摘 要

利用铁电高分子材料在生理信号检测中的应用。研究铁电共聚物的结构与其对于力、热、声、光等响应性能的关系，设计出合理的器件型式，使得基于改性后铁电高分子材料的传感器能够快速、准确、低能耗的检测生理信号，使得其能够被应用于便携式的医疗检测器件。通过化学交联的方法，简单可控的调节铁电共聚物的晶体结构和界面性质，研究改性后的铁电高分子材料对于生理信号的响应特征；利用晶体管或电容的结构，合理设计传感器的型式，使得其能够快速、准确、低能耗的检测生理信号。 

关键字：人类桡动脉 铁电高分子 生理信号监测 

The application of ferroelectric polymer in Physiological Signal Detection

Abstract

The ferroelectric polymer materials are used in physiological signal detection. Ferroelectric Copolymer structure and its relationship to power, heat, sound or light response properties, design a reasonable device type, making detection sensors based on modified ferroelectric polymer material can be fast, accurate, low-power physiological signals, such that it can be applied to portable medical testing devices. By chemical crosslinking method, crystal structure and properties of the interface simple and controllable adjustment ferroelectric copolymer ferroelectric polymer materials modified response characteristics for physiological signals; a transistor or capacitor structure, reasonable design sensor the type, so that it can be fast, accurate, low-power detecting physiological signals.

Key Words: Human radial artery; ferroelectric polymer; physiological signal monitoring

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 背景 1

第二章 理论部分 4

2.1本实验研究方法 5

第三章 实验部分 6

3.1柔性自供电铁电器件制作 6

3．2 P(VDF-TrFE-CFE)纳米颗粒器件制作 7

3.3调节传感器的灵敏度 7

第四章 结果与讨论 9

第五章结论 11

5.1.器件测试脉搏波信号的数组演示 11

5.2器件测试脉手腕和膝关节运动信号的数组演示 13

5.3介电性能 14

参考文献 15

致谢 18

第一章背景

随着科技和社会的进步，人们对健康、生活质量、疾病护理等提出了越来越高的要求；2010年第六次全国人口普查结果显示逾13%的人口年龄在60岁以上。老龄化进程的加快使国人从关注疾病治疗渐渐向高质量保健医疗转变。伴随着人们对自身健康状况的日益关注，便携式血压计、血糖计、超声波诊断、自动除颤设备、可吞咽胃肠道检测仪等个人健康监护设备逐步进入视野。三星公司的GalaxyS5配置了心率监测仪，用户只需将手指放在手机特定部位上几秒即可，感应器通过手指发射红色光线从而感应到脉搏并感知用户心跳速；监测的心率会被存储，便于随时查看。Instant Heart Rate应用能够用苹果公司iPhone 5S的相机来分析用户指尖上颜色的变化，其工作原理与三星GalaxyS5想同 。MOCA heart 便携设备配置了两个光纤传感器，分别测量血氧饱和度和血流速度；它还配备了一个重力传感器和加速计，用作人体运动追踪器，最大限度发挥有氧训练优势；它可以被串进一个被专门设计的手机保护套中。相关数据显示，中国便携式医疗电子市场年复合增长率已连续5年保持在20_~30%。

柔性的压力传感器是一种电子皮肤的主要部分，用以未来的生物医学如：皮肤和机器手臂之间，自然与人类环境的相互作用。对这些传感器，移动生物监测在长期的医疗诊断是另一个有吸引力的应用。我们的器件解决方案将使实现低成本，一次性的，并且可佩戴的医疗设备。可穿戴式医疗传感器可发挥的潜力在医疗保健成本的降低重要作用：它们鼓励健康生活，提供个人生命体征个人反馈，实现无论是在医院和家庭的专业健康监测。因此，广泛执行这些传感器可以减少住院时间延长，减少患病成本。最近的报告显示能够测量压力^[1]，生物电势和生物电阻抗^[3]，脉冲频率^[4]和受力实时的充足的可穿戴式传感器。这些传感器在耐磨和灵活的形式开发使用。

柔性压力传感器在未来的基本移动应用，如可卷曲触控显示屏，生物监测及电子皮肤^[1-11]。大部分这些应用程序的阳离子需要在毫秒范围内响应时间快，灵敏度高，并且低能量消耗。电子皮肤在宽压力范围内也可模仿人体皮肤的灵敏度，用简单的单片式压力传感器的设计，可大规模生产。在生物监测，压力传感器使用在手术过程或重症监护室中，监测连续脉搏和血压记录。目前，在血管内导管的使用，虽然这种侵入式方法的感染风险，限制了它在新生儿和高风险的患者的使用。因此，开发外部血压监测方法如：动脉张力是很高兴趣的研究领域。此外，完整的脉冲压力波的分析,已被证明能够提供有价值的信息,诊断心血管疾病^[5]。

能够测量和量化由人类活动产生的电信号灵活和伸缩性器件，因为它们具有独特的特性：超薄，低模量，重量轻，高弹性，及拉伸性。这些灵活和拉伸器件附着皮肤表面为人类活动的监控以及个人医疗保健的新契机。因此，近年来已经有相当的研究工作致力于柔性和拉伸的物理传感器的发展，以满足未来的技术的要求，并已取得很大进展实现。这里，最近的柔性和拉伸的物理传感器的发展中描述，包括温度，压力和应变传感器，和灵活的和可伸的集成有传感器的平台。最新的成功例子用于检测温度，压力和应变的柔性和拉伸的物理传感器，以及它们的结构新颖。一些关于自供电的集成有传感器的可穿戴式平台技术的最新成果还审查。进一步的研究方向挑战提出要开发用于监测人类活动和个人保健在不久的将来一个完全集成有传感器的穿戴式平台。

人体作为一个复杂而又精密的体系，在医学上被划分为循环、运动、神经等多个系统，但每一个系统都不是独立而是相互紧密联系的：中枢神经系统可以调节循环系统和运动系统，末梢神经系统则与我们灵敏的触觉息息相关；而运动系统和循环系统又能够自身的情况反馈给神经系统，从而使得各个系统之间信息能够相互交换，并且实现一定程度上自我调节，由此使得人体保持在相对健康的状态。在人体的各个系统运行的过程中，许多生理信号能够被检测出来。这些生理信号不仅能够直接平衡单个系统的状态，也能在一定程度反映整体的健康状态：例如循环系统中，血液在血管中流动，对管壁产生侧压。脉搏是指随着心脏节律性的收缩和舒张，动脉内压力引起血管壁相应的出现一次次扩张和回缩的博动。通过分析脉搏的波形、峰强度、波速和节律等综合信息，很大程度上反映出心血管系统中许多生理、病理特征；因此脉搏波采集和处理常用临床诊断和治疗。但脉搏是一种低频很微弱的生理信号，需要将其转换为可测的电信号，并经放大、滤波以满足信号采集需求。目前有光电式^[6]、电容式^[7-10]、场效应晶体管型^[11-12]脉搏传感器已用于脉搏波信号检测。

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