可穿戴脈搏壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 威，吳學(xué)洲，朱 臣，葉 冬，黃永安

(華中科技大學(xué) 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

0 引言

可穿戴電子技術(shù)為形成一個(gè)快速發(fā)展的消費(fèi)設(shè)備領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。可穿戴表皮電子設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體生理健康信息，并實(shí)現(xiàn)人體產(chǎn)生的信號(hào)與外界系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互，為人們的生活帶來(lái)更多的舒適和方便。當(dāng)前可穿戴電子設(shè)備多用于監(jiān)測(cè)人體生理健康信息，如先進(jìn)的醫(yī)療保健、監(jiān)測(cè)人體生命體征等。同時(shí)，可穿戴電子設(shè)備還可作為人體生理和神經(jīng)信號(hào)與外界檢測(cè)裝備之間的接口[1]，為可穿戴電子系統(tǒng)提供了新的應(yīng)用研究方向，如人機(jī)實(shí)時(shí)交互處理控制接口等[2]。

完整的可穿戴電子系統(tǒng)需具備數(shù)據(jù)采集、處理及應(yīng)用能力，除此之外，還需兼具可彎曲性、可伸縮性與穿戴舒適性。因此，建立一個(gè)實(shí)用可靠的系統(tǒng)，需要將傳感器、執(zhí)行器、數(shù)據(jù)處理單元和無(wú)線通信系統(tǒng)[3-6]集成在一個(gè)柔性平臺(tái)上。但目前的執(zhí)行器、數(shù)據(jù)處理單元和無(wú)線通信系統(tǒng)的整體柔性化程度還未能匹配可穿戴表皮電子傳感器的封裝條件[7-8]，導(dǎo)致多采用有線系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的采集和傳輸處理。本文提出了一種可穿戴脈搏壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的解決思路，包括信息傳導(dǎo)、無(wú)線傳輸和實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)整體框架

本文提出的可穿戴脈搏壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由3部分組成：脈搏壓力監(jiān)測(cè)傳感器、調(diào)理硬件系統(tǒng)以及智能終端設(shè)備。脈搏傳感器采集人體脈搏的壓力信號(hào)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)理放大電路的濾波和放大處理，得到可用于藍(lán)牙無(wú)線傳輸?shù)男盘?hào)。再通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸系統(tǒng)電路的AD采樣模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并最終無(wú)線發(fā)送給智能終端設(shè)備。智能終端設(shè)備的軟件程序無(wú)線接收數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理，用于數(shù)據(jù)分析和圖像顯示。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。圖1右為系統(tǒng)實(shí)測(cè)場(chǎng)景圖。

圖1 系統(tǒng)整體功能框圖

上述的硬件處理系統(tǒng)集成制作在柔性基底電路板上，與設(shè)計(jì)的脈搏壓力監(jiān)測(cè)傳感器有機(jī)結(jié)合，整體封裝成手表形狀，人體可進(jìn)行舒適地穿戴。并且還可與現(xiàn)有的機(jī)械或電子表頭相結(jié)合，形成具有智能監(jiān)測(cè)功能的手表。系統(tǒng)采用柔性基板電路和微電子相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了柔性可彎曲的無(wú)線通信系統(tǒng)，將傳感器采集的信號(hào)傳輸?shù)街悄芙K端，并對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行了簡(jiǎn)單處理和分析應(yīng)用。

1.1 脈搏壓力監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)

脈搏壓力傳感器作為整個(gè)可穿戴脈搏壓力檢測(cè)系統(tǒng)的感知元件，除了要求靈敏度高、噪聲信號(hào)小、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，還需要具備柔軟舒適的特點(diǎn)，以滿(mǎn)足可穿戴電子設(shè)備的穿戴需求。

壓電傳感器利用壓電材料的壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。這種有源傳感器能將脈搏跳動(dòng)微弱的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過(guò)電壓放大和采集電路，就可以非常靈敏地檢測(cè)到微小的壓力變化[9]。

壓電材料有石英、壓電陶瓷等無(wú)機(jī)壓電材料和聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride, PVDF)等有機(jī)壓電材料。無(wú)機(jī)壓電材料雖然有著更高的壓電常數(shù)，但是其脆性大，可承受的最大應(yīng)變一般不超過(guò)1%；相反，有機(jī)壓電材料具有非常好的柔性，同時(shí)也有著較優(yōu)良的壓電效應(yīng)。

直接將柔性的PVDF壓電薄膜貼在手腕處，能夠測(cè)量到人體的脈搏波形。但是輸出電壓的幅值在1 mV左右，需用半導(dǎo)體分析測(cè)試儀才能測(cè)得有效信號(hào)[10]。另一方面有效信號(hào)幅值過(guò)小，很容易被噪聲信號(hào)所淹沒(méi)。使用單一的柔性壓電膜也增加了與整個(gè)可穿戴系統(tǒng)裝配的難度[11]。

基于以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了如圖2(a)所示的壓力傳感器。傳感器由5部分組成：下支撐件、PVDF壓電薄膜、硅膠探頭、上封裝基體和引出線。上下基體起到固定、支撐和封裝的作用；硅膠探頭是用楊氏模量極小的Ecoflex材料澆鑄在精密模具里制備而成的超柔軟的壓力探頭，起到壓力傳遞的作用，可以將比較微弱的壓力傳遞到傳感器的感芯上，有效地減小了能量的損失；PVDF壓電薄膜當(dāng)受到外界壓力作用而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，由于壓電效應(yīng)能在其表面產(chǎn)生極化的電荷，從而有電信號(hào)輸出，是整個(gè)傳感器的感芯部分；引出線將PVDF產(chǎn)生的電壓信號(hào)傳遞給采集和調(diào)理電路做下一步處理。所設(shè)計(jì)的脈搏壓力傳感器的實(shí)物圖如圖2(b)所示，將傳感器用腕帶戴在手腕處，用示波器測(cè)得人體脈搏波形如圖2(c)所示，最大電壓約70 mV，最小電壓約-20 mV，所以還需電壓放大電路、直流偏置電路等進(jìn)行后續(xù)處理。

圖2 脈搏檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 脈搏信號(hào)調(diào)理硬件系統(tǒng)

脈搏壓力傳感器的輸出信號(hào)的幅值和能量是非常微弱的。為了采集出脈搏壓力傳感器的信號(hào)，需要在進(jìn)行無(wú)線傳輸前對(duì)微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大處理，才能達(dá)到AD采集單元的采樣電壓范圍的要求，采集到有效的脈搏信號(hào)。同時(shí)還需避免傳輸過(guò)程中外界低幅值微弱噪聲信號(hào)的混入[12]。

由于人體本身就是一個(gè)導(dǎo)電體，外界的工頻干擾，體外的電場(chǎng)、磁場(chǎng)感應(yīng)都會(huì)引入測(cè)量噪聲，導(dǎo)致采集的信號(hào)中混雜著來(lái)自人體或環(huán)境的噪聲干擾，因此信號(hào)的濾波和電路的屏蔽就成為了調(diào)理電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。50 Hz工頻噪聲的去除也是調(diào)理電路的關(guān)鍵。本文中使用的電路為典型的有源雙T型陷波器[13]。其中心頻率漂移受電路中電容和電阻的影響，所以設(shè)計(jì)中需采用高精度的鍍銀云母電容或碳酸鹽電容和金屬膜電阻，才能高效濾除50 Hz工頻信號(hào)。同時(shí)對(duì)于有效頻帶范圍外的高頻和低頻噪聲也需去除[14]。

由于前文敘述的電路設(shè)計(jì)，不可避免會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，以及脈搏壓力信號(hào)本身的特性，都會(huì)導(dǎo)致負(fù)壓的產(chǎn)生，而系統(tǒng)芯片的AD采樣接口無(wú)法采集負(fù)壓信號(hào)，因此調(diào)理電路結(jié)構(gòu)中需設(shè)計(jì)偏置電路以適應(yīng)后續(xù)電路的AD采樣。

電源設(shè)計(jì)需綜合考慮系統(tǒng)的功耗和系統(tǒng)集成所需的供電電壓及供電電流。本系統(tǒng)存在有源集成運(yùn)算放大器以及DA14580藍(lán)牙芯片的供電需求。

無(wú)線傳輸部分，要求信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸，且數(shù)據(jù)發(fā)送量較大，對(duì)傳輸速率也有比較高的要求。考慮到信號(hào)與智能終端的無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)，以及可穿戴系統(tǒng)整體功耗要求較低，綜合比較其他無(wú)線傳輸協(xié)議，選用藍(lán)牙無(wú)線通信協(xié)議便于實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)終端的無(wú)線通信。本文選用DA14580藍(lán)牙核心芯片實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無(wú)線傳輸功能。調(diào)理硬件系統(tǒng)原理圖如圖3和圖4所示。通過(guò)模擬仿真給出了調(diào)理系統(tǒng)的幅相頻曲線，并通過(guò)方波信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，以及實(shí)測(cè)人體在靜止時(shí)的脈搏波形，由圖5可以看出，調(diào)理系統(tǒng)在相應(yīng)通頻帶內(nèi)濾波放大功能正常，對(duì)噪聲濾除效果良好。

圖3 系統(tǒng)藍(lán)牙及電源供電部分電路圖

圖4 系統(tǒng)調(diào)理放大電路圖

圖5 系統(tǒng)調(diào)理部分信號(hào)測(cè)試

圖6 Android智能手機(jī)終端APP

完成系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)后，還需進(jìn)行柔性印刷電路板(Flexible Printed Circuit Board, FPCB)整板設(shè)計(jì)調(diào)試。為了保證系統(tǒng)硬件的可靠性，需要考慮FPCB的布局設(shè)計(jì)；電源部分和調(diào)理放大部分及藍(lán)牙無(wú)線傳輸部分的數(shù)字地和模擬地要分隔開(kāi)；電源線和地線必須加寬，高阻抗的走線要短；元件的信號(hào)走線要避免相互之間平行布局，其電源線要與信號(hào)線之間隔開(kāi)；合理進(jìn)行鋪銅設(shè)計(jì)以減小干擾。還需綜合考慮FPCB設(shè)計(jì)的彎曲曲率要求，合理分布元器件，在滿(mǎn)足系統(tǒng)功能的前提下，盡可能地實(shí)現(xiàn)較大曲率的彎曲性能要求。綜合考慮以上因素得到FPCB系統(tǒng)電路板設(shè)計(jì)。

1.3 Android智能手機(jī)終端APP開(kāi)發(fā)

在開(kāi)源的Android操作系統(tǒng)下進(jìn)行APP的開(kāi)發(fā)工作，其核心任務(wù)是利用Bluetooth協(xié)議實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。本系統(tǒng)采用了低功耗藍(lán)牙4.0這種最新版本的藍(lán)牙傳輸協(xié)議，利用Eclipse Android應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件成功設(shè)計(jì)出了一款A(yù)PP,并且最終在智能手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了人體脈搏波形的無(wú)線顯示。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的APP運(yùn)行邏輯流程圖如圖6所示。

2 系統(tǒng)性能測(cè)試

柔性無(wú)線通信系統(tǒng)整體調(diào)試，將柔性無(wú)線通信硬件和軟件相結(jié)合，采集自制的脈搏波形傳感器信號(hào)，利用終端APP接收數(shù)據(jù)顯示脈搏波形，驗(yàn)證系統(tǒng)的功能。并對(duì)系統(tǒng)的使用穩(wěn)定性進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)軟件功能進(jìn)行完善。最后設(shè)計(jì)模具，利用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)對(duì)FPCB系統(tǒng)電路板進(jìn)行封裝，最終完成可穿戴脈搏壓力監(jiān)測(cè)手環(huán)的設(shè)計(jì)。

本文中可穿戴脈搏壓力監(jiān)測(cè)手環(huán)的應(yīng)用場(chǎng)景為日常生活成年人脈搏信號(hào)監(jiān)測(cè)。為此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：(1)靜止時(shí)脈搏波形測(cè)量；(2)運(yùn)動(dòng)后脈搏波形測(cè)量。利用示波器采集原始脈搏波形數(shù)據(jù)以及調(diào)理后的波形數(shù)據(jù)，并通過(guò)APP終端顯示脈搏波形。對(duì)比測(cè)試采集的脈搏波形如圖7所示，脈搏波形的主波、潮波、重搏波特征[15]可由圖7中APP采集波形較好地讀出。

圖7 成年受試者運(yùn)動(dòng)前后脈搏波形測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從圖7(a)和圖7(b)中示波器直接采集調(diào)理后波形數(shù)據(jù)與APP采集數(shù)據(jù)對(duì)比可知，系統(tǒng)無(wú)線采集的數(shù)據(jù)波形與實(shí)際波形吻合良好。而且由人體運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)后測(cè)試采集的脈搏波形可知，運(yùn)動(dòng)后脈搏頻率明顯加快。圖7(c)中脈搏波形頻率基本保持穩(wěn)定，由于影響脈搏壓力變化的因素較多，傳感器靈敏度較高，細(xì)微的環(huán)境變化都會(huì)引起脈搏波形變化，圖中波形幅值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)與實(shí)際測(cè)量環(huán)境相符，驗(yàn)證了系統(tǒng)脈搏傳感器長(zhǎng)時(shí)間采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析，可以驗(yàn)證本文的穿戴脈搏壓力監(jiān)測(cè)手環(huán)可用于日常生活成年人脈搏信號(hào)監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)論

本文提出了一種可穿戴脈搏壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的解決思路，自主設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種脈搏波形采集傳感器，利用APP將脈搏傳感器采集的信號(hào)傳輸?shù)紸ndroid移動(dòng)終端，在APP界面上實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的可視化。但沒(méi)有進(jìn)一步分析處理APP采集到的數(shù)據(jù)，提取脈搏波形的特征數(shù)據(jù)。后續(xù)將研究脈搏波形數(shù)據(jù)處理算法以及APP的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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