人体压力分布测量及其传感技术

1、第18卷第2期2005年6月传感技术学报CHIN ES E JOURNAL OF S ENSORS AND ACTUA TORSVol.18No.2J un.2005Pressure Mapping System and its Sensor T echnologyZhUA N G Yan 2z i ,CA I Pi ng ,Z HOU Zhi 2f eng ,Y I N L i ang 2yon g(S hanghai J iao Tong Universit y ,S hanghai 200030,China Abstract :Pressure Mapping System is a v

2、isual tool for measuring interface p ressures t hat occur between pa 2tient s and t heir co ntact surfaces.The paper described t he general st ruct ure of t he system and it s sensor technology.They are capacitive sensor ,resistive sensor which is made of resistive ink ,piezoresistive sensor ,and et

3、c.Three typical pressure mapping systems are co nsulted ,which are ,Xsensor ,Tekscan and FSA ;At t he same time ,it discusses t heir main characteristics wit h t he advantages and disadvantages ,and compares t heir main performance.Lastly ,t his paper introduces a self 2designed pressure mapping sys

4、tem ,and p ut s forward t he testing result s based on t his system.K ey w ords :p ressure mapping ;pressure sensor ;measurement ;resistive ink EEACC :7230人体压力分布测量及其传感技术庄燕子,蔡萍,周志锋,尹良勇(上海交通大学仪器系,上海200030收稿日期:2004209220摘要:体压分布测量系统是测试病人坐卧时,人体与接触面之间压力的可视化工具。介绍了人体压力分布测量系统的一般结构,对其关键点传感器技术作了较为详细的叙述。它们分别是电容

5、式压力传感器;用电阻油墨制成的电阻式压力传感器阵列;压电电阻传感器等。有针对的介绍了国外三种典型的人体压力测试产品,Xsensor 、Tekscan 和FSA ;论述了它们的主要特点及优缺点,并对其主要性能作了对比。最后介绍了自行设计的体压分布测量系统,并给出了实测结果。关键词:压力映射;压力传感器;测量;电阻墨水中图分类号:TP212.9文献标识码:A 文章编号:100529490(2005022*坐卧是人类最基本的活动之一。人生三分之一的时间是在床上度过的,其余时间有一大部分处于坐姿。坐卧时,人体局部长期受压过大会引起褥疮、坐疮等疾病,每年用于该类疾病的费用高达64亿美元1。对于半身不遂、

6、卧床不起的人来说,如果不采取有效减压措施,这种疾病将是致命的。因此,检测人体坐卧时的受力状态是非常必要的。体压分布测量系统也称压力映射系统,正是这种测量的技术手段和设备。它的研制不仅在临床医疗、康复等方面给病人以福音,更对这些领域的研究具有重要的科学意义;另外在许多新产品开发、产品改良、产品测试等方面也有重要的应用价值,如床垫,轮椅,驾驶椅,运动器材等。1传感技术人体压力分布测量技术的研究,在国外已进行了四十多年,市场上的产品也是形形色色。按所用压力传感器来分,大致有以下几种类型:电容式、压阻式、应变式等等。其中压阻式和电容式压力测试系统应用最为普遍,能实时测量连续的坐卧压力分布2,3。1.1

7、几种典型的压力分布测量用传感技术电容式传感器是利用两个带电体作为电极构成电容器,在被测参数作用下引起电容值变化的一种测量装置。此种传感器的结构形式较多,其中应用较多的是平行板电容器。图1为XSENSOR 研制的垫面状电容式压力传感器的横截面示意图。它共有七个层次,第一、七层为表面织物层;二、四、六层为碳浸渍硅胶层作为电极,每层厚0.16cm ;三、五层为聚亚氨酯泡沫橡胶,层厚0.16cm 。各层间用合成橡胶粘接剂粘接在一起。第二、四、六层分别引出导线,二、六层接地,这样就相当于两个电容并联,总电容为两电容之和;这种结构的另一个优点是,任何一面接触人体都不会有相应的寄生电容产生 。图1电容式压力

8、传感器上述结构从整体上构成了一个平行板电容器,当负载沿垂直方向作用时,泡沫橡胶被挤压,极板间距减小,电容量增加。其变化可用适当电路检出,并转换成电压信号输出。图2为美国产IN TERL IN K 传感器的结构示意图。它是用金属粉末或碳黑浸渍合成物而制成的。其主要结构为两层相邻的聚酯薄膜。其中一层聚酯薄膜上,是高阻性的导电聚合体敏感膜片,称之为电阻油墨,它是一种悬浮在聚酯薄膜层上的某些有机成份和无机成份的混合物。导电性较强的混合物构成了细微的表面导电通路。另一层印刷在聚酯薄膜上的是相互交错的可扩展电极。当弹性橡胶被压时,两层薄膜间的接触电阻减小,导电性增加。随着压力的增大,接触电阻进一步减小 。

9、图2IN TERL IN K 传感器该传感器仅有0.25mm 厚,造价低、有弹性、结实耐用、不易老化和氧化。其温度范围也较高。无压力作用时,其电阻约为10100M 。受力较小时,它的作用相当于开关关断状态,随着压力的增加,其电阻按指数规律减小5。图3是其工作原理图。在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体,如图3(a 所示,如果对这一电阻体施加压力,由于压电电阻效应,其电阻值将发生变化。受到应变的部分,即膜片由于容易感压而变薄,如图3(b 所示,当向空腔部分加上一定的压力时,膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。压电电阻的排列方法如图3(c 所示,受到拉伸的电阻R 2和R 4的阻值增加;受到

10、压缩的电阻R 1和R 3阻值减小。这4个电阻连接成电桥的形式,如图3(d 所示,其电压输出为:V =E 2R (R +R -E 2R(R -R 即V =ERR 其中,E 电源电压,RR电阻变化率413传感技术学报2005年该传感器的优点是薄,舒适耐用,但是分辨率和精度却不理想6 。图3压电电阻传感器工作原理导电橡胶压力传感器。导电橡胶是一种新型材料,它通常由硅橡胶填以镍或是碳黑组成。如果填料的浓度超出了某一个初始值(称为浸透值,就会形成导电粒子网络,同时合成聚合体的阻值由1012/cm 下降到10/cm ;如果外加压力施加于填料浓度接近于浸透值的合成聚合体上,那么附加的导电网络就会使得阻值大大

11、减小。这种特性使得导电橡胶合成物可以被用作压力传感器。过去,这种材料主要有两大限制:一是电特性不够稳定,阻值不仅仅取决于压力值,还跟压力的历史值有关;二是不耐用。而今,混合法取得了长足进展,使得导电橡胶材料的研究有望突破,不过大多数公司的研发方向主要集中在开-关型应用上7,8。日本富士公司研制的压敏片(FUJ I Prescale Film 能通过颜色的深浅直观地反映接触区域的压力分布情况,已经在足压测量等多方面应用。它具有厚度薄、可被任意裁减、使用简单、价格低廉等特点,但是每片只能使用一次,不能重复使用。另外压敏片虽然可以以人眼方便的粗判读,但是要做到精判读,就要借助于富士公司生产的浓度计及

12、压力转换计,或是扫描仪同计算机建立图形分析系统9。1.2影响传感器精度的主要因素同一般硬性压力传感器相比,用于人体压力分布测量的薄软压力传感器,大多都有一个重要局限:滞后影响严重。滞后是表征传感器正向(输入量增大和反向(输入量减小行程间输出-输入特性曲线不一致的程度,通常用这两条曲线之间的最大差值H max 与满量程输出F S 的百分比表示,即:e H =H maxF S×100%一般而言,这些薄软压力传感器的e H 5%。滞后性是由这类传感器所用的聚合物材料引起的。聚合物材料具有弹性特性,一方面这个特性使得传感器变得柔软,可另一方面这也是引起滞后的重要原因。对于这类传感器而言,如何

13、校准是个非常重要的问题。因为传感器数量众多,按传统的对单个传感器校准的方式相当繁琐;又由于传感器的稳定性、滞后性以及其他参量的交叉灵敏度(温度、湿度、磁场等的影响,使得这类系统需要经常校准(一般一年几次,这样才能保证系统精度。通常,本系统都要配套特定的校准工具,它具有压力基准值,并能一次对所有的传感器进行校准。如FSA 的压力校准工具10。计算机是本系统的组成部分之一,所以可以通过软件使得传感器“智能化”。例如,通过好的软件算法可对传感器的滞后性进行补偿;每次使用这类系统时,可用软件的方式,将未受人体压力的初始压力值标零,从而达到对交叉灵敏度进行补偿的目的11。2人体压力分布测量的参照分析2.

14、1XsensorRO HO 公司的Xsensor 压力测量系统,是采用电容传感技术,来测量人体在不同支持面上所受之表面压力。该系统可应用于多种领域,如床垫轮椅的设计与测试、科学分析、表面舒适度优化以及预防压力病痛等。Xsensor 有多种尺寸的垫面供选择,最大尺寸为80cm ×200cm ,包含10,240个传感点。每平方英寸安置4个传感点。扫描速率每秒可达10,00070,000个传感点。整个系统的绝对精度为±10%或是10mm Hg 10。2.2T ekscanTekscan 压力分布测量系统的独特之处在于其专利技术柔性薄膜网格状触觉压力传感器。这种传感器厚度仅为0.1

15、mm ,且柔性很好,因而为测量各种接触面之间的压力创造了更好的条件。标准的Tekscan 压力传感器由两片很薄的聚酯薄膜组成,其中一片薄膜内表面铺设若干行、另一片薄膜内513第2期庄燕子,蔡萍等:人体压力分布测量及其传感技术表面铺设若干列的带状导体。导体本身的宽度以及导体之间距离可以根据不同的测量需要而设计。导体外表涂有特殊的电阻油墨涂层。当两片薄膜合为一体时,这些横向导体和纵向导体的交叉点就形成了压力传感点阵列,呈网格状。当外力作用到传感点上时,半导体的阻值会随外力成比例变化,压力为零时,阻值最大,压力越大,阻值越小。传感器内导体的宽度、间距决定了每单位面积内传感点的数量,即空间分辨率。不同

16、的传感器面积和空间分辨率可满足各种不同的测量要求。例如,用于座椅压力分布研究的传感器每片有2000个传感点,空间分辨率为1个传感点/cm2;还有最大空间分辨率达248个传感点/cm2的产品。传感器有不同的形状和规格,压力测量范围为0-175 Mpa,数据采集速率为127Hz10k Hz,精度为±5%。如果测量面积较大,一个传感器不能覆盖时,可选择Tekscan的虚拟系统结构(VSA,即使用多个传感器(最多12个的组合12。2.3FSA加拿大Vista Medical公司的FSA(Force Sensing Array压力测试系统,采用了压电电阻压力传感技术。FSA系统的垫面厚度仅为0

17、.36mm。另外它受温度和湿度的影响都很小,其工作环境为:温度1532,湿度0100%。该系统可靠性,重复性好,持久耐用。其精度为±10%,其中2%由滞后引起;8%由漂移导致,亦即压力值不变,但是测量值会随着时间的增加而增长10。3自行设计系统方案及其运行结果在对体压分布测量系统及其传感技术分析研究的基础上,我们自行设计了适合于测量人体坐压、背压以及枕压等分布压力的体压分布测量系统,该系统是利用气压传送机理设计实现的。3.1系统组成如图4所示,人体坐压分布测量系统主要由三部分组成:感压坐垫由垫面、感受压力的气包阵列和导气管组成,主要功能是感压及气体压力传输;测量电路由感受气包气压的微

18、型压力传感器以及信号采集电路组成,主要功能是压力传感及其信号处理和传输;计算机及其专用软件。这部分的功能是实现压力的可视化输出,并进行相关的数据统计 。图4系统组成3.2实测结果图5、6、7、8是本系统对甲乙两人分别坐在不同座椅上实测的输出图形 。图5 甲坐于软椅图6 甲坐于硬椅图7乙坐于软椅613传感技术学报2005年图8乙坐于硬椅受试者甲:身高175cm,体重80kg,男性;受试者乙:身高183cm,体重65kg,男性;座椅A:木制平板凳;座椅B:棉制软椅,中间凹陷,四周稍突。图示结果表明,软椅受力较均匀,其中间凹陷设计使得软椅的受力面积大于平板凳。另外,不同的人坐在相同的座椅上结果不同。

19、不同胖瘦受试者的最大压力和平均压力均有明显区别。4结束语目前,人体压力分布测量系统应用还不普遍,尤其是在国内,鲜有机构应用。主要原因有两个:一是系统自身的性能还不理想,主要表现为精度低,受滞后、漂移影响大,无法测量剪切力,使用几次后如何对系统进行简便而又精准的再校准也是个问题。另外,高昂的价格也是限制该系统广泛应用的重要因素。系统中所用的压力传感器,多为各家公司的专利产品,使得整套系统价格昂贵。如果在未来10年,有更多更好的方法,来测量人体在软表面上所受的压力,有价格低廉而又性能优良的产品出现,那么压力映射系统会得到更为普遍的应用。国内对此的研发还处于起步阶段,面也较窄,主要是研究足底压力测量

20、。如中国科技大学的人体步态分析系统13。华中科技大学的足底压力分布测量系统14等。尽管如此,人体压力分布测量系统已进入临床、康复、工业等领域,随着传感技术、遥测遥控技术、电子技术及计算机技术的发展,压力映射系统会向着高性能、低价格、远程化、自动化程度更高的方向发展,进而成为医疗、康复、体育等的常规化设备,也会成为床垫、轮椅、汽车驾驶座椅等制造行业进行新产品研发的必备用具。参考文献:1王珏.睡眠与床垫技术A.首届国际睡眠工程研讨会论文集C.2003.40-46.2Kalpen,A,Bochdansky,T.and Seiz,P.(1995Meas2urement of dynamic press

21、ure distribution.The way foroptimal adjustment of wheelchairsC.In:RESNAConference Workshop MW13,Vancouver。3Podoloff,R.M.(1993Automotive seating analysis u2sing thin,flexible,tactile sensor arraysR.SA E Tech2 nical Paper No.930112。4G oldman,Robert J.Capacitive biofeedback sensor withresilient polyure

22、thane dielectric for rehabilitationP.United States Patent:5,449,002.September12,1995.5Mealej N,et al.Pressure monitoring under insensatefootC.In:Proc of9th Ann Conf IEEE Eng Med Bi2ol Soc,1987,9:1823.6G oldman RJ,Salcido R.More than one way to measurea wound:an overview of tools and techniquesJ.AdvSkin Wound Care2002;1