CN101868178A - 包括响应伸长生成电信号的材料的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种传感器，所述传感器包括响应伸长生成电信号的材料。更特别地，本发明涉及一种用于测量长度或体积变化的装置，所述装置包括传感器，所述传感器包括响应伸长生成电信号的压电材料。

Description

包括响应伸长生成电信号的材料的传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，所述传感器包括响应伸长生成电信号的材料。更特别地，本发明涉及一种用于测量长度或体积变化的装置，所述装置包括传感器，所述传感器包括响应伸长生成电信号的压电材料。
背景技术
呼吸率和心率是指示哺乳动物(包括人)的健康状况的基本指标，并且从脉搏波的测量算出的脉搏波速度(PWV)是用于评估动脉的弹性和阻塞的良好指标。
呼吸率通常被定义为当生物在休息时表示每分钟吸气和呼气的运动的数量。可以通过测量每分钟胸和腹扩张和收缩的次数来确定呼吸率，原因是当呼吸一次时胸和腹分别扩张和收缩一次。
通过计数每分钟脉搏波的数量来测量心率，响应心脏的舒张和收缩脉搏波由动脉的扩张和收缩导致。可以通过计数响应心搏由动脉的扩张和收缩生成的每分钟搏动的数量来测量心率，可以在左胸、头部、腕部和踝部触诊心搏。
脉搏延迟时间(从心搏生成的动脉的搏动到达头部、腕部、踝部等的一段时间)是彼此不同的。可以从分别从心脏到头部、腕部、踝部等的动脉的长度计算脉搏波速度。在健康者与动脉部分阻塞的动脉硬化患者之间PWV有显著差异。由于动脉的阻塞产生的动脉的内径越小，脉搏波速度越快。可以通过周期性地测量在身体的某些部位的脉搏波速度来监测分别从心脏到头部、到腕部和到踝部的动脉的弹性和阻塞。
在呼吸时，主要是胸和腹的围长随着时间变化，并且在心脏跳动时，头部、腕部、踝部等的围长由于动脉的扩张和收缩随着时间周期性地变化。心搏所导致的头部、腕部、踝部等的围长的变化幅度远远小于呼吸所导致的胸和腹的围长的变化幅度，而头部、腕部、踝部等的围长的变化频率远远高于胸和腹的围长的变化频率并且随着时间周期性地变化。
用于连续监测正在医院中进行手术的患者、应当连续观察心搏和呼吸的状况的心血管疾病患者和身体机能失调的老年人的心率和呼吸率的设备已在使用。根据移动技术的最新发展，用于很可能由于心肌梗塞、冠状动脉疾病、心律不齐等而突然死亡的患者的便携式心电图-呼吸信号测量装置一直在进行开发和小型化。所以，这样的装置可以容易携带并且它们的电池消耗显著减小。
潮气末二氧化碳(ETCO2)测量装置(一种目前主要用于正在医院中进行手术的患者的呼吸测量装置)监测呼吸气体中的二氧化碳的浓度，并且计算至少15-30秒期间的呼吸的数量，由此获得呼吸率。优点在于该方法精确地测量呼吸气体中的二氧化碳的量使得可以知道患者的当前代谢状况以及呼吸率。
然而，该方法为患者带来疼痛，原因是在收集呼吸气体期间管子必须通过鼻腔插入支气管中以便测量呼出空气中的二氧化碳的精确量。所以，ETCO2测量装置的使用被限制于在手术或无意识期间全身麻醉下的重症患者。而且，缺点在于这样的ETCO2测量装置的可靠性高度依赖于呼吸气体收集装置的类型。
因此，研究了用于从患者消除ETCO2测量装置所导致的疼痛的各种方法以便对轻度患者使用ETCO2测量装置。
作为用于处理常规ETCO2测量装置的上述问题的一种方法，有利用听诊器的原理的心音描记术，该方法通过将呼吸期间生成的气道中的音波转换为电信号来测量呼吸率。然而，该方法并不表现良好，原因是心音描记器对周围噪声很敏感并且因此周围噪声必须低于心音。
备选地，有另一种方法通过使用低频滤波器从心电图(ECG)信号测量呼吸信号。然而，难以在实践中使用该方法，原因是ECG信号的强度很低并且ECG信号的误差范围大。
此外，又有获得呼吸信号的另一种方法。在该方法中，包含双线圈的皮带围绕胸和腹系着，并且由此测量呼吸期间由胸的身体变化(即，扩张和收缩)导致的双线圈的电感或电容的变化。然而，双线圈容易受到外部电磁干扰(EMI)影响并且因此需要用于消除外部EMI的影响的附加传感器。
所以，需要开发一种用于测量心率和呼吸率的传感器，其不容易受到外部EMI影响，容易穿戴并且因此不会使患者不舒服，可以以低成本生产，并且比常规装置更精确。
发明内容
技术问题
本发明的主要目标是提供一种用于测量长度或体积的变化的传感器，所述传感器包括响应伸长生成电信号的材料。
本发明的另一个目标是提供一种用于测量长度或体积变化的装置，所述装置包括传感器，所述传感器包括响应伸长生成电信号的材料，其中所述传感器安装在测量对象上或周围，并且响应由于对象的长度或围长的增加产生的材料的伸长变形从电信号测量对象的长度或体积变化。
本发明的又一个目标是提供一种用于测量呼吸率或心率的装置，所述装置包括传感器，所述传感器包括响应伸长生成电信号的材料，其中所述传感器安装在测量生物上或周围，并且响应由于生物的围长的增加产生的材料的伸长变形从电信号测量生物的呼吸率或心率。
本发明的再一个目标是提供一种用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，所述装置包括响应伸长生成电信号的材料层；两个电极层，每个电极层覆盖所述材料层的各自侧面；和弹性带，其包裹所述材料层和所述两个电极层。
本发明再进一步目标是提供一种用于测量呼吸率或心率的系统，所述系统包括：感测单元，其包括响应伸长生成电信号的传感器；模拟信号处理单元，其从所述传感器测量的模拟信号消除噪声并且放大经消除噪声的模拟信号；模数转换单元，其将所述经消除噪声的模拟信号转换为数字信号；数字信号处理单元，其分析来自所述模数转换单元的数字信号并且由此计算呼吸率或心率；和显示单元，其显示来自所述数字信号处理单元的呼吸率或心率的数据。
技术方案
可以通过提供一种用于测量长度或体积的变化的传感器实现本发明的上述主要目标，所述传感器包括响应伸长生成电信号的材料。
用于本发明的传感器的材料优选地是压电聚合物。在本文中使用的术语“压电聚合物”指的是一些材料能够响应施加的机械应力生成电信号(电势或电流)。
优选地，压电聚合物选自聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯混合物、偏二氟乙烯共聚物或尼龙-11等。
此外，聚偏二氟乙烯混合物优选地选自聚偏二氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚醋酸乙烯酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚醋酸乙烯酯共聚物混合物等。
另外，偏二氟乙烯共聚物选自聚(偏二氟乙烯共三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共六氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共三氟氯乙烯)(poly(vinylidenefluoride-co-trichlorofluoroethylene))等。
优选地可以用于本发明的传感器的压电聚合物采用选自薄膜、薄片、圆柱、线、绞线、纤维、编织织物、纳米纤维网等的形式。
可以通过提供一种用于测量长度或体积变化的装置实现本发明的上述另一个目标，所述装置包括传感器，所述传感器包括响应伸长生成电信号的材料，其中所述传感器安装在测量对象上或周围，并且响应由于对象的长度或围长的增加产生的材料的伸长变形从电信号测量对象的长度或体积变化。
用水泥、钢等构造的结构，例如建筑结构(例如建筑物和住宅)、土木工程结构(例如桥梁、天桥和水坝)、轮船结构(例如油船和货船)、车辆(例如汽车和火车)，可以在需要测量由于弯曲等产生的线材的长度的变化或由于结构的围长的变化产生的体积的变化的部分配备有用于测量长度或体积变化的装置，并且由此可以获得该部分的长度或体积的变化。这样，可以连续地监测结构的安全性。
除了上述结构以外，本发明的用于测量长度或体积变化的装置可以用于需要测量它们的长度或体积的变化的部分。
本发明的传感器也可以应用于动物(例如牲畜和野生动物)和植物(例如树木)以测量动物身体或植物树干的长度、高度或围长的变化。因此，可以知道动物和植物的生长速度。
用于本发明的用于测量长度或体积变化的装置的材料优选地是压电聚合物。另外，压电聚合物优选地选自聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯混合物、偏二氟乙烯共聚物或尼龙-11等。
此外，聚偏二氟乙烯混合物优选地选自聚偏二氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚醋酸乙烯酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚醋酸乙烯酯共聚物混合物等。
另外，偏二氟乙烯共聚物选自聚(偏二氟乙烯共三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共六氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共三氟氯乙烯)等。
优选地可以用于本发明的传感器的压电聚合物采用选自薄膜、薄片、圆柱、线、绞线、纤维、编织织物、纳米纤维网等的形式。
可以通过提供一种用于测量呼吸率或心率的装置实现本发明的上述又一个目标，所述装置包括传感器，所述传感器包括响应伸长生成电信号的材料，其中所述传感器安装在测量生物上或周围，并且响应由于生物的围长的增加产生的材料的伸长变形从电信号测量生物的呼吸率或心率。
用于本发明的用于测量呼吸率或心率的装置的传感器响应心搏所生成的波或由于呼吸产生的动物的围长的变化伸长地变形。所以，本发明的用于测量呼吸率或心率的装置可以有效地用于通过本发明的传感器的伸长变形所生成的电信号测量动物的呼吸率或心率。
用于本发明的用于测量呼吸率或心率的装置的材料优选地是压电聚合物。另外，压电聚合物优选地选自聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯混合物、偏二氟乙烯共聚物或尼龙-11等。
此外，聚偏二氟乙烯混合物优选地选自聚偏二氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚醋酸乙烯酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚醋酸乙烯酯共聚物混合物等。
另外，偏二氟乙烯共聚物选自聚(偏二氟乙烯共三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共六氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共三氟氯乙烯)等。
优选地可以用于本发明的传感器的压电聚合物采用选自薄膜、薄片、圆柱、线、绞线、纤维、编织织物、纳米纤维网等的形式。
可以通过提供一种用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置实现本发明的上述再一个目标，所述装置包括响应伸长生成电信号的材料层；两个电极层，每个电极层覆盖所述材料层的各自侧面；和弹性带，其包裹所述材料层和所述两个电极层。
用于本发明的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置的材料优选地是压电聚合物。另外，压电聚合物优选地选自聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯混合物、偏二氟乙烯共聚物或尼龙-11等。
此外，聚偏二氟乙烯混合物优选地选自聚偏二氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚醋酸乙烯酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚醋酸乙烯酯共聚物混合物等。
另外，偏二氟乙烯共聚物选自聚(偏二氟乙烯共三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共六氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共三氟氯乙烯)等。
优选地可以用于本发明的传感器的压电聚合物采用选自薄膜、薄片、圆柱、线、绞线、纤维、编织织物、纳米纤维网等的形式。
本发明的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置的两个电极层选自Au、Ag、Cu、Pt、Al、Ni或Co等。此外，导线连接到两个电极层。
优选地，所述两个电极层的至少一个外侧面涂覆有聚合材料。聚合材料优选地至少选自聚丁橡胶或乳胶、异戊二烯橡胶或乳胶、氯丁二烯橡胶或乳胶、丁腈橡胶或乳胶、硅橡胶或乳胶、聚氨酯橡胶或乳胶、聚乙烯、聚酯、聚芳酯(polyaryl)、聚酰亚胺或聚醋酸酯(polyacetate)等。另外，聚合材料的涂层厚度优选地在100μm到5mm之间。
弹性带可以由常规弹性纤维产生，并且弹性带的拉伸应变优选地在0.1到0.4之间。
可以通过提供一种用于测量呼吸率或心率的系统实现本发明的再进一步目标，所述系统包括：感测单元，其包括响应伸长生成电信号的传感器；模拟信号处理单元，其从所述传感器测量的模拟信号消除噪声并且放大经消除噪声的模拟信号；模数转换单元，其将所述经消除噪声的模拟信号转换为数字信号；数字信号处理单元，其分析来自所述模数转换单元的数字信号并且由此计算呼吸率或心率；和显示单元，其显示来自所述数字信号处理单元的呼吸率或心率的数据。
本发明的用于测量呼吸率或心率的系统还可以包括辅助存储单元。可以通过存储在辅助存储单元中的患者的呼吸率和心率的数据检查患者的状况。
有益效果
本发明的传感器使得容易测量各种结构、动物和植物的长度或围长的变化。
另外，本发明的用于测量呼吸率或心率的装置不会为患者带来不舒服的感觉并且可以容易穿戴。而且，用于测量呼吸率或心率的装置对身体变化很敏感并且因此可以精确地测量呼吸率或心率。
附图说明
图1显示了压电效应的原理。
图2示出了本发明的包括压电聚合物的传感器的一个实施例。
图3是通过将图2的传感器插入两个弹性带之间制造的弹性带式装置的图像，和弹性带式装置围绕其系着的腕部的横截面图。
图4是本发明的用于测量呼吸率或心率的系统的配置。
图5-7是用于本发明的用于测量呼吸率或心率的系统的信号处理单元的输入缓冲电路(图5)、滤波电路(图6)以及放大和输出电路(图7)。
图8显示了当本发明的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置穿戴在休息中的人的右腕上时的(a)时域信号和(b)频域信号。
图9显示了当本发明的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置穿戴在休息中的人的胸上时的(a)时域信号和(b)频域信号。
图10显示了对于涂层硅橡胶的各种厚度，在本发明的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置围绕其系着的人的胸上测量的呼吸信号。
图11是心搏响应输出信号对穿戴在腕部上的本发明的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置的拉伸应变的曲线图。
图12是在不同身体位置测量的脉搏波信号的图形。
具体实施方式
在下文中，将参考以下例子和附图更详细地描述本发明。例子和附图仅仅被提供用于本发明的举例说明而不是限制本发明。
图1显示了根据本发明的传感器的压电效应的原理。当传感器沿厚度方向被加压时，传感器的厚度减小以改变传感器的电荷密度，并且由此改变沿厚度方向的电流(或感生电压)。电流(或电压)的幅度与施加压力的大小成比例。除了沿厚度方向加压之外，当传感器沿长度或宽度的方向被加压或伸长时，传感器的厚度也与施加压力的大小或伸长成比例地变化，这沿厚度方向感生电流(或电压)，所述电流(或电压)的幅度与施加压力的大小或伸长成比例。
图2示出了本发明的包括压电聚合物的传感器的一个实施例。参考图2，传感器包括压电聚合物膜21，覆盖压电聚合物膜21的各自侧面的电极层22，通过金属铆钉连接到电极层的导线23，和覆盖电极层的橡胶层24。
通过由压电聚合物的溶液浇铸或熔化成形制造的压电聚合物膜的单轴或双轴伸长来产生压电聚合物膜21。压电聚合物膜的厚度优选地为6μm到2,000μm。压电聚合物优选地选自聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯混合物、偏二氟乙烯共聚物或尼龙-11等。
此外，聚偏二氟乙烯混合物优选地选自聚偏二氟乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚醋酸乙烯酯混合物、聚偏二氟乙烯/聚醋酸乙烯酯共聚物混合物等。
另外，偏二氟乙烯共聚物选自聚(偏二氟乙烯共三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共六氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共三氟氯乙烯)等。
通过沿厚度方向施加高电势电晕极化伸长压电膜。在电晕极化之后，在伸长压电膜中随机定向的偶极沿着外部电势的方向对准。于是，电晕极化压电膜具有剩余极化强度(Pr)，原因是在去除外部电势之后沿着外部电势的方向对准的偶极并不恢复它们的随机取向。
传导电极附连到极化压电膜的两例并且因此传导电极层22以电容器的形式产生。可以通过在压电膜上施加银膏形成电极层。而且，金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)等可以通过溅射、真空热淀积、电子束蒸发等的方法淀积在压电膜上。优选地，电极层所附连到的压电膜的长度和宽度分别为5mm到300mm和5mm到25mm。
然后，导线23可以通过使用金属铆钉连接到涂覆有电极层并且被切割为预期尺寸的压电膜的上和下电极，并且小连接器和插头可以连接到导线的末端以便于本发明的传感器连接到信号处理单元。
如果需要的话，聚丁橡胶或乳胶、异戊二烯橡胶或乳胶、氯丁二烯橡胶或乳胶、丁腈橡胶或乳胶、硅橡胶或乳胶、聚氨酯橡胶或乳胶、聚乙烯、聚酯、聚芳酯(polyaryl)、聚酰亚胺或聚醋酸酯(polyacetate)等的聚合物涂层可以通过溶液浇铸形成于电极层所附连到的压电膜上以便防止电极层的磨损。而且，电极层所附连到的压电膜可以用聚乙烯、聚芳酯(polyaryl)、聚酰亚胺、聚醋酸酯(polyacetate)等的聚合物膜层压。优选的是，涂层的厚度为3mm到30mm并且层压的厚度为50mm到500mm。
不容易测量响应呼吸或心搏的电流或电势的变化，原因是如果本发明的压电聚合物膜围绕哺乳动物的胸、腹、头部、腕部和踝部系着，则响应呼吸或心搏的压电聚合物膜的厚度变化是可忽略的。
相反地，当本发明的压电聚合物膜围绕胸、腹、头部、腕部和踝部系着时，响应呼吸或心搏压电聚合物膜的围长容易沿长度的方向变化，并且因此容易测量响应呼吸或心搏的压电聚合物膜的电流或电势的变化。
然而，不容易将压电聚合物膜固定到胸、腹、头部、腕部和踝部，原因是压电聚合物膜的拉伸应变很小。所以，优选的是借助于由两个弹性带和嵌入其间的压电聚合物膜制造的弹性皮带围绕胸、腹、头部、腕部和踝部系着。然后，通过在呼吸或心搏期间胸、腹、头部、腕部和踝部的围长变化改变弹性皮带的长度。因此，可以通过嵌入弹性带之间的压电聚合物膜的长度变化来测量呼吸率或心率。
同时，当压电聚合物膜涂覆有保护层时，电极层与弹性带之间的粘合差并且因此在弹性带与电极层之间发生滑移。所以，从压电聚合物膜生成的电流(或电势)信号弱，原因是由于滑移压电聚合物膜并不与弹性带的伸长一起伸长。因此，难以监测心搏和呼吸。而且，当从身体去除弹性带式装置时带有低抗挠刚度的压电聚合物膜在返回它的原始长度的过程中起皱。
用聚合物膜(例如聚酯膜)层压的压电聚合物膜具有高抗挠刚度并且因此可以在返回到原始长度的过程中避免在压电聚合物膜中产生褶皱。然而，用聚合物膜(例如聚酯膜)层压的压电聚合物膜也具有高弹性模量，并且因此响应心搏和呼吸由胸、头部、腕部、踝部等的围长的增加产生的压电聚合物膜的纵向伸长量小于涂覆有保护层的压电聚合物膜。因此，应当大幅增加放大器的增益。然而在该情况下噪声信号也被放大，并且因此难以在没有很高效的滤波电路的情况下从噪声信号隔离纯心搏和呼吸信号。
为了解决上述问题，本发明人用硅基橡胶溶液(例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液)涂覆仅仅带有两个电极层的压电聚合物膜、均涂覆电极层并且然后涂覆聚合物膜的带有两个电极层的压电聚合物膜、均涂覆电极层并且然后与聚合物膜层压的压电聚合物膜的一个或两个侧面，达到优选100μm到5mm的厚度。
因此，当弹性带伸长时，压电聚合物膜的涂层表面与电极层的摩擦系数增加，并且因此压电聚合物膜的滑移减小，并且压电聚合物的抗挠刚度显著增加。因此，当从人体去除弹性带时同时也可以在返回原始长度的过程中避免褶皱的产生。弹性带可以由常规弹性纤维制造，但不限于此。
可以如下制造作为本发明的一个优选实施例用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置。两个电极层分别在其任一例所附连到的压电聚合物膜定位在比压电聚合物膜更宽和更长的第一弹性带和第二弹性带之间(在该情况下，第一弹性带的宽度等于第二弹性带的宽度并且弹性带的长度应当长于膜式压缩器的长度)。将两个弹性带缝合在一起以允许带有两个电极层的压电聚合物膜紧密地粘合到两个弹性带。连接到两个电极层的连接器或插头优选地固定在弹性带。
通过将一对魔术扣带(钩和毛圈扣带)或一对塑料带扣附连到弹性带使得容易安装或拆卸弹性带式装置。
图3是通过将图2的传感器插入两个弹性带之间制造的弹性带式装置的图像，和弹性带式装置围绕其系着的腕部的横截面图。
可以借助于本发明的弹性带式装置制造用于测量呼吸率或心率的系统。在图4中示出了本发明的用于测量呼吸率或心率的系统的一个实施例。
参考图4，本发明的用于测量呼吸率或心率的系统包括感测单元、模拟信号处理单元、模数转换单元、数字信号处理单元和显示单元。感测单元、模拟信号处理单元和显示单元可以体现为计算机。感测单元是嵌有压电聚合物膜的弹性带式装置。
模拟信号处理单元可以由已知方法制造，并且具体地，可以由连接到感测单元并且接收从感测单元测量的电信号的输入缓冲电路(图5)、滤波电路(图6)以及包括用于放大信号的放大电路的放大和输出电路(图7)组成。
模数转换单元、数字信号处理单元和显示单元可以是常规装置。
来自模拟信号处理单元(ASP单元)的模拟电压信号借助于数据采集板(DAQ板)中的模数转换器(ADC)被转换为数字信号，并且通过借助于软件(例如LabVIEW，Visual C++，Visual Basic，MatLAB等)分析数字信号获得的数据可以显示在显示单元(例如监视器)上，并且存储到辅助存储单元中。
来自胸、头部、腕部、踝部等的生物信号(例如心搏脉搏波和呼吸脉搏波)可以在实时的基础上被测量并且显示在监视器上，并且同时可以存储到外围设备(例如PC，PDA和独立设备)的辅助存储单元中。
来自感测单元的信号除了患者的心搏和呼吸之外包括来自身体变化的任何信号，并且因此在通过模拟信号处理单元之后另外被处理。从胸、腹、头部、腕部和踝部测量的包括心搏和呼吸信号的混合信号以实时波形显示在监视器上并且存储到辅助存储单元中。具体地，当患者穿戴本发明的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置时，心搏和呼吸波的混合信号被显示，然而容易在呼吸波和心搏波之间进行区分，原因是心搏波的幅度是呼吸波的幅度的1/10并且心搏波的频率是呼吸波的频率的3-6倍。通过将本发明的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置穿戴在未运动的患者的头部、腕部、踝部等上测量的信号仅仅与心搏关联，并且因此可以很容易地测量脉搏波速度。
本发明的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置的目标是测量和分析在全身麻醉下的患者以及轻度患者和正常人的精确实时呼吸和心搏图，并且预测患者的紧急情况使得立即通知医生、护士和卫生员紧急情况。另外，测得信号可以被数字化并且存储到各种存储设备中，并且以后医生可以追溯患者的状况。
而且，这些数字信息可以通过使用各种程序(例如使用LabVIEW，Visual C++，Visual Basic，MatLAB等的程序)进行分析并且通过常规通信系统立即通知附近的医院或公共机构。
例子
例子1.呼吸和心搏脉搏的测量
通过将本发明的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置稍紧地穿戴在腕部、踝部、头、胸等上执行本实验。将根据血管中的血流量的压力施加于弹性带式装置并且因此传感器变形。装置的变形由于压电效应从位于装置肉的传感器感生电信号。这样的感生信号由在图4-7中表示的根据本发明的用于测量呼吸率或心率的系统进行处理，并且然后作为实时波形显示在计算机监视器上。在图8(a)和图9(a)中显示了这些波形。
在图8(b)和图9(b)中示出了通过图8(a)和图9(a)中所示的实时波形的频域的快速傅立叶变换(FFT)获得的功率谱。
可以知道图8仅仅显示了从弹性带式装置穿戴在腕部上之后的与心搏关联的周期波形。功率谱的第一峰值出现在图8(a)的周期波形的FFT之后的1.2Hz并且因此心率被计算为1.2×60＝72min-1。
图9同时显示了从装置穿戴在胸上之后的周期呼吸波形(带有较大幅度)和心搏波形(带有较小幅度)。在波形的FFT之后，最大第一峰值出现在0.32Hz，幅度显著减小的第二峰值出现在0.64Hz，该频率是第一峰值的频率的两倍，并且幅度与第一峰值的幅度相比可忽略的第三峰值出现在0.96Hz，该频率是第一峰值的频率的三倍。所以，在0.32Hz出现的第一峰值与呼吸关联，并且因此呼吸率被计算为0.32×60＝19.2min-1。
在另一方面，由于实时心搏波形的幅度远远小于实时呼吸波形的幅度并且实时心搏波形的频率远远大于实时呼吸波形的频率，因此心搏的FFT峰值的幅度远远小于呼吸的第一FFT峰值并且远远大于呼吸的第三FFT峰值。所以，在1.28Hz的FFT峰值不是呼吸的第四FFT峰值，而是心搏的第一FFT峰值。因此，心率被计算为1.28×60＝76.8min-1。
例子2.涂覆在压电膜上的橡胶厚度对正在测量的信号的影响
为了找出涂覆在压电膜上的橡胶厚度对响应呼吸正在测量的信号的影响，以与例子1中相同的方式围绕胸分别系着三种类型的弹性带式装置，即，不带有硅橡胶涂层的压电膜传感器，带有1mm厚度的硅橡胶涂层的压电膜传感器，和带有2.5mm厚度的硅橡胶涂层的压电膜传感器，并且然后在与例子1中相同的条件下测量信号。在图10中显示了测得实时呼吸/心搏波形。
呼吸的实时信号与硅橡胶涂层的厚度成比例地增加。从这些结果可以理解，当橡胶涂层的厚度增加时，压电膜与弹性带之间的粘合提高并且由于弹性带的伸长产生的压电膜的滑移减小并且压电膜因此伸长。
例子3.弹性带的拉伸应变对正在测量的信号的影响
在带有不同拉伸应变的弹性带式装置穿戴在腕部上之后，以与例子1中相同的方式测量脉搏波的幅度，并且然后在图11中表示作为弹性带的拉伸应变的函数的脉搏波的幅度。
可以观察到当弹性带的拉伸应变增加到0.3时脉搏波的信号强度突然增加，并且然后当弹性带的拉伸应变增加超过0.3时脉搏波的信号强度突然减小。考虑到信号强度和本发明的弹性带的长时间舒适穿戴，发现0.25的拉伸应变是最合适的。
当穿戴带有高拉伸应变的弹性带式装置时，压电膜与弹性带之间的摩擦增加，并且因此压电膜的滑移减小使得响应呼吸或心搏的身体的围长变化增加。因此，压电聚合物膜响应弹性带的伸长很好地伸长，并且因此信号强度增加。然而，对于太高拉伸应变的情况，信号强度相反地减小，原因是响应呼吸和心搏的弹性带的伸长减小。而且，当带有很高拉伸应变的弹性带穿戴在腕部或踝部上时，由很高拉伸应变引起的压力阻塞动脉，并且因此难以测量脉搏波。
例子4.多通道脉搏波形和脉搏波速度(PWV)的测量
构造了一种多通道系统，其由例子1中的弹性带式装置同时穿戴在胸、头部、右腕和右踝上组成，并且在各种身体位置上通过多通道模数转换器和数据收集设备测量心搏波形。
同时，在实时基础上将测得数据显示在监视器上，并且从脉搏时间延迟测量和弹性带的预输入位置数据计算在身体位置的脉搏波速度。在本实验期间，呼吸停止10秒以便仅仅获得在胸部的心搏波形。
图12显示了在将本发明的弹性带式装置穿戴在胸、头部、右腕和右踝上之后在四个不同身体位置的脉搏波信号。
参考图12，可以观察到脉搏波延迟在胸的基础上按照头部、腕部和踝部的顺序增加。正常人从胸到头部、腕部和踝部的平均脉搏延迟时间分别为73ms，119ms和148ms，标准偏差小于或等于28ms。如上所述，可以通过测量在各种身体位置的脉搏延迟时间容易地检查动脉的健康状况。
工业实用性
本发明的传感器、装置和系统使得有可能测量动物(包括人)、植物等的一部分的长度或围长变化。所以，可以测量结构的安全性、植物的生长和动物(包括人)的呼吸率或心率。
本发明的用于测量呼吸率或心率的装置有利于测量呼吸率和心率，原因是该装置不会为患者带来不舒服的感觉，可以容易地穿戴，并且对身体变化很敏感。所以，该装置可以用作用于在急诊室、手术室和重症监护室等中测量患者的呼吸率和心率的手段，并且也可以用于患者监护系统。

Claims (33)

1.一种用于测量长度或体积的变化的传感器，所述传感器包括响应伸长生成电信号的材料。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述材料是压电聚合物。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述压电聚合物选自由聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)混合物、偏二氟乙烯共聚物和尼龙-11组成的组。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述聚(偏二氟乙烯)混合物选自由聚(偏二氟乙烯)/聚(甲基丙烯酸甲酯)混合物、聚(偏二氟乙烯)/聚(醋酸乙烯酯)混合物，和聚(偏二氟乙烯)/聚(醋酸乙烯酯)共聚物混合物组成的组。
5.根据权利要求3所述的传感器，其中所述偏二氟乙烯共聚物选自由聚(偏二氟乙烯共三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共六氟乙烯)和聚(偏二氟乙烯共三氟氯乙烯)组成的组。
6.根据权利要求2所述的传感器，其中所述压电聚合物的形式采用选自由薄膜、薄片、圆柱、线、绞线、纤维、编织织物和纳米纤维网组成的组。
7.一种用于测量长度或体积变化的装置，所述装置包括传感器，所述传感器包括响应伸长生成电信号的材料，其中所述传感器安装在测量对象上或周围，并且响应由于对象的长度或围长的增加产生的材料的伸长变形从电信号测量对象的长度或体积变化。
8.根据权利要求7所述的用于测量长度或体积变化的装置，其中所述材料是压电聚合物。
9.根据权利要求8所述的用于测量长度或体积变化的装置，其中所述压电聚合物选自由聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)混合物、偏二氟乙烯共聚物和尼龙-11组成的组。
10.根据权利要求9所述的用于测量长度或体积变化的装置，其中所述聚(偏二氟乙烯)混合物选自由聚(偏二氟乙烯)/聚(甲基丙烯酸甲酯)混合物、聚(偏二氟乙烯)/聚(醋酸乙烯酯)混合物，和聚(偏二氟乙烯)/聚(醋酸乙烯酯)共聚物混合物组成的组。
11.根据权利要求9所述的用于测量长度或体积变化的装置，其中所述偏二氟乙烯共聚物选自由聚(偏二氟乙烯共三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共六氟乙烯)和聚(偏二氟乙烯共三氟氯乙烯)组成的组。
12.根据权利要求8所述的用于测量长度或体积变化的装置，其中所述压电聚合物的形式采用选自由薄膜、薄片、圆柱、线、绞线、纤维、编织织物和纳米纤维网组成的组。
13.一种用于测量呼吸率或心率的装置，所述装置包括传感器，所述传感器包括响应伸长生成电信号的材料，其中所述传感器安装在测量生物上或周围，并且响应由于生物的围长的增加产生的材料的伸长变形从电信号测量生物的呼吸率或心率。
14.根据权利要求13所述的用于测量呼吸率或心率的装置，其中所述材料是压电聚合物。
15.根据权利要求14所述的用于测量呼吸率或心率的装置，其中所述压电聚合物选自由聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)混合物、偏二氟乙烯共聚物和尼龙-11组成的组。
16.根据权利要求15所述的用于测量呼吸率或心率的装置，其中所述聚(偏二氟乙烯)混合物选自由聚(偏二氟乙烯)/聚(甲基丙烯酸甲酯)混合物、聚(偏二氟乙烯)/聚(醋酸乙烯酯)混合物，和聚(偏二氟乙烯)/聚(醋酸乙烯酯)共聚物混合物组成的组。
17.根据权利要求15所述的用于测量呼吸率或心率的装置，其中所述偏二氟乙烯共聚物选自由聚(偏二氟乙烯共三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共六氟乙烯)和聚(偏二氟乙烯共三氟氯乙烯)组成的组。
18.根据权利要求13所述的用于测量呼吸率或心率的装置，其中所述压电聚合物的形式采用选自由薄膜、薄片、圆柱、线、绞线、纤维、编织织物和纳米纤维网组成的组。
19.一种用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，所述装置包括响应伸长生成电信号的材料层；两个电极层，每个电极层覆盖所述材料层的各自侧面；和弹性带，其包裹所述材料层和所述两个电极层。
20.根据权利要求19所述的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，其中所述材料是压电聚合物。
21.根据权利要求20所述的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，其中所述压电聚合物选自由聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)混合物、偏二氟乙烯共聚物和尼龙-11组成的组。
22.根据权利要求21所述的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，其中所述聚(偏二氟乙烯)混合物选自由聚(偏二氟乙烯)/聚(甲基丙烯酸甲酯)混合物、聚(偏二氟乙烯)/聚(醋酸乙烯酯)混合物，和聚(偏二氟乙烯)/聚(醋酸乙烯酯)共聚物混合物组成的组。
23.根据权利要求21所述的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，其中所述偏二氟乙烯共聚物选自由聚(偏二氟乙烯共三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共四氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯共六氟乙烯)和聚(偏二氟乙烯共三氟氯乙烯)组成的组。
24.根据权利要求19所述的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，其中所述压电聚合物的形式采用选自由薄膜、杆、编织织物和纳米纤维网组成的组。
25.根据权利要求19所述的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，其中所述两个电极层选自由Au、Ag、Cu、Pt、Al、Ni和Co组成的组。
26.根据权利要求19所述的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，其中所述弹性带由弹性纤维产生。
27.根据权利要求19所述的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，其中所述两个电极层的至少一个外侧面涂覆有聚合材料。
28.根据权利要求27所述的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，其中所述聚合材料是选自由聚丁橡胶或乳胶、异戊二烯橡胶或乳胶、氯丁二烯橡胶或乳胶、丁腈橡胶或乳胶、硅橡胶或乳胶、聚氨酯橡胶或乳胶、聚乙烯、聚酯、聚芳酯、聚酰亚胺或聚醋酸酯组成的组中的至少一种。
29.根据权利要求27所述的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，其中所述聚合材料的涂层厚度在100μm到5mm之间。
30.根据权利要求19所述的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，其中所述弹性带的拉伸应变在0.1到0.4之间。
31.根据权利要求19所述的用于测量呼吸率或心率的弹性带式装置，其中导线连接到所述两个电极层。
32.一种用于测量呼吸率或心率的系统，所述系统包括：
感测单元，其包括响应伸长生成电信号的传感器；
模拟信号处理单元，其从所述传感器测量的模拟信号消除噪声并且放大经消除噪声的模拟信号；
模数转换单元，其将所述经消除噪声的模拟信号转换为数字信号；
数字信号处理单元，其分析来自所述模数转换单元的数字信号并且由此计算呼吸率或心率；和
显示单元，其显示来自所述数字信号处理单元的呼吸率或心率的数据。
33.根据权利要求32所述的用于测量呼吸率或心率的系统，还包括辅助存储单元。
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