一种压电式脉搏传感器

1.本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种压电式脉搏传感器。


背景技术：

2.脉搏（pulse）为人体表可触摸到的动脉搏动。触摸动脉搏动，有着非常重要的临床意义。由于脉为血之府，贯通全身，所以体脏腑发生病变，往往反映于脉，有时在症状还未充分显露之前，脉象已经发生了改变。当脏腑、气血发生病变后，必然从脉搏上表现出来，呈现病理脉象，成为诊断疾病的重要依据。
3.脉搏波的形状，因循环系统的情况改变而不同。如主动脉瓣是否健全，心搏节律是否正常，动脉管的弹性如何等，都可根据脉搏波形的变化进行诊断。
4.脉搏传感器即是用来检测动脉搏动时产生的压力变化，将之转换成可以被更直观观察和检测的电信号。
5.现有压电式脉搏传感器的传感器探头通常是圆柱状，通过腕带固定在手腕上，采集数据时人体抖动等容易对检测造成干扰，导致测得的信号信噪比低，周期性差。
6.因此现有的压电式脉搏传感器的准确性还有待提高。


技术实现要素：

7.本发明提供一种压电式脉搏传感器，旨在提高脉搏检测的准确性。
8.一实施例提供一种压电式脉搏传感器，包括传感器探头和调理电路，所述传感器探头包括凸起部、承载部和压电薄膜；所述凸起部设置在所述承载部的顶部，用于与被测对象接触；所述压电薄膜贴在所述承载部的底部；所述调理电路与所述压电薄膜电连接。
9.一实施例提供的压电式脉搏传感器中，所述承载部的底部为外凸的拱形，或者，所述承载部的底部为平面。
10.一实施例提供的压电式脉搏传感器中，所述压电薄膜为聚偏氟乙烯压电薄膜。
11.一实施例提供的压电式脉搏传感器中，还包括pcb板，所述调理电路设置在所述pcb板上，所述调理电路包括差分子电路、滤波子电路和放大子电路中的至少一个；所述差分子电路、滤波子电路和放大子电路中的至少一个的元器件在所述pcb板上对称分布。
12.一实施例提供的压电式脉搏传感器中，所述传感器探头和调理电路均设置有多个；一个传感器探头对应电连接一个调理电路，形成一个测量组，一个测量组用于测量一个部位的脉搏。
13.一实施例提供的压电式脉搏传感器中，所述传感器探头设置有三个，分别为：第一传感器探头，第二传感器探头和第三传感器探头；所述调理电路设置有三个，分别为：第一调理电路，第二调理电路和第三调理电路；所述第一传感器探头与第一调理电路电连接，用于测量寸部的脉搏；所述第二传感器探头与第二调理电路电连接，用于测量关部的脉搏；所述第三传感器探头与第三调理电路电连接，用于测量尺部的脉搏。
14.一实施例提供的压电式脉搏传感器中，所述调理电路与所述压电薄膜通过双芯屏
蔽线电连接，所述压电薄膜与双芯屏蔽线的连接处覆盖绝缘材料，所述调理电路与双芯屏蔽线的连接处覆盖绝缘材料。
15.一实施例提供的压电式脉搏传感器中，所述承载部的投影面积大于所述凸起部的投影面积，所述凸起部设置在所述承载部顶部的中央。
16.一实施例提供的压电式脉搏传感器中，还包括腕带或气囊，所述传感器探头固定在所述腕带或气囊上。
17.一实施例提供的压电式脉搏传感器中，所述传感器探头的宽度不超过10mm；所述凸起部与被测对象接触的面为平面或弧面。
18.依据上述实施例的压电式脉搏传感器，包括传感器探头和调理电路。其中，传感器探头包括凸起部、承载部和压电薄膜。凸起部设置在承载部的顶部，用于与被测对象接触；压电薄膜贴在承载部的底部；调理电路与压电薄膜电连接。在测量过程中，凸起部可以增大与皮肤接触处的压强，更容易实现测试时准确定位、施压。压电薄膜贴在承载部的底部，减少了肌电干扰，提高了脉搏测量的准确性。
附图说明
19.图1为本发明提供的压电式脉搏传感器一实施例的结构框图；图2为本发明提供的压电式脉搏传感器中，传感器探头的正视图；图3为本发明提供的压电式脉搏传感器中，传感器探头的俯视图；图4为本发明提供的压电式脉搏传感器中，差分子电路的电路图；图5为本发明提供的压电式脉搏传感器中，pcb板上差分子电路的各个元器件的分布示意图；图6为本发明提供的压电式脉搏传感器中，腕带与传感器探头的示意图；图7为本发明提供的压电式脉搏传感器中，腕带将传感器探头固定在手腕上的示意图；图8为本发明提供的压电式脉搏传感器另一实施例的结构框图。
具体实施方式
20.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
21.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调节。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
22.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，
不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
23.为了减小肌电干扰和测试过程中移位导致的测量误差，本发明采用凸点设计实现脉搏测量时的精准定位，额外的凸起可以更准确、有效的进行脉搏测量。下面通过一些实施例进行详细说明。
24.如图1所示，本发明提供的压电式脉搏传感器包括传感器探头121和调理电路122。请一并参阅图2和图3，传感器探头121包括凸起部1211、承载部1212和压电薄膜1213。凸起部1211用于与被测对象接触，如与病人手腕接触。凸起部1211设置在承载部1212的顶部。凸起部1211和承载部1212可以安装固定，也可以一体成型，能传导压力即可。压电薄膜1213贴在承载部1212的底部。调理电路122与压电薄膜1213电连接。在测量过程中，凸起部1211可以增大与皮肤接触处的压强，更容易实现测试时准确定位、施压。压电薄膜贴在承载部的底部，减少了肌电干扰，提高了脉搏测量的准确性。
25.承载部1212的底部可以是外凸的拱形（外凸的弧面），其底部也可以是平面。本实施例以承载部1212的底部为外凸的拱形为例进行说明，如外凸的弧面、球面等，本实施例中承载部1212也可以称之为拱形部。承载部利用拱形设计迎合人体手腕曲线与加压时的压电薄膜的形变方向，更有利于压电薄膜的延展，更大限度的发挥压电效应。从而提高了脉搏测量的准确性。外凸的拱形的曲率半径r可以在34.1-34.2mm之间，本实施例中为34.17mm，与手腕的曲率大体一致。
26.传统的压电式脉搏传感器，其压电薄膜直接与人体皮肤接触，不仅引入大量的无关噪声（如肌电干扰），而且因人体抖动可能造成多点受力导致压电薄膜无法产生良好的电信号，造成较大的测量误差，准确性不高。而本发明的传感器探头121，增加凸起部1211可起到隔离、聚焦的作用，而且可以增大凸起部1211所接触的皮肤的压强，所以说凸点设计更容易实现测试时的准确定位、施压。具体的，脉搏搏动产生的力经过凸起部1211传递到承载部1212，再由承载部1212传递给压电薄膜1213，力传导的方向如图2的箭头所示，而压电薄膜1213贴附的部位为外凸的拱形，将垂直方向的脉搏搏动压力变化转化为水平方向，从而产生压电效应，生成相应的电信号给调理电路122。凸起部1211（凸点）实现了脉搏测量时的精准定位，即额外的凸起可以更准确、有效的进行脉搏测量，大大减小肌电干扰和测试过程中移位导致的测量误差。该传感器探头121测量时垂直于桡动脉放置，固定后有利于压电薄膜的延展，使之能更大限度的发挥压电效应，产生更大的形变，进而产生更大幅度的电信号，有效提高信号的信噪比。
27.1969年kawai发现经过高倍率拉伸和高电场下极化真空蒸发金属电极后的pvdf薄膜具有明显的压电特性，压电常数大，变力响应灵敏度高。经过几十年应用和基础研究，目前pvdf的性能已明显提高，其压电常数比pzt压电陶瓷高10-20倍，而密度只有它的1/4。压电电压输出常数是所有压电体中最高的。膜薄（几微米-几百微米）轻且柔韧，并且有很好的时间和温度稳定性。易于制备，与人体组织的阻抗耦合性好，能紧贴皮肤，使得脉搏信号通过薄膜而不失真。另外由于薄膜类似于人类皮肤，可以制作仿生触觉传感器。
28.另外，它的机械品质因素低，阻尼小，密度低，具有宽带特性，能满足脉搏信号的频率特性。人体的脉搏频率非常低，约为0.5~4hz，一般情况下为1hz左右。由于pvdf膜具有很高的强度和柔性及其厚度方向伸缩振动的谐振频率很高，使得在很宽范围内有平坦的频率
响应(响应范围是0.1~10mhz)。因此，从理论上讲pvdf传感器能检测微弱低频的脉搏信号。因此，本实施例中，压电薄膜为聚偏氟乙烯压电薄膜（pvdf）。聚偏氟乙烯压电薄膜通过室温硫化硅橡胶粘合剂（rtv）粘合在承载部1212外凸的拱形底面。
29.凸起部1211与被测对象接触的面可以是平面或弧面等，凸起部1211的形状可以是柱状体，如圆柱体、长方体、正方体等。测量时即便病人手腕有位移，也还是能接触到凸起部1211，从而把脉搏引起的压力通过承载部1212传递给压电薄膜1213，抗干扰能力强。
30.承载部1212的投影面积（从上往下投影）大于凸起部1211的投影面积，凸起部1211设置在承载部1212顶部的中央。换而言之，承载部1212需要贴附压电薄膜，面积较凸起部1211大，面积大的压电薄膜能提高信号的信噪比，本实施例中，压电薄膜贴附在承载部1212的整个底面。承载部1212投影的长度l可以在25-30mm之间，这个尺寸区间根据国人手腕部骨发育标准以及抽样调查数据得到，比较适合国人的手腕。本实施例中，承载部1212的长度l为28mm。承载部1212的宽度w可以在5-15mm之间。当然，不同的应用场景可以使用不同大小的传感器探头，可等比例缩放，例如承载部长度l：承载部宽度w：曲率半径r可以在（25至30）：（5至15）：（34.1至34.2）中选取。
31.压电式脉搏传感器还包括pcb板（图中未示出），调理电路122设置在pcb板上。调理电路122包括差分子电路1221，压电薄膜产生的电信号传输给差分子电路1221，差分子电路1221利用共模抑制、差模放大的特性来降低干扰。差分子电路1221的元器件在pcb板上对称分布。50hz工频干扰由市电中引入，无法完全去除，且其频率与脉搏信号较为接近，若直接采取硬件滤波，将截止频率设置为20hz、30hz则可能去除信号中的有效成分。本发明利用传感器的特性，将压电薄膜的的信号输出给差分电路处理，借由完全对称的电路结构和差分电路的特性大大降低工频干扰，且有效屏蔽空中的电磁干扰。压电薄膜可以通过双芯屏蔽线连接差分子电路1221，进一步提高抗干扰效果。
32.如图4所示，一实施例提供的差分子电路1221包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4和放大器芯片u1。压电薄膜1213的正极输出端in 连接放大器芯片u1的 in端和第一电阻r1的一端；第一电阻r1的另一端连接外部第一供电端、还通过第一电容c1接地；压电薄膜1213的负极输出端in-连接放大器芯片u1的-in端和第二电阻r2的一端；第二电阻r2的另一端连接外部第一供电端（1/2vcc）、还通过第二电容c2接地；放大器芯片u1的-vs端接地，放大器芯片u1的-rg端通过第三电阻r3连接 rg端，放大器芯片u1的 vs端连接外部第二供电端（如3.3v电压提供端）、还通过第三电容c3接地；放大器芯片u1的ref端连接外部第一供电端（1/2vcc）、还通过第四电容c4接地；放大器芯片u1的out端为差分子电路的输出端，连接滤波子电路1222。
33.图5为差分子电路在pcb板上的布局，其元器件基本对称分布，如pcb板上，第二电阻r2与第一电阻r1、第二电容c2与第一电容c1、第三电容c3与第四电容c4基本关于横向的中心线（图中虚线所示）对称分布。
34.调理电路122还可以包括滤波子电路1222和/或放大子电路1223。压电薄膜通过差分子电路1221连接滤波子电路1222的输入端，滤波子电路1222的输出端连接放大子电路1223。滤波子电路1222用于对差分子电路1221输出的信号进行滤波，放大子电路1223用于对滤波后的信号进行增益放大。滤波子电路1222和/或放大子电路1223的元器件同样可以在pcb板上对称分布。放大子电路1223可以是可调增益放大器（vga），也可以由数字电位计
和运放组成，从而实现增益可调。
35.如图6所示，压电式脉搏传感器还包括腕带123。传感器探头121固定在腕带123上，进而腕带123将传感器探头包裹固定在手腕上。有的实施例中，也可以用气囊来固定传感器探头，即压电式脉搏传感器还包括气囊，传感器探头固定在气囊上，进而气囊将传感器探头包裹固定在手腕上。气囊用于对传感器探头进行加压，其膨胀产生的压力可以直接作用在传感器探头上，也可以对手腕背部或者腕带施加压力进而传导到传感器探头上。当然，气囊也可以固定在腕带上，膨胀后同样可以加压。
36.压电薄膜具有正极输出端子和负极输出端子，调理电路122通过双芯屏蔽线与压电薄膜1213的正极输出端子和负极输出端子电连接。正极输出端子和负极输出端子与双芯屏蔽线的连接处可覆盖绝缘材料，如覆盖环氧树脂、缠绕绝缘胶带等。调理电路122与双芯屏蔽线的连接处同样可覆盖绝缘材料，如包裹热缩管等。本发明采用双芯屏蔽线有效隔绝空气中的电磁干扰，减少传输过程中引入的噪声。对端子、线材连接处绝缘处理，增强了传感器的鲁棒性，减少测量时因操作引入的电刺激。
37.本发明提供的脉搏传感器，在测量时，将传感器探头121固定在腕带123上（如图6所示），再将腕带123固定在被测者的手腕上（如图7所示），从而可以进行恒定压力下的脉搏测量。在测量过程中，脉搏的跳动通过凸起部1211集中传导到承载部1212上，由于压电薄膜1213的一面与承载部1212的底部紧密相贴，且另一面被腕带123固定住，所以会随脉搏跳动而产生相对运动，进而产生电信号，通过双芯屏蔽线传入差分子电路中，经差分放大后的信号再经过滤波子电路滤波处理后接入放大子电路，进而可以输出给处理装置（如上位机）来提取脉搏信号并显示。
38.现有的传感器探头，直径均在15mm以上，用于进行单点测量是满足使用要求的，但由于尺寸较大，无法进行寸、关、尺三点的同步测量，很难获得完整的三部脉搏波。在工业领域也难以找到既符合尺寸要求又符合精度要求的传感器。而本发明提供的脉搏传感器，在有的实施例中，若需进行多点测量，则如图8所示，传感器探头和调理电路均可设置有多个；一个传感器探头对应电连接一个调理电路，形成一个测量组，一个测量组用于测量一个部位的脉搏。例如，可将传感器探头121的宽度w设置成不超过10mm，然后一个脉搏传感器可设置三个测量组，即传感器探头121设置有三个，分别为：第一传感器探头，第二传感器探头和第三传感器探头。调理电路122设置有三个，分别为：第一调理电路，第二调理电路和第三调理电路。第一传感器探头与第一调理电路电连接，用于测量寸部的脉搏；第二传感器探头与第二调理电路电连接，用于测量关部的脉搏；第三传感器探头与第三调理电路电连接，用于测量尺部的脉搏。如此丰富了脉搏信号，为医生的诊疗提供更加充足的数据支持。当然，传感器探头和对应的调理电路的数量也不限于一个或三个，两个、三个以上都可，根据测量需要进行设置即可。
39.传统的脉搏传感器，考虑到压电薄膜需要较大的面积，也考虑到压电薄膜能有效的接触手腕，其传感器探头通常都较大（也有较小的，但小探头测量精度不足）。而本发明通过上述探头结构，凸起部1211不需要很大，传感器探头121的宽度w也不需要很大（如10mm），压电薄膜的面积可以从长度方向弥补，因此本发明的传感器探头具有极强的可拓展性，可根据测试需求成比例增缩，不仅可以用于单点脉搏采集，对于后续三部九候的多点采集甚至点阵采集都可以适用。
40.本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。
41.以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。