柔性压力传感器的制备及其在指尖脉搏监测上的应用

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脉搏信号是一种重要的生物医学信号,包含很多与心血管疾病相关的信息。尽管在疾病的早期阶段身体还没有表现出明显的症状,但是人体的生理和病理信息可以反映在脉搏波形上,这对早期诊断或治疗心血管疾病有很大的帮助。因此,监测人体的脉搏信号已经成为当下研究的热点。在过去,中医把脉是人们用来了解脉搏波信号的常用方法,通过在桡动脉处把脉感知脉搏的情况从而判断病理情况。然而,这种方式不能将脉搏波形记录下来,且受到中医的经验和主观意识的影响,不同的医生可能会有差异很大的分析结果,不能客观和准确地通过脉搏信号来分析病人的病理情况。因此,研究一种用来定量、客观地进行脉搏信号监测的方法具有重要的意义。随着科技的进步,科研人员开发了柔性压力传感器用于监测桡动脉的脉搏信号。这种方式可以客观地记录人体的脉搏波形以便于医生更准确地分析病理情况。手腕处的桡动脉经常被用来把脉或进行脉搏波的监测。然而,人体桡动脉处的皮肤通常呈现出内凹的状态,传感器很难以稳定接触桡动脉处的皮肤表面。同时,在监测桡动脉处的脉搏信号过程中,随着手部的弯曲会出现信号不稳定的现象。因此需要探索合适的位置以便于迅速、稳定地监测到脉搏信号。人体指尖处的皮肤通常是外凸状态,手部的运动不会影响传感器与皮肤之间的界面。因此,对于长期监测稳定脉搏信号而言,指尖被认为是合适的监测部位,监测指尖处的脉搏信号比桡动脉处的脉搏信号更稳定。而指尖脉搏的信号微弱,不易得到准确的脉搏信号,这就需要一个高灵敏度的压力传感器以获得指尖脉搏信号。为实现脉搏信号的高灵敏传感及长期稳定的监测,本文制备了高灵敏的离子型柔性传感器件。该器件以离子液体活化的纤维作为介电层,在聚酰亚胺(CPI)薄膜表面沉积一层厚度为60-70 nm的金(Au)得到的CPI/Au薄膜做为器件的电极。器件制备成本低,具有高灵敏度和较宽的线性范围。我们对传感器的性能进行一系列的表征,压力值达到200 kPa时其灵敏度仍然高达13.5 kPa-1。传感器具有快速的响应时间,约为30 ms。器件的离子特性体现在电容的响应随着测试频率的增加而降低。在5000次的压缩循环和3000次的弯曲循环下依然保持良好的稳定性。将该器件应用于脉搏信号传感时,得益于其高灵敏特性,该器件可以实现对人体不同表皮部位进行信号传感,例如指尖,颈部,手臂,脚背等部位。研究结果发现,相比于桡动脉,在手部和其他肢体部位的运动下,监测指尖处的脉搏信号比桡动脉处的脉搏信号更稳定。此外,研究了不同性别和年龄的测试者的指尖脉搏信号,呼吸状态和运动前后对指尖脉搏信号的影响,研究结果说明人体生理情况的变化可以从指尖脉搏信号中反映出来。本文研究的监测指尖脉搏信号这一技术可以为早期诊断和分析心血管疾病提供有参考意义的信息。有望帮助医生实现远程监测,即根据脉搏波形可在线获取和分析人体的生理和病理信息,从而给予病人相关的治疗建议,缓解看病需要排长队的问题。目前类似的技术尚未成熟,具体的情况还需要医生来判断和分析,同时仍需要更多的研究数据来辅助医生确定病情。
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