一种柔性指压传感器、脉搏信号采集设备及脉搏波图生成方法

本发明属于医疗器械，具体涉及一种柔性指压传感器、脉搏信号采集设备及脉搏波图生成方法。

背景技术：

1、随着科技的进步，为使传感器更适应现代社会的发展，柔性传感器的出现使得脉搏传感器更加贴合人体皮肤，为可穿戴脉搏传感器的发展提供了基础。目前有大量的研究者选用更具柔性的聚偏氟乙烯(pvdf)为压电材料，制作成阵列式压力脉搏传感器，但该类型的传感器存在压电系数低、稳定性差、制备工艺复杂、阵列串扰等缺点，限制了它在高压电系数以及高稳定性方面的应用。

2、锆钛酸铅(pzt)压电陶瓷作为传统压电材料，本身具有优良的压电性能，可广泛用于压力传感器、加速度计、换能器等器件的应用，随着柔性电子设备的发展，但传统的刚性pzt压力传感器因具有易脆性和非生物相容性，无法满足新时代对于柔性可穿戴设备的要求。

3、现有的应用于中医脉诊的柔性传感器主要存在以下几个问题：

4、(1)柔韧性不够，用pzt制成的传感器的柔韧性没有聚偏氟乙烯(pvdf)传感器更加贴合皮肤。

5、(2)不能同时实现高灵敏度、高柔韧性、可重复性，现有传感器无法同时实现这三项性能参数。

6、(3)多维阵列压电传感器信号采集系统大多采用行列扫描的方式，但行列扫描具有信号串扰的缺点。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种柔性指压传感器、脉搏信号采集设备及脉搏波图生成方法。所述柔性指压传感器采用pzt压电陶瓷与硅橡胶相结合的方式，更贴合皮肤，灵敏度高。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种柔性指压传感器，所述柔性指压传感器包括：压电陶瓷pzt/硅橡胶复合阵列材料、设置在所述压电陶瓷pzt/硅橡胶复合材料两侧的上电极和下电极；

4、所述柔性指压传感器为阵列传感器，在所述柔性指压传感器的制备过程中，采用切割机对压电陶瓷pzt进行切割，再采用硅橡胶灌胶获得所述压电陶瓷pzt/硅橡胶复合阵列材料；

5、采用刷银浆的方式进行所述上电极和所述下电极的制作。

6、进一步地，在所述上电极外设置屏蔽铜箔；所述屏蔽铜箔与被测对象的桡动脉处的皮肤接触。所述屏蔽铜箔用于防止电磁干扰、周围噪声干扰，同时也防止电极层脱落。

7、进一步地，采用切割机对压电陶瓷pzt以步进0.57mm进行切割；

8、选择所述压电陶瓷pzt/硅橡胶复合阵列材料两侧4×4的矩形阵列进行刷银浆；所述4×4的矩形阵列中，每个小正方形阵列边长为2mm。具体地，所述上电极和所述下电极面积相同，且设置在所述压电陶瓷pzt/硅橡胶复合材料两侧相对应的位置。

9、进一步地，所述压电陶瓷pzt/硅橡胶复合材料采用压电陶瓷pzt-5a和硅橡胶704进行复合。

10、进一步地，在所述柔性指压传感器中，所述压电陶瓷pzt/硅橡胶复合阵列材料的尺寸与所述上电极以及所述下电极的尺寸相同；

11、使用时，将所述柔性指压传感器的所述下电极的一侧固定在指套上；所述指套在使用状态时为圆筒形，所述指套展开后为长方形，长度为45-75mm，宽度为15-17mm。

12、一种脉搏信号采集设备，所述脉搏信号采集设备包括一个或多个柔性敏感探头；所述柔性敏感探头采用权利要求1-5任一项所述柔性指压传感器；

13、所述脉搏信号采集设备还包括与所述柔性敏感探头中上电极及下电极连接的fpc板、与所述fpc板连接的pcb板(采用硬pcb板)；所述pcb板和上位机通过串口进行通信；

14、在所述pcb板上设置信号调理模块和a/d转换模块；

15、所述信号调理模块包括电荷转电压子模块、电压跟随子模块以及选通子模块；

16、采用所述柔性敏感探头按压被测对象的桡动脉，产生电荷信号，所述电荷转电压子模块将产生的所述电荷信号转为电压信号；所述电压信号经过电压跟随子模块判断电压稳定性后进入所述选通子模块进行地址选择；所述选通子模块输出的电压值输入至所述a/d转换模块进行模数转换，获得数字信号；

17、所述数字信号通过串口传输至所述上位机并进行显示。

18、进一步地，所述脉搏信号采集设备包括三个柔性敏感探头；所述a/d转换模块采用stm32单片机上的ad转换模块进行模数转换；所述数字信号通过stm32单片机上的串口传输至所述上位机的串口调试助手上并进行显示。

19、所述信号调理模块还包括复位电路，复位电路就像重启装置一样，当一次脉搏信号测量结束后，将电压进行复位，使其复位在某一电压水平线，方便后续测量无干扰，相当于调零装置，在电压跟随子模块之前要先进行复位操作。其中，复位电路及各个子模块直接集成在电路板上，按照信号采集过程先后经过顺序依次排序；电压跟随子模块采用电压跟随器、选通子模块采用mux506选通芯片，其中复位电路及每个子模块对应的电路是常规电路，但是各个器件的选型需要根据信号采集情况好坏进行修改。

20、进一步地，所述选通子模块采用mux506芯片；所述mux506芯片的数量与所述柔性敏感探头的数量相同，且一一对应；所述mux506芯片提供16：1的单端通道，所述mux506芯片进行地址位选择后，输出所述柔性敏感探头某一路的电压值至所述a/d转换模块进行模数转换，获得数字信号。

21、进一步地，所述上位机采用串口调试助手呈现所述数字信号，所述数字信号在所述串口调试助手显示界面呈现为八位二进制ascii码，所述数字信号即为所述脉搏信号采集设备输出的原始脉搏信号。

22、一种脉搏波图生成方法，所述脉搏信号采集方法包括：

23、(1)采用所述脉搏信号采集设备进行采集，所述脉搏信号采集设备输出原始脉搏信号，所述原始脉搏信号采用八位二进制的ascii码表示；

24、(2)对所述原始脉搏信号进行信号截取以及时域频域分析、经傅里叶变换后生成相应的脉搏信号频域图；

25、对所述脉搏信号频域图依次进行均值滤波、经验模态分解和小波变换，得到脉搏波形清晰可见的脉搏波图。

26、本发明的有益技术效果：

27、(1)本发明提供的柔性指压传感器采用pzt压电陶瓷与硅橡胶相结合的方式，实现了高柔韧性，相对于传统pzt传感器而言，利用pzt复合材料实现了高柔韧性多维阵列传感器的制作；制成更贴合皮肤的柔性指压传感器，灵敏度更高，若将其应用于中医脉诊，可对医疗领的发展具有重大意义。

28、(2)本发明提供的柔性指压传感器能保持高柔韧性的同时，实现高灵敏度并且可重复性良好。

29、(3)本发明提供的脉搏信号采集设备，在多维阵列中，采用选通电路，进行地址选取从而实现单点的选择，有效降低了信号串扰的影响。

技术特征：

1.一种柔性指压传感器，其特征在于，所述柔性指压传感器包括：压电陶瓷pzt/硅橡胶复合阵列材料、设置在所述压电陶瓷pzt/硅橡胶复合材料两侧的上电极和下电极；

2.根据权利要求1所述一种柔性指压传感器，其特征在于，在所述上电极外设置屏蔽铜箔；所述屏蔽铜箔与被测对象的桡动脉处的皮肤接触。

3.根据权利要求1所述一种柔性指压传感器，其特征在于，采用切割机对压电陶瓷pzt以步进0.57mm进行切割；

4.根据权利要求1所述一种柔性指压传感器，其特征在于，所述压电陶瓷pzt/硅橡胶复合材料采用压电陶瓷pzt-5a和硅橡胶704进行复合。

5.根据权利要求1所述一种柔性指压传感器，其特征在于，在所述柔性指压传感器中，所述压电陶瓷pzt/硅橡胶复合阵列材料的尺寸与所述上电极以及所述下电极的尺寸相同；

6.一种脉搏信号采集设备，其特征在于，所述脉搏信号采集设备包括一个或多个柔性敏感探头；所述柔性敏感探头采用权利要求1-5任一项所述柔性指压传感器；

7.根据权利要求6所述一种脉搏信号采集设备，其特征在于，所述脉搏信号采集设备包括三个柔性敏感探头；所述a/d转换模块采用stm32单片机上的ad转换模块进行模数转换；

8.根据权利要求7所述一种脉搏信号采集设备，其特征在于，所述选通子模块采用mux506芯片；所述mux506芯片的数量与所述柔性敏感探头的数量相同，且一一对应；所述mux506芯片提供16：1的单端通道，所述mux506芯片进行地址位选择后，输出所述柔性敏感探头某一路的电压值至所述a/d转换模块进行模数转换，获得数字信号。

9.根据权利要求8所述一种脉搏信号采集设备，其特征在于，所述上位机采用串口调试助手呈现所述数字信号，所述数字信号在所述串口调试助手显示界面呈现为八位二进制ascii码，所述数字信号即为所述脉搏信号采集设备输出的原始脉搏信号。

10.一种脉搏波图生成方法，其特征在于，所述脉搏信号采集方法包括：

技术总结
本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种柔性指压传感器、脉搏信号采集设备及脉搏波图生成方法。所述柔性指压传感器包括：压电陶瓷PZT/硅橡胶复合阵列材料、设置在所述压电陶瓷PZT/硅橡胶复合材料两侧的上电极和下电极；在所述柔性指压传感器的制备过程中，采用切割机对压电陶瓷PZT进行切割，采用硅橡胶灌胶获得所述压电陶瓷PZT/硅橡胶复合阵列材料。所述脉搏信号采集设备包括一个或多个柔性敏感探头；所述脉搏信号采集设备还包括与所述柔性敏感探头中上电极及下电极连接的FPC板、与所述FPC板连接的PCB板。本发明提供的柔性指压传感器采用PZT压电陶瓷与硅橡胶相结合的方式实现了高柔韧性，制成更贴合皮肤的高灵敏度的柔性指压传感器。

技术研发人员：高国伟,任扬帆,仲超,李延生,宋钰
受保护的技术使用者：北京信息科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15