基于靜電紡絲工藝制備的PVDF纖維無線脈搏傳感器

林雄威， 周 磊， 廖付陽， 趙小波， 魯圣國

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院∥廣東省智能材料和能量轉(zhuǎn)化器件工程技術(shù)研究中心∥廣東省功能軟凝聚態(tài)物質(zhì)重點實驗室, 廣州 510006)

隨著我國人口的老齡化進(jìn)程，心腦血管疾病正逐漸成為中國居民發(fā)病率和致死率最高的一種疾病[1]. 由于此類疾病早期的病征并不明顯，導(dǎo)致許多患者往往在就醫(yī)前就錯過了最佳的治療時期. 因此，通過對人體生理信息的實時動態(tài)監(jiān)測來判斷慢性心腦血管疾病的研究工作已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注. 脈搏信號與疾病(尤其是心血管疾病)密切相關(guān)，正常人在平靜狀態(tài)下的脈率(Pulse Rate,bite per min, PRbpm)通常穩(wěn)定在60～100 min-1，而當(dāng)脈率不在這個范圍內(nèi)時，應(yīng)注意心血管系統(tǒng)是否發(fā)生了病變[2]. 到目前為止，較為成熟的預(yù)防心血管疾病的測量方案有平面脈搏壓力波形測量分析法[3-4]、超聲多普勒法[5]、脈搏波傳導(dǎo)測定法[6]等. 常規(guī)的脈搏信號監(jiān)護(hù)設(shè)備價格昂貴，難以隨身攜帶，而且大部分缺乏無線實時監(jiān)護(hù)功能. 基于平面脈搏壓力波形測量分析法的檢測裝置更為簡便，具有可穿戴性，方便患者長時間佩戴. 由于信號主要來源于人體的脈搏振動信號，因此對于傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確性要求極高.

聚偏氟乙烯(PVDF)由于具有良好的生物相容性、高的壓電電壓輸出常數(shù)以及柔韌性等特點已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種醫(yī)用傳感器[7]. 本文通過靜電紡絲工藝制備了PVDF纖維膜，并封裝傳感器. 將PVDF纖維傳感器固定在橈動脈處，待數(shù)據(jù)采集電路完成脈搏信號采集后，通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示，最終實現(xiàn)脈搏的實時和長時監(jiān)測.

1 研究方法

1.1 PVDF纖維傳感原理

PVDF是一種具有 5 種不同結(jié)晶相的典型壓電聚合物，因為氟原子和氫原子的電負(fù)性而產(chǎn)生強(qiáng)電偶極矩((5～8)×10-30C·m)使得PVDF具有壓電性和鐵電性，因而在傳感器的應(yīng)用上尤為重要[8]. PVDF的每個分子鏈都具有垂直于聚合物鏈的偶極矩，最終堆積形成不同極性(β、α、γ、δ和ε相)的總體偶極聚合物形態(tài)，其中室溫下β相在單晶胞中的偶極矩最高(8×10-30C·m)[9]. 在偶極矩的作用下，當(dāng)傳感器受到動態(tài)外力作用時，在極板表面將發(fā)生感應(yīng)產(chǎn)生電荷信號[10].

(1)

其中，Uout為傳感器的開路電壓(V)，ΔF為外界施加的力(N)，d33為壓電電荷系數(shù)(pC/N),C為PVDF纖維層的電容(F).

由于靜電紡絲工藝在制備PVDF纖維的同時可以進(jìn)行極化和拉伸，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)PVDF中β相的極性，獲得更多的輸出電荷，提高傳感器的靈敏度. 傳感器靈敏度S定義如下：

(2)

其中，U為電壓信號(V)，F(xiàn)為法向壓力(N).

1.2 PVDF纖維的制備

本實驗采用靜電紡絲工藝制備PVDF纖維，首先按體積比6∶4配制N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮混合溶液作為溶劑，然后按質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%加入PVDF粉末，PVDF的熔體黏度為2 800～3 400 Pa·s、吸水率0.4%～0.6%. 在50 ℃的水浴溫度下，磁力攪拌3 h，直至獲得穩(wěn)定、均勻的PVDF前驅(qū)體溶液. 在靜電紡絲技術(shù)中，紡絲的條件參數(shù)和溶液參數(shù)是影響纖維形貌的2個重要參數(shù). 紡絲條件：紡絲電壓設(shè)置為20 kV，收集距離為10～15 cm，溶液流速為20 μL/min,將環(huán)境溫度保持在25 ℃(±4%)、相對濕度控制在30%(±5%)范圍內(nèi)，即可制備直徑相對均一的PVDF纖維.

1.3 脈搏監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

完整的脈搏監(jiān)測系統(tǒng)由PVDF纖維傳感器、信號采集電路、無線傳輸模塊與上位機(jī)組成. 如圖1所示，脈搏振動信號通過PVDF纖維傳感器轉(zhuǎn)換成電荷輸出；再經(jīng)過信號采集電路進(jìn)行電荷放大，當(dāng)帶通濾波和電壓抬升后將信號發(fā)送至STM8L152的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換端口并處理；最后通過HC-05藍(lán)牙模塊將信號傳遞至上位機(jī)，經(jīng)過上位機(jī)Eric6編程后就可以在UI界面顯示脈搏信號.

圖1 脈搏監(jiān)測系統(tǒng)

1.3.1 信號采集模塊 因為PVDF壓電材料本身具有很大的阻抗，輸出的信號為電荷，而且電荷數(shù)量極少，所以需要匹配合適的信號采集電路，將傳感器的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換成低輸出阻抗. 電荷放大器是將輸出電壓按輸入電荷正比放大的電路，并且由于電荷放大器的特性使得導(dǎo)線電容對電路的影響幾乎可以忽略不計[11-12]. 因此，選用輸入阻抗高達(dá)1.5 TΩ 的CA3140芯片作為PVDF壓電材料的電荷放大器. 中間的濾波電路根據(jù)人體脈搏信號的理論范圍[13]選擇濾波頻段，針對干擾較大的頻段進(jìn)行加強(qiáng)濾波，這里采用OP07芯片作為濾波芯片. 最后，對負(fù)壓部分進(jìn)行電壓抬升，使單片機(jī)STM8L152能夠通過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換讀取信號.

1.3.2 無線傳輸模塊 由于藍(lán)牙技術(shù)具有較高的集成度，且單個體積較小，易于實現(xiàn)設(shè)備的可穿戴化設(shè)計，本系統(tǒng)采用了BC417143芯片與8MFLASH芯片組合的、主從一體的藍(lán)牙串口模塊. 當(dāng)單片機(jī)獲得采樣信息后，通過藍(lán)牙模塊HC-05將信號傳送至上位機(jī). 上位機(jī)通過PyQt5在電腦終端顯示脈搏的波形信號.

1.4 靈敏度測試

對PVDF纖維傳感器采用數(shù)顯拉力計(HP50)測試，通過法向加壓，使其能夠提供穩(wěn)定的壓力，并將傳感器與示波器連接，得到傳感器的測試信號. 在1 Hz頻率下對傳感器反復(fù)施加法向力，隨著數(shù)顯拉力機(jī)在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動下以1 Hz的頻率對樣品進(jìn)行1.5～5.0 N的法向加壓，通過示波器記錄傳感器輸出信號的正負(fù)幅值作為輸出電壓.

1.5 脈搏信號測試

通過與指夾式脈搏血氧儀進(jìn)行平靜狀態(tài)下的脈率測試對比，來驗證PVDF纖維無線脈搏傳感器的脈搏測試準(zhǔn)確性. 實驗通過1名健康的測試志愿者者，在使用指夾式脈搏血氧儀測試的同時在橈動脈處貼上PVDF纖維傳感器進(jìn)行脈率測試.

由于常規(guī)方式計算脈率的方式，需要計算1 min內(nèi)的脈搏跳動次數(shù)，采樣效率過低，這里采用效率相對較高的動態(tài)閾值算法，即測量相鄰2個脈搏跳動的波峰間隔時間除以測試時間就可以算出此刻對應(yīng)的脈率.

(3)

其中，fp為脈搏在1 min內(nèi)跳動的頻次，Tpeak為脈搏信號相鄰峰值的間隔時間.

由于采樣率為100 s-1，先從上位機(jī)接收的串口數(shù)據(jù)中獲取300個數(shù)據(jù)，緩存在數(shù)組中，并將數(shù)據(jù)分成3組. 取前100個數(shù)據(jù)作為第一組，取平均值作為動態(tài)閾值V1，然后對第100～200個數(shù)據(jù)取平均值作為動態(tài)閾值V2，再將第200～300個數(shù)據(jù)取平均值V3，最后求的3個平均值Vhold. 通過Vhold再返回數(shù)組中尋找大于該數(shù)值的脈搏信號，若大于則加1(表示脈搏跳動1次)，若超過100個數(shù)據(jù)無結(jié)果則進(jìn)入下一組數(shù)據(jù)比對記錄.

2 結(jié)果與討論

2.1 PVDF的形貌與成分分析

PVDF纖維、PVDF粉末的SEM圖如圖2A、B所示. 采用Image-J軟件對PVDF纖維的直徑進(jìn)行統(tǒng)計得到纖維直徑的分布(圖2C)，可知纖維直徑在1 μm 以下，平均直徑在0.53 μm. 通過能譜分析儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)對PVDF纖維(圖2A紅色框線區(qū)域)和PVDF粉末(圖2B紅色框線區(qū)域)進(jìn)行了元素成分分析(表1)，未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)元素.

圖2 PVDF樣品的SEM圖及PVDF纖維的直徑分布

表1 靜電紡絲制備前后的樣品EDS分析

2.2 PVDF的物相分析

圖3對應(yīng)PVDF粉末、PVDF纖維和無結(jié)構(gòu)PVDF厚膜的XRD(X-Ray Diffractometry )圖譜，其中α相對應(yīng)于2θ=217.5°、18.1°、26.5°處的衍射峰；β相對應(yīng)于2θ=20.6°、21.2°處的衍射峰[14-17]. 經(jīng)過紡絲并極化后的PVDF樣品中β相衍射峰相對明顯，說明傳感器中具有電活性的β相含量較高. 另外，該樣品XRD譜中未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)峰，純度較高.

圖3 不同樣品的XRD圖譜

2.3 傳感器的靈敏度

圖4A為傳感器靈敏度測試對比圖，曲線a代表PVDF纖維傳感器；曲線b代表與PVDF纖維傳感器厚度相同的無結(jié)構(gòu)PVDF厚膜傳感器，虛線表示對實測值的線性擬合. 當(dāng)PVDF纖維傳感器在5 N的法向力作用下，得到輸出電壓的傳感特性響應(yīng)曲線(圖4B)， 可以看出纖維結(jié)構(gòu)的PVDF傳感器的電壓輸出幅值變大，并保持較好的線性度(3%). 在5 N時，兩者的輸出電壓響應(yīng)平穩(wěn)，外界干擾較小，此時無結(jié)構(gòu)PVDF厚膜傳感器的靈敏度S為0.26 V/N， PVDF纖維傳感器的靈敏度S為0.49 V/N，纖維結(jié)構(gòu)比無結(jié)構(gòu)傳感器更靈敏，更適用于脈搏信號的采集. 與塊體和薄膜相比，懸空的PVDF纖維具有更大的長徑比，可以將由壓電效應(yīng)引起的位移放大[18]，并且由于纖維結(jié)構(gòu)具有更大的接觸面積與變形空間，在施加力的時候可以承受三維結(jié)構(gòu)的更大應(yīng)變[19-20]，因此可提高傳感器性能，獲得更大的靈敏度.

圖4 傳感器的靈敏度與輸出特性

2.4 傳感器的脈搏信號

圖5A為脈搏信號在上位機(jī)動態(tài)監(jiān)測時提取的脈搏波形，纖維傳感器的實測波形更靈敏. 經(jīng)過比較，PVDF纖維無線傳感器在50次的重復(fù)測試中，最大脈率誤差為77 min-1，平均脈率誤差低于3%. 實驗結(jié)果如圖5B所示.

圖5 脈搏實測波形及脈率測試數(shù)據(jù)的對比

3 結(jié)論

通過靜電紡絲工藝制備了PVDF纖維，封裝了無線傳感器，經(jīng)過實驗驗證，可以有效監(jiān)測人體的脈搏信號. 與商用脈搏傳感器相比，平均脈率誤差低于3%，相對于無結(jié)構(gòu)的PVDF薄膜傳感器，纖維結(jié)構(gòu)具有較高的靈敏度. 通過系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了該傳感器的無線化應(yīng)用，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測患者的脈搏信息. PVDF纖維結(jié)構(gòu)傳感器作為一種極具應(yīng)用前景的柔性傳感器，有望在人體心率、血壓等生理信息檢測方面得到應(yīng)用. 柔性傳感器可提高患者的穿戴舒適度，推動醫(yī)療診斷領(lǐng)域的進(jìn)步.