CN111150385A - 一种基于压电薄膜的可穿戴式血液流速传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于压电薄膜的可穿戴式血液流速传感器，其特征在于，包括至少两个压电薄膜传感器，所有压电薄膜传感器均放置在人体不同位置的皮肤上，各压电薄膜传感器对应于同一血管的不同部位，通过压电薄膜传感器检测通过肌肉和皮肤组织传导到皮肤表面的心脏的搏动，在压电效应作用下在压电薄膜传感器上下表面的电极间产生一个脉冲电压，在血管的两个不同部位获取两个不同压电薄膜传感器产生的脉冲电压，通过判断两个脉冲电压的时间间隔，推出血液在两个不同压电薄膜传感器间的平均流动速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种可穿戴式血液流速传感器，尤其涉及一种可穿戴的以压电薄膜为核心传感器的可穿戴式血液流速传感器。
背景技术
现有的血液流速测量方案大多采用超声波多普勒测量法及激光多普勒测量法等。超声波多普勒测量法利用多普勒效应，工作原理为：超声波震源固定不动，血管中流动的血液与超声波震源存在相对运动，从而使经过血细胞反射回的超声波产生多普勒效应，当血液向着超声源运动时，反射波频率变高，而血液离开超声源运动时，反射波频率变低。将回波的频率与发射波的频率相比较，通过多普勒效应公式可以推导出血液流速的速度大小。激光多普勒测量法将波源从超声波变为激光，工作原理与超声波多普勒测量法基本相同。
现有的超声波多普勒、激光多普勒等血液流速测量方案虽具有较高精度的优点，但都依赖大型设备的使用，并且收费昂贵，患者需要专门前往医院测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有血液流速测量手段体积大、设备昂贵，难以长时间测量的缺点。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于压电薄膜的可穿戴式血液流速传感器，其特征在于，包括至少两个压电薄膜传感器，所有压电薄膜传感器均放置在人体不同位置的皮肤上，各压电薄膜传感器对应于同一血管的不同部位，通过压电薄膜传感器检测通过肌肉和皮肤组织传导到皮肤表面的心脏的搏动，在压电效应作用下在压电薄膜传感器上下表面的电极间产生一个脉冲电压，在血管的两个不同部位获取两个不同压电薄膜传感器产生的脉冲电压，通过判断两个脉冲电压的时间间隔，推出血液在两个不同压电薄膜传感器间的平均流动速度。
优选地，所述压电薄膜传感器沿动脉设置。
优选地，由采集模块采集压电薄膜传感器输出的脉冲电压，采集到的脉冲电压再经过低噪声放大器模块放大后转换为数字信号，数字信号通过无线通信协议传输到智能终端或者数字信号存储到存储器上，由智能终端对数字信号进行处理或者由片上处理器读取存储器内的数字信号后进行处理，处理时采用相关检测的方法，或采用机器学习的方法计算出血液的流速。
优选地，由片上处理器将经过低噪声放大器模块放大后的脉冲电压转换为数字信号。
优选地，所述智能终端与所述片上处理器之间进行双向通信，所述智能终端一方面接收并处理所述片上处理器发送的数字信号；另外一方面，所述智能终端控制所述片上处理器的采样率、精度及开始/停止测试。
优选地，所述智能终端为手机或电脑。
优选地，智能终端对计算出的血液流速进行实时显示。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供了一种可穿戴的血液流速测量方案，通过与电脑或智能手机连接，可以为各种健康、医疗APP提供血液流速数据。(2)可穿戴式血液流速传感器可设置在腕部、颈部、腿部等多个部位，并可监测身体不同部位的血液流速速度。(3)无需高价值的大型设备，同时可以提供全天候的血液流速检测，达到提示、预警多种心血管疾病的发生和早期症状的能力。
附图说明
图1为传感器应用实例；
图2为本穿戴式血液流速传感器的功能原理框图，主要包括由PVDF压电材料制成的压力传感器1、低噪声放大器2、单片机3、电源模块4、和蓝牙天线5。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的提出基于以下现有技术：
血液流速：血液流速指血液在血管中流动的速度，测量血液流速可以估计心脏泵血能力和血液的流动性，为心血管疾病和血液疾病提供诊断依据。
测试原理：心脏在通过左心室收缩向身体其他部位输血时，动脉壁会在压力的作用下短时间内产生微弱的扩张，并且会随着血液向前流动而前进，这称之为脉搏。显然，脉搏波的前进速度与血液流速一致，脉搏到达血管不同位置的时间不同，因此血管不同位置的脉搏存在延时关系。同时，这个扩张会通过肌肉和皮肤组织传导到体表，通过检测皮肤表面局部压力可以检测出来。
穿戴式传感器：穿戴式设备现已广泛应用于消费电子行业中，通常集成在日常用品和配饰中，如集成在手表、眼镜、腰带以及衣裤和鞋子中。穿戴式的体征测量方案相较于经典医学测量手段而言，虽然精度无法比拟，但可省去复杂的检测过程，更重要的是可以全天候全时段地测量被测者的体征，尤其是当被测者处于运动中或进入不便于部署测试仪器的环境时，穿戴式传感器可以提供实时测量方案。此外，集成在手表等民用设备上的传感器，可以对被测者的体征提供长期监控，对慢性疾病的治疗和各种疾病的早期预警都起到重要作用。
压电薄膜：当压电薄膜的上下表面在机械压力的作用下会产生电荷，电荷积累在上下表面的电极间形成电压。通过检测电极间的电压大小即可推算出薄膜所受压力大小。压电薄膜可采用聚偏二氟乙烯(PVDF)或锆钛酸铅(PZT)或其他压电材料做成的薄膜，其中聚偏二氟乙烯(PVDF)是一种具有压电性、热释电性和铁电性的单链合成聚合物，具有卓越的化学稳定性、机械柔韧性以及生物兼容性。适合用于制作穿戴式的测量设备。
相关性检测：若两个信号间存在延时关系，则可以通过计算互相关系数的办法找出它们的时间差。具体方法为将一路信号(信号a)固定不动，对另一路信号(信号b)加上一个可变延时，将加上不同延时的信号b与信号a相乘后积分，得到两路信号的延时－互相关函数，在延时－互相关函数的峰值处可以取得两组信号最可能的延时大小。
基于上述现有技术，本发明公开的一种基于压电薄膜的可穿戴式血液流速传感器具体包括以下内容：
心脏在通过搏动向身体其他部位输血时，动脉壁会在压力的作用下短时间内产生微弱的膨胀，并且会随着血液向前流动而前进，这个波的前进速度与血液流速一致且血管不同位置的脉搏存在时延关系。同时，这个搏动通过肌肉和皮肤组织传导到皮肤表面，可以通过检测皮肤表面局部压力检测出来。这个膨胀传递到压电薄膜传感器，例如PVDF传感器上，由于压电效应会在上下表面的电极间产生一个脉冲电压。在血管的不同部位检测，通过判断两个脉冲的时间间隔，即可推出血液在这两点间的平均流动速度。
首先将压电薄膜，例如PVDF压电薄膜模块A和B分别放在人体的动脉上方，例如放在手肘的挠动脉上面，(根据实际测试需求，也可以设置在其他位置，如颈部或小腿等部位，但应该沿动脉设置)两个模块分别采集手肘部挠动脉上方两个不同位置的脉冲信号，分别经过低噪声放大器模块放大后，使用片上处理器，例如单片机(MCU)内置模数转换器ADC转换成两组数字信号。两路数字信号可通过无线通信协议，例如蓝牙，紫蜂(Zigbee)，WIFI等传输到手机或电脑上面，或存储到模块上的存储器中。之后在片上处理器中，或者在手机或电脑的处理器中将测得的信号进行处理，例如采用相关检测的方法，或采用机器学习的方法，计算出血液的流速。同时可以在移动设备程序中，例如手机程序中，或电脑的程序中显示血液流速。作为一个例子，MCU与电脑或手机通过蓝牙协议进行双向通信。一方面，电脑或手机通过蓝牙配置MCU的程序，控制ADC的采样率、精度及开始/停止测试等。另一方面，MCU将数字化的两组声信号传输到电脑或手机中，在电脑或手机上，通过求两信号的互相关函数，寻找该互相关函数的最大值点即是所求延时的大小，由于两探头间距离已知(可通过直接测量得到)，所以可以直接推算出动脉血液的流速，或者采用机器学习的方法计算出动脉血液流速，然后显示在手机和电脑中。
现结合图1及图2以一台腕带式血液流速传感器为例说明实现发明的优选方式：
本发明可穿戴式血液流速传感器包括压电薄膜探头，例如PVDF压电探头1、低噪声放大器2、单片机3、电源4、和蓝牙天线5和外壳穿戴用的附件等。
测量时，使用腕带将传感器固定在手臂前端靠近腕关节的外侧，挠动脉上方的位置。
单片机通过蓝牙天线从智能手机或pc接收配置信息和测试开始信号，两个压电薄膜探头，例如PVDF压电探头沿着挠动脉设置，连续测量皮肤表面两个部位表面的压力变化，PVDF薄膜两端的电压信号经过低噪声放大器的放大之后，被单片机内部的ADC转换为数字信号，各自存入两个不同数组：将近心一侧的探头数据存入数组a，远心一侧的探头数据存入数组b，每经过1秒对这两组数据进行一次相关性检测(取数组b加上不同延时，对每个延时数值，将它与数组a相乘后对时间积分，得到不同延时下的信号a、b的相关性系数，将求得的所有延时点对应的相关性系数进行排序，找到的最大的点即是最可能的延时点)，将测试结果通过蓝牙天线发送给智能手机或pc。
电源模块通过电池和稳压电路为放大器和单片机提供稳定电压，同时通过充电管理电路为电池提供充电管理。
Claims (7)
1.一种基于压电薄膜的可穿戴式血液流速传感器，其特征在于，包括至少两个压电薄膜传感器，所有压电薄膜传感器均放置在人体不同位置的皮肤上，各压电薄膜传感器对应于同一血管的不同部位，通过压电薄膜传感器检测通过肌肉和皮肤组织传导到皮肤表面的心脏的搏动，在压电效应作用下在压电薄膜传感器上下表面的电极间产生一个脉冲电压，在血管的两个不同部位获取两个不同压电薄膜传感器产生的脉冲电压，通过判断两个脉冲电压的时间间隔，推出血液在两个不同压电薄膜传感器间的平均流动速度。
2.如权利要求1所述的一种基于压电薄膜的可穿戴式血液流速传感器，其特征在于，所述压电薄膜传感器沿动脉设置。
3.如权利要求1所述的一种基于压电薄膜的可穿戴式血液流速传感器，其特征在于，由采集模块采集压电薄膜传感器输出的脉冲电压，采集到的脉冲电压再经过低噪声放大器模块放大后转换为数字信号，数字信号通过无线通信协议传输到智能终端或者数字信号存储到存储器上，由智能终端对数字信号进行处理或者由片上处理器读取存储器内的数字信号后进行处理，处理时采用相关检测的方法，或采用机器学习的方法计算出血液的流速。
4.如权利要求3所述的一种基于压电薄膜的可穿戴式血液流速传感器，其特征在于，由片上处理器将经过低噪声放大器模块放大后的脉冲电压转换为数字信号。
5.如权利要求4所述的一种基于压电薄膜的可穿戴式血液流速传感器，其特征在于，所述智能终端与所述片上处理器之间进行双向通信，所述智能终端一方面接收所述片上处理器发送的数字信号；另外一方面，所述智能终端控制所述片上处理器的采样率、精度及开始/停止测试。
6.如权利要求3所述的一种基于压电薄膜的可穿戴式血液流速传感器，其特征在于，所述智能终端为手机或电脑。
7.如权利要求3所述的一种基于压电薄膜的可穿戴式血液流速传感器，其特征在于，智能终端对计算出的血液流速进行实时显示。
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