可用于远程人体脉搏信息恢复的微流泵及其系统研究

李欣然,张 维,刘国华,阳春霞,赵迎新*,慈 骋,唐 然,穆巍炜,王 冲,吴 虹

(1.南开大学电子信息与光学工程学院,天津 300350;2.天津市光电传感器与传感网络技术重点实验室,天津 300350)



可用于远程人体脉搏信息恢复的微流泵及其系统研究

李欣然1,2,张 维1,2,刘国华1,2,阳春霞1,赵迎新1,2*,慈 骋1,2,唐 然1,2,穆巍炜1,2,王 冲1,2,吴 虹1,2

(1.南开大学电子信息与光学工程学院,天津 300350;2.天津市光电传感器与传感网络技术重点实验室,天津 300350)

为了改进当前脉博恢复技术存在的不足,设计了一种新型微流泵,并且在此基础上构建了完整的脉搏恢复系统。首先,利用有机玻璃作为基底、聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为泵膜,设计并制作了不同尺寸的微流泵。随后,为微流泵配备了外围电路,使其在电磁装置的驱动下正常工作,实现完整的脉搏恢复功能。最后,通过HK2010脉搏传感器采集脉搏数据、观察恢复出的波形,验证了微流泵技术应用于中医脉诊研究领域的可行性。

中医脉诊;脉搏恢复;微流泵;传感器应用

近年来,远程医疗技术在全世界范围内的发展和应用,为中医诊断技术的远程化和规范化奠定了基础。目前远程中医诊断技术研究主要依靠的是计算机及网络技术、传感技术和通讯技术[1-2],实现中医望诊、闻诊及问诊,而远程脉诊的研究与临床应用还存在很多困难。在医生与患者分隔两地的情况下,如何帮助医生感知患者桡动脉显现的丰富信息,进一步判别患者的病因、病机和病位,一直是困扰广大科研工作者的难题。现有的脉象仪只能获取脉搏跳动的频率、强度等基本信息,无法在医生端将患者的脉搏跳动完全还原出来,与传统的诊脉方法差别较大。而很多科研机构设计的脉象模拟或者恢复装置,其工作原理往往采用液压系统来模拟血液循环,即通过步进电机驱动传动丝杠和活塞,将封闭液路中弹性人造脉管的人造血液压出和吸入[3],利用类似注射器的原理推动人造血液运动,使脉管产生相应的膨胀和收缩,最终形成脉搏波动。用这样的系统模拟脉象的形成过程仍然存在如下几点不足:方法本身比较复杂、影响模拟效果的因素较多、原理上与心脏供血方式差别较大,这就使得最终的恢复结果与原始脉搏的相关性较差,需要探索更加科学的解决方案。

微流泵具有结构轻巧、运行可靠、成本低廉等诸多优点,近年来已经引起了越来越多科研工作者的广泛关注[4-9]。本文对生物医学检测系统中广泛使用的微流控技术进行了深入研究,提出了一种新型微流泵,利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的厚膜作为泵膜解决脉搏恢复的难题。该微流泵结构简单直观,易于制备和携带,同时比较适合添加外围驱动电路来控制其中液体的流向和内部的压力。本文旨在以该微流泵为基础建立脉搏恢复系统,将来自患者端的脉搏信号尽可能真实地再现出来,为医生还原尽量真实的切脉环境,为远程脉诊的研究提供借鉴。最终通过理论分析、模型制作和实验测量,验证了这种微流泵应用于脉搏恢复的可行性。

1 微流泵的结构与工作原理

人体血液经由心脏的左心室收缩而挤压流入主动脉,造成动脉内压力变大、管径扩张,随即迅速以波的形式传递到全身动脉,这就是脉搏产生的原因[10-11]。心脏分为心房和心室,心房与心室之间有房室瓣,心室与动脉之间则是半月瓣,瓣膜控制血液在心脏中单方向流动,经心房流向心室,再由心室射入动脉。心室的舒张和收缩会使心室内压力发生变化,进而促进血液流动,而瓣膜的开放和关闭则决定着血流的方向。本文期望实现的脉搏恢复,主要难点也集中在如何控制心室的收缩和瓣膜的开闭上。基于以上原理,本研究中设计的微流泵及其所构成的脉搏恢复系统包含以下几个部分:有机玻璃基底、PDMS泵膜、乳胶管、单片机及电磁铁的驱动电路。

有机玻璃基底的形状如图1所示,在矩形基底的正中央挖一个半径为R1深度为D2的圆柱形槽,作为模拟心脏,更确切的说是起到模拟心室的作用,槽的左右两侧各开一条微流沟道,右侧较深的沟道连接扩散口,模拟主动脉口血液输出;左侧较浅的沟道连接收缩口,模拟房室口血液的流入[12]。舒张口和收缩口的角度暂时用α表示,今后的实验中会测试不同参数微流泵的实际效果,表示宽度的L1、L2、L3和表示深度的D1、D2、D3也是如此。

图1 有机玻璃基底的示意图

图2 PDMS泵膜的示意图

PDMS泵膜的形状如图2所示。泵膜的大小与有机玻璃基底完全匹配,为的是做好之后可以直接封装在基底上。其最主要设计是在对应于基底的两侧微流沟道位置靠近收缩口和扩散口的位置各有一道凸起,两道凸起的高度也分别为D2、D3,封装时与沟道完全贴合,用以模拟心脏瓣膜的作用,限制沟道内液体只能单向流动,其中收缩口一侧凸起模拟人体的房室瓣,扩散口一侧凸起则模拟半月瓣,这样两道模拟瓣膜能够将微流泵的沟道划分为3个部分。此外,在研究中还制作了两片半径同样为R2(R2应略大于R1)的薄膜,能够直接粘在泵膜的正中心,可以在接下来的实验中随时改变膜的厚度和张力。

封装好的微流泵,两侧要连接不同内径的乳胶管,构成一个封闭的循环系统,其中注满液体;这样独特的模型结构配合合理的驱动方式,能够充分发挥微流泵的整流效应[13-14]。因为两侧沟道的不对称性,泵内液体在不同方向所受压力不同,当压强增大时,液体会按照之前的设计单向流动,即由舒张口流出。它的工作原理如图3所示。

图3 微流泵的工作原理示意图

本文利用这个系统来模拟人体心脏的泵血过程。与心动周期类似,微流泵的每个工作周期也包括收缩期和舒张期。在收缩期,电磁驱动装置按照程序的控制挤压泵膜,使得泵内液体压力很快超过两侧乳胶管中的压力,推动模拟房室瓣关闭,避免液体反方向流动;同时模拟半月瓣被冲开,泵内液体迅速由扩散口注入乳胶管中。在舒张期,电磁驱动装置回归原位,随着乳胶管内液体压力的升高,逐渐超过泵内压力,模拟半月瓣被关闭,阻止液体回流;同时模拟房室瓣被冲开,液体从收缩口注入微流泵,使之重新变得充盈,泵膜也在自身张力和液体压力的共同作用下恢复原位。

微流泵如此周而复始地工作,引起乳胶管内液体压力发生周期性的变化,管壁也随之发生规律性地搏动。在管壁选一个合适的位置安放脉搏传感器,即可检测到恢复出来的脉搏跳动。

2 微流泵的制作流程

2.1 微流泵的制作方法

用来制作微流泵的主要材料是有机玻璃和聚二甲基硅氧烷(PDMS)。有机玻璃的成分是聚甲基丙烯酸甲酯的聚合物,它的优点是机械强度很高、绝缘性好、透明度高并且易于加工,因此本文用它来制作微流泵的基底和浇注PDMS膜所需要的模具。PDMS的特点是机械性能非常优良(弹性模量为0.75 MPa、延伸率可达350%),并且适合热加工,因此用它来制作微流泵的泵膜,能够在竖直方向承受极大的形变。

首先采用电路板刻制机对有机玻璃表面进行加工,依靠日渐完善的光刻蚀技术来完成微结构图形的转化,按照图1制作微流泵的基底,再按照图2制作泵膜所需模具。

接下来采用浇注法制备PDMS泵膜[15]。该制备方法的原理非常简单,只需借助热加工技术即可在实验室的条件下比较精确地复制微米级别的微结构。详细的操作步骤是先把PDMS预聚体和固化剂按10∶1的配比混合,搅拌均匀后放入真空干燥器20 min去除气泡,然后将其浇注在有机玻璃模具上,再放入到65 ℃的恒温烘箱里加热20 min后取出,最终将基本固化的PDMS泵膜从模具中脱出,完成初步制备。实验中用到的不同尺寸的微流泵基底和泵膜如图4所示。

图4 两种不同尺寸的微流泵基底和泵膜

最后是PDMS泵膜与有机玻璃基底的封装和表面改性。封装采用热键合方法,取上一步中配制好的胶状PDMS作为粘合剂,在有机玻璃基底上和之前已经基本固化的泵膜上需要粘结的地方各涂抹0.1 mm厚的一薄层,将二者对准位置粘合在一起,而后继续放在60 ℃的恒温箱中加热20 min,从而制得完全固化的微流泵。再用紫外光灯对微流泵进行表面改性处理,实现永久封合。将微流泵封装好之后,剪一块半径为R1厚度为0.1 mm的铁箔,粘在泵膜中央位置,以后当外界对其施加电磁力时,它就会带动泵膜发生形变。最后在泵的两侧扩散口与收缩口的位置分别连接内径合适的乳胶管,再向管中注满液体,之后首尾相连彻底密封,最终得到的微流泵封闭循环系统如图5所示。

图5 微流泵封闭循环系统的完整实物图

2.2 微流泵的外围驱动电路

驱动电路由单片机控制,其核心控制芯片是STC89C52单片机,通过它对PCF8591数据转换芯片编程,产生驱动电磁装置所需的模拟信号,该信号的频率和幅度都可以通过修改程序中的参数来调节。由于从PCF8591数据转换芯片输出的信号电压较小,需要用功率放大器对其进行电压放大才能为电磁铁提供足够的动力。放大之后的模拟信号与直流电磁铁的正极相连,将电能转化成机械能,利用电磁铁产生的吸引力带动已经预先粘好铁箔的微流泵泵膜进行往复运动,微流泵开始正常工作。如此一来,微流泵与它所需的驱动电路相结合,就构成了一个完整的脉搏恢复系统,系统的框图如图6所示。

图6 脉搏恢复系统的完整框图

另外一点需要说明的是,PDMS泵膜有自己的本振频率,膜的厚度与它的本振频率是正相关的。当泵膜与电磁铁能够产生共振时,引起的泵膜形变最明显,微流泵的效果也就会最好。为了充分发挥微流泵的共振效能,先将本系统中电磁铁输入信号的频率设定为与人体脉搏频率接近的1 Hz,然后利用之前做好的两片半径为R2的薄膜改变泵膜的厚度,分别测试电磁铁能够引起的不同泵膜振幅大小,选择在该频率下能够产生最大幅度共振的泵膜进行以后的实验。

3 实验结果与分析讨论

在前期研究工作中,本文已经选用HK2010脉搏传感器采集了相对完整的患者脉象信息。将该传感器的一个探头固定在患者手腕寸关节的位置,它会每隔5 ms采样一次,然后以十六进制数的形式记录下采集到的脉搏压力,后台可以获取其原始数据如表1所示,其中的一通道数据就是此次采集的寸关节脉搏信息;随后利用MATLAB软件再将所得数据进行处理、描点绘图,就可以绘制出如图7所示的患者寸部脉搏压力曲线。

表1 脉象信息原始数据表(部分)

图7 寸部脉搏压力曲线图

现在,用上文制备好的微流泵配合HK2010脉搏传感器,验证整个脉搏恢复系统的性能。利用单片机处理表1中包含原始脉搏信息的一通道数据,经过简单的进制转换和加权运算之后,通过程序读给PCF8591数据转换芯片将其转化为模拟的电压值,为电磁铁提供动力。在电磁铁的驱动下,微流泵封闭循环系统开始周而复始地工作,泵内的液体也按照前文的设计循环运行。整个脉搏恢复系统的实物图如图8所示。

图8 脉搏恢复系统的实物图

最后,再次选用HK2010脉搏传感器,将它的一通道采集探头与微流泵靠近扩散口一侧的乳胶管固定在一起,选取最佳位置,测量管壁的跳动压力。与之前采集患者脉搏信息的方法一样,也能得到十六进制的脉搏恢复数据,利用MATLAB软件将此数据绘制成的脉搏恢复曲线如图9所示。

图9 恢复出来的脉搏曲线

经过相关函数的运算,以上图7和图9中两条曲线的相关性大于0.7,可见利用电磁装置驱动微流泵的方法能够大体还原出脉搏信号的频率和波形,可以相对真实地反映原始的脉象特征,恢复效果较为明显。

针对脉搏波波形数据进行分析运算能够获得多个与患者体质信息相关的特征参数,K值则是其中较为常用的一个[16],它的定义为K=(pm-pd)/(ps-pd),上式中pm为平均动脉压,即一个心动周期中脉搏压力的平均值;ps、pd分别为收缩压和舒张压,可以理解为一个周期中脉搏压力的最大值与最小值,如图9所标注。K值的大小仅决定于脉搏波的脉图面积,它和ps与pd的绝对值无关,是一个无量纲值。虽然不能完全包含脉搏波曲线所有局部的生理意义,但它的确能较好地反映人体心血管系统中血管外周阻力、血管壁弹性和血液粘度等健康因素。更重要的是,K值能够将对脉搏波信息的解读简化到只有一个特征量,因而它常被看作中医临床诊断的重要指标之一。

虽然实验设备的制作精度存在局限、手工操作也难免带来误差,受到这些因素的影响,本文所搭建的脉搏恢复系统还不能完全展现出脉搏波的局部细微变化,但由它所恢复出的曲线却较好地保全了脉图面积变化的规律。经过测试,由恢复出来的脉搏数据的pm、pd、ps计算所得的K值,同患者原始脉搏数据所对应的K值相比,误差可控制在0.03以内,基本不会影响对患者体质信息的判断。在简化模型下,该脉搏恢复系统可以起到复现患者健康状况的作用,为远程脉诊提供借鉴。由此可见,将微流泵技术应用于脉搏恢复领域的尝试具备相当的可行性。

4 总结

本文以微流泵为主要研究对象,探讨其在脉搏恢复领域的应用。制备出了一种小型、低成本、高精度的新型微流泵,并将其与电磁装置相结合,构建了完整的脉搏恢复系统,还利用脉搏传感器验证了该系统的恢复效果。研究结果表明,微流泵理论应用于脉搏恢复领域是可行的。与现在比较常见的脉象模拟恢复装置相比,这种微流泵结构简单直观,易于制备和携带,并且仍然具备进一步研究和开发的价值,对于拓宽脉搏恢复领域的研究思路具有相当积极的启发意义。当然,现在对微流泵的研究还只能算刚刚起步,在以后的工作中,仍要继续修正微流泵模型的深度、宽度、扩散角等参数,不断探索最佳尺寸组合,优化制作工艺,实现更加精确的脉搏恢复功能。

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Study on a Micropump System Used in Remote Human Pulse Information Recovery

LI Xinran1,2,ZHANG Wei1,2,LIU Guohua1,2,YANG Chunxia1,ZHAO Yingxin1,2*, CI Cheng1,2,TANG Ran1,2,MU Weiwei1,2,WANG Chong1,2,WU Hong1,2

(1.College of Electrical Information and Optical Engineering,Nankai University,Tianjin 300350,China; 2.Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology,Tianjin 300350,China)

In order to improve current pulse simulation technology,a complete pulse recovery system based on the new kind of micropump is proposed in this paper. Firstly,different sizes of micropumps are designed and fabricated by using Polydimethylsiloxane(PDMS)as the diaphragms and the organic glass as the bases. Secondly,the micropump is equipped with peripheral circuits,so that it can work under the drive of electromagnetic device to achieve a complete pulse recovery function. Finally,the HK2010 pulse sensor is used to collect pulse data and observe the recovered waveforms,which verifies the feasibility of the application of micropump technology in the pulse diagnosis of traditional Chinese medicine.

TCM pulse diagnosis;pulse replay;micropump;sensor applications

李欣然(1990-),男,南开大学电子信息与光学工程学院通信工程系硕士研究生,主要研究无线通信传感技术在医疗领域的应用,13920918292@163.com;

赵迎新(1983-),女,工学博士,南开大学电子信息与光学工程学院通信工程系讲师,主要从事通信传感领域的科研工作,zhaoyx@nankai.edu.cn;

吴 虹(1967-),女,天津市人,南开大学电子信息与光学工程学院通信工程系教授,博士生导师。主要研究方向为无线通信技术、智能监控与物联网技术、辅助卫星定位技术等。近年来,作为项目负责人,先后承担国家级课题、省部级课题、军口项目和横向课题多项,wuhong@nankai.edu.cn。

项目来源:国家自然科学基金项目(61271099);国家级大学生创新创业训练计划项目(201610055069)

2016-12-19 修改日期:2017-02-15

TH323

A

1004-1699(2017)06-0950-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.06.024