一种基于压电效应的无线传感器、制备方法及在体肌肉力无线测试方法

本发明涉及肌肉力测试，更具体的说是涉及一种基于压电效应的无线传感器、制备方法及在体肌肉力无线测试方法。

背景技术：

1、骨骼肌是人体关节运动的动力源，通过肌肉收缩牵引骨骼实现关节运动。肌肉力的大小是评估肌肉状态、功能的重要指标之一。

2、目前，肌肉力的测试方法，主要有基于电阻应变片的测试方法、基于压力传感器的测试方法、肌电图法、基于fbg传感器的测试方法等。这些方法在一定程度上能够反映肌肉力的变化，但也存在一些局限性。例如，基于电阻应变片的测试方法信号通常很微弱，需高精度信号处理系统，且其材料易引起生物兼容性问题。基于压力传感器的测试方法高精度测试方时校准程序复杂，且其刚性基底易对软组织造成损伤。肌电图法通过电信号推断主动收缩力，但无法准确测试方不伴随显著电活动的被动肌肉力。基于fbg传感器的测试方法虽灵敏度高，但光纤具有本质脆性，且依赖于物理连线进行信号传输，限制了在体测试的灵活性、生物的活动自由度。

3、传统的机械拉伸测试方法，通常将肌肉剥离后，采用拉伸机进行静态加载，不能反映肌肉在体的力学特性。肌肉的轴向收缩力在体监测方面，采用有线测试方式，通过粗硬的导线引至体外采集设备，不仅穿皮创口大、极易引发创口感染与异物反应，而且长线缆带来的物理约束会限制测试动物的活动空间。

4、因此，针对现有技术不足，如何实现对肌肉力的精准、无线、实时测试是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于压电效应的无线传感器、制备方法及在体肌肉力无线测试方法，传感器的外形为一个开口椭圆形，由c型环、固定于c型环上的悬臂梁、数据采集电路等组成，其中开口椭圆形是“电极-pvdf-电极”组成的感知单元。测试时，将骨骼肌的肌腱放在悬臂梁下，肌肉力变化通过肌腱引起悬臂梁弯曲，进而通过正压电效应产生电荷，电信号经柔性引线穿过软组织传输至体表电路板，通过蓝牙无线传输至外部设备显示，实现在体肌肉力无线测试。本发明具有传感器结构紧凑，测试方法灵活、灵敏度高、无线传输等显著优点，能够实现在体肌肉力无线测试。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于压电效应的无线传感器，包括开口椭圆扣式感知单元与数据采集电路；

4、所述开口椭圆扣式感知单元由c型环及固定于c型环开口处的悬臂梁构成整体式开口椭圆结构，所述悬臂梁为上电极层-pvdf压电薄膜-下电极层的层状压电感知结构，所述上电极层与下电极层的信号引出端分别连接有柔性引线；所述开口椭圆扣式感知单元的全部外表面包覆有pdms保护层；所述数据采集电路包括依次电连接的信号调理单元、微控制器以及蓝牙模块，所述柔性引线接入所述信号调理单元的输入端，所述微控制器内置采样转换单元，所述低功耗蓝牙模块用于将肌肉力数据无线传输至外部设备。

5、可选的，信号调理单元包括依次连接的静电保护单元、前级放大单元与低通滤波单元；所述静电保护单元用于对输入的压电信号执行静电防护与反向漏电抑制，所述前级放大单元的输入阻抗匹配pvdf压电薄膜的内阻特性，所述低通滤波单元用于滤除高频震颤干扰信号。

6、可选的，所述数据采集电路还集成有第一电源指示灯与第二电源指示灯；所述第一电源指示灯连接模拟供电分支，用于表征前级模拟调理电路的通电状态；所述第二电源指示灯连接微控制器的控制引脚，通过不同闪烁频率表征蓝牙模块的配对状态与数据传输状态。一种基于压电效应的无线传感器的制备方法，包括：

7、s1、溶液配制：将pvdf粉末溶解于强极性有机溶剂中，在设定温度下搅拌混匀，得到均匀透明的pvdf前驱体溶液；

8、s2、流延成膜：将pvdf前驱体溶液通过流延或刮涂工艺均匀涂布于平整基底表面，并在设定干燥温度下进行加热干燥以完全挥发溶剂，从而获得初生薄膜；

9、s3、机械拉伸：将初生薄膜在加热条件下进行比例的机械拉伸，使薄膜减薄并诱导其内部聚合物晶型发生相转变，得到具有高β相含量的拉伸薄膜；

10、s4、高压极化：在特定温度下对拉伸薄膜施加直流电场进行极化处理，使内部偶极子沿电场方向规整排列，待冷却后撤去电场，完成具有压电性能的pvdf压电薄膜的制作；

11、s5、冲裁成型：采用精密机械裁切法，利用定制的微型开口椭圆扣刀模对极化后的pvdf压电薄膜进行整体冲裁成型，使其几何形状与开口椭圆扣结构的尺寸匹配；

12、s6、电极涂覆与引线连接：在冲裁成型后的pvdf压电薄膜的上下表面分别涂覆导电层，以形成相互绝缘的上电极层与下电极层；随后，分别在上电极层与下电极层的指定信号引出端，通过导电介质分别固连正极柔性引线与负极柔性引线；

13、s7、pdms层封装涂覆：将连接有柔性引线的整体式开口椭圆扣结构件进行整体表面清洗与活化处理，随后在开口椭圆扣的所有外表面均匀涂覆一层聚二甲基硅氧烷溶液，并在设定封装温度下固化，形成无缝包裹压电传感器整体的pdms保护层，完成具有生物相容性的在体肌肉力无线传感器的制备。

14、一种在体肌肉力无线测试方法，包括：

15、p1、电压-肌肉力关系标定：使用拉力计，对制备的无线传感器中间悬臂梁区域加载以模拟肌肉力，获取传感器输出的电信号与力之间的关系；

16、p2、切口和暴露肌腱：对待测动物麻醉，并剃除被测肌肉所在区域的毛发，根据被测肌肉的肌腱位置确定切口，使用解剖刀具切开表皮，分离皮肤和下层肌肉组织，逐层分离至肌腱被暴露；

17、p3、传感器固定：将露出的被测肌肉的肌腱固定于开口椭圆扣的悬臂梁下方；

18、p4、无线采集设备连接：将传感器的信号引线接入数据采集电路，电路上集成有用于电荷拦截的前级仪表放大器、用于抗震颤干扰的rc低通滤波网络以及用于信号外发的蓝牙无线通讯模块；

19、p5、肌肉运动：通过生物体的自主运动触发被测肌肉收缩、或对被测肌肉施加电刺激或外力拉伸触发肌肉运动；

20、p6、数据采集与传输：肌肉运动产生压电信号，微控制器进行调理；通过蓝牙无线通讯模块将数据实时推送到外部接收设备；

21、p7、数据处理：根据预先标定的电压-肌肉力拟合数学关系模型，输出肌肉力随时间变化的数据。

22、可选的，所述电压-肌肉力拟合数学关系模型嵌入有动态电荷泄漏补偿算法；数据处理时，根据当前采样点电压幅值与历史电压采样序列的时域积分结果计算电荷泄漏量，联立求解得到真实肌肉力。可选的，还包括对被测肌腱进行固定时，应确保肌腱的轴向力方向与开口椭圆口内悬臂梁的长度方向保持垂直，以保证肌肉力f的准确传递。可选的，还包括对pvdf敏感单元固定时，pvdf薄膜应完整贴合于悬臂梁表面，且引线接入端应集成esd静电保护机制以保障植入环境安全性。可选的，所述电压-肌肉力拟合数学关系模型的构建过程为：

23、确定肌肉力f与悬臂梁受到的来自肌腱的作用力f1之间的关系式；

24、根据曲梁变形原理，得到悬臂梁受到作用力f1后的挠度曲线方程；

25、求解悬臂梁受到作用力

f1后发生形变，变化后的长度l，进而根据长度l求解悬臂梁上的应变；

26、建立pvdf输出电压v与应变的关系模型；

27、最后，得到建立pvdf输出电压v与肌肉力f之间的拟合数学关系模型。

28、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于压电效应的无线传感器、制备方法及在体肌肉力无线测试方法，具有以下有益效果：

29、1.本发明传感器结构采用开口椭圆件，能够使传感器固定于肌腱上，能够有效避免肌腱的轴向滑动。边缘平滑的椭圆结构，能够降低对软组织造成的损伤。

30、2.本发明传感器材料采用pvdf材料，灵敏度高且响应时间达到微秒级，且能直接将形变转换为电压信号，适合捕捉微小形变或力学信号。采用的pdms薄膜保护层基底材料，具有良好的生物相容性和极佳的化学稳定性。

31、3.本发明传感器能够实现对肌肉力的在体测试。

32、4.本发明传感器的数据采集电路支持多通道并行转换，可同时对多个传感器通道进行数据采样。

33、5.本发明通过电路中集成的蓝牙模块，能够将采集的数据进行无线传输，避免物理连线，提高在体监测的灵活性。