高級(jí)檢測(cè)
作為動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器的壓電薄膜，其獨(dú)特性質(zhì)使其特別適合生命特征監(jiān)測(cè)，既可與皮膚直接接觸，也可通過中間層進(jìn)行機(jī)械耦合。一些薄膜元件具有很高的靈敏度，足以通過外衣口袋中攜帶的設(shè)備檢測(cè)人體脈搏.
壓電式聚偏二氟乙烯聚合物薄膜（壓電薄膜）的膜條經(jīng)過拉伸后，它將在電極上下表面之間產(chǎn)生一個(gè)與延長(zhǎng)量成正比的電信號(hào)（電荷或電壓）。 通常認(rèn)為壓電材料會(huì)響應(yīng)壓力，但在使用壓電薄膜的情況下，由于薄膜元件的特殊幾何形狀，當(dāng)縱向施加非常小的力時(shí)，在薄膜的橫截面可產(chǎn)生非常高的應(yīng)力，而在薄膜表面的較大區(qū)域施加相同水平的力則會(huì)產(chǎn)生低得多的應(yīng)力。因此，壓電薄膜表現(xiàn)出了針對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的非凡敏感性，通常對(duì)于 28 μm 厚的聚偏二氟乙烯，每微應(yīng)變（ppm 級(jí)的長(zhǎng)度變化）產(chǎn)生的電壓級(jí)別為 10 至 15 mV。之所以使用“動(dòng)態(tài)”應(yīng)變這一說法，是因?yàn)橛蓱?yīng)變變化所產(chǎn)生的電荷會(huì)漏入連接到薄膜的電路中，于是實(shí)際上檢測(cè)不到應(yīng)變的靜態(tài)狀態(tài)。如果傳感器處于不同程度的預(yù)載下，壓電薄膜的這種特性可成為一種優(yōu)勢(shì)。薄膜僅能識(shí)別隨時(shí)間改變的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，起始的頻率響應(yīng)可低至 0.1 Hz。壓電薄膜還具有輕巧、纖薄和 高彈性的特點(diǎn)，無需外部電力即可正常工作。憑借這種獨(dú)特的屬性組合，可滿足大量需檢測(cè)極低機(jī)械振動(dòng)的醫(yī)療應(yīng)用的需求。在電力有限的情況下，這種技術(shù)顯然極具吸引力（在一些配置中，它甚至可產(chǎn)生少量電力）。此外，壓電薄膜還極為耐用，能夠承受數(shù)億次彎曲，而且可抗沖擊。
壓電薄膜具有輕巧、纖薄和高彈性的特點(diǎn)，無需外部電力即可正常工作。
直接接觸皮膚
利用壓電薄膜作為“動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)”的特性，可輕易將一個(gè)元件直接貼附到皮膚上（例如，手腕內(nèi)側(cè)）。 TE 制造一種通用傳感器，此傳感器已在一面涂有壓敏粘合劑，但是這種粘合劑不具備生物相容性，所以對(duì)于短期試驗(yàn)，先在皮膚上固定一張 3M 9842 貼片（含有粘合劑涂層的薄型聚氨酯膠帶），再在貼片上貼附壓電薄膜傳感器。圖 1 顯示了使用頻率下限設(shè)為 1 Hz 且靈敏度為 1 mV/pC 的電荷放大器獲得的一個(gè)脈搏信號(hào)。大約 130 mV 峰峰值的輸出對(duì)應(yīng)于大約 100 mV 峰峰值的開路電壓，這反過來可以解釋為大約 8 με 的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。此信號(hào)是手處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)記錄的。彎曲或旋轉(zhuǎn)手腕可以產(chǎn)生幅度高得多的信號(hào)，尤其是在前置放大器上選擇了較低的頻率限值的情況下。例如，圖 2 顯示了當(dāng)反復(fù)抓放物體時(shí)的傳感器響應(yīng)，可看出開路幅度大約為 3V 或動(dòng)態(tài)應(yīng)變大約為 250 με。
壓電薄膜之所以既能檢測(cè)極小的物理信號(hào)，也能檢測(cè)大幅運(yùn)動(dòng)，原因在于聚偏二氟乙烯薄膜的壓電響應(yīng)在很大一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍（估計(jì)高達(dá) 14 個(gè)數(shù)量級(jí)）內(nèi)都是線性的。 在許多情況下可通過濾波提取更小的信號(hào)，前提是目標(biāo)信號(hào)和“噪聲”的帶寬實(shí)現(xiàn)了充分的分離。目前，類似的自粘式傳感器已用于在睡眠障礙研究過程中檢測(cè)胸部、腿部和眼瞼的肌肉和皮膚運(yùn)動(dòng)。另外，可檢測(cè)肌肉（例如，拇指和食指之間的肌肉）對(duì)故意電刺激的響應(yīng)，以此作為麻醉效果的指標(biāo)（稱為神經(jīng)肌肉傳遞）。
加速度傳感器
Minisense 100 是一種標(biāo)準(zhǔn)部件，它采用了負(fù)重的懸臂設(shè)計(jì)且其夾具由剛性 PCB 材料制成，并允許安裝連接插針。 附加的質(zhì)量塊使傳感器能夠在加速度的影響下做出慣性響應(yīng)。薄膜元件在質(zhì)量塊靜止時(shí)彎曲，從而使得電壓靈敏度極高（約 1 V/g）。此部件的一種變體可在工作人員或患者佩戴“智能徽章”（配備射頻遙感）時(shí)檢測(cè)其生命特征，并允許發(fā)送周期性信號(hào)以便于跟蹤或定位。當(dāng)傳感器檢測(cè)到徽章已從人體上取下時(shí)，徽章將進(jìn)入睡眠模式，而肌肉震顫、劇烈身體動(dòng)作甚至脈搏的跳動(dòng)都會(huì)使徽章保持“喚醒”。使用輕薄的彈力帶將這種標(biāo)準(zhǔn)傳感器緊靠在胸部時(shí)，傳感器可揭示心臟的“聲音”細(xì)節(jié)。通過在電子接口上選擇一個(gè)非常低的頻率限值，還可看到呼吸頻率（圖 3）。在該波形中，胸壁運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為大約四秒周期的緩慢周期信號(hào)，而單次心跳可看出約為 1/s (60 bpm)。為了消除呼吸信號(hào)并去除某些噪聲，可在 1 Hz（下限）和 10 Hz（上限）位置應(yīng)用濾波器來獲得實(shí)時(shí)信號(hào)（圖 4）。注意，圖 4 波形中的曲線均源自處于休息狀態(tài)的患者。當(dāng)然，使用加速度傳感器的情況下，身體運(yùn)動(dòng)很容易影響心跳信號(hào)。事實(shí)上，這種懸臂梁加速度傳感器的一種微型版本 （傳感器工作區(qū)域尺寸為 1.3 x 3 mm）在心臟起搏器內(nèi)用于檢測(cè)患者的身體活動(dòng)水平，以便能夠相應(yīng)地調(diào)節(jié)起搏頻率。
Mini100傳感器應(yīng)用
得益于壓電薄膜的堅(jiān)固性、高靈敏度和寬帶寬，多種電子聽診器已采用壓電薄膜作為有源傳感元件。 在此情況下，必須用一些“反作用力”使傳感元件緊靠身體，這種元件通常像直接聲學(xué)聽診器那樣使用常規(guī)的巨大鐘形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一旦動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，便可對(duì)信息內(nèi)容進(jìn)行以下處理：通過選擇性濾波或放大進(jìn)行增強(qiáng)、作為音頻信號(hào)回放、使用更復(fù)雜的算法進(jìn)行分析以檢測(cè)特定情況、通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)竭h(yuǎn)程基站以進(jìn)行進(jìn)一步的分析和存儲(chǔ)，等等。使用緊湊的聲敏傳感器意味著可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)點(diǎn)。
使用緊湊的聲敏傳感器意味著可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)點(diǎn)。
在直接身體接觸的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，目前已在床墊中采用壓電薄膜和壓電電纜來檢測(cè)患者的心跳、呼吸和身體運(yùn)動(dòng)。 通過將傳感器陣列集成到床墊外罩中，可以在患者躺在或坐在這些收集裝置上時(shí)被動(dòng)地監(jiān)測(cè)患者信息，即使透過衣服、病服或床單也能提供精確的測(cè)量結(jié)果。柔性開關(guān)將檢測(cè)到離床狀態(tài)，而壓電薄膜元件會(huì)將患者的所有動(dòng)態(tài)生命特征轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，這些電信號(hào)可顯示在帶有報(bào)警邏輯的床頭裝置上。該系統(tǒng)可預(yù)警心臟或呼吸頻率異常以及患者擅自離床情況，所有這些功能均無需直接接觸患者。
結(jié)論
正如上述各種應(yīng)用中所顯示的，壓電薄膜可很好地替代更傳統(tǒng)的電子元件來將生命體征數(shù)據(jù)傳輸?shù)交颊弑O(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，可能會(huì)在未來運(yùn)用到更多的救護(hù)醫(yī)療設(shè)備中。
