劉 皓，李 斌，羅 丹，牛 鑫，劉 璐

（天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387）

隨著生活水平的提高，人們對(duì)自身健康狀況有了更高的要求。雖然醫(yī)療技術(shù)在不斷完善，但去醫(yī)院進(jìn)行身體健康檢測(cè)已不能滿(mǎn)足人們對(duì)個(gè)人生理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)掌控的需求。心率、血壓、血流等重要生理參數(shù)深受人們的關(guān)注，人們對(duì)能夠彎曲和拉伸的柔性可穿戴設(shè)備的需求正在增加，希望通過(guò)具有可穿戴性、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)功能的設(shè)備來(lái)實(shí)時(shí)觀察自己的生理健康狀態(tài)[1-5]。超聲因具有穿透深度大、指向性強(qiáng)、無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，能夠?qū)Σ∏槠鸬筋A(yù)防、診斷和治療的作用[6]。但目前商用的醫(yī)用超聲傳感器體型巨大且是硬質(zhì)，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要手持，對(duì)操作者手持穩(wěn)定性要求很高，所以難以應(yīng)用于持續(xù)監(jiān)測(cè)和診斷[7-8]。因此，柔性可拉伸的超聲設(shè)備成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。近幾年，有很多學(xué)者制備柔性超聲傳感器設(shè)備用于生理監(jiān)測(cè)、治療和成像[9-13]。但是，他們大多使用微機(jī)械加工、光刻等技術(shù)，成本過(guò)高且工藝復(fù)雜。

本文通過(guò)激光切割銅箔獲得“S”形可拉伸島橋電極，將電極轉(zhuǎn)印到Eco-flex 基底上，然后嵌入1-3 壓電復(fù)合材料制備出一款柔軟可拉伸、能夠與皮膚緊密貼合的超聲傳感器，探究Eco-flex 基底厚度對(duì)超聲回波信號(hào)的影響，測(cè)試超聲傳感器的穩(wěn)定性、重復(fù)性、軸向分辨率、可拉伸性能以及與人體皮膚的適形性，最后使用超聲陣列柔性傳感器（UAFS）實(shí)現(xiàn)了人體動(dòng)脈血壓波形的監(jiān)測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：PZT-5H 型1-3 壓電復(fù)合材料，Smart Material 公司產(chǎn)品；00-30 型Eco-flex 硅膠，美國(guó)Smooth-On 公司產(chǎn)品；6529 型環(huán)氧導(dǎo)電膠，深圳市鑫威新材料股份有限公司產(chǎn)品；PI（聚酰亞胺）溶液，熱塑性，利豐祥塑膠原料；ASWT-2 型水溶性膠帶，AQUASOL 公司產(chǎn)品；FPC 軟排線，深圳市憶航精密電路有限公司產(chǎn)品；銅箔，20 μm，泰州碧靈五金制品有限公司產(chǎn)品。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：Pico-6404E 型比克示波器，英國(guó)比克科技有限公司產(chǎn)品；CTS-8077PR 型超聲脈沖發(fā)射接收儀，廣東汕頭超聲電子股份有限公司產(chǎn)品；DZF-6020型真空干燥箱，天津科諾儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品；GA5003型精密電子天平，上海恒平科技儀器有限公司產(chǎn)品；KW-4B 型臺(tái)式勻膠機(jī)，北京賽德凱斯電子有限責(zé)任公司產(chǎn)品；TP-550 型柔性傳感器電學(xué)力學(xué)測(cè)試儀，無(wú)錫匯琛電子科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品。

1.2 超聲陣列柔性傳感器（UAFS）設(shè)計(jì)

圖1 所示為UAFS 的制備工藝流程。UAFS 主要由壓電層、電極、粘結(jié)層、柔性基底和導(dǎo)線組成，其結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖1 UAFS 的制備工藝流程Fig.1 Fabrication process of ultrasonic array flexible sensors

圖2 UAFS 結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Picture of UAFS structure

圖2 中，壓電層為超聲傳感器的核心，通過(guò)正逆壓電效應(yīng)發(fā)射和接收超聲波[14]。電極通過(guò)粘結(jié)層與壓電層連接，電信號(hào)通過(guò)電極激勵(lì)壓電層從而發(fā)射超聲波，接收到的超聲回波信號(hào)由壓電層轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后通過(guò)電極傳輸出去。柔性基底將超聲傳感器封裝起來(lái)，使其具備柔性，能夠與復(fù)雜表面貼合。導(dǎo)線與后端的硬件設(shè)備進(jìn)行連接，將電激勵(lì)信號(hào)傳輸?shù)匠晜鞲衅鳎⒊暬夭ㄞD(zhuǎn)化后的電信號(hào)傳輸?shù)讲杉O(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

1.2.1 壓電層的選擇

壓電層由壓電材料組成。選用厚度為0.2 mm、面積為0.9 mm×0.9 mm 的PZT-5H 型1-3 壓電復(fù)合材料，工作頻率為7.5 MHz。1-3 壓電復(fù)合材料是通過(guò)切割填充的方式在壓電陶瓷片上切割出壓電陶瓷微柱后填充環(huán)氧樹(shù)脂，通過(guò)改變環(huán)氧樹(shù)脂的填充系數(shù)可以控制主要聲學(xué)參數(shù)，如聲阻抗、帶寬、機(jī)電耦合系數(shù)等。選擇填充因子為45%的PZT-5H 型1-3 壓電復(fù)合材料，其具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)（0.62），較低的聲阻抗（15.3 MRayl，1 MRayl=106 kg/（m2·s）），與人體能夠?qū)崿F(xiàn)良好的聲耦合[15-16]。

1.2.2 電極的設(shè)計(jì)

在柔性電子和可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，導(dǎo)體在經(jīng)歷拉伸、壓縮、彎曲和扭曲等機(jī)械變形時(shí)仍然能夠保持良好的導(dǎo)電性，這對(duì)于柔性電子及可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。本文中將電極設(shè)計(jì)為“S”形島橋結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在拉伸時(shí)能釋放島橋之間的應(yīng)力，使電極具備一定的拉伸性[17-19]。將電極設(shè)計(jì)成4×5 的陣列形式，頂電極的每個(gè)島單獨(dú)引出，因此，陣列上的每個(gè)超聲傳感器可以被單獨(dú)激勵(lì)去發(fā)射和接收超聲波。底電極的每個(gè)島互連，實(shí)現(xiàn)共地。底電極最外側(cè)的島鏡像與頂電極的島相連接，使得每個(gè)超聲傳感器的激勵(lì)導(dǎo)線與地線排列在一起，這方便了后端導(dǎo)線的設(shè)計(jì)與連接。

1.2.3 粘結(jié)層的選擇和導(dǎo)線設(shè)計(jì)

粘結(jié)層選擇環(huán)氧導(dǎo)電膠，其具有導(dǎo)電性好、電阻低（體積電阻率為10-3Ω·cm）、粘接強(qiáng)度高等特點(diǎn)，60 ℃恒溫保持30 min 可固化。錫膏等導(dǎo)電焊料固化溫度過(guò)高（＞140 ℃），1-3 壓電材料會(huì)因溫度過(guò)高而導(dǎo)致內(nèi)部的環(huán)氧樹(shù)脂熱膨脹，從而損壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響壓電性能。因此，環(huán)氧導(dǎo)電膠是焊接電極與1-3 壓電材料的最佳選擇。導(dǎo)線使用FPC 軟排線，其柔軟、耐曲折和高溫，可隨意定制形狀和布線。

1.2.4 柔性基地的選擇

選擇合適的柔性可拉伸基底對(duì)于成功開(kāi)發(fā)超聲柔性傳感器非常重要?？衫煲r底應(yīng)具有較高的可拉伸性、適當(dāng)?shù)膭偠群涂煽啃?。Eco-flex 硅膠具有耐高溫、抗撕裂、柔軟可拉伸等特性，斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)到900%[20]。此外，Eco-flex 還具備生物相容性和超疏水性。所以本文選擇Eco-flex 00-30 作為UAFS 的基底和封裝層。Eco-flex 封裝后的超聲傳感器會(huì)適應(yīng)皮膚曲面，能夠與皮膚完美貼合。

1.3 UAFS 制備流程

（1）頂電極和底電極的制備：使用臺(tái)式勻膠機(jī)在20 μm 的銅箔表面旋涂聚酰亞胺（PI）溶液，獲得PI/Cu電極，將其在真空干燥箱中100 ℃干燥30 min，然后將烘箱升溫到150 ℃，干燥40 min，再升溫到260 ℃，干燥30 min，PI 溶液即可在銅箔表面成膜。將成膜后的PI/Cu 電極的PI 膜面與聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）粘附，使用激光對(duì)PI/Cu 電極進(jìn)行切割得到“S”形島橋頂電極和底電極。

（2）頂電極與FPC 軟排線焊接：在激光切割好的頂電極下面引腳上薄涂一層環(huán)氧導(dǎo)電膠。將多余部分的銅箔從PET 基板上剝離下來(lái)，使“S”形島橋頂電極和底電極留在PET 基板上。將FPC 軟排線引腳對(duì)準(zhǔn)頂電極引腳貼上去，放在烘箱中使導(dǎo)電膠固化（60 ℃，30 min）。

（3）頂電極和底電極轉(zhuǎn)移：使用水溶性膠帶，將頂電極和底電極從PET 基板轉(zhuǎn)移到水溶性膠帶上。使用臺(tái)式勻膠機(jī)在有機(jī)玻璃板上旋涂Eco-flex 薄膜。將帶有“S”形島橋頂電極和底電極的水溶性膠帶粘貼到旋涂有Eco-flex 薄膜基底的有機(jī)玻璃板上。用水緩緩沖去水溶性膠帶。

（4）1-3 壓電復(fù)合材料焊接和底電極焊接：將導(dǎo)電膠點(diǎn)涂到已經(jīng)轉(zhuǎn)移到Eco-flex 基板上的“S”形島橋頂電極的每個(gè)島上。將1-3 壓電復(fù)合材料放在“S”形島橋頂電極已經(jīng)涂好導(dǎo)電膠的20 個(gè)島上，與底電極鏡像相連的外側(cè)島放上與1-3 壓電復(fù)合材料相同厚度、相同面積的銅片，放在烘箱中使導(dǎo)電膠固化（60 ℃，30 min）。將環(huán)氧導(dǎo)電膠點(diǎn)涂到已經(jīng)焊接好的1-3 壓電復(fù)合材料和銅片上。將底電極的每個(gè)島與已經(jīng)焊接好的1-3 壓電復(fù)合材料和銅片對(duì)準(zhǔn)貼上去，放在烘箱中使導(dǎo)電膠固化（60 ℃，30 min）。

（5）Eco-flex 封裝：將上一步已經(jīng)焊接好的超聲傳感器放入模具中，倒入Eco-flex 溶液，放在真空干燥箱中抽真空直到?jīng)]有氣泡，用Eco-flex 溶液填滿(mǎn)2片有機(jī)玻璃板中間的縫隙。將制備的UAFS 從模具中取出放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上等Eco-flex 完全固化（室溫4 h）。剝離有機(jī)玻璃板，裁剪Eco-flex 封裝后多余的邊角。

1.4 UAFS 的工藝探究及性能測(cè)試

1.4.1 Eco-flex 薄膜基底厚度的確定

Eco-flex 薄膜基底主要通過(guò)臺(tái)式勻膠機(jī)在有機(jī)玻璃板上旋涂Eco-flex 溶液得到。通過(guò)改變臺(tái)式勻膠機(jī)旋涂的速度和時(shí)間，測(cè)試不同旋涂速度和時(shí)間下Eco-flex 薄膜基底的厚度。

制備不同厚度基底的超聲傳感器測(cè)試水箱中水面高度為3 cm 時(shí)的回波信號(hào)大小，對(duì)回波信號(hào)大小進(jìn)行對(duì)比分析。

1.4.2 電極斷裂伸長(zhǎng)率

為了驗(yàn)證“S”形島橋電極的可拉伸性，利用柔性電學(xué)力學(xué)性能測(cè)試儀對(duì)電極進(jìn)行斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試。首先，在底電極兩端焊接兩根導(dǎo)線用于測(cè)試?yán)爝^(guò)程中電極電阻的變化情況，然后將底電極利用水溶性膠帶轉(zhuǎn)印到旋涂有Eco-flex 基底的有機(jī)玻璃板上，再倒上Eco-flex 溶液將底電極封裝起來(lái)。待Eco-flex 完全固化后，將樣品裁剪成6 cm×3 cm 的大小。使用夾具將樣品兩端夾緊后，調(diào)整夾具的距離使樣品表面平整，并記錄夾具之間的距離L0。分別以2、10、20 mm/s 的速率對(duì)樣品進(jìn)行拉伸，直到電極被完全拉斷。測(cè)試?yán)爝^(guò)程中電極的電阻變化情況。電極的伸長(zhǎng)率可由式（1）求得：

式中：L為夾具之間的距離；L0為拉伸前夾具的初始距離。

1.4.3 穩(wěn)定性和重復(fù)性

為了驗(yàn)證UAFS 的測(cè)試穩(wěn)定性和制備工藝的可重復(fù)性，將兩塊有機(jī)玻璃板的間距進(jìn)行固定，然后放入水箱中，使用UAFS 測(cè)試兩塊有機(jī)玻璃板的間距。超聲波穿透水遇到有機(jī)玻璃板1 的上下表面會(huì)有2 次回波信號(hào)（A 和B），遇到有機(jī)玻璃板2 的上下表面會(huì)有2 次回波信號(hào)（C 和D）。計(jì)算B 回波信號(hào)與C 回波信號(hào)的時(shí)間差，根據(jù)超聲波在水中的傳播速率為1 500 m/s，可得到有機(jī)玻璃板間距的測(cè)量值。將UAFS 放在水面上，逐個(gè)激勵(lì)陣列中的超聲傳感器測(cè)試板間距。每個(gè)傳感器測(cè)試20 次板間距，然后計(jì)算測(cè)試結(jié)果的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

1.4.4 軸向分辨距離

超聲傳感器在軸向能夠分辨的最小距離為軸向分辨率。本文通過(guò)改變水中2 個(gè)有機(jī)玻璃板之間的距離采集2 個(gè)板的回波信號(hào)的方式測(cè)試超聲傳感器的軸向分辨率。如1.4.3 中所述，超聲波穿透水遇到有機(jī)玻璃板會(huì)有A、B、C、D 4 次回波，改變有機(jī)玻璃板間距時(shí)，B、C 回波的間距會(huì)改變。超聲傳感器能夠分辨B、C 的最小距離即為超聲傳感器的軸向分辨率。

1.4.5 UAFS 的可拉伸性和適形性

將UAFS 經(jīng)過(guò)扭曲、拉伸、彎折等操作后看UAFS能否恢復(fù)至初始狀態(tài)。

1.4.6 UAFS 測(cè)試人體橈動(dòng)脈血壓波形

選一名志愿者（男，26 歲，BMI 值為22.8）將UAFS貼在手腕橈動(dòng)脈處，如圖3 所示。

圖3 UAFS 監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈血壓穿戴示意圖Fig.3 Schematic diagram of radial arterial blood pressure monitoring by UAFS

脈沖發(fā)射接收儀與超聲傳感器連接激勵(lì)超聲傳感器，激勵(lì)電壓為-100 V，激勵(lì)信號(hào)脈寬為65 ns，信號(hào)增益為+30 dB，脈沖重復(fù)頻率調(diào)為100 Hz，模式為發(fā)射接收模式?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過(guò)脈沖發(fā)射接收儀放大后由示波器采集發(fā)送到電腦端，示波器采樣頻率為2.5 GHz。用MATLAB 2020a 進(jìn)行信號(hào)處理與分析。

1.4.7 不同脈沖重復(fù)頻率下監(jiān)測(cè)人體橈動(dòng)脈血壓波形

脈沖重復(fù)頻率越大，每秒監(jiān)測(cè)血壓波形的次數(shù)越多，時(shí)間分辨率越高，但脈沖重復(fù)頻率太高會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過(guò)大，給算法增加一定的負(fù)擔(dān)，在計(jì)算血壓波形時(shí)需要過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間。而脈沖重復(fù)頻率過(guò)小時(shí)，時(shí)間分辨率過(guò)低，這會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的波形形態(tài)無(wú)法被監(jiān)測(cè)到，血壓波形監(jiān)測(cè)不完整。本文探究了脈沖重復(fù)頻率分別為10、20、50、100、200、500、1 000 Hz 時(shí)監(jiān)測(cè)到的血壓波形，找到能夠使血壓波形完整、數(shù)據(jù)量適中的脈沖重復(fù)頻率用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)血壓波形。

2 結(jié)果與討論

2.1 Eco-flex 薄膜基底的厚度的確定

表1 為不同旋涂速率和時(shí)間下Eco-flex 基底膜厚。

表1 不同旋涂速率和時(shí)間下Eco-flex 基底膜厚Tab.1 Thickness of Eco-flex substrate film under different spin coating speed and time

由表1 可知，勻膠機(jī)旋涂Eco-flex 溶液旋涂時(shí)間相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越大，得到的Eco-flex 薄膜基底越薄。相同轉(zhuǎn)速下，旋涂時(shí)間越長(zhǎng)，得到的Eco-flex 基底越薄，當(dāng)旋涂時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，得到的Eco-flex 基底厚度達(dá)到一個(gè)臨界值而不變。

圖4 為不同Eco-flex 薄厚基底厚度的UAFS 在水深3 cm 時(shí)的回波信號(hào)。選擇厚度為25、40、60、90 μm的Eco-flex 薄膜作為基底制備UAFS。

圖4 不同Eco-flex 薄膜基底厚度的UAFS 在水深3 cm時(shí)的回波信號(hào)Fig.4 Echo signal of UAFS with different thickness of Eco-flex film substrate at water depth of 3 cm

分別將不同基底厚度的超聲傳感器放在3 cm 水深的水面上，超聲傳感器被激勵(lì)后發(fā)射超聲波穿透水遇到水箱底面會(huì)有超聲波反射回來(lái)。反射回來(lái)的超聲波被超聲傳感器接收。圖4 中，Eco-flex 基底厚度為25 μm 的回波信號(hào)大小為224.68 mV，90 μm 的回波信號(hào)大小為152.56 mV。由此可見(jiàn)，Eco-flex 薄膜基底越厚，超聲波能量衰減越強(qiáng)，相同水深下回波信號(hào)越小。因此，后續(xù)選擇厚度為25 μm（勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、旋涂時(shí)間為60 s）的Eco-flex 基底制備UAFS。

2.2 電極斷裂伸長(zhǎng)率

圖5 所示為“S”形島橋電極在不同拉伸速率下的斷裂伸長(zhǎng)率。由圖5 可知，在不同拉伸速率下，隨著應(yīng)變的增加，“S”形島橋電極的電阻保持穩(wěn)定。當(dāng)“S”形島橋電極完全斷裂時(shí)，可以觀察到電極電阻發(fā)生突變，達(dá)到無(wú)窮大。拉伸速率為2 mm/s 時(shí)，電極的斷裂伸長(zhǎng)率為87.86%。拉伸速率為10 mm/s 時(shí)，電極的斷裂伸長(zhǎng)率為80.32%。拉伸速率為20 mm/s 時(shí)，電極的斷裂伸長(zhǎng)率為76.56%。由此可見(jiàn)，拉伸速率越大時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率越小。這是因?yàn)槔焖俾蚀髸r(shí)，可讓電極瞬時(shí)全部斷開(kāi)，而拉伸速率小時(shí)，電極未全部斷開(kāi)，部分?jǐn)嚅_(kāi)使電極變長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明“S”島橋電極被Eco-flex封裝后，以20 mm/s 的速率拉伸時(shí)可以拉伸到斷裂前其原始長(zhǎng)度的76.56%，這證明“S”形島橋電極具有良好的拉伸性能。

圖5 “S”形島橋電極在不同拉伸速度下的斷裂伸長(zhǎng)率Fig.5 Elongation at break of “S” -shaped island bridge electrode at different tensile speeds

2.3 穩(wěn)定性和重復(fù)性

圖6 所示為UAFS 測(cè)試有機(jī)玻璃板間距回波。

圖6 UAFS 測(cè)試有機(jī)玻璃板間距回波Fig.6 Echo of spacing between Plexiglass plates measured by UAFS

圖6 中，A、B、C、D 分別為水中2 片有機(jī)玻璃板的上下表面回波。通過(guò)對(duì)回波信號(hào)取包絡(luò)，識(shí)別包絡(luò)峰值，計(jì)算B 和C 回波峰值的時(shí)間差，可得到有機(jī)玻璃板間距。

圖7 為每個(gè)陣元20 次測(cè)量板間距的均值和方差。

圖7 每個(gè)陣元20 次測(cè)量板間距的均值和方差Fig.7 Mean and variance of plate spacing measured 20 times for each matrix

圖7 中，4×5 陣列中每個(gè)超聲傳感器測(cè)試水中固定間距20 次后計(jì)算得到的均值與標(biāo)準(zhǔn)差。測(cè)試結(jié)果顯示，20 個(gè)均值中最大值為第15 點(diǎn)1.354 75 mm，最小值為第13 點(diǎn)1.353 44 mm。2 個(gè)均值的差值僅為0.001 31 mm，且均值曲線平坦。對(duì)20 個(gè)均值再取均值和標(biāo)準(zhǔn)差為（1.354 22±0.000 36）mm。這說(shuō)明UAFS的制備工藝的可重復(fù)性很高。每個(gè)超聲傳感器對(duì)相同板間距測(cè)試20 次，在第12 點(diǎn)處的標(biāo)準(zhǔn)差范圍最大，僅為（1.353 60±0.001 14）mm。因此，UAFS 具有很高的測(cè)試穩(wěn)定性。

2.4 軸向分辨距離

圖8 所示為UAFS 在不同板間距下的BC 回波信號(hào)。

圖8 UAFS 在不同板間距下的B、C 回波信號(hào)Fig.8 B and C echo signals of the UAFS at different plate spacing

由圖8 可見(jiàn)，從第1 組到第4 組，2 個(gè)有機(jī)玻璃板的回波很明顯，沒(méi)有混疊的情況，這說(shuō)明UAFS 完全可以分辨這4 組的距離。第5 組，2 次回波信號(hào)靠近，但能分辨出2 個(gè)回波。而第6 組，回波信號(hào)出現(xiàn)混疊情況，很難區(qū)分2 個(gè)回波信號(hào)，說(shuō)明第6 組對(duì)應(yīng)的距離無(wú)法被分辨出來(lái)。

通過(guò)對(duì)回波信號(hào)取包絡(luò)，跟蹤2 個(gè)回波信號(hào)包絡(luò)的峰值，可以計(jì)算2 個(gè)峰值間隔t。已知超聲在水中的傳播速率為1 450 m/s，可由式（2）得到板間距dm，由式（3）計(jì)算出超聲傳感器的測(cè)量值dm與測(cè)量工具的測(cè)量值dt之間的相對(duì)誤差δ。

圖9 為UAFS-5 測(cè)量工具的測(cè)量值對(duì)比。由圖9可見(jiàn)，從第1 組到第5 組，UAFS 的測(cè)量值dm與測(cè)量工具的測(cè)量值dt之間的相對(duì)誤差δ 都小于3%。第6 組的相對(duì)誤差δ=13.5%，第6 組使用測(cè)量工具測(cè)得的板間距為250 μm，說(shuō)明UAFS 無(wú)法分辨此距離。而第5組使用測(cè)量工具測(cè)得的板間距為330 μm，UAFS 能夠分辨此距離，因此，其軸向分辨率可達(dá)330 μm。人體動(dòng)脈血管直徑如橈動(dòng)脈（2～3 cm）、肱動(dòng)脈（2.5～6 cm）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于330 μm，所以UAFS 完全可以分辨人體動(dòng)脈血管直徑。

圖9 UAFS 與測(cè)量工具的測(cè)量值對(duì)比Fig.9 Comparison between the measured values of UAFS and measuring tool

2.5 UAFS 的可拉伸性和適形性

圖10 所示為UAFS 的柔軟可拉伸性和適形性示范。

圖10 UAFS 的柔軟可拉伸性和適形性Fig.10 Soft stretchability and conformal property of UAFS

由圖10 可見(jiàn)，UAFS 在經(jīng)歷正向扭曲、反向扭曲、拉伸和彎折后，其仍能恢復(fù)至原來(lái)的狀態(tài)。將UAFS 佩戴在手臂上后，可以看到其與人體皮膚緊密貼合，在對(duì)皮膚進(jìn)行扭曲時(shí)，其跟隨皮膚發(fā)生一定的形變。這說(shuō)明了UAFS 具有良好的柔軟可拉伸性能和適形性，在測(cè)試過(guò)程中它不僅能夠與被測(cè)表面緊密貼合，還可以適應(yīng)被測(cè)目標(biāo)形狀的改變而做出改變。

2.6 UAFS 測(cè)試人體橈動(dòng)脈血壓波形

在血壓波形監(jiān)測(cè)前，首先使用商用袖帶式電子血壓計(jì)檢測(cè)志愿者的收縮壓和舒張壓，然后連接好設(shè)備逐個(gè)激勵(lì)UAFS 中的陣元。找到回波信號(hào)明顯及回波信號(hào)間隔隨心臟的收縮和舒張變化的陣元，使用該陣元的超聲傳感器對(duì)血壓持續(xù)監(jiān)測(cè)，如圖11 所示。

圖11 使用UAFS 陣元的超聲傳感器對(duì)血壓持續(xù)監(jiān)測(cè)圖Fig.11 Continuous monitoring of blood pressure using ultrasound sensors of UAFS array elements

從圖11（a）中可以看到有2 個(gè)回波信號(hào)，分別來(lái)自橈動(dòng)脈血管前壁和后壁。對(duì)回波信號(hào)取快速傅里葉變換如圖11（b）所示，可以看到頻率在7.5 MHz 附近的相對(duì)振幅最大，這是因?yàn)槌晜鞲衅鞯墓ぷ黝l率為7.5 MHz。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行6～9 MHz 的帶通濾波，得到如圖11（c）所示的波形，濾波后的波形前后壁回波變得更加明顯，而且噪音信號(hào)被濾除。對(duì)6 s 內(nèi)采集到的前后壁回波信號(hào)進(jìn)行三維圖形繪制，得到如圖11（d）所示。脈沖重復(fù)頻率為100 Hz，所以6 s 內(nèi)有600 次回波，可以看到600 次回波中的前后壁回波時(shí)間隨著心動(dòng)周期在變化。

對(duì)圖11（c）中濾波后的回波信號(hào)取包絡(luò)，然后識(shí)別2 個(gè)回波信號(hào)的包絡(luò)的峰值時(shí)間，可計(jì)算出2 個(gè)回波信號(hào)的時(shí)間間隔Δt。這個(gè)時(shí)間間隔即是超聲波在血管內(nèi)一個(gè)往返所需要的時(shí)間，已知超聲波在血液中的傳播速率為1 540 m/s，因此橈動(dòng)脈血管的直徑可通過(guò)公式（4）得出：

圖12 所示為UAFS 6 s 內(nèi)監(jiān)測(cè)到的橈動(dòng)脈血管直徑波形。圖13 是使用商用袖帶式電子血壓計(jì)測(cè)得志愿者的收縮壓Ps=119 mm Hg（1 mm Hg=0.133 kPa，下同）和舒張壓Pd=84 mm Hg。圖14 為一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的橈動(dòng)脈血管直徑波形，識(shí)別了最大值ds和最小值dd。

圖12 UAFS 6 s 內(nèi)監(jiān)測(cè)到的橈動(dòng)脈直徑波形Fig.12 Radial artery diameter waveform detected by UAFS within 6 s

圖13 袖帶式電子血壓計(jì)測(cè)得的收縮壓、舒張壓和心率Fig.13 Systolic blood pressure，diastolic blood pressure and heart rate measured by a cuff electronic sphygmomanometer

圖14 一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)橈動(dòng)脈血管直徑的最大值和最小值Fig.14 Maximum and minimum diameters of radial arteries during a cardiac cycle

由ds和dd可通過(guò)式（5）求得血壓為收縮壓和舒張壓時(shí)血管直徑的橫截面積As和Ad。

由式（6）可求得血管的剛性系數(shù)α?？赏ㄟ^(guò)血管的剛性系數(shù)α 和舒張壓Pd對(duì)UAFS 進(jìn)行校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)成功后可持續(xù)監(jiān)測(cè)血管內(nèi)徑d（t），根據(jù)式（5）可得到血管橫截面積A（t），結(jié)合已知的舒張壓Pd、血管的剛性系數(shù)α 通過(guò)式（7）得到血壓波形P（t）[21-22]。

圖15 所示為經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后UAFS 在6 s 內(nèi)監(jiān)測(cè)到的橈動(dòng)脈血壓波形。由圖15 可以看到，UAFS 經(jīng)商用血壓計(jì)校準(zhǔn)后，可以持續(xù)的監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈血壓波形。

圖15 UAFS 在6 s 內(nèi)監(jiān)測(cè)到的橈動(dòng)脈血壓波形Fig.15 Radial arterial blood pressure waveform detected in the UAFS 6 s

圖16 所示為UAFS 監(jiān)測(cè)到的橈動(dòng)脈血壓波形解釋。

圖16 UAFS 監(jiān)測(cè)到的橈動(dòng)脈血壓波形解釋Fig.16 Interpretation of radial arterial blood pressure waveform detected by UAFS

圖16 中對(duì)UAFS6 s 內(nèi)監(jiān)測(cè)到的橈動(dòng)脈血壓波形中的收縮壓和舒張壓進(jìn)行識(shí)別并標(biāo)注。取6 s 內(nèi)收縮壓的平均值為119.48 mm Hg，這與袖帶式電子血壓計(jì)測(cè)得的收縮壓僅相差0.48 mm Hg。取6 s 內(nèi)舒張壓的平均值為85.48 mm Hg，這與袖帶式電子血壓計(jì)測(cè)得的舒張壓相差1.48 mm Hg。6 s 內(nèi)監(jiān)測(cè)到8 個(gè)心動(dòng)周期，所以UAFS 測(cè)得的心率為80 次/min，這與袖帶式電子血壓計(jì)一致。綜上，UAFS 經(jīng)袖帶式電子血壓計(jì)校準(zhǔn)后，血壓監(jiān)測(cè)結(jié)果與袖帶式電子血壓計(jì)相比誤差在2 mm Hg 以?xún)?nèi)，心率監(jiān)測(cè)結(jié)果與袖帶式電子血壓計(jì)一致。因此，UAFS 能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)血壓和心率。對(duì)一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的血壓波形進(jìn)行解釋可以看到，血壓波形中具有相應(yīng)生理意義的波形形態(tài)均被監(jiān)測(cè)到。

2.7 不同脈沖重復(fù)頻率下監(jiān)測(cè)人體橈動(dòng)脈血壓波形

圖17 所示為不同脈沖重復(fù)頻率下測(cè)得的血壓波形。從圖17 可見(jiàn)，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率為10 Hz 時(shí)，波形完全失真，收縮壓和舒張壓等波形形態(tài)均沒(méi)有被監(jiān)測(cè)到。20 Hz 時(shí)波形失真較嚴(yán)重，在早期收縮處的波形出現(xiàn)尖峰，主動(dòng)脈打開(kāi)即舒張壓處的信號(hào)丟失。50 Hz 時(shí)波形仍有失真情況，在早期收縮處的波形出現(xiàn)尖峰，主動(dòng)脈打開(kāi)處的波形出現(xiàn)尖峰。100、200、500、1000 Hz時(shí)，波形光滑且完整，所有的波形形態(tài)均被監(jiān)測(cè)到。由于脈沖重復(fù)頻率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過(guò)大，給數(shù)據(jù)處理增加負(fù)擔(dān)，因此脈沖重復(fù)頻率為100 Hz 是最佳選擇。

圖17 不同脈沖重復(fù)頻率下測(cè)得的血壓波形Fig.17 Blood pressure waveforms measured at different pulse repetition rates

3 結(jié) 論

本文利用激光切割銅箔獲得“S”形可拉伸島橋電極，使用水溶性膠帶將電極轉(zhuǎn)印到Eco-flex 薄膜基底上，然后焊接1-3 壓電復(fù)合材料，最后用Eco-flex 封裝，制備了一款超聲陣列柔性傳感器（UAFS）。

（1）通過(guò)測(cè)試不同薄膜基底厚度對(duì)超聲衰減的影響發(fā)現(xiàn)，Eco-flex 薄膜基底越厚，對(duì)超聲波能量衰減越強(qiáng)，回波信號(hào)越小。最終確定了使用4 000 r/min，旋涂60 s 獲得厚度25 μm 的Eco-flex 薄膜作為基底制備UAFS。

（2）“S”形島橋電極被Eco-flex 封裝后，斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)76.56%。UAFS 具有很高的測(cè)試穩(wěn)定性和制備工藝的可重復(fù)性，其軸向分辨率可達(dá)330 μm，在經(jīng)歷拉伸、扭曲和彎折后仍能夠恢復(fù)初始狀態(tài)，能夠貼合皮膚，適應(yīng)皮膚形態(tài)。

（3）陣列設(shè)計(jì)使超聲傳感器能夠?qū)M織內(nèi)的動(dòng)脈進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橈動(dòng)脈血壓波形和心率的持續(xù)監(jiān)測(cè)，血壓監(jiān)測(cè)結(jié)果與商用袖帶式電子血壓計(jì)相比誤差在2 mm Hg 以?xún)?nèi)，心率監(jiān)測(cè)結(jié)果與商用袖帶式電子血壓計(jì)一致。UAFS 可捕捉動(dòng)脈血管的一系列關(guān)鍵特征（截面積、血管剛度系數(shù)、血壓），性能可靠，具有很強(qiáng)的臨床相關(guān)性。