CN109222919A - 脉搏波传感器、传感器阵列及采用其的脉搏波测量装置 - Google Patents

Abstract

一种脉搏波传感器、传感器阵列及采用其的脉搏波测量装置。该脉搏波传感器包括传感器骨架和柔性压电传感器，其中：柔性压电传感器包括柔性压电薄膜，用于感测脉搏波并将其转化成电信号；传感器骨架用于固定；传感器骨架连接柔性压电传感器的一侧包含一向下凹的空间，从而柔性压电传感器的柔性压电薄膜是全部或部分悬空的。本发明的传感器将静态压力信号与动态脉搏波压力信号分开测量，利用压电薄膜测量动态压力波动，压阻式传感器测量静态压力，从而动态灵敏度不受静态压力量程影响，能够在宽范围静态压力下，对脉搏波保持高灵敏度；本发明的传感器采用柔性骨架，从而组成的阵列可以满足不同人群手腕特征，实现对手臂表面良好的贴合。

Description

脉搏波传感器、传感器阵列及采用其的脉搏波测量装置

技术领域

本发明属于人体健康状态无创检测技术领域，具体地涉及一种用于采集桡动脉脉搏波的装置，更具体地涉及一种脉搏波传感器、传感器阵列及采用其的脉搏波测量装置。

背景技术

脉搏波形可以反映人体健康程度以及多种疾病。脉搏波测量方法分为侵入和非侵入。侵入式脉搏波测量方法对病人造成极大伤害，非侵入式对病人伤害小，比如压力传感器、超声传感器、光电传感器等。这些传感器都可实现非侵入式测量脉搏波。但是目前主流的测量脉搏波的方法依旧是压力传感器测脉搏波。有些设备利用薄膜压阻式压力传感器对腕部多点进行脉搏采集，有些设备采用了应变计作为脉搏波传感器，还有一些设备采用MEMS压阻传感器检测脉搏。上述传感器动态范围由于受材料本身限制，灵敏度受到量程制约，相同供电和灵敏度下，测力量程越大，对力的分辨率越低，输出电压越低。后续的放大电路也只是单纯放大，放大倍数过高在大压力下电压输出容易饱和。另外从静态压力中提取动态脉搏波增加了后续处理电路和算法复杂度。

单纯的压电原理的压力传感器尽管具有很高的灵敏度且输出幅值不会受静态压力影响，但是压电传感器不能测量静态压力。因此这两种传感器独立的用于脉搏波测量都不能有效反映被测人的身体状况。如果想通过脉搏波反映疾病类型，必须在宽范围静态压力采集脉搏波。但是当前的压阻式传感器的灵敏度由施加力的量程决定。这就导致了小量程压力传感器量程不能满足测试要求，大量程传感器输出电压对力的分辨能力较低，在低压力下不能输出有形态意义的脉搏波。

另外，现有的传感器阵列存在两个问题，一个问题是传感器阵列不能满足不同人群手臂外形贴合问题，阵列贴合度差无法保障采集脉搏波的保真度；另一个问题是传感器形变带来的传感器间相互干扰问题，该问题可使相邻传感器采集的脉搏波相互叠加，影响脉搏波准确性。

因此有必要研究一种既能测量大静态压力，同时又保持高灵敏度、动态测量范围广泛的脉搏波传感器，并组成能够减轻传感器间干扰，与手臂贴合的传感器。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种脉搏波传感器、传感器阵列及采用其的脉搏波测量装置，以解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种脉搏波传感器，包括传感器骨架和柔性压电传感器，其特征在于：

所述柔性压电传感器包括柔性压电薄膜，用于感测脉搏波并将其转化成电信号；

所述传感器骨架用于固定所述柔性压电传感器；以及

所述传感器骨架连接所述柔性压电传感器的一侧包含一向下凹的空间，所述柔性压电传感器全部或部分固定在该向下凹的空间的四周，从而所述柔性压电传感器的柔性压电薄膜是全部或部分悬空的。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种脉搏波传感器阵列，包括弹性缓冲材料和若干如上所述的脉搏波传感器，其中若干所述脉搏波传感器以一定间隔分布在所述弹性缓冲材料上。

作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种脉搏波测量装置，其特征在于，其中采用如上所述的脉搏波传感器阵列。

基于上述技术方案可知，本发明的脉搏波传感器具有如下有益效果：该传感器给柔性薄膜较大的变形空间，从而能够产生更强的电信号，灵敏度更高；该传感器克服了现有技术中脉搏波采集装置无法精准、全面地反映出人体的脉象信息的问题，传统压阻式传感器量程与灵敏度成反比，脉搏波传感器需要在大量程范围捕捉微弱脉搏信号，而传统压阻传感器在大量程范围中灵敏度较低，而本发明的传感器将静态压力信号与动态脉搏波压力信号分开测量，利用压电薄膜测量动态压力波动，压阻式传感器测量静态压力，从而动态灵敏度不受静态压力量程影响，能够在宽范围静态压力下，对脉搏波保持高灵敏度；本发明的传感器采用长条形曲面形状的骨架及弹性缓冲材料作为支撑，从而组成的阵列可以满足不同人群手腕特征，实现对手臂表面良好的贴合。

附图说明

图1是本发明的脉搏波传感器的结构原理图；

图2是本发明的脉搏波传感器阵列结构的侧视示意图；

图3A-3C分别是本发明的传感器骨架上向下凹的空间与柔性压电传感器的柔性薄膜之间的位置关系示意图；

图4是本发明的脉搏波测量装置与桡动脉的位置关系示意图；

图5是本发明的脉搏波传感器阵列结构与桡动脉的位置关系的正视图。

在上图中，附图标记含义如下：

1、传感器骨架

2、柔性压电传感器 3、柔性压电传感器的触点

4、静态压力传感器 5、静态压力传感器的触点

6、传感器单元

6-1、第一传感器单元

6-2、第二传感器单元

6-3、第三传感器单元

6-4、第四传感器单元

6-5、第五传感器单元

7、弹性缓冲材料

8、向下凹的空间

9、加压装置

10、桡动脉 11、桡骨

12、皮肤

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明是为了解决现有技术中的脉搏波采集装置无法精准、全面地反映出人体的脉象信息的问题。传统压阻式传感器量程与灵敏度成反比，脉搏波传感器需要在大量程范围捕捉微弱脉搏信号，而传统压阻传感器在大量程范围中灵敏度较低。为了解决此问题，本发明中将静态压力信号与动态脉搏波压力信号分开测量，利用压电薄膜测量动态压力波动，压阻式传感器测量静态压力，从而提高了压电薄膜传感器的灵敏度，使得脉搏波信号更加清晰，并且在大压力范围下准确测量静态压力。

此外，本发明针对现有传感器阵列中传感器状态相互影响问题和手臂贴服问题，提供了一种减轻传感器间相互干扰，又能适应不同人群手臂的结构。

具体地，作为本发明的一个方面，本发明公开了一种脉搏波传感器，所述脉搏波传感器包括传感器骨架和柔性压电传感器，柔性压电传感器用于感测脉搏波；传感器骨架用于固定该柔性压电传感器；所述传感器骨架连接所述柔性压电传感器的一侧包含一向下凹的空间，该柔性压电传感器全部或部分固定在该向下凹的空间的四周时，该柔性压电传感器的敏感区域，即柔性压电薄膜是全部或部分悬空的，从而在受到外力时能够向该向下凹的空间内弯曲，而不会出现向向下凹的空间外弯曲的现象，这样可以避免柔性压电薄膜的压电感应产生相反的极性；此外，向下凹的空间的存在也使柔性压电薄膜有更大的形变空间，从而产生更强的电信号。

其中，该柔性压电传感器为压电式压力传感器，其压电材料例如包括但不限于PVDF(聚偏氟乙烯)、PZT(锆钛酸铅压电陶瓷)、BaTiO₃等。

其中，柔性压电传感器上还设置有触点，触点一侧与待测的皮肤相连，用于贴合手臂表面和传导待测的脉搏波，触点另一侧与柔性压电传感器的检测单元(通常即为该柔性压电薄膜)相连或相接触，将待测的脉搏波传导到柔性压电传感器的检测单元上。

其中，该脉搏波传感器还包括静态压力传感器，其中该静态压力传感器用于测量施加在该脉搏波传感器上的静态压力；该静态压力传感器也固定于该传感器骨架上。

其中，静态压力传感器可以为压阻式传感器，例如包括但不限于MEMS传感器、压阻膜传感器、应变计式传感器。

其中，静态压力传感器上也设置有触点，静态压力传感器的触点用于将承受的静态压力传导到静态压力传感器的检测单元上。

其中，两种传感器的触点的材质包括但不限于硅胶、泡棉、海绵等材料，触点的邵氏硬度A例如在1-80度之间。

其中，传感器骨架可以设计成围棋棋子形状、长条形状、纽扣形状或其它形状，优选为球缺、圆柱体或弯曲成曲面的长条形体。当其为球缺或圆柱体形状时，通过该传感器骨架形成的脉搏波传感器可以以点阵形式，例如5×5的点阵形式分布在被测手腕上；当其为弯曲成曲面的长条形体时，优选为能够与手腕部被测部位贴合的长条状曲面形状，例如贴合面为圆弧面或双曲面形状，从而通过该传感器骨架形成的脉搏波传感器可以以类似于半边手镯的形状环绕着被测手腕。

其中，为了保证测量精度，柔性压电传感器设置于传感器骨架靠近贴合皮肤的一面，静态压力传感器设置于传感器骨架与柔性压电传感器相反的另一面。

作为本发明的另一个方面，本发明还公开了一种脉搏波传感器阵列，包括弹性缓冲材料和若干上述的脉搏波传感器，其中该若干脉搏波传感器以一定间隔分布在该弹性缓冲材料上。

该弹性缓冲材料例如包括但不限于聚氨酯海绵、慢回弹记忆海绵等，可以使该脉搏波传感器阵列贴合不同人群的手臂。

该若干脉搏波传感器例如为5个，也可以是3、4、6、7、8、9、10个，沿被测的腕部等间距依次排开。作为优选，其中的第一传感器贴于腕横纹靠近手掌一侧，其余的传感器依次向手臂的肘部方向排列。

当外界有加压装置对该脉搏波传感器阵列施加压力时，静态压力传感器感受来自传感器阵列上方的弹性缓冲材料传递的静态压力，柔性压电传感器用于测量桡动脉脉博，最终实现在不同压力下脉搏波传感器阵列对桡动脉脉搏信号的检测。

作为本发明的再一个方面，本发明还公开了一种脉搏波测量装置，包括如上所述的脉搏波传感器阵列和加压装置，其中加压装置例如采用可充气的绷带，或者可膨胀的气囊等。

在一些具体实施例中，本发明的脉搏波传感器，包括传感器骨架、柔性压电传感器、柔性压电传感器触点、静态压力传感器、静态压力传感器触点。其中传感器骨架凹侧与柔性压电传感器相连，用于支撑该柔性压电传感器；传感器骨架另一侧与静态压力传感器相连，用于支撑该静态压力传感器。柔性压电传感器另一侧与柔性触点相连，用于感受触点所传导的脉搏波。触点另一侧与皮肤相连，用于贴合手臂表面和传导脉搏波。静态压力传感器另一侧与加压装置相连，用于检测此传感器结构所受到的整体压力。其中静态压力传感器为压阻式传感器，包括但不限于MEMS传感器、压阻膜传感器、应变计式传感器。柔性压电传感器为压电式压力传感器，压电材料包括但不限于PVDF、PZT、BaTiO₃等材料。触点的材质包括但不限于硅胶、泡棉和海绵等材质。

在一些具体实施例中，本发明的脉搏波传感器阵列，包括一个多孔弹性缓冲材料和五个脉搏波传感器，多孔弹性缓冲材料与五个传感器连接，多孔弹性缓冲材料与静态压力传感器结构一侧相连，用于吸收缓冲，减少传感器间震动干扰和外界冲击干扰。另外，多孔弹性缓冲材料可以使传感器阵列贴合不同人群手臂。多孔弹性缓冲材料不局限于聚氨酯海绵、慢回弹记忆海绵等。

每个传感器沿腕部等间距依次排开。第一传感器贴近腕横纹手掌一侧，第二至五传感器从腕横纹手臂一侧依次排开。该分布可以适用于不同人群手臂长度，增大桡动脉波动探测长度。

下面结合附图对本发明的几个具体实施方式进行进一步阐述说明。

如图1-5所示，本发明的脉搏波传感器包括传感器骨架1、柔性压电传感器2、柔性压电传感器的触点3、静态压力传感器4及静态压力传感器的触点5。柔性压电传感器的触点3与皮肤12接触，柔性压电传感器的触点3的材料特性使其能够贴合皮肤，柔性压电传感器的触点3拥有一定弹性形变可使手臂桡动脉10的脉搏波传递给柔性压电传感器2。柔性压电传感器以弯曲状态贴合在传感器骨架1上，它将柔性压电传感器的触点3传导的脉搏波波动转化为电信号，通过柔性压电传感器2的两极将转化的电信号输出。当桡动脉10跳动给皮肤12一个力，这个力被柔性压电传感器的触点3接收并传递给柔性压电传感器2，柔性压电传感器2即可输出电信号。

如图4、5所示，传感器骨架1为长条状的曲面形状，其一侧为柔性压电传感器2提供支撑，如图3A所示，传感器骨架1连接柔性压电传感器2的一侧包含一个向下凹的空间8，柔性压电传感器2平铺在向下凹的空间8上方，边缘固定在向下凹的空间8周边，如图3A所示为四周均固定，此时向下凹的空间8上方的柔性薄膜悬空。此悬空结构使得柔性压电传感器2的柔性薄膜所受到的正向压力转换为向四周的拉扯力，从而极大提高了柔性薄膜所承受的压强，因此使其产生更大的压电信号，从而提高了传感器灵敏度。传感器骨架1另一侧固定静态压力传感器4，静态压力传感器4另一侧与加压装置9相连，用于检测此传感器结构所受到的整体压力。

传感器阵列包括多孔的弹性缓冲材料7和五个上述的脉搏波传感器6-1、6-2、6-3、6-4、6-5。该传感器阵列平铺在被测手腕上，由于弹性缓冲材料7的特性，五个传感器6-1、6-2、6-3、6-4、6-5可以根据被测人手型贴附在手臂的手腕表面。当脉搏跳动时弹性缓冲材料7还可以吸收多余的冲击，减少某一传感器下的脉搏跳动点对临近传感器的影响，减少传感器间相互干扰。

如图4所示，该传感器阵列用于探测桡骨11附近桡动脉10在不同压力下的脉搏跳动。每个传感器沿腕部等间距依次排开。第一传感器6-1贴近腕横纹手掌一侧，第二至五传感器6-2、6-3、6-4、6-5从腕横纹手臂一侧依次排开。该分布可以适用于不同人群手臂长度，增大桡动脉10波动探测长度。当外界有加压装置9对传感器阵列施加压力时，静态压力传感器4感受来自传感器上方弹性缓冲材料1传递的静态压力，柔性压电传感器2用于测量桡动脉脉博，最终实现在不同压力下传感器阵列探测桡动脉脉搏信号。

作为上述实施方式的变种，如图3B、3C所示，柔性压电传感器2的柔性薄膜可以只有两面固定(图3B)；或者三面固定(图3C)，其中斜线部分表示向下凹的空间8与柔性薄膜的重叠部位；或者通过伸出的夹具完全悬置于该向下凹的空间8上方；这些均不影响本发明的技术效果的实现。此外，为了防止柔性压电传感器2的柔性薄膜的折叠和变形，可以在该柔性薄膜上设置加强筋或导向条使其尽量向固定的某些方向弯曲，从而避免其误动作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉搏波传感器，包括传感器骨架和柔性压电传感器，其特征在于：

所述柔性压电传感器包括柔性压电薄膜，用于感测脉搏波并将其转化成电信号；

所述传感器骨架用于固定所述柔性压电传感器；以及

所述传感器骨架连接所述柔性压电传感器的一侧包含一向下凹的空间，所述柔性压电传感器全部或部分固定在该向下凹的空间的四周，从而所述柔性压电传感器的柔性压电薄膜是全部或部分悬空的。

2.如权利要求1所述的脉搏波传感器，其特征在于，所述柔性压电传感器为压电式压力传感器，其压电材料选自聚偏氟乙烯、锆钛酸铅压电陶瓷或BaTiO₃。

3.如权利要求1所述的脉搏波传感器，其特征在于，所述柔性压电传感器上还设置有触点，触点一侧与待测的皮肤相连，用于贴合手臂表面和传导待测的脉搏波，触点另一侧与所述柔性压电传感器的柔性压电薄膜相连或相接触，将待测的脉搏波传导到所述柔性压电传感器的柔性压电薄膜上。

4.如权利要求1所述的脉搏波传感器，其特征在于，所述脉搏波传感器还包括静态压力传感器，其中所述静态压力传感器用于测量施加在所述脉搏波传感器上的静态压力。

5.如权利要求4所述的脉搏波传感器，其特征在于，所述静态压力传感器为MEMS传感器、压阻膜传感器或应变计式传感器。

6.如权利要求4所述的脉搏波传感器，其特征在于，所述柔性压电传感器和/或静态压力传感器上设置有触点，所述触点的材质优选为硅胶、泡棉或海绵。

7.如权利要求1所述的脉搏波传感器，其特征在于，所述传感器骨架为球缺、圆柱体或弯曲成曲面的长条形体。

8.一种脉搏波传感器阵列，包括弹性缓冲材料和若干如权利要求1至7任意一项所述的脉搏波传感器，其中若干所述脉搏波传感器以一定间隔分布在所述弹性缓冲材料上。

9.如权利要求8所述的脉搏波传感器阵列，其特征在于，所述弹性缓冲材料为聚氨酯海绵或慢回弹记忆海绵；

作为优选，所述脉搏波传感器的个数为3、4、5、6、7、8、9或10个；

作为优选，所述若干脉搏波传感器中的第一传感器设置于被测手腕的手掌根部横纹处，其余的传感器向被测手腕的肘部方向依次排列。

10.一种脉搏波测量装置，其特征在于，其中采用如权利要求8或9所述的脉搏波传感器阵列。