thermocouplematerial，thermocouplethicknessandwirearrangementonthesensor，andoptimizesthestructure.Finally，thetemperaturecurvedifferenceofthermocouple'shotjunctionunderdifferentbreathingconditionsisanalyzed.TheresultsshowthatthesensorhastheabilitytodistinguishOSAHSpatients.

【Keywords】OSAHS;respiratorymonitoring;thinfilmthermocouple;heattransfertheory;finiteelementsimulation

作者簡(jiǎn)介：高翔（1996-），男，碩士研究生，主要研究方向：微機(jī)電系統(tǒng)。

0引言

目前阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥（OSAHS）被認(rèn)為是一種嚴(yán)重的具有潛在致死性的睡眠呼吸疾病，容易導(dǎo)致中風(fēng)和突發(fā)性心力衰竭并影響患者的心理健康[1]。臨床上一般使用多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)儀作為OSAHS的監(jiān)測(cè)手段。

根據(jù)美國(guó)睡眠醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)睡眠呼吸暫停綜合癥的監(jiān)測(cè)和診斷可以分為4級(jí)：1級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)多導(dǎo)睡眠儀檢查;2級(jí)，全指標(biāo)便攜式多導(dǎo)睡眠儀檢查;3級(jí)，改良便攜式睡眠呼吸暫停檢查;4級(jí)，單或雙生物指標(biāo)持續(xù)記錄[2]。

作為一種傳統(tǒng)的睡眠監(jiān)測(cè)設(shè)備，多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)儀是睡眠監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的最為權(quán)威的監(jiān)測(cè)手段。目前的應(yīng)用范圍主要覆蓋醫(yī)院和睡眠實(shí)驗(yàn)室。多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)儀可以記錄人體在整個(gè)睡眠過(guò)程中的各種生理信號(hào)，包括心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）、眼電圖（EOG）、肌電圖（EMG）、呼吸信號(hào)、氧飽和度、睡眠姿勢(shì)等[3]。但由于存在著基礎(chǔ)費(fèi)用昂貴、對(duì)患者有著巨大的身心壓力等缺點(diǎn)，近年來(lái)針對(duì)便攜式睡眠呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備（2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)）上的研究也逐漸成為熱點(diǎn)。

Zhu等人[4]提出了一種基于小波變換的實(shí)時(shí)呼吸節(jié)律和脈搏率的實(shí)時(shí)測(cè)量方法，該方法利用枕頭下充液管采集的壓力信號(hào)，準(zhǔn)確地獲得呼吸節(jié)律和脈搏率。Bu等人[5]采用氮化鋁（AlN）材料制成的柔性壓電薄膜傳感器。由于AlN薄膜傳感器具有良好的靈敏度，因此壓力波動(dòng)所測(cè)得的信號(hào)可進(jìn)一步分解為與呼吸和心跳相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。Beattie等人[6]通過(guò)安裝在床下的測(cè)壓元件來(lái)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)、心率和呼吸。同時(shí)也描述了如何使用測(cè)壓計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)區(qū)分臨床相關(guān)的呼吸障礙（呼吸暫停和低通氣）和正常呼吸。Jiang等人[7]研制了一種便攜式睡眠呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括3個(gè)傳感器模塊，具體就是：用于監(jiān)測(cè)鼻氣流的熱膜式氣流傳感器、用于監(jiān)測(cè)胸呼吸、身體姿勢(shì)、身體活動(dòng)多參數(shù)的三軸加速度計(jì)和用于監(jiān)測(cè)血氧飽和度的脈搏血氧儀。

本文基于賽貝克效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種便攜式睡眠呼吸監(jiān)測(cè)傳感器，通過(guò)對(duì)熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸信號(hào)的監(jiān)測(cè)。在呼吸作用下，熱電偶熱端溫度會(huì)產(chǎn)生變化，同時(shí)冷端溫度保持不變，由于冷熱兩端存在溫差而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)?？梢酝ㄟ^(guò)分析和處理電動(dòng)勢(shì)信號(hào)來(lái)對(duì)睡眠呼吸暫停綜合癥做出診斷。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于攜帶起來(lái)方便、經(jīng)濟(jì)性好、對(duì)人體友好、并且沒(méi)有心理負(fù)擔(dān)。

1呼吸監(jiān)測(cè)傳感器模型及理論

1.1呼吸監(jiān)測(cè)傳感器模型

睡眠呼吸監(jiān)測(cè)傳感器的示意圖如圖1所示。由圖1可看到，將聚酰亞胺薄膜（PolyimideFilm）作為基底材料，薄膜上設(shè)置有3處凸起結(jié)構(gòu)，在其上濺射有金屬導(dǎo)線作為熱電偶。薄膜貼在鼻端，上方凸起部分伸入鼻腔內(nèi)部，下方凸起部分放置在嘴唇上方。在呼吸的作用下，熱電偶節(jié)點(diǎn)的溫度發(fā)生改變，由此產(chǎn)生電勢(shì)信號(hào)。通過(guò)外部導(dǎo)線，信號(hào)傳輸?shù)酱┐魇巾?xiàng)圈，在項(xiàng)圈中進(jìn)行信號(hào)的采集、放大和過(guò)濾。此后即將電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為呼吸信號(hào)。

通過(guò)CAD軟件繪制光刻掩膜板，薄膜上熱電偶導(dǎo)線分布情況如圖2所示。

1.2賽貝克效應(yīng)及熱傳遞

塞貝克效應(yīng)在1821年首次觀察到。研究可知，塞貝克效應(yīng)就是：當(dāng)2種不同金屬在2節(jié)點(diǎn)連接，并且2個(gè)節(jié)點(diǎn)保持不同的溫度，就會(huì)有電流連續(xù)不斷流過(guò)電路。賽貝克效應(yīng)可用以下公式進(jìn)行表示[8]：

賽貝克系數(shù)在不同的溫度下會(huì)發(fā)生改變，表1中賽貝克系數(shù)為熱端100°，冷端為0°時(shí)的情況?？紤]到經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)人體無(wú)毒的要求，研究中選取了銅-銅鎳（康銅）作為熱電偶材料。

1.3工藝制造

通過(guò)MEMS微加工工藝對(duì)呼吸監(jiān)測(cè)薄膜進(jìn)行制造，其中涉及的工藝內(nèi)容可表述如下。

（1）清洗。使用碳酸鈣擦拭pi膜表面，在去離子水中進(jìn)行超聲波清洗，稍后進(jìn)行烘干。

（2）光刻。在玻璃基底上附著清洗好的pi膜，放入甩膠機(jī)中進(jìn)行甩膠。預(yù)甩膠10s，轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/min，正式甩膠30s，轉(zhuǎn)速1600轉(zhuǎn)/min。甩膠厚度為6.5μm。烘干后進(jìn)行光刻圖形化，曝光時(shí)間為90s，顯影時(shí)間為100s。

（3）濺射。在聚酰亞胺薄膜表面濺射500nm的銅，通過(guò)NaOH去除光刻膠。去除光刻膠后，更換掩膜板并重復(fù)光刻的步驟，接下來(lái)會(huì)濺射500nm的康銅，最后再次去膠。要注意的是，為保證2種金屬材料相接，掩膜板的線條需要部分重疊。

2睡眠呼吸信號(hào)分析

將呼吸氣流的變化近似為正弦函數(shù)，已知正常人睡眠狀態(tài)的潮氣量約為0.6L[9]，一個(gè)呼吸周期為3s，則人體肺部氣體體積Q的曲線圖像如圖3所示。而Q隨時(shí)間t的變化可以表示為：

3呼吸監(jiān)測(cè)傳感器的有限元仿真分析

3.1對(duì)薄膜的仿真分析

假設(shè)在沒(méi)有呼吸的情況下，將薄膜貼在鼻端，研究其穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。將鼻端的溫度設(shè)定為37℃。同時(shí)，薄膜受到空氣自然對(duì)流的影響。環(huán)境溫度設(shè)定為20℃，此時(shí)的自然對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)定為5W/（m2·K）。對(duì)流換熱系數(shù)的值影響傳熱的快慢，在穩(wěn)態(tài)研究中決定溫度平衡點(diǎn)的位置。獲得的穩(wěn)態(tài)結(jié)果如圖6所示。

隨后改變薄膜的厚度，研究不同厚度下薄膜中心表面溫度隨時(shí)間的變化情況，仿真結(jié)果如圖7所示，隨薄膜厚度的增加，溫度提升速度也隨之減慢，同時(shí)人體溫度與外界溫度的平衡點(diǎn)下降，但總體的下降幅度不大。

在本文的原定方案中曾設(shè)計(jì)將熱電偶冷端安置在薄膜上，與引出冷端的方案相比，該方案能夠能節(jié)省空間來(lái)設(shè)置更多的節(jié)點(diǎn)。但通過(guò)本次的仿真結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)pi膜本身的熱阻率并不理想，無(wú)法滿足在薄膜上設(shè)置的冷端的要求。這里提出2個(gè)解決方案。一是采用熱阻率更好的材料，二是將冷端引出薄膜表面。本文中選擇了第二個(gè)方案。

在數(shù)量級(jí)上，薄膜的面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于薄膜的厚度，由此其在厚度方向的傳熱能力遠(yuǎn)大于平面方向的傳熱能力。根據(jù)圖6中的仿真結(jié)果可知，薄膜與鼻端接觸處會(huì)受到人體溫度的影響，而薄膜突起處由于不和人體直接接觸，故所受的影響較小。因而將熱端設(shè)置在突起處是可行的，冷端卻不能設(shè)置在薄膜上，同時(shí)因?yàn)闇夭铍妱?dòng)勢(shì)只和導(dǎo)體兩端溫差有關(guān)，和導(dǎo)體中間溫度分布無(wú)關(guān)，所以無(wú)需考慮薄膜受人體溫度影響的部分。

3.2對(duì)熱電偶節(jié)點(diǎn)的仿真分析

假設(shè)此時(shí)環(huán)境溫度為20℃，人體呼吸溫度為37℃，兩者溫差為17℃。穩(wěn)態(tài)情況下，對(duì)單個(gè)熱電偶產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行熱電耦合仿真，材料選擇為銅-康銅，賽貝克系數(shù)SAB取43μV/K。熱電偶的冷端如圖8所示，產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)為7.30×10-4V。

按照給定的塞貝克系數(shù)，在17℃的溫差下，通過(guò)上文提到的公式（2）可以得出其溫差電動(dòng)勢(shì)為：

假定在有呼吸的作用下，進(jìn)行瞬態(tài)研究。呼吸信號(hào)的頻率范圍為0～0.35Hz。正常成年人呼吸頻率是16～20次/min，即3～4次/s[11]。將其轉(zhuǎn)化為溫度信號(hào)，其中前1.5s為呼出，后1.5s為吸入。呼出空氣為37℃，吸入空氣為20℃。以此獲得一個(gè)周期內(nèi)的薄膜溫度變化情況。這里采用簡(jiǎn)化模型，暫不引入對(duì)流換熱系數(shù)的變化情況。由于溫度信號(hào)和電勢(shì)差信號(hào)成線性關(guān)系（塞貝克系數(shù)固定），所以這里僅展示了節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況.仿真結(jié)果如圖9所示。

通過(guò)改變熱電偶厚度研究其對(duì)溫度變化的影響，不同厚度下的溫度變化情況如圖10所示。

將熱端溫度達(dá)到最高溫度90%的時(shí)間作為響應(yīng)速度。不同厚度下的熱電偶響應(yīng)速度見(jiàn)表2。通過(guò)表2可知，隨著熱電偶厚度的減小，節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)速度也隨之增快。

其中，ρ表示電阻率;L表示導(dǎo)體長(zhǎng)度;S表示導(dǎo)體截面積。電阻過(guò)大會(huì)不利于信號(hào)的采集，所以不應(yīng)該過(guò)度追求響應(yīng)速度的快慢而減小厚度。

3.3不同呼吸狀態(tài)下的仿真分析

將對(duì)流換熱系數(shù)作為仿真邊界條件輸入，同時(shí)進(jìn)行參數(shù)化掃描，研究發(fā)生低通氣情況下的溫度變化情況。呼吸暫停時(shí)曲線無(wú)明顯變化，這里不做討論。仿真研究結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，低通氣與正常呼吸的溫度變化曲線有著顯著的不同。

進(jìn)一步分析可知，后幾個(gè)呼吸周期與第一次周期之間存在明顯的區(qū)別，分析原因是由于溫度變化的范圍存在一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間，需要時(shí)間來(lái)達(dá)成這一穩(wěn)定化的過(guò)程。其中，藍(lán)色和綠色曲線分別是氣流減小70%和50%的情況，熱電偶冷熱端最高溫差分別下降了15.6%和9.31%。

4結(jié)束語(yǔ)

本論文對(duì)基于熱電偶的呼吸監(jiān)測(cè)傳感器的工作原理進(jìn)行分析并加以仿真。基于賽貝克效應(yīng)可知，熱電偶冷熱端的溫差能夠產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，可以計(jì)算出溫差的大小。同時(shí)通過(guò)對(duì)流換熱的理論分析，即可知曉在不同呼吸情況下，對(duì)流換熱系數(shù)存在明顯區(qū)別，該特點(diǎn)可以作為傳感器工作的理論依據(jù)。通過(guò)研究仿真發(fā)現(xiàn)，冷端若放置在薄膜上，會(huì)受到人體溫度的影響，因而選擇將冷端引出薄膜。熱電偶厚度對(duì)響應(yīng)速度的影響很大，厚度越薄、響應(yīng)速度越快，但厚度的減小會(huì)導(dǎo)致電阻值的增加不利于信號(hào)采集，因此在厚度選擇上應(yīng)該綜合考量各方面因素。此外，論文中的仿真也驗(yàn)證了正常呼吸和低通氣/呼吸暫停之間的信號(hào)差異，可以用來(lái)判斷是否患有OSAHS。

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