專利名稱：一種基于mems傳感器技術的無創(chuàng)動脈脈搏波檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于MEMS (微機電系統(tǒng))傳感器技術的無創(chuàng)動脈脈搏波檢測裝置。適用于檢測人體淺表動脈(踝、橈、肱、頸、顳等)的脈搏波信號。
背景技術：
對血液流經動脈血管時產生的脈搏信號的幅度、波形、節(jié)律和傳播速度等物理量的檢測是無創(chuàng)地獲取和分析心血管血流動力學參數(shù)的重要途徑。心臟收縮泵出的血液流經血管時，對側壁產生的壓力引起血管彈性擴張。在血液總容量和心搏輸出量相對穩(wěn)定情況下，淺表動脈搏動引起的皮膚位移時加速度變化的特征波形和波速，直接反映了血管的脈壓、擴張性、順應性、僵硬度、彈性模量等指標。當前已經公布的、用于人體淺表動脈脈搏波信號無創(chuàng)檢測的傳感器有壓電式、壓阻式、光電容積式、激光位置檢測式、駐極體聲傳感器式。用于脈搏波的信號傳遞的介質有空氣、橡膠、水、剛性體等；用于脈搏一電信號能量轉換的物質有壓阻式半導體材料、壓電晶體、PVDF (聚偏氟乙烯)薄膜、光敏材料等。用于檢測脈搏的技術中，以壓阻式壓力檢測法和光電容積法的應用最為廣泛。光電容積法的工作原理是在正常情況下，肢體末端組織(骨骼、肌肉等軟組織)對特定光的透射/反射短期變化率很小，而與肢體末端活體組織中血管網(wǎng)中包含的血液總量的變化會引起光的透射/反射率同步變化。由于血液總量變化的節(jié)律和主動脈的脈動一致，因此用光電容積法來反映動脈的一些參數(shù)。而它有以下幾點不足之處，首先它直接反映了傳感器光檢測到的范圍的動脈特性，與大動脈還是有一些差別；其次酒精、藥物、肢體溫度等因素對輸出結果也有較大影響；連續(xù)使用(超過3個小時)給病人帶來明顯不適。壓阻式壓力檢測法的工作原理是采用應變電阻組成的電橋，形變導致輸出的電壓信號與所受壓力成比例變化。多種因素，諸如敏感元件粘接在彈性元件上用的粘合劑特性，以及傳感器與接觸點的角度，固支形式，溫度系數(shù)都會造成輸出波形較大畸變。
發(fā)明內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種同步觸發(fā)、實時記錄并實現(xiàn)遠傳的基于MEMS傳感器技術的無創(chuàng)動脈脈搏波檢測裝置，旨在提高臨床診斷的準確性；可高速、實時記錄數(shù)據(jù)而不用受計算機主機物理位置的限制；同步精度高、數(shù)據(jù)遠傳速率高、使用方便，費用合理。本實用新型所采用的技術方案是基于MEMS傳感器技術的無創(chuàng)動脈脈搏波檢測裝置，其特征在于該檢測裝置包括控制單元，以及分別與該控制單元電連接的傳感器單元、數(shù)據(jù)記錄單元、溫度采集單元和通訊接口單元，其中傳感器單元包括一對三軸加速度傳感器芯片，其中一個作為測量傳感器，另一個作為參比傳感器，傳感器單元用于將檢測到的脈動信號傳輸給控制單元；數(shù)據(jù)記錄單元為一片TF卡，TF卡與控制單元之間通過4線制的SPI串行通信接口傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄單元用于保存數(shù)據(jù)或以485通信方式上傳給計算機；溫度采集單元為一片數(shù)字式溫度傳感器芯片，用于環(huán)境溫度測量；通訊接口單元，用于多臺裝置之間的數(shù)據(jù)同步采集。所述控制單元還接有一組工作狀態(tài)指示燈、一組按鍵及電源。本實用新型的有益效果是(1)采用了當前最先進的MEMS技術生產的、高靈敏度、 高線性度的3軸速度傳感器作為淺表動脈彈性擴張力和位移的傳感器件，可直接測量動脈的物理特性，不需要經過推算，大幅度減小了環(huán)境參數(shù)對結果的影響，提高了臨床診斷的準確性。本裝置使用一個同型號的傳感器作為參比傳感器，固定在測量傳感器的附近，同時遠離動脈的行經路徑，用于消除測量點人體運動造成的基線漂移。(2)采用大容量移動存儲介質TF卡，可以高速、實時記錄數(shù)據(jù)而不受計算機主機物理位置的限制，記錄時不會因數(shù)據(jù)遠傳時通信故障造成數(shù)據(jù)包丟失和以及數(shù)據(jù)通信速率上限的限制。(3)同步精度高，4MHz的時鐘驅動頻率下，硬件計時器能分辨達0. 25微秒的時間差，計算脈搏波的傳導時間測量誤差小，從而可實現(xiàn)短距離的動脈特性測量，更能反映被測動脈段的血管彈性特征。(4)數(shù)據(jù)遠傳速率高，需要在線測量時，按下模式轉換按鈕，485通信芯片即從待機工作狀態(tài)轉換為正常工作狀態(tài)。本實用新型數(shù)據(jù)傳輸速率超過一般無線方式傳輸，而價格只有無線方式的幾分之一，甚至幾十分之一。

圖1是本實用新型的電路框圖。圖2是本實用新型中控制單元、傳感器單元、溫度采集單元、工作狀態(tài)指示燈及按鍵的電原理圖。圖3是本實用新型中數(shù)據(jù)記錄單元、通訊接口單元和電源的電原理圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實施例檢測裝置具有控制單元5，以及分別與該控制單元電連接的傳感器單元1、數(shù)據(jù)記錄單元2、溫度采集單元4和通訊接口單元7。所述控制單元5主要包括單片機Ul (型號MSP430FM38)，MSP430系列16位單片機是美國TI公司的產品，業(yè)界領先的低功耗、集成度高。所述傳感器單元1由一對三軸加速度傳感器芯片(型號ADXL345)、基板、固定機構、附屬電氣連接件構成。其中一個傳感器芯片作為測量傳感器1-1，另一個傳感器芯片作為參比傳感器1-2。傳感器單元1和控制單元5之間采用4線制的SPI串行通信接口相連， 其中測量傳感器1-1的腳8、9、12、13、14分別連接單片機Ul的31、32、35、34、36，測量傳感器1-1的腳7連接單片機Ul的腳39 ；參比傳感器1-2的腳8、9、12、13、14分別連接單片機Ul的腳74、75、78、77、79，參比傳感器1-2的腳7連接單片機Ul的腳80。使用時，將測量傳感器固定在靠近人體淺表動脈的皮膚上，將參比傳感器固定在靠近人體淺表動脈的骨骼外皮膚上。所述數(shù)據(jù)記錄單元2有一片TF卡，可插在TF卡座上構成組件。數(shù)據(jù)記錄單元2與控制單元5之間通過4線制的SPI串行通信接口傳輸數(shù)據(jù)。其中TF卡(通過接插件J2) 的輸出腳1、2、3、5、7、8、9分別接單片機Ul的腳M、53、42、52、51、50、49。本例采用市面常見的2G容量的TF卡，自建文件管理系統(tǒng)為FAT16。從可實時保存數(shù)據(jù)的數(shù)量上看，一條記錄占用32字節(jié)時，一張卡可以存儲多達6000多萬條數(shù)據(jù)；從可連續(xù)記錄的時間上看，在本例設定的數(shù)據(jù)采集速度為200個記錄/秒的情況下，可以連續(xù)記錄80小時以上；從記錄速度上看，本例實測32字節(jié)長度的記錄，全速記錄的寫入速度每秒鐘達到3600條以上。所述溫度采集單元4為一片一線數(shù)字式溫度傳感器芯片Tl (型號DS18B20)，其輸出腳2接單片機Ul的腳100。該溫度傳感器芯片Tl在一 55°C + 125°C溫度范圍內，準確度為士0. 5°C，用于環(huán)境溫度測量，供系統(tǒng)進行溫度校正。所述通訊接口單元7包括通訊接口芯片U3 (型號SN65HVD12)，通訊波特率為 115200bps，以及8線外部接口 U5。板載的RJ45插座中包含了外部電源與同步觸發(fā)信號線， 用于多臺裝置之間的數(shù)據(jù)同步采集。其中，U3的腳1、2、3、4分別接單片機Ul的腳73、71、 70,72 ；U5的腳2和3分別接單片機Ul的腳25和26。除上述單元部分外，控制單元5還接有2個工作狀態(tài)指示燈3(D1、D2)，D1為綠色， 當系統(tǒng)(裝置)切換到在線模式時以1秒鐘為間隔閃爍，離線工作時不閃爍，只在開始工作時閃爍3下；D2為紅燈，在遇到電池電壓過低或TF卡故障時，提示故障狀態(tài)，電池電壓過低閃爍，TF卡故障時常亮?？刂茊卧?還連接2個按鍵8 (SWUSW2),按鍵SWl為記錄模式切換鍵，系統(tǒng)將在離線記錄和在線上傳兩種工作模式之間切換；按鍵SW2為啟停鍵，系統(tǒng)將在工作和停止模式之間切換。電源6主要為一穩(wěn)壓電路U4(SPX5205)和肖特基二極管IN5819， 它是一個可以在外部電源和電池之間自動切換的電源，通過一個低壓差的穩(wěn)壓電源將外部 5W電壓轉換成3. 3V電壓。本實用新型的工作原理是機器電源打開之后，加速度傳感器ADXL345將測得的信號傳遞給MSP430FM38單片機，單片機根據(jù)所在的工作模式，將數(shù)據(jù)用TF卡保存下來，或者用485通信方式上傳給計算機。由于本裝置選用了超低功耗的MSP430系列單片機，它的待機電流0. 1微安，全速工作電流250微安。傳感器選用的是ADXL345三軸加速度傳感器，在輸出速率為200Hz的情況下，功率為60微安，TF卡的待機電流為0. 4毫安，工作電流3毫安。SN65HVD12差動收發(fā)器的待機電流1微安，工作電流9毫安。溫度傳感器DS18B20的待機電流為0. 75微安， 工作電流1mA。因此整機的功耗非常低，在使用市場上常見的容量為600毫安時的AAA電池 2節(jié)的時候，可以工作120小時以上。
權利要求1.一種基于MEMS傳感器技術的無創(chuàng)動脈脈搏波檢測裝置，其特征在于該檢測裝置包括控制單元(5)，以及分別與該控制單元電連接的傳感器單元(1)、數(shù)據(jù)記錄單元(2)、溫度采集單元(4)和通訊接口單元(7)，其中傳感器單元(1)包括一對三軸加速度傳感器芯片，其中一個作為測量傳感器(1-1 )，另一個作為參比傳感器(1-2)，傳感器單元用于將檢測到的脈動信號傳輸給控制單元(5)；數(shù)據(jù)記錄單元(2)為一片TF卡，TF卡與控制單元(5)之間通過4線制的SPI串行通信接口傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄單元用于保存數(shù)據(jù)或用485通信方式上傳給計算機； 溫度采集單元(4)為一片數(shù)字式溫度傳感器芯片，用于環(huán)境溫度測量； 通訊接口單元(7 )，用于多臺裝置之間的數(shù)據(jù)同步采集。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于MEMS傳感器技術的無創(chuàng)動脈脈搏波檢測裝置，其特征在于所述控制單元(5 )還接有一組工作狀態(tài)指示燈(3 )、一組按鍵(8 )及電源(6 )。
專利摘要本實用新型涉及一種基于MEMS傳感器技術的無創(chuàng)動脈脈搏波檢測裝置。本實用新型的目的是提供一種同步觸發(fā)、實時記錄并實現(xiàn)遠傳的基于MEMS傳感器技術的無創(chuàng)動脈脈搏波檢測裝置，旨在提高臨床診斷的準確性；可高速、實時記錄數(shù)據(jù)而不用受計算機主機物理位置的限制；同步精度高、數(shù)據(jù)遠傳速率高、使用方便，費用合理。本實用新型的技術方案是基于MEMS傳感器技術的無創(chuàng)動脈脈搏波檢測裝置，其特征在于該檢測裝置包括控制單元，以及分別與該控制單元電連接的傳感器單元、數(shù)據(jù)記錄單元、溫度采集單元和通訊接口單元。本實用新型適用于檢測人體淺表動脈(踝、橈、肱、頸、顳等)的脈搏波信號。
文檔編號A61B5/0295GK202036215SQ20112006487
公開日2011年11月16日 申請日期2011年3月14日 優(yōu)先權日2011年3月14日
發(fā)明者趙子愷, 陳大競, 陳裕泉 申請人:浙江大學