基于PVDF的可穿戴生理信號監(jiān)測系統(tǒng)

侯天遠，朱劍鋒，劉 濤，辛 毅

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130026)

0 引言

呼吸、心率、鼾聲反應了人體在睡眠時的大部分信息，準確監(jiān)測上述3種信號對睡眠質(zhì)量評估以及潛在睡眠疾病的診斷具有很重要的作用[1-2]。目前常使用肺活量計等設備進行呼吸信號的監(jiān)測，利用光電容積描記(PPG)、心電圖(ECG)等進行心率信號的監(jiān)測，而呼吸、心率信號同時監(jiān)測的工作多數(shù)由多導睡眠圖儀完成。上述的各種設備中，除了PPG以外，其余設備都需要被測者佩戴繁多線纜，限制主體的自由，影響他們的睡眠質(zhì)量，從而影響所收集數(shù)據(jù)的準確性[3]。而PPG設備雖然具有佩戴方便的特點，但是其測量過程易受干擾，且測量結(jié)果精度不高[4]。針對上述測量設備存在的問題，亟需一種新的測量方式減小測量束縛，同時保證測量精度。

聚偏氟乙烯(PVDF)因具有生物相容性，柔韌性強，聲阻抗低及靈敏度高等優(yōu)點，在生理信號監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應用前景[5-6]。本文基于PVDF傳感器進行呼吸、脈搏、鼾聲的監(jiān)測。采用固定在腰部的呼吸腰帶檢測呼吸信號。將PVDF傳感器分別固定在手腕、喉嚨處檢測脈搏、鼾聲信號。位于腰部的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成生理微振信號的采集、緩存及無線傳輸。運行在Android設備上的APP接收來自下位機的數(shù)據(jù)，并進行存儲和顯示。

1 總體設計

1.1 系統(tǒng)總體設計方案

本設計通過固定在腹部的呼吸傳感器、腕部的脈搏傳感器及喉部的鼾聲傳感器分別采集呼吸、脈搏及鼾聲信號。將3種信號分別通過電荷放大電路進行放大，阻抗轉(zhuǎn)換，通過工頻陷波器濾除工頻干擾及采用同相放大器進行電壓信號放大，然后微控制器通過控制多路選擇開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)分時對脈搏、呼吸、鼾聲3路信號進行轉(zhuǎn)換采集。之后微處理器將采集的數(shù)據(jù)儲存到閃存中，或經(jīng)藍牙發(fā)射出去。手機端通過藍牙接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)射的數(shù)據(jù)后，再將該數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部存儲器中顯示數(shù)據(jù)波形。本系統(tǒng)的脈搏和鼾聲傳感器采用腔室結(jié)構(gòu)，為增強信號的抗干擾能力，信號的傳輸線采用音頻線。

1.2 呼吸、脈搏、鼾聲信號的監(jiān)測原理分析

人體的呼吸運動是在呼吸肌的牽引作用下，胸腔容積發(fā)生周期變化使其內(nèi)部氣壓變化進而產(chǎn)生呼吸氣流的過程。在變化的環(huán)境下，不同人的主導呼吸類型有胸部和腹部呼吸兩種。其中，胸部呼吸主要是由肋骨運動引起胸腔容積的變化；而腹部呼吸主要是由于膈和腹壁肌運動引起胸腔容積變化[7]。由以上總結(jié)的呼吸運動的特點可知，只要有呼吸運動存在就一定伴隨著胸部或腹部的往復運動。因此可以將PVDF做成長條狀，并圍繞在胸腹部，當胸腹節(jié)律性運動時，會使PVDF在長、寬方向上發(fā)生周期性的拉伸和舒張形變，進而產(chǎn)生周期性的電荷輸出。

心臟通過周期性的收縮舒張實現(xiàn)人體血液循環(huán)，此過程中動脈內(nèi)部壓強隨血流量而律動，每分鐘律動的次數(shù)即為心率。在身體表面的淺層動脈處用手指尖或傳感器施加恒定的壓力可以感受到周期的搏動。

人體的口鼻腔及咽喉處肌肉的運動會形成不同的腔體結(jié)構(gòu)，當呼吸的氣流流過這些腔隙時便會發(fā)出頻率幅值各異的聲音。打鼾是由于睡眠時呼吸結(jié)構(gòu)的振動及呼吸過程中空氣阻塞而產(chǎn)生的聲音。打鼾聲音一般情況下很柔和，但有時其聲音可能很大且不舒服。打鼾事件可以作為阻塞性睡眠呼吸暫停(OSA)的一種判斷依據(jù)。鼾聲既然可以被人耳拾取并識別，說明鼾聲的頻率在20 Hz～20 kHz內(nèi)。實驗表明，鼾聲的頻率在4 000 Hz以下[8]。而PVDF在低于0.1 Hz到高于幾百千赫茲的頻帶內(nèi)都有很好的表現(xiàn)。因此，能夠以PVDF為敏感單元制作傳感器來進行鼾聲信號的監(jiān)測。將振動傳感器以恒定壓力固定于咽喉處，被測者打鼾時，會引起喉嚨處皮膚振動，該振動通過固體介質(zhì)耦合至PVDF，進而產(chǎn)生與鼾聲信號相對應的電荷信號輸出。

2 硬件電路設計

電源的質(zhì)量決定了系統(tǒng)的性能。在設計電源時，需要考慮電源的輸出電壓、功率、線性調(diào)整率、負載調(diào)整率及熱穩(wěn)定性、體積等指標。本設計中的系統(tǒng)屬于可穿戴設備。經(jīng)過對比選取聚合物鋰電池作為電源。充電電路由接口模塊和管理模塊構(gòu)成。鋰電池保護電路由兩部分組成，即由PMOS管構(gòu)成的防反接模塊及由電源保護芯片構(gòu)成的鋰電池保護模塊。鋰電池放電電路采用BOOST升壓電路來實現(xiàn)提升輸出電壓并保持穩(wěn)定。

生理信號監(jiān)測系統(tǒng)的調(diào)理電路包括電荷轉(zhuǎn)換放大電路、工頻噪聲去除電路及電壓信號放大電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的控制器芯片型號為STM32F103RCT6，利用其內(nèi)部集成的12位逐次逼近型ADC進行模擬信號的采集，并使用TF卡進行長時間數(shù)據(jù)儲存。整個硬件電路最終集成在雙層印制電路板(PCB)上。本研究的人體生理信號傳感器由高分子構(gòu)成，所以在具有柔韌性的同時，具有質(zhì)量輕的優(yōu)點，傳感器加上電路板的總質(zhì)量小于20 g，便于與衣物結(jié)合。為了最大程度的降低可穿戴設備的約束感，采用藍牙方式進行數(shù)據(jù)傳輸。單片機設備通過晶體管-晶體管邏輯電平(TTL)的UART接口與HC-05進行數(shù)據(jù)通訊，HC-05與手機端設備配對后，以電磁波為傳輸媒介進行數(shù)據(jù)傳輸，手機端接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行解析。

3 軟件設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成模擬信號的采集、緩存及無線傳輸。其程序主要包括ADC、直接存儲器訪問(DMA)、串口通訊(USART)、安全數(shù)字輸入輸出接口(SDIO)及定時器的硬件驅(qū)動程序，數(shù)據(jù)均值濾波算法，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換算法及控制各個部分協(xié)調(diào)工作的邏輯部分。進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計需進行關(guān)于采樣率確定的詳細理論分析。采樣率主要受到被采集信號的頻率及數(shù)據(jù)傳輸線路的速率兩個因素的制約。首先對待采集信號的特點進行分析，待采集信號分別為呼吸、脈搏及鼾聲信號。其中呼吸信號的頻率為0.1～0.8 Hz，脈搏信號的頻率為1～3 Hz[9]。由奈奎斯特率可知，采樣率必須大于信號頻率的2倍[10]，工程實踐中，為了高質(zhì)量還原原始信號，通常將信號采樣率設置為信號頻率的10倍或10倍以上。因此，呼吸信號的采樣率需大于8 Hz，脈搏信號的采樣率需大于30 Hz。鼾聲信號與呼吸信號及脈搏信號相比成分復雜且具有不確定性，正常人輕微打鼾其鼾聲聲強出現(xiàn)在100～300 Hz，而OSA患者的鼾聲聲強可能出現(xiàn)在高于1 000 Hz的頻譜范圍。結(jié)合鼾聲信號檢測的相關(guān)研究，將鼾聲信號的采樣率設定為8 000 Hz[11-12]。

以Android APP作為上位機。本設計中的上位機具有以下功能：

1) 尋找并連接下位機設備。

2) 以波形的形式實時顯示下位機數(shù)據(jù)。

3) 對下位機數(shù)據(jù)進行存儲。本設計使用的開發(fā)環(huán)境為AndroidStudio2.0。本系統(tǒng)設計的上位機由兩個活動構(gòu)成。APP啟動后呈現(xiàn)的第一個活動為藍牙連接活動，該活動主要進行藍牙功能的開關(guān)控制，周圍藍牙設備的搜索及設備連接。與下位機連接后，當下位機開始發(fā)送數(shù)據(jù)時，APP進入第二個活動，該活動主要進行數(shù)據(jù)波形的顯示，并將數(shù)據(jù)進行存儲。

4 實驗結(jié)果與分析

脈搏、呼吸傳感器在不同的佩戴松緊程度下所得測試結(jié)果如圖1所示。由圖可知，上位機界面由上、下兩個波形顯示區(qū)域組成。圖中，將呼吸傳感器用A表示，脈搏傳感器用B表示。圖1(a)為當A和B同時佩戴較松時的波形，可以看出呼吸傳感器的信號幅值較大，而脈搏傳感器的輸出信號幅值較小。圖1(b)為當A佩戴較松而B佩戴較緊時的波形，此時呼吸傳感器輸出信號幅值與圖1(a)中幾乎一致，而脈搏傳感器信號幅值明顯增大，接近于滿量程。

圖1 上位機截圖

圖2為進行呼吸暫停模擬的測試結(jié)果。由圖2(a)上圖的呼吸波可知，在10 s內(nèi)均勻地出現(xiàn)3次呼吸事件，圖2(b)為模擬呼吸暫停(先呼吸1次，然后憋氣)時上位機的波形，由圖2(b)上圖的呼吸波可知，只在-5 s時出現(xiàn)過1次呼吸事件，其余時間只有心跳信號。

圖2 呼吸暫停模擬測試

在利用監(jiān)測系統(tǒng)進行測試的同時通過號脈方式確定實際的脈搏速率，通過對單位時間的呼吸次數(shù)記錄確定實際呼吸速率，將實際脈搏速率、呼吸速率與監(jiān)測系統(tǒng)測得的脈搏波和呼吸波進行對比，得出脈搏測量范圍為 0～250 次/min，精度為±1 次/min；呼吸的測量范圍為 0～50 次/min，精度為±1 次/min。呼吸、脈搏傳感器受力狀態(tài)發(fā)生變換時，上位機波形同時變化，因此監(jiān)測系統(tǒng)是實時的。

鼾聲數(shù)據(jù)采集通道ADC設定的采樣率為8 000 Hz，無法通過藍牙傳輸線路進行實時信號傳輸，因此將ADC數(shù)據(jù)直接存儲到TF卡內(nèi)。以下測試結(jié)果中的波形是通過Matlab讀取TF卡內(nèi)的數(shù)據(jù)文件，并進行繪圖得到。通過圖3(a)與(b)的波形對比可知，出現(xiàn)打鼾事件時，時域信號幅值會出現(xiàn)一定范圍內(nèi)的波動(見圖3(a)中前半段(-10 s～0)信號)。對鼾聲傳感器進行模擬打鼾測試，該傳感器對打鼾的測量準確率為98.2%。

圖3 鼾聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)波形

5 結(jié)束語

本文利用PVDF傳感器分別置于手腕及喉嚨處進行脈搏和鼾聲信號的測量，將PVDF傳感器嵌入織物腰帶中構(gòu)成呼吸傳感器進行呼吸信號的測量。分別設計了單電源供電的電荷放大電路、陷波電路及同相電壓放大電路。設計了以STM32F103RCT6為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對以上3種信號進行采集、存儲及無線發(fā)送。整個硬件電路集成在雙層PCB電路板上。設計了聚合物鋰電池管理電路，實現(xiàn)了聚合物鋰電池的充、放電管理及電池保護。利用開發(fā)環(huán)境設計了基于Android平臺的APP作為整個生理微振信號監(jiān)測系統(tǒng)的上位機。測試結(jié)果顯示，基于PVDF傳感器的生理信號監(jiān)測系統(tǒng)具有穿戴方便、無線纜約束、操作簡單的優(yōu)點，在可穿戴醫(yī)療領(lǐng)域有廣闊的應用前景。