基于电化学原理的BCG测量系统的研发

作     者：王琦玮 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑凡

授予年度：2024年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 08[工学] 10[医学] 

主      题：BCG信号 电化学换能 低频 多物理场仿真 

摘      要：伴随着科技进步与国民健康管理意识的不断增强,对于心脏疾病早期预防和实时监测的需求日益凸显,为了能够在家庭环境下非侵入性的完成心脏功能的检测,心冲击信号(BCG,ballistocardiogram)的测量成为了一种理想的解决方案。除此之外,BCG信号中蕴含着丰富的人体生理信息,不仅能够为一些心脏疾病的及早诊断提供依据而且在心肺功能监测、睡眠监测以及睡眠分期等研究中具有重要价值。现有的BCG信号检测装置大多依赖压电换能原理,其电荷转换系数受频率影响显著,低频10Hz下存在转换效率下降,然而人体BCG信号的主要频率为1～10Hz,现有的检测设备会丢失部分频率信息影响检测的准确性。因此,本文研制了一种基于电化学换能技术的BCG检测装置,电化学换能技术采用液体工作介质作为感知外部机械信号的核心,具有极高的灵敏度与良好的低频性能,有效的弥补了现有检测装置低频检测灵敏度低的不足。 本文首先从检测装置的换能原理和整体机械结构出发,建立并推导了其数学模型并对可能影响检测装置性能的相关参数进行了理论分析。之后,在多物理场仿真软件Comsol Multiphysics中对检测装置的核心部件如电化学换能器以及柔性软管建立了二维仿真模型,模拟了检测装置的工作状态以及在不同外界压力载荷作用下输出信号的时频域特点,仿真结果表明了检测装置的可行性,并为后续结构参数的优化设计提供了方向。依据仿真结果与检测装置的性能要求设计了硬件调理电路,并对信号调理电路中的各模块进行了Multisim电路仿真,确定了各电子元件参数。最后,制作了检测装置样机并进行了性能测试与人体BCG信号实测实验,检测装置的工作频带为1-20Hz,灵敏度1.45V/N,输出线性度≤0.5%。测试结果表明,电化学BCG检测装置能够准确捕捉到BCG信号并与ECG心电信号间表现出良好的同步特性,通过模板匹配算法,成功提取了心率信息,心跳检出率为99.47%,同时平均绝对误差为0.48、绝对偏差标准差为±0.41。