基于LC壓力傳感器的無線血壓測量系統*

王艷雙， 鮑凱凱， 陳 建， 賈 鑫， 陳德勇， 王軍波

(1.中國科學院 電子學研究所 傳感技術國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100039； 3.中國人民解放軍總醫院，北京 100853)

基于LC壓力傳感器的無線血壓測量系統*

王艷雙1,2， 鮑凱凱1,2， 陳 建1， 賈 鑫3， 陳德勇1， 王軍波1

(1.中國科學院 電子學研究所 傳感技術國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100039； 3.中國人民解放軍總醫院，北京 100853)

針對腹主動脈瘤腔內修復手術后內漏檢測困難的問題，設計了一種基于感容(LC)壓力傳感器的無線血壓測量系統。采用現場可編程門陣列(FPGA)芯片作為主控制單元，利用讀取線圈與傳感器之間的耦合作用實現傳感器信號的無線測量?；谥苯宇l率合成技術的正弦掃頻信號發生器產生驅動信號，基于互相關算法的離散傅立葉變換計算信號頻譜，兩者的結合有效提高了系統的測量精度和速度。實驗結果表明：系統的測量壓力分辨率和測量速度分別為285 Pa和24.1 Hz，為血壓的無線測量提供了一種有效方法。

LC壓力傳感器； 血壓測量； 無線無源； 植入式； 現場可編程門陣列

0 引 言

腹主動脈瘤是一種常見的血管疾病，一般通過手術切除并移植人工血管的方式治療。然而，這種治療方式不適于用心臟、肺或腎部患有疾病的人群[1]。1991年，Parodi J C等人發明了腹主動脈瘤腔內修復手術，其原理是將人工血管內支架導入腹主動脈瘤并固定在瘤體兩端，從而避免血流對瘤壁的沖擊[2]。然而，隨著腹主動脈瘤腔內修復手術的應用，各類并發癥也相繼浮現，其中最為嚴重的是內漏[3]。內漏使瘤腔遭受血流沖擊而增大甚至破裂，其發病率高達15 %～25 %。因此，需要對進行腹主動脈瘤腔內修復手術后的患者進行終生隨訪。

目前，適用于檢查內漏的主要方法有CT、血管造影、核磁共振以及超聲等[4]。然而，這些方法因其測量的間接性對內漏無法進行有效的檢測。研究表明，動脈瘤內壓力與內漏密切相關，是準確表征腹主動脈瘤狀態的關鍵參數[5]。因此，瘤體內血壓的測量可以作為內漏檢測的另一有效手段[6]。

目前，穿刺技術是用于人體內血壓測量的主要方法[6]。這種方法能夠有效地直接測量人體內的血壓，但是因為有感染的風險而不易用于腹主動脈瘤腔內修復手術后的隨訪。近年來，MEMS技術的進步促進了感容(induc-tance-capacitance,LC)LC壓力傳感器的發展，這類傳感器因其無線測量的特性而特別適用于人體生理參數的長期監測[7,8]。但是，由傳感器的工作原理可知，最終的測量性能不僅取決于傳感器本身，還受制于外圍測量電路的測量能力。因此，目前尚未出現能夠用于臨床診斷的無線血壓測量系統。

本文提出了一種基于LC傳感器的無線血壓測量系統。系統采用現場可編程門陣列(FPGA)作為主控芯片，通過將互相關算法和直接頻率合成技術相結合實現了測量精度和速度的提升，可以滿足血壓的臨床測量需求。

1 原 理

系統無線檢測的示意圖如圖1(a)所示，LC壓力傳感器的諧振頻率隨所受壓力變化[9]，傳感器經手術植入到腹主動脈瘤內，檢測電路通過測量讀取線圈的輸入阻抗變化得到傳感器的諧振頻率并上傳至上位機轉換成壓力實時顯示。圖1(b)是測量系統的等效電路圖。

圖1 系統測量原理

傳感器的本征諧振頻率f0和品質因數Q式分別為[10]

(1)

(2)

讀取線圈的等效輸入阻抗Zeq的表達式為

(3)

式中f為頻率。當f=f0時，Zeq簡化為

Zeq=j2πf0Lr(1+jQ2)

(4)

此時,Zeq的相位降至極小值[11]，下降幅度約為

Δφ≈tan-1(k2Q)

(5)

因此,相位是確定傳感器諧振頻率的一個理想參數[12]。

2 系統組成

系統功能框圖如圖2所示。

圖2 系統功能框圖

2.1 LC壓力傳感器

LC壓力傳感器由壓力敏感MEMS電容和電感兩部分組成。壓力敏感MEMS電容主要包括一個動極板和一個定極板，二者構成一個容積可變的腔室。當在動極板上施加壓力時，極板間距產生變化，從而導致電容的變化[13]。電感直接影響LC傳感器的串聯電阻以及傳感器和讀取線圈間的耦合系數，在確定器件性能時起決定性作用。受趨膚效應以及血管直徑的約束，電感使用的漆包線的直徑以及磁芯的尺寸分別為0.08 mm和φ4 mm×20 mm。

電感和電容最后經印刷電路板(PCB)串聯固定于聚四氟乙烯支架上。為使傳感器具有生物兼容性，最后在傳感器外部包裹一層20 μm厚的聚對二甲苯(parylene)。最終的傳感器(如圖3所示)尺寸為φ5 mm×35 mm，滿足血壓測量的需要。使用網絡分析儀(E5061B，Agilent Co，USA)測量的傳感器的等效串聯電氣參數：電容/100 pF,電感/10 mH,電阻/100 Ω。

圖3 LC傳感器實物圖

2.2 模擬前端電路

模擬前端電路包括信號轉換電路和阻抗提取電路兩部分。其中，信號轉換電路包括模/數、數/模轉換兩部分。為了提高轉化精度，降低量化噪聲，二者分別采用采樣速率和分辨率較高的ADS4122和DAC900芯片。阻抗提取電路包括驅動放大電路、差分檢測電路、放大濾波電路以及單端轉差分電路，如圖4所示。驅動放大電路用于放大DAC輸出的掃頻信號；差分檢測電路用于提取傳感器信號；放大濾波電路用于傳感器信號的放大和濾波處理；單端轉差分電路用于將信號轉換成易于ADC采樣的信號。

圖4 阻抗提取電路

2.3 數字信號處理子系統

數字信號處理子系統主要由頻譜計算IP核和MicroBlaze軟核兩部分組成。頻譜計算IP核由正弦掃頻信號發生器和虛、實部計算模塊兩部分組成。正弦掃頻信號發生器采用直接頻率合成技術實現，可以產生頻率間隔為40 Hz的正弦信號。虛、實部計算模塊采用互相關算法實現。由離散傅立葉變換可知，信號x(n)在頻率fx處的傅立葉變換可以表示為

(6)

式中N為信號的采樣點數，Ts為信號的采樣周期，kx=(fx/fs)×N，且fs=1/Ts。由式(6)可知，信號x(n)在kx處的離散傅立葉變換的虛部和實部分別為x(n)與同頻率的正、余弦信號的互相關函數。因此，通過設置正、余弦信號的起始頻率、終止頻率以及頻率間隔，可以得到信號x(n)在給定頻率范圍內的傅立葉變換。圖5為頻譜計算IP核的結構框圖，其中，正、余弦查找表和相位累加器通過直接頻率合成技術構成正、余弦信號發生器。起始頻率寄存器、頻率間隔寄存器以及控制寄存器通過頻率累加器間接控制正、余弦信號發生器的輸出信號，從而實現掃頻器的功能。此外，由式(6)可知，虛、實部計算模塊也需要正、余弦信號。因此，通過外加兩個乘加器以及正、余弦信號發生器的共享，頻譜計算模塊的功能得以實現。

圖5 頻譜計算IP核結構圖

MicroBlaze核是Xilinx公司在其FPGA產品中設計的嵌入式處理器軟核，其通過FSL總線與頻譜計算IP核雙向通信。頻譜信號在MicroBlaze中經降噪、峰值檢測后得到傳感器的諧振頻率。諧振頻率最后經藍牙傳至上位機并轉換成壓力值并實時顯示。整個數字信號處理子系統的運行由MicroBlaze核控制，程序流程圖如圖6所示。

圖6 MicroBlaze程序流程圖

2.4 上位機

上位機是整個測量系統的控制終端，通過藍牙控制下位機并實時顯示測量結果。上位機軟件采用C#語言編寫，具有“系統校準”、“單次測量”、“連續測量”、“數據傳輸”、“參數設定”和“測試”六大功能。

3 實驗與分析

3.1 系統標定

標定使用的壓力控制平臺主要包括壓力校準儀(DPI 610，Druck Co，UK)、塑膠壓力腔以及由步進電機控制的壓力源，如圖7所示。

圖7 壓力控制平臺

系統標定曲線如圖8所示，從中可以看出，系統的測量范圍為-10～40 kPa，靈敏度為0.14 kHz/kPa?？紤]到正弦掃頻信號發生器的頻率分辨率為40 Hz，因此，系統的壓力分辨率為285 Pa。標定時系統在5 min之內平均測量7 237個壓力值，因此，系統的測量速度約為24.1 Hz。

圖8 系統標定曲線

3.2 動物實驗

動物實驗在中國人民解放軍總醫院進行，所有動物實驗均符合中國國家標準《實驗動物環境及設施》(GB14925—2001)及相關規定。實驗設備如圖9所示，包括網絡分析儀、上位機、測量電路和讀取線圈等。為對比分析本系統的性能，實驗同時使用多通道生理記錄儀(PEG—1000G)測量腹主動脈處的血壓。

圖9 動物實驗使用設備

本系統的測量結果如圖10(a)所示，血壓周期性變化，周期約為2.35 Hz，對應心率約為141次/s。血壓長時波動范圍為75～115 mmHg，單個血壓周期的峰峰值約為30 mmHg。多通道生理記錄儀的測量結果如圖10(b)所示，血壓變化周期約為2.33 Hz，單個血壓周期的峰峰值約為32 mmHg。血壓長時波動范圍為105～145 mmHg，比本系統的測量結果高30 mmHg。經分析，這一誤差可能是傳感器標定與實驗的環境溫度不同造成的，可以通過校正系統標定時的環境溫度消除。

圖10 動物實驗結果

4 結 論

本文設計了一種基于LC壓力傳感器的無線血壓測量系統，其測量范圍為-10～40 kPa，壓力分辨率為285 Pa，測量速度為24.1 Hz。動物實驗表明：該系統的測量結果與醫用多通道生理記錄儀的測量結果相近，為血壓的無線測量提供了一種有效手段。

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Wireless blood pressure measuring system
based on LC pressure sensor*

WANG Yan-shuang1,2, BAO Kai-kai1,2, CHEN Jian1, JIA Xin3, CHEN De-yong1, WANG Jun-bo1

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China;3.Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,China)

In order to solve endoleak emerged after endovascular aneurysm repair,a wireless blood pressure measuring system based on LC pressure sensor is designed.A chip based on field programmable gate array(FPGA)is used as main processing unit and wireless measurement is realized using mutual coupling effect between the reader coil and the sensor.A sine signal generator based on direct digital frequency synthesis technology is used to generate driving signals and discrete Fourier transform based on cross-correlation algorithm is used to calculate frequency spectrum of signals.The combination of them improves precision and speed effectively.Experimental results demonstrate that the resolution and the speed of the system is 285 Pa and 24.1 Hz respectively,meaning that a new approach to measure blood pressure non-invasively is realized.

LC pressure sensor; blood pressure measurement; wireless and passive; implantable; field programmable gate array(FPGA)

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0117—04

TP 212.9

A

1000—9787(2017)02—0117—04

王艷雙(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電子通信與儀器儀表。

陳德勇(1967-)，男，通訊作者,研究員，主要從事MEMS物理傳感器的設計、制作、封裝及測試和微執行器及智能微系統等領域的研究工作,E—mail:dychen@mail.ie.ac.cn。