柔性超声波微传感器研制及其对人体动脉血压检测
发布时间：2021-10-18 15:12
心脑血管类疾病是当今人类健康的头号杀手,对其早期的诊断和发病治疗均十分困难。人体动脉血压波形蕴含着丰富的心脏、血管、血压等脏器的生理信息,是临床上评估这类疾病的重要手段。目前针对连续动脉压波形检测的商用仪器多为传统刚性结构,难以做到微型化、集成化和智能化,无法对人们日常生活中动脉血压波形进行连续、实时、长期监测。鉴于此,本课题拟开发出柔性超声波血压传感器,可贴附于体表实现日常血压波形的无创连续检测,为人体健康监测和疾病预测智慧医疗微系统提供硬件支持。首先研究了传统医用超声传感器的结构及功能,探究了基于脉冲-回波法的动脉血压波形无创连续检测原理,根据器件的工作原理完成了传感器的总体结构设计,主要包括柔性电极层、压电阵列层、粘结层和封装层四个部分,并对传感器各组件的结构设计和选材进行了深入讨论。其次,采用仿真软件对传感器进行模态分析和声场分析,以传感器的发射频率和指向性为目标,对传感器结构及相应特征参数进行优化设计,并对传感器的发射功率、中心位移幅值和发射电压响应等相关性能指标进行了仿真研究。仿真结果表明:所设计的器件谐振频率为2.068MHz,发射功率为7.64W。进一步地,基于器件结构...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
世界卫生组织2018年发布的2006-2016全球致死前十原因
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2外界影响因素较大，需要定期校准[3]。党中央一直把人民生命健康放在优先发展的战略地位，为提高我国人民健康水平，对心脑血管疾病做到早检测、早发现、早治疗，亟需开展针对动脉压实时监测的微传感器新原理、新结构、新器件的研究。目前基于力、电、电化学等原理的检测方式对动脉血压的测量受皮肤组织的影响较大，而超声波有着指向性强、穿透性好、能量高等诸多优点，其在彩超、超声碎石、超声波手术刀等医学检测和治疗中已发挥着广泛而重要作用。因此，需要深入研究柔性超声传感器及其阵列的构筑方法，探索动脉压超声波检测原理，建立动脉压波形与传感器输出的电信号之间的关系模型，实现对人体动脉压非侵入式、实时、连续的检测，为心血管疾病的早期发现、预防、治疗提供硬件支持。1.2国内外研究现状及分析1.2.1人体动脉压波形的无创检测方法人体动脉压压力波形的获取主要分为有创动脉压测量方法和无创动脉压测量方法[4]。其中，有创检测虽然是动脉压力波形测量的金标准，但是由于其创伤性大、价格昂贵、操作难度高，并且患有凝血障碍的患者无法使用，因此该方法的使用场合极其有限。我们日常生活中常见到的基于柯式音法的水银式血压计以及基于示波法的电子血压计大多是袖带式的，由于存在充放气的过程，故无法长时间测量人体血压的连续值。现有无创的动脉压波形测量方法研究主要集中在脉搏波测量法和超声法两种。图1-2脉搏波传递时间示意图（1）脉搏波测量法如图1-2所示，脉搏波传递时间（PulseTransmitTime，PTT）是通过计算锁骨下动脉（动脉开始端）和股动脉（动脉结束端）的脉搏时间差，并已知该段血
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文7的像具有良好的对比度（~10×）和较高的分辨率（100μm），该成果可应用在高分辨率的短程超声成像。图1-10D.A.Horsley课题组制作的微型超声传感器阵列为克服压电超声传感器普遍存在的带宽不足问题，2015年新加坡国立大学的C.K.Lee课题组[17]使用PZT压电陶瓷设计并制作了一种大长宽比结构传感器，如图1-11所示，可在较窄频率范围内同时激发多种振动模态，实验测得该器件在水中具有95%的-6dB带宽，远高于传统超声波器件，工作时可同时保证较高的像深和轴向分辨率，具备替代传统超声成像传感器的潜力。图1-11C.K.Lee课题组制作的超高带宽微型超声波传感器国内也围绕这一方面进行了研究，2008年，中科院声学所的郝震宏团队[18]使用氧化锌薄膜制作了微型超声传感器，测得谐振频率为71.36kHz，并进行了初步的发射接收实验。2013年，苏州医工所的李章剑团队[19]通过有限元分析了微型压电超声传感器各组成部分的厚度影响规律，并通过改变匹配层厚度改善了传感器的辐射声场特性。同年，任天令课题组[20]在2013年使用锆钛酸铅研制出了超高密度的压电超声传感器阵列，如图1-12所示，振元间距仅20μm，同时开发了厚压电膜沉积、低应力硅-硅键合和体硅去除等关键制造工艺，该传感器可应用于高质量的三维医学成像。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中心动脉压力波形无创检测仪[J]. 姜志豪,姚阳,齐林,郝丽玲,徐礼胜,孙英贤. 生命科学仪器. 2017(04)
[2]医用50MHz超声换能器材料厚度影响仿真研究[J]. 李章剑,邵维维,崔崤峣,韩志乐. 压电与声光. 2014(02)
[3]压电MEMS超声换能器研究进展[J]. 栾桂冬. 应用声学. 2012(03)
[4]中国高血压防治指南2010[J]. 刘力生. 中华高血压杂志. 2011(08)
[5]基于ZnO压电薄膜的弯曲振动硅微压电超声换能器的研究[J]. 郝震宏,汪承灏,乔东海. 声学学报(中文版). 2010(01)
[6]压电超声换能器的应用与发展[J]. 贾宝贤,边文凤,赵万生,王振龙. 压电与声光. 2005(02)
[7]无创血压检测技术[J]. 樊海涛,叶学松,段会龙. 中国医疗器械信息. 2004(05)
[8]成人右侧桡动脉舒张期最大内径分布调查[J]. 贾三庆,郭春艳,滕一星,宁静,张谦. 中国介入心脏病学杂志. 2004(03)
[9]PET改性研究进展[J]. 陈俊,刘正英,黄锐,殷茜,唐翌. 中国塑料. 2003(06)
[10]导电胶的研究进展[J]. 倪晓军,梁彤翔. 电子元件与材料. 2002(01)
硕士论文
[1]面向骨质损伤辅助治疗的柔性压电超声换能器研究[D]. 朱奇峰.苏州大学 2018
[2]超声换能器声匹配层设计方法及其声学特性研究[D]. 牛今丹.哈尔滨工业大学 2014
[3]基于PZT厚膜的MEMS超声换能器[D]. 张晋弘.中国科学技术大学 2009
[4]磁控溅射制备Al膜和Cu膜的结构与性能研究[D]. 程丙勋.四川大学 2007
本文编号：3443018
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
世界卫生组织2018年发布的2006-2016全球致死前十原因
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2外界影响因素较大，需要定期校准[3]。党中央一直把人民生命健康放在优先发展的战略地位，为提高我国人民健康水平，对心脑血管疾病做到早检测、早发现、早治疗，亟需开展针对动脉压实时监测的微传感器新原理、新结构、新器件的研究。目前基于力、电、电化学等原理的检测方式对动脉血压的测量受皮肤组织的影响较大，而超声波有着指向性强、穿透性好、能量高等诸多优点，其在彩超、超声碎石、超声波手术刀等医学检测和治疗中已发挥着广泛而重要作用。因此，需要深入研究柔性超声传感器及其阵列的构筑方法，探索动脉压超声波检测原理，建立动脉压波形与传感器输出的电信号之间的关系模型，实现对人体动脉压非侵入式、实时、连续的检测，为心血管疾病的早期发现、预防、治疗提供硬件支持。1.2国内外研究现状及分析1.2.1人体动脉压波形的无创检测方法人体动脉压压力波形的获取主要分为有创动脉压测量方法和无创动脉压测量方法[4]。其中，有创检测虽然是动脉压力波形测量的金标准，但是由于其创伤性大、价格昂贵、操作难度高，并且患有凝血障碍的患者无法使用，因此该方法的使用场合极其有限。我们日常生活中常见到的基于柯式音法的水银式血压计以及基于示波法的电子血压计大多是袖带式的，由于存在充放气的过程，故无法长时间测量人体血压的连续值。现有无创的动脉压波形测量方法研究主要集中在脉搏波测量法和超声法两种。图1-2脉搏波传递时间示意图（1）脉搏波测量法如图1-2所示，脉搏波传递时间（PulseTransmitTime，PTT）是通过计算锁骨下动脉（动脉开始端）和股动脉（动脉结束端）的脉搏时间差，并已知该段血
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文7的像具有良好的对比度（~10×）和较高的分辨率（100μm），该成果可应用在高分辨率的短程超声成像。图1-10D.A.Horsley课题组制作的微型超声传感器阵列为克服压电超声传感器普遍存在的带宽不足问题，2015年新加坡国立大学的C.K.Lee课题组[17]使用PZT压电陶瓷设计并制作了一种大长宽比结构传感器，如图1-11所示，可在较窄频率范围内同时激发多种振动模态，实验测得该器件在水中具有95%的-6dB带宽，远高于传统超声波器件，工作时可同时保证较高的像深和轴向分辨率，具备替代传统超声成像传感器的潜力。图1-11C.K.Lee课题组制作的超高带宽微型超声波传感器国内也围绕这一方面进行了研究，2008年，中科院声学所的郝震宏团队[18]使用氧化锌薄膜制作了微型超声传感器，测得谐振频率为71.36kHz，并进行了初步的发射接收实验。2013年，苏州医工所的李章剑团队[19]通过有限元分析了微型压电超声传感器各组成部分的厚度影响规律，并通过改变匹配层厚度改善了传感器的辐射声场特性。同年，任天令课题组[20]在2013年使用锆钛酸铅研制出了超高密度的压电超声传感器阵列，如图1-12所示，振元间距仅20μm，同时开发了厚压电膜沉积、低应力硅-硅键合和体硅去除等关键制造工艺，该传感器可应用于高质量的三维医学成像。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中心动脉压力波形无创检测仪[J]. 姜志豪,姚阳,齐林,郝丽玲,徐礼胜,孙英贤. 生命科学仪器. 2017(04)
[2]医用50MHz超声换能器材料厚度影响仿真研究[J]. 李章剑,邵维维,崔崤峣,韩志乐. 压电与声光. 2014(02)
[3]压电MEMS超声换能器研究进展[J]. 栾桂冬. 应用声学. 2012(03)
[4]中国高血压防治指南2010[J]. 刘力生. 中华高血压杂志. 2011(08)
[5]基于ZnO压电薄膜的弯曲振动硅微压电超声换能器的研究[J]. 郝震宏,汪承灏,乔东海. 声学学报(中文版). 2010(01)
[6]压电超声换能器的应用与发展[J]. 贾宝贤,边文凤,赵万生,王振龙. 压电与声光. 2005(02)
[7]无创血压检测技术[J]. 樊海涛,叶学松,段会龙. 中国医疗器械信息. 2004(05)
[8]成人右侧桡动脉舒张期最大内径分布调查[J]. 贾三庆,郭春艳,滕一星,宁静,张谦. 中国介入心脏病学杂志. 2004(03)
[9]PET改性研究进展[J]. 陈俊,刘正英,黄锐,殷茜,唐翌. 中国塑料. 2003(06)
[10]导电胶的研究进展[J]. 倪晓军,梁彤翔. 电子元件与材料. 2002(01)
硕士论文
[1]面向骨质损伤辅助治疗的柔性压电超声换能器研究[D]. 朱奇峰.苏州大学 2018
[2]超声换能器声匹配层设计方法及其声学特性研究[D]. 牛今丹.哈尔滨工业大学 2014
[3]基于PZT厚膜的MEMS超声换能器[D]. 张晋弘.中国科学技术大学 2009
[4]磁控溅射制备Al膜和Cu膜的结构与性能研究[D]. 程丙勋.四川大学 2007
本文编号：3443018
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