本發(fā)明涉及檢查呼吸器官的測量裝置，具體地說，涉及一種基于無線無源的聲表面波傳感器的呼吸狀態(tài)檢測系統(tǒng)及無線無源的聲表面波傳感器。

背景技術(shù)：

近年來，呼吸睡眠疾病逐漸引起人們的關(guān)注和重視，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，成年人群體中，呼吸睡眠疾病的患病率為2％～4％。我國人口基數(shù)大，失眠人口總數(shù)接近3億。

阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征是一種最為常見的呼吸睡眠疾病，是由上呼吸道全部或部分阻塞造成的。其臨床表現(xiàn)為睡眠過程中出現(xiàn)超過10s的階段性呼吸暫停。阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征可導(dǎo)致高血壓、冠心病、糖尿病和腦血管疾病等并發(fā)癥，甚至出現(xiàn)夜間猝死的情況，患者由于失眠導(dǎo)致精神狀態(tài)不佳，極易發(fā)生交通事故。為了及早發(fā)現(xiàn)并治療阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征等呼吸睡眠疾病患者，可以在人們睡眠時對身體進(jìn)行呼吸暫停檢測。

呼吸暫停檢測方法通常有：1)通過經(jīng)典多導(dǎo)睡眠圖儀進(jìn)行監(jiān)測；2)通過全電腦無紙記錄的多導(dǎo)睡眠圖進(jìn)行監(jiān)測；3)通過睡眠過程中的腦電信號監(jiān)測，即動態(tài)腦電圖進(jìn)行監(jiān)測。但這些檢測方式用到的儀器都十分龐大，且昂貴，多用在醫(yī)院檢查中，不適合平時家庭使用。

公開號為cn101822542a的專利文獻(xiàn)公開了一種胸腹呼吸檢測器，將壓電陶瓷片束縛在胸部，被測對象呼吸時胸腔體積發(fā)生變化，進(jìn)而造成壓電陶瓷片表面壓力變化，壓電陶瓷片將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過導(dǎo)線輸出。該方法雖然輕便靈活了許多，但固定帶有較強(qiáng)的束縛感，且傳輸線也會影響到被測對象的活動。

公開號為cn101917903a中國專利文獻(xiàn)公開了一種呼吸暫停檢測器，包括：電容型傳感器，適用于從對象的運(yùn)動中(例如對象的呼吸模式)檢測可變的電容，以及檢測器單元，與所述傳感器通信；該檢測器單元用于接收來自所述電容型傳感器的電信號，該電信號是對所述可變電容的指示；當(dāng)所接收的電信號指示呼吸暫停的征兆時，該檢測器單元也用于發(fā)出警示信號；所述檢測器單元附著到對象的衣物，例如尿布。該檢測器采用種電容式傳感器對人體呼吸進(jìn)行檢測，需要電池進(jìn)行供電，還需要電源供電，極易出現(xiàn)電池電量不足而沒有及時更換，導(dǎo)致信息無法采集到。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的為提供一種基于無線無源的聲表面波傳感器的呼吸狀態(tài)檢測系統(tǒng)，便于對呼吸狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的同時，降低對被測對象睡眠的影響；

本發(fā)明的另一目的為提供一種適于上述檢測系統(tǒng)使用的無線無源的聲表面波傳感器。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的呼吸狀態(tài)檢測系統(tǒng)包括射頻發(fā)射接收單元、傳感器單元及從射頻發(fā)射接收單元接收的反饋信號中提取表征呼吸狀態(tài)的信息的信號處理單元；傳感器單元包括聲表面波傳感器，聲表面波傳感器包括壓電基體及與射頻發(fā)射接收單元無線通訊連接的天線；壓電基體上固設(shè)有叉指電極及聲表面波反射柵，叉指電極與天線電連接。

上述技術(shù)方案中，由于采用帶有天線的聲表面波器件作為檢測傳感器，只需將該傳感器貼在被檢測者的鼻子下，無需向其提供電源及信號連接線，即為無線無源，從而在檢測過程中，將對被檢測者睡眠的影響降低；此外，該檢測采用器件體積小、成本低，且操作方法簡單，適合家庭平時使用；由于該傳感器的換能器為設(shè)有聲表面波反射柵的單端叉指換能器，其對呼吸所引起環(huán)境變化檢測靈敏度高，且便于從反饋信號中提起表征呼吸狀態(tài)的信息。

具體的方案為傳感器單元包括兩個以上反射柵設(shè)置位置不同和/或條數(shù)不等的聲表面波傳感器；信號處理單元還用于從反饋信號中提取表征不同位置和/或條數(shù)的聲表面波反射柵的時域信息。

當(dāng)反射柵與叉指電極之間的距離不同或反射柵的數(shù)量不同時，從反饋信號中提取的時域信息不同，從而可對不同被測對象的反饋信號進(jìn)行區(qū)分，即可對其進(jìn)行編碼，以實(shí)現(xiàn)對多名被檢測對象進(jìn)行同時監(jiān)測，有效降低共同檢測的設(shè)備成本。

優(yōu)選的方案為壓電基體的表面上沉積有一層濕度/溫度敏感膜。加上一層濕度/溫度敏感膜使得聲表面波傳感器的靈敏度大大提高。為了實(shí)現(xiàn)上述另一目的，本發(fā)明提供的聲表面波傳感器包括壓電基體及制備在壓電基體上的叉指電極；還包括與叉指電極電連接的天線；壓電基體上制備有聲表面波反射柵。

上述技術(shù)方案中，在具有叉指電極的壓電基體上制備反射柵，將天線與叉指電極電連接，在用其作為傳感器進(jìn)行檢測過程中，只需使用射頻讀取器向其發(fā)射射頻脈沖信號，天線接收到射頻脈沖信號后并傳遞給叉指電極，繼而傳遞給壓電基體，壓電基體產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)而將射頻脈沖信號轉(zhuǎn)換成聲表面波，在壓電基體中傳播的聲表面波遇到聲表面波反射柵后反射回，迫使壓電基體產(chǎn)生正壓電效應(yīng)而將反射波轉(zhuǎn)換成電信號，即反饋信號，再由叉指電極傳遞給天線并由天線將該反饋信號傳回到射頻讀取器，射頻讀取器對反饋信號進(jìn)行接收從而可實(shí)現(xiàn)無線無源的檢測；而壓電基體周圍環(huán)境變化會改變其反饋信號中諧振頻率、插入損耗或相位的信息，從而利用其進(jìn)行檢測周圍環(huán)境變化，比如，將其貼合在被測對象鼻子下方的皮膚，被測對象的呼吸氣流會改變壓電基體上的聲波信號，使聲波信號攜帶上呼吸信息，可以利用其對被測對象的呼吸狀態(tài)進(jìn)行檢測。該聲表面波傳感器使用方便，且對被測對象睡眠沒有影響。

具體的方案為還包括柔性襯底，壓電基體與天線均固設(shè)在柔性基體上。

采用柔性襯底，便于與被測對象鼻子下方皮膚的貼合。

另一個具體的方案為聲表面波反射柵為制備在壓電基體上的金屬條，金屬條位于聲表面波的傳播路徑上且與其傳播方向正交。

另一個具體的方案為聲表面波反射柵的寬度與叉指電極的指寬相同，聲表面反射柵與叉指電極間的距離大于聲表面波在0.5微秒內(nèi)的行程。

另一個具體的方案為聲表面波反射柵的數(shù)量為兩條以上，相鄰兩條間間距大于壓電基體的聲速與信號脈寬的乘積。

另一個具體的方案為壓電基體的表面上沉積有一層濕度/溫度敏感膜。

加上一層濕度/溫度敏感膜使得聲表面波傳感器的靈敏度大大提高。

再一個具體的方案為壓電基體為鈮酸鋰晶體塊。

采用鈮酸鋰作為材料的壓電基體的諧振頻率變化明顯，使得聲表面波傳感器具有很高的靈敏度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明基于無線無源的聲表面波傳感器的呼吸狀態(tài)檢測方法操作簡單，所采用的聲表面波傳感器無需電源供電及信號線，整個裝置重量小，十分輕便，更加安全可靠，適合家庭平時使用。此外，所采用的柔性無線無源傳感端尺寸小，質(zhì)量輕，測試過程中幾乎不會對被測對象造成影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中呼吸狀態(tài)檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中無線無源的聲表面波傳感器；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中呼吸狀態(tài)檢測系統(tǒng)的使用過程示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中在不同呼吸情況下反饋信號中諧振頻率波形圖，其中圖4(a)為被測對象正常呼吸情況下波形圖，圖4(b)是被測對象模擬呼吸暫停綜合征情況下波形圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中不同編碼的兩個聲表面波傳感器的時域測試圖，其中，圖5(a)是利用八條反射柵編碼為11111111聲表面波傳感器的時域檢測圖，圖5(b)是利用七條反射柵編碼為11110111聲表面波傳感器的時域檢測圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例及其附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例

參見圖1至圖3，基于無線無源的聲表面波傳感器的呼吸狀態(tài)檢測系統(tǒng)1包括射頻發(fā)射接收單元11、傳感器單元12、信號處理單元13及顯示單元14。射頻發(fā)射接收單元11、信號處理單元13及顯示單元14均設(shè)置在射頻讀取器6中，方便用戶使用。通過射頻讀取器6向傳感器單元12發(fā)送射頻脈沖信號并接收反饋的射頻信號。當(dāng)然，也可將信號處理單元13及顯示單元14與射頻發(fā)射接收單元11相分離設(shè)置，且通過無線實(shí)現(xiàn)通訊連接，以根據(jù)觀察需要而設(shè)置在不同位置處。

傳感器單元12包括貼于被測對象的鼻子下方的聲表面波傳感器10，聲表面波傳感器10包括柔性襯底7、壓電基體8、天線9、叉指電極4及制備在壓電基體8上的4條反射柵3，叉指電極4與天線9電連接，通過天線9，實(shí)現(xiàn)射頻讀取器6與聲表面波傳感器10進(jìn)行信號傳遞。

柔性襯底7為厚度在60-200微米之間的聚酰亞胺(pi)薄膜，壓電基體8為鈮酸鋰(linbo3)晶體塊，其長寬均為7毫米，厚度為0.5毫米，壓電基體8與天線9混合組裝在柔性襯底7上，通過光刻剝離技術(shù)，在壓電基體8上制備叉指電極4、反射柵3，天線9為平面天線，有效減小了傳感器的尺寸和質(zhì)量，反射柵3的寬度與叉指電極4的指寬相同，相鄰兩條反射柵3間的間距大于壓基體8的聲速與信號脈寬的乘積，且第一根反射柵與叉指電極4間的距離等間距且大于聲表面波在0.5微秒內(nèi)的行程。本實(shí)施例中，叉指電極4的寬度和間距均為2.28微米，聲表面波反射柵3的寬度也為2.28微米，第一根聲表面波反射柵與叉指電極4之間的距離為1mm，本實(shí)施例的聲表面波傳感器的諧振頻率為433mhz。本發(fā)明的發(fā)明人對本實(shí)施例中采用鈮酸鋰晶體塊作為壓電基體的聲表面波傳感器的諧振頻率在被測對象處于不同呼吸狀態(tài)下進(jìn)行的對比，圖4(a)為被測對象正常呼吸情況下，鈮酸鋰聲表面波傳感器諧振頻率變化圖。被測對象每次呼氣會使器件的諧振頻率下降約2.7mhz，靈敏度高，每次吸氣時，諧振頻率又恢復(fù)到原來水平，重復(fù)性好。圖4(b)是被測對象模擬呼吸暫停綜合征情況下，鈮酸鋰聲表面波傳感器諧振頻率變化圖。被測對象在點(diǎn)j和點(diǎn)k處刻意停止呼吸，聲表面波傳感器的諧振頻率不再大幅波動。采用鈮酸鋰晶體塊作為壓電基體的聲表面波傳感器也具有很強(qiáng)的靈敏性，適合于用來檢測阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征。

此外，可在壓電基體8的表面沉積一層濕度/溫度敏感膜可增強(qiáng)聲表面波傳感器的靈敏度。

除了本實(shí)施例中采用的材料外，柔性襯底7的材料還可以是聚對苯二甲酸乙二酯(pet)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚二甲基硅氧烷(pdms)等。壓電基體8的材料還可以是litao3、lgs、sgg、ncg等壓電晶體。

叉指電極4的材料可以是銅(cu)、銀(ag)、鋁(al)、金(au)、鉑金(pt)、鎢(w)、碳納米管、石墨烯或其它導(dǎo)電性能良好的金屬或非金屬材料中的一種。

濕度/溫度敏感膜的材料可以是納米材料如石墨烯，碳納米管，zno、tio2、金屬納米材料等，也可以是聚合物薄膜如polyvinylpyrrolidone(pvp)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚丙烯酰胺(pam)等。濕度/溫度敏感膜的材料可以是其中的一種，也可以是幾種的化合物。

具體工作時，射頻讀取器6發(fā)射一段射頻脈沖信號后，天線9接收到射頻脈沖信號并傳遞給叉指電極4，在叉指電極4兩端產(chǎn)生交變電壓，由于壓電基體8的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為聲能，即將射頻讀取器6發(fā)出的射頻脈沖信號轉(zhuǎn)換成聲波信號，被測對象的呼吸氣流會改變壓電基體8上的聲波信號的諧振頻率、插入損耗和相位特性發(fā)生變化，使聲波信號攜帶上呼吸信息。當(dāng)聲波信號傳播至反射柵3時，聲波的部分能量會被反射柵3反射回叉指電極4，由于壓電基體8的正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)換為電能輸出，即將帶有呼吸信息的聲波信號轉(zhuǎn)換成反饋信號，并由天線9將該反饋的射頻信號傳回射頻讀取器6。

通過將反射柵設(shè)置在壓電基體8上的不同位置來對聲表面波傳感器進(jìn)行編碼，即通過控制反射柵3與叉指電極4間的間距來實(shí)現(xiàn)，如圖5(a)是編碼為11111111聲表面波傳感器的時域檢測圖，即為連續(xù)等間距布置的八根反射柵得到，圖5(b)是編碼為11110111聲表面波傳感器的時域檢測圖，即與圖5(a)相比，其為在第五根處不設(shè)置反射柵，從圖5中可以看出，不同編碼的聲表面波傳感器在時域上可以很清晰地被區(qū)分出來，因此可以通過設(shè)置不同的編碼來實(shí)現(xiàn)對多名成員進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，大大降低了多名成員共同使用的成本，適合于擁有多名呼吸暫停綜合征病人的家庭，療養(yǎng)院，病房等的應(yīng)用。

除了本實(shí)施例中設(shè)置多條聲表面波反射柵外，也可設(shè)置成一條聲表面波反射柵，為了達(dá)到多人使用的目的，只需將一條聲表面波設(shè)置在壓電基體8上的不同位置即可，當(dāng)壓電基體8的某處有反射柵3時，聲波會被部分反射回叉指電極4，產(chǎn)生一個回波信號。因?yàn)椴煌穆暠砻娌▊鞲衅魃系姆瓷鋿排c叉指電極4之間的距離不同，所以各反射柵產(chǎn)生的回波信號回到叉指電極4的時間也不同，可以通過檢測傳感器的時域參數(shù)來獲得各反射柵3的回波信號。

此外，也可以通過在不同的聲表面波傳感器上設(shè)置不同數(shù)量的反射柵來對聲表面波進(jìn)行編碼，以達(dá)到同樣的目的。

信號處理單元13用于提取從射頻發(fā)射接收單元11接收的反饋信號中表征呼吸狀態(tài)信息的信號。

顯示單元14用于顯示檢測的結(jié)果。

通過射頻讀取器6從反饋信號中讀取聲表面波傳感器的傳輸特性及變化，比如諧振頻率、插入損耗或相位，提取表征呼吸狀態(tài)的信息，包括呼吸速率、呼吸暫停時間及呼吸次數(shù)，也直接提取諧振頻率、插入損耗或相位隨時間變化的波形圖作為表征呼吸狀態(tài)的信息，通過對呼吸氣狀態(tài)持續(xù)時間的分析判定被測對象有無呼吸暫停癥狀。

由于聲表面波傳感器的插入損耗恢復(fù)速度更快，每次吸氣時，插入損耗都能恢復(fù)到原來水平，更適于用來檢測阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征等呼吸疾病。對于本發(fā)明中聲表面波傳感器中的壓電基體也可選自軟質(zhì)的壓電晶體，比如柔性壓電薄膜，其材料可選自zno、氮化鋁(aln)、鋯鈦酸鉛(pzt)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、添加pbtio3的聚偏二氟乙烯(pvtf)或其它壓電聚合物中的一種，其厚度可選自1～10000微米，并可將天線制備在壓電薄膜上。