無線可穿戴柔性脈搏檢測系統設計*

代雁冰, 曹志廣, 李 鐵, 孫富欽, 張 珽

(1.中國科學技術大學 納米技術與納米仿生學院,安徽 合肥 230026;2.中國科學院 蘇州納米技術與納米仿生研究所創新實驗室,江蘇 蘇州 215123)

0 引 言

脈搏波是由心臟搏動沿動脈血管和血流向外周傳輸而形成,并在各級動脈分支產生反射而形成反射波,這些反射波的強度和波形會受生理或病理因素影響產生較大差異,其與原始脈搏波疊加之后也會呈現出不同波形特征,這使得脈搏波中包含豐富的人體生理或病理信息[1]。實時、準確地對人體脈搏信號進行采集和處理,對日常健康監護、臨床診斷有著重要的現實意義和價值。傳統脈搏檢測系統通常采用有線方式,存在設備體積較大、不便于攜帶的問題,不能滿足人們對日常健康檢測的需求[2]。

針對于上述情況,本文將無線藍牙技術和柔性印刷電子技術相結合,設計出一種無線可穿戴柔性脈搏檢測系統,可以實現對人體脈搏信號的采集、處理,并能無線傳輸至智能手機端實時顯示脈搏信息。無線藍牙技術使檢測方式擺脫了有線檢測的束縛,使系統更為便攜、可穿戴；而柔性印刷電子技術使整體電路與動態可彎折被測表面貼敷更為緊密,使系統具有更小的體積及更高的穿戴舒適性。這兩種技術的結合,使該系統在日常健康檢測領域具有良好的應用前景。

1 系統整體設計

1.1 系統概述

無線可穿戴柔性脈搏檢測系統分為主機、從機兩部分,主要由可穿戴脈搏傳感模塊、藍牙傳輸模塊、電源模塊等構成。從機部分主要功能是,通過可穿戴脈搏傳感器采集人體脈搏波信號,將原始信號進行處理后,利用藍牙4.0技術將脈搏信息無線傳輸至主機部分。主機部分功能主要是在智能手機終端實現,所設計的應用程序可以向從機發送藍牙連接指令、脈搏信號采集指令,并且接收無線傳輸數據,進行脈搏波形實時顯示。系統整體設計框架如圖1所示。

圖1 系統整體設計框圖

1.2 柔性印刷電路工藝

柔性電路板采用印刷電子技術制作,主要由絕緣薄膜、銅箔以及粘結劑制成。通過在可彎曲輕薄塑料薄膜上嵌入電路設計,能實現在有限空間范圍內堆嵌所需精密元器件的目的,從而形成可彎曲的柔性電路[3]。

絕緣薄膜是柔性電路的基礎層,常見絕緣薄膜材料是聚酰亞胺和聚酯材料。聚酰亞胺材料具有幾何尺寸穩定,抗扯強度高,不易燃等優點,可承受常用焊接溫度。聚酯材料,也稱聚乙烯雙苯二甲酸鹽,其物理性能類似于聚酰亞胺,但不耐高溫,限制了其在需焊接的應用場景下使用[3]。基于上述分析,本系統柔性印刷電路采用聚酰亞胺作為絕緣薄膜材料。

本系統采用壓延銅箔作為柔性印刷電路中導體材料,其具有較好延展性,能與可穿戴脈搏檢測系統撓折性需求相匹配。

柔性印刷電路板與剛性電路板制作工藝最大區別在于,柔性電路采用覆蓋膜方式代替了剛性板中的阻焊劑,通過“開窗—粘貼—壓合”制作而成。與剛性板相比,柔性印刷電路板具有重量輕、體積小、厚度薄、可撓性強等特點,更符合可穿戴電子領域應用場景。本系統設計柔性印刷電路及其結構如圖2所示。

圖2 柔性印刷電路及其結構

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊設計

為滿足輕量化、可穿戴需求,本系統采用紙電池對功能模塊進行供電。其輸出電壓范圍為5～6 V,經AMS1117穩壓芯片進行電壓轉換,產生3.3 V穩定直流電壓,能達到給系統功能模塊供電的目的。

本系統采用恩福賽柔性電子所生產紙電池,其表觀尺寸為36 mm×54 mm,最大厚度小于0.7 mm,重量僅為1～2 g,交流內阻90 Ω,且輸出電壓穩定。與傳統硬質鋰電池相比,可更好地滿足系統輕量化、可穿戴應用需求。

2.2 脈搏傳感器模塊設計

2.2.1 脈搏傳感器的選型

目前,主流脈搏傳感器主要分為光電式、壓電式、壓阻式等類型。

光電式脈搏傳感器以紅外光感知為主,利用紅外光線對血液容積變化敏感的特性,可以檢測到血液中血氧蛋白含量變化,通過調理電路輸出反映指尖血容積變化的完整脈搏波形信號[4]。光電式傳感器對外界環境中光信號十分敏感,測量環境中的背景光和二次反射光都會對脈搏信號測量產生影響。

壓電式和壓阻式傳感器一般采用微壓力傳感材料,通過對血管搏動時皮膚表面微小壓力信息檢測,即可以采集到脈搏跳動信號及其電信號變化量,經過信號調理電路可以得到完整脈搏波形[5]。相對于壓阻式傳感材料來說,壓電材料靈敏度不高,在需要較高靈敏度場景下,必須選用尺寸較大的壓電材料。

基于對不同種類脈搏傳感器的分析,針對可穿戴脈搏檢測系統便攜性和可靠性的技術要求,本設計方案選用壓阻式脈搏傳感器作為從機脈搏采集模塊。

2.2.2 柔性壓阻式脈搏傳感器的工作原理

本文系統采用華科電子HK—2018集成型可穿戴脈搏傳感器。它是一種柔性可穿戴的無創傷脈搏傳感器。該脈搏傳感器技術指標如下：1)供電電壓為3.3～3.6 V；2)可以檢測到0～300 mmHg的脈搏壓力；3)壓力分辨率為1 mmHg；4)工作溫度范圍為0～50 ℃。

該脈搏傳感器內部結構中,除了壓阻式傳感器模塊外,還集成了信號處理模塊和微控制器,其內部結構如圖3所示。

圖3 柔性脈搏傳感器內部結構框圖

HK—2018柔性脈搏傳感模塊是采用應變橋式壓力結構芯體制成的傳感模塊,其本質是一個惠斯通電橋。初始狀態時,傳感器的4個橋臂電阻相等,電橋輸出為零；當施加外界壓力時(因脈搏跳動而產生的微壓力),敏感電阻阻值發生變化,電橋產生不平衡輸出[6],傳感器即可檢測到人體橈動脈壓力信號。

人體脈搏信號頻率范圍為0.05～20 Hz,因此，采用低通濾波器即可濾除50 Hz工頻干擾及其他高頻干擾信號[7]。此外,原始脈搏信號電壓幅值為毫伏(mV)級別,在濾波預處理之后還需經過電路對其進行放大,設計中采用差分放大電路,可以很好地抑制共模信號和零點漂移。

脈搏波信號在經過放大和濾波模塊之后,可以有效、準確地傳入微控制器,并在微控制器中完成A/D轉換,繼而與藍牙模塊進行異步串行(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)通信。

2.3 藍牙傳輸模塊設計

系統的藍牙模塊采用Nordic公司NRF51822藍牙芯片,其配備了具有256kB flash,16kB RAM 的32位ARM Cortex M0處理器,并集成了支持藍牙4.0的2.4 GHz無線收發器、16個可編程外設接口PPI和其他模擬/數字模塊,且支持SPI/I2C/UART全功能數字接口和10位ADC轉換[8]。相較于傳統藍牙傳輸芯片,NRF51822將控制芯片和射頻芯片功能集成到一起,可使系統無需其他單片機參與控制,即可完成信號的處理、傳輸和無線收發,具有集成度高、易于移植開發等特點,適用于可穿戴檢測設備。

NRF51822與柔性脈搏傳感模塊的通信采用URAT接口。柔性脈搏傳感器接口由接口間距0.5 mm的軟排線引出引腳與NRF51822相連,其中,VCC和GND用于向傳感器供電,TXD和RXD用于和傳感器通訊。藍牙模塊電路圖如圖4所示。

圖4 藍牙模塊電路

NRF51822的ANT1與ANT2引腳為2.4 GHz射頻天線端口,為了節省電路板空間以實現較高集成度,本系統采用直接印刷在電路板上的曲流型天線進行射頻端口與天線端口的阻抗匹配。天線部分的封裝如圖5所示。

圖5 阻抗匹配天線設計

3 系統軟件設計

3.1 數據格式與協議

藍牙模塊與可穿戴脈搏傳感器模塊通信時,采用UART通信協議,為全雙工串行通信接口,設定1個起始位、 8個數據位、 1個停止位、無奇偶校驗位,波特率256 000 bps。通信協議以幀為單位,數據幀結構包括幀頭標識、目標地址、數據長度、控制字、數據內容,具體格式如表1所示。

表1 數據幀格式

在采樣時,啟動自動采樣的特征代碼為0x32,設備收到采樣指令之后,定時5 ms自動發送采樣數據,數據范圍為0—0x7FFF,低字節在前,高字節在后。

3.2 藍牙傳輸軟件設計

藍牙模塊程序基于C語言開發,采用Keil uVision5軟件進行編程設計。在系統上電之后,程序首先對藍牙模塊進行初始化,包括BLE函數初始化、底層函數初始化、定時器初始化等。初始化完成之后,程序啟動定時器,開始對外廣播,請求建立通信鏈路。

程序采用中斷的方式實現數據發送和緩存。當藍牙接收到正確幀頭數據后,將數據發送到數據緩存區中,待緩存區收集到滿包數據,即標記數據處于可發送狀態并進行發送。同時,緩存區清零,進行下一幀數據的接收。若接收到的幀頭數據不正確,直接將緩存數據清零接收下一幀數據。

所獲取的數據結果既可以通過串口打印進行實時顯示,也可以傳輸到手機或者其他移動終端。藍牙模塊工作流程圖如圖6所示。

圖6 藍牙模塊工作流程圖

3.3 應用軟件設計

本系統的移動應用端軟件采用微信小程序形式進行數據顯示,無需用戶安裝下載且即開即用,具有應用場景通用性。程序利用HBuilder開發工具進行設計開發,其工作流程圖如圖7所示。

圖7 小程序工作流程圖

小程序主要功能分為兩個部分,第一部分是藍牙掃描和連接：啟動程序并點擊“掃描”按鈕,此時進入藍牙掃描界面,完成對周圍可連接藍牙設備的掃描和確認。在成功連接相應傳感器之后,觸發中斷程序,啟動數據傳輸。在數據傳輸過程中,仍采用幀協議讀取方式,使手機在處理大量數據時不會占用過多內存,達到長時間運行要求。

第二部分是脈搏波形顯示：當移動設備端藍牙連接至脈搏采集模塊后,應用程序將自動進入脈搏波顯示界面。為獲得完整、準確的脈搏波形,利用HBuilder開發工具設計出X軸移動繪圖動態界面,且該界面也可根據脈搏波形數值調整Y軸顯示范圍,使系統實現脈搏波形的實時、動態檢測。

4 實驗結果與分析

基于整體電路設計原理制作柔性印刷電路板,并焊接貼片元器件,燒錄軟件程序之后進行系統性能測試。脈搏傳感器模塊通過0.5 mm間距軟排線與藍牙模塊相連接,連接方式如圖8所示。

圖8 功能模塊實物

將脈搏傳感器固定于測試者的手腕處,開啟移動設備藍牙,打開應用程序進行藍牙設備掃描,選擇連接傳感器“Flexible Pulse Sensor”,進入波形顯示界面可實時顯示被測者脈搏波形。藍牙掃描及波形顯示界面如圖9所示。從結果可見脈搏波形中主波、潮波、重搏波等詳細信號,達到預期設計效果。

圖9 藍牙掃描及波形顯示界面

藍牙系統性能另一個重要指標是接收數據的誤碼率[9]。將藍牙傳輸模塊通過J-Link與電腦端相連接,使用J-Link Viewer軟件可以在電腦端輸出藍牙傳輸之前脈搏波數據。智能手機終端在與藍牙模塊建立連接之后,使用第三方應用軟件NRF-connect可檢測到手機終端接收到的無線傳輸數據。通過數據對比可以看出，脈搏波數據在藍牙傳輸前后的誤碼率和丟包率小于1 %,可進一步驗證本系統無線藍牙傳輸的可行性。

5 結 論

本文設計并制作出無線可穿戴式柔性脈搏檢測系統,性能測試結果顯示,移動終端的應用程序可實時、準確地顯示出所檢測脈搏波形信號的詳細信息。本設計創新性地將無線藍牙技術和柔性印刷電子技術相結合,使系統可貼敷在動態可彎折的被測表面,具有體積小、可穿戴、易便攜、輕量化等優勢；同時,將脈搏波檢測結果于智能移動終端顯示,能使本系統在日常健康監護、臨床診斷、遠程醫療方面具有較好的應用前景。