基于PVDF共聚物膜的柔性纳米心音传感器的设计及心音信号分类算法的研究
发布时间：2021-12-21 19:35
心音是心脏收缩舒张过程中产生的一种生理音,蕴含多种生理和病理信息,是心脏及血管机械运动状况的反映。心音听诊是心脏病早期诊断最常用的一种方法,传统的心音听诊无法将心音信号实时记录和分析。本文提出了一种心音识别系统的设计方案,该方案包括了对心音信号的传感、采集、去噪和机器分类方法,为疑似心脏病患者进行心音听诊提供了一种新的诊断方式。首先,本文针对传统心音听诊的弊端提出了一种基于聚偏氟乙烯（PVDF）-氧化锌（Zn O）共聚物的纳米柔性压电薄膜心音传感器的设计方案。作者研制并搭建了一套高压静电纺丝实验平台,基于该实验平台,作者制备并比较了纯PVDF、PVDF/Zn O和PVDF/石墨烯（GR）三种柔性纳米压电共聚物薄膜的压电特性。经扫描电镜观察,制备的压电薄膜纤维取向较为一致,薄膜的机械柔性较好。其次,针对压电性较好的PVDF/Zn O共聚物压电薄膜进行“三明治”式的封装保护,制作了柔性心音传感器。作者设计并实现了PVDF/Zn O共聚物柔性心音传感器的调理电路,该电路包括电荷放大电路、电压放大电路和偏置电路。调理电路将柔性心音传感器获得的微弱心音信号放大后,送入USB-6008数据采集卡。...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)正压电效应图2.1(b)逆压电效应图2.1压电效应示意图
杭州电子科技大学硕士学位论文11输出电压（U）50-5外力（F）-2002000图2.2PVDF压电薄膜动态响应曲线图2.1.3.2PVDF压电薄膜的压电方程压电效应的物态方程反应了晶体电学量(E，D)和力学量(T，S)之间的相互关系，因此压电方程如式(2.3)TiippijiD=dT+E(2.3)式中：T是引起形变的压力，E是电场强度，Tij是介电常数矩阵的转置矩阵，d是压电应变常数矩阵，D是电位移，其中i，j可以取1,2,3，p可取1,2,3,4,5,6。选取x轴为拉伸方向，z轴垂直于膜面平行于极化方向，y轴右手定则选取，如图2.3所示。PVDF薄膜的压电常数矩阵为[35]：15243131330000000000000dddddd=(2.4)图2.3PVDF压电薄膜极化方向示意图单位面积的PVDF薄膜极化后，在受外力作用时产生的电荷如式(2.5)所示z31xx32yy33zzD=d+d+d(2.5)式(2.5)中，xx、yy、zz分别为沿不同方向的外力，zD为垂直于极化方向上产生的电荷，由于是单位面积可以理解为zD是面电荷密度。
杭州电子科技大学硕士学位论文13米纤维的制备，研究表明这些促极化颗粒在PVDF纳米纤维的形成过程中可以促进β相PVDF的形成[55]。目前已知可用作诱导结晶的材料包括碳纳米管和环氧石墨烯，钛酸钡作为一种已知的压电陶瓷也可以起到促β相PVDF形成的作用。2.2心音信号的理论基础2.2.1心音信号的形成每个人的心脏都有两个心室和两个心房构成，分别是左心房、左心室、右心房和右心室。心房与心室之间通过二尖瓣和三尖瓣瓣膜来隔开。心脏的具体构造如图2.4所示图2.4心脏的结构图心脏的收缩流程是这样的，上腔静脉和下腔静脉负责将静脉血送人心脏，再由右心室进入肺部，进行二氧化碳与氧气的交换，交换后的动脉血会流入左心房，然后进入主动脉送往全身各处[56]。在血液经过心脏流通时，三尖瓣瓣膜会先开启，在肺部进行氧气交换后。流回心脏后二尖瓣瓣膜会开启。正常心音通常是能听到的是第一心音(S1)和第二心音(S2)。由二尖瓣和三尖瓣的关闭产生的声音信号是第一心音，这是心脏开始收缩的标志。第二心音主要是肺动脉和主动脉瓣的关闭而引起的生理音，其产生时间是在血液由心室注入到心房的过程中。如图2.5所示为正常心音信号的时域图。除此之外还有一些特殊的心音信号，比如第三心音(S3)、第四心音(S4)与心脏杂音，第三心音由心房急速进入心室的血流突然减速引起室壁振动所产生，其产生时间在心室舒张早期，因从。生理性第三心音指健康青少年可听到的，其产生与心血管功能状态有关，随着年龄的增长发生频率逐渐降低。病理性第三心音是心室、心肌功能异常的表征，在临床常有心肌损害的情况，如心力衰竭、心肌梗死或房室瓣关闭不全等。第四心音是又称心房音，发生在心室舒张晚期，是由于心房收缩后血液引起的心房肌突然震动而产生的，它发生在第一心音?
【参考文献】：
期刊论文
[1]《中国心血管病报告2018》概要[J]. 胡盛寿,高润霖,刘力生,朱曼璐,王文,王拥军,吴兆苏,李惠君,顾东风,杨跃进,郑哲,陈伟伟. 中国循环杂志. 2019(03)
[2]卷积神经网络应用于先心病心音信号分类研究[J]. 谭朝文,王威廉,宗容,潘家华,朱莉莉. 计算机工程与应用. 2019(12)
[3]PVDF薄膜单轴拉伸及交流极化特性研究[J]. 覃双,张旭,赵锋,包润溪,任青毅,钟斌. 中国测试. 2018(10)
[4]基于PVDF压电传感器的足底压力测量系统[J]. 李琳杰,赵伟博. 传感器与微系统. 2018(05)
[5]PVDF压电薄膜传感特性研究[J]. 丁贝贝,吴先梅,韩星晨,陈家熠. 压电与声光. 2018(02)
[6]基于MFCC的心音信号特征提取及识别研究[J]. 刘翔,孙静,赵洋,王威廉. 电子测量技术. 2018(02)
[7]S1和S2共振峰频率在心音分类识别中的应用[J]. 成谢锋,陈亚敏. 南京邮电大学学报(自然科学版). 2017(05)
[8]基于柔性基底的压电能量收集器的设计[J]. 骆懿,梅开煌. 传感技术学报. 2017(08)
[9]进程择优法及在心音深度信任网络中的应用[J]. 成谢锋,杨贺,马勇,张学军,张少白,王悦. 计算机学报. 2018(01)
[10]基于PVDF压电传感器的智能外骨骼的研究[J]. 徐毅,万舟,潘奇. 国防科技. 2016(05)
硕士论文
[1]静电纺聚偏氟乙烯纤维膜制备及压电性能优化研究[D]. 潘恒祥.东华大学 2016
[2]心音呼吸音可视电子听诊系统[D]. 施剑锋.浙江大学 2007
本文编号：3545053
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)正压电效应图2.1(b)逆压电效应图2.1压电效应示意图
杭州电子科技大学硕士学位论文11输出电压（U）50-5外力（F）-2002000图2.2PVDF压电薄膜动态响应曲线图2.1.3.2PVDF压电薄膜的压电方程压电效应的物态方程反应了晶体电学量(E，D)和力学量(T，S)之间的相互关系，因此压电方程如式(2.3)TiippijiD=dT+E(2.3)式中：T是引起形变的压力，E是电场强度，Tij是介电常数矩阵的转置矩阵，d是压电应变常数矩阵，D是电位移，其中i，j可以取1,2,3，p可取1,2,3,4,5,6。选取x轴为拉伸方向，z轴垂直于膜面平行于极化方向，y轴右手定则选取，如图2.3所示。PVDF薄膜的压电常数矩阵为[35]：15243131330000000000000dddddd=(2.4)图2.3PVDF压电薄膜极化方向示意图单位面积的PVDF薄膜极化后，在受外力作用时产生的电荷如式(2.5)所示z31xx32yy33zzD=d+d+d(2.5)式(2.5)中，xx、yy、zz分别为沿不同方向的外力，zD为垂直于极化方向上产生的电荷，由于是单位面积可以理解为zD是面电荷密度。
杭州电子科技大学硕士学位论文13米纤维的制备，研究表明这些促极化颗粒在PVDF纳米纤维的形成过程中可以促进β相PVDF的形成[55]。目前已知可用作诱导结晶的材料包括碳纳米管和环氧石墨烯，钛酸钡作为一种已知的压电陶瓷也可以起到促β相PVDF形成的作用。2.2心音信号的理论基础2.2.1心音信号的形成每个人的心脏都有两个心室和两个心房构成，分别是左心房、左心室、右心房和右心室。心房与心室之间通过二尖瓣和三尖瓣瓣膜来隔开。心脏的具体构造如图2.4所示图2.4心脏的结构图心脏的收缩流程是这样的，上腔静脉和下腔静脉负责将静脉血送人心脏，再由右心室进入肺部，进行二氧化碳与氧气的交换，交换后的动脉血会流入左心房，然后进入主动脉送往全身各处[56]。在血液经过心脏流通时，三尖瓣瓣膜会先开启，在肺部进行氧气交换后。流回心脏后二尖瓣瓣膜会开启。正常心音通常是能听到的是第一心音(S1)和第二心音(S2)。由二尖瓣和三尖瓣的关闭产生的声音信号是第一心音，这是心脏开始收缩的标志。第二心音主要是肺动脉和主动脉瓣的关闭而引起的生理音，其产生时间是在血液由心室注入到心房的过程中。如图2.5所示为正常心音信号的时域图。除此之外还有一些特殊的心音信号，比如第三心音(S3)、第四心音(S4)与心脏杂音，第三心音由心房急速进入心室的血流突然减速引起室壁振动所产生，其产生时间在心室舒张早期，因从。生理性第三心音指健康青少年可听到的，其产生与心血管功能状态有关，随着年龄的增长发生频率逐渐降低。病理性第三心音是心室、心肌功能异常的表征，在临床常有心肌损害的情况，如心力衰竭、心肌梗死或房室瓣关闭不全等。第四心音是又称心房音，发生在心室舒张晚期，是由于心房收缩后血液引起的心房肌突然震动而产生的，它发生在第一心音?
【参考文献】：
期刊论文
[1]《中国心血管病报告2018》概要[J]. 胡盛寿,高润霖,刘力生,朱曼璐,王文,王拥军,吴兆苏,李惠君,顾东风,杨跃进,郑哲,陈伟伟. 中国循环杂志. 2019(03)
[2]卷积神经网络应用于先心病心音信号分类研究[J]. 谭朝文,王威廉,宗容,潘家华,朱莉莉. 计算机工程与应用. 2019(12)
[3]PVDF薄膜单轴拉伸及交流极化特性研究[J]. 覃双,张旭,赵锋,包润溪,任青毅,钟斌. 中国测试. 2018(10)
[4]基于PVDF压电传感器的足底压力测量系统[J]. 李琳杰,赵伟博. 传感器与微系统. 2018(05)
[5]PVDF压电薄膜传感特性研究[J]. 丁贝贝,吴先梅,韩星晨,陈家熠. 压电与声光. 2018(02)
[6]基于MFCC的心音信号特征提取及识别研究[J]. 刘翔,孙静,赵洋,王威廉. 电子测量技术. 2018(02)
[7]S1和S2共振峰频率在心音分类识别中的应用[J]. 成谢锋,陈亚敏. 南京邮电大学学报(自然科学版). 2017(05)
[8]基于柔性基底的压电能量收集器的设计[J]. 骆懿,梅开煌. 传感技术学报. 2017(08)
[9]进程择优法及在心音深度信任网络中的应用[J]. 成谢锋,杨贺,马勇,张学军,张少白,王悦. 计算机学报. 2018(01)
[10]基于PVDF压电传感器的智能外骨骼的研究[J]. 徐毅,万舟,潘奇. 国防科技. 2016(05)
硕士论文
[1]静电纺聚偏氟乙烯纤维膜制备及压电性能优化研究[D]. 潘恒祥.东华大学 2016
[2]心音呼吸音可视电子听诊系统[D]. 施剑锋.浙江大学 2007
本文编号：3545053
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