人體汗液生化微信號無創連續采集傳輸系統

毛禹皓，李佳清，楊敬涵，張雅涵，馬燁波，王卓然，秦偉，郭強，李慶利，魏高峰，陳建剛,

（1.華東師范大學通信與電子工程學院/上海市多維度信息處理重點實驗室, 上海，200241；2.上海中醫藥大學中醫智能康復教育部工程研究中心，上海，201203；3.中國人民解放軍海軍軍醫大學海軍醫學系，上海，200433）

1 研究背景

隨著柔性電子與微流控生化傳感芯片技術的發展，能夠應用于人體深層次生化指標實時、無創、連續監測的柔性汗液表皮傳感芯片技術成為了國際學術領域聚焦的前沿技術[1]。人體的汗液成分不僅像血液一樣包含豐富的生物標志物，能夠提供與人體健康有關的重要信息[2]，而且能夠實現無創采集與實時監測，相較于其他體液的監測，如血液有較大優勢[3]。因汗液監測可以在人體皮膚任意位置以無創方式采集，且危險性低，故非常適合連續監測[6]。汗液監測大多用于疾病預測與診斷、運動狀態、藥物分析等方面，具有成為醫學診斷工具的潛力[7]。然而，目前汗液的監測與采集主要依靠大型儀器，連續、實時的監測較難實現。故若能在一定距離內對患者的生命體征進行實時動態監測，并通過手機監管，便可進一步提高醫療工作者的工作效率，改善醫療環境，為智能醫療時代的到來提供有利條件[8]。

本研究中，我們基于現代柔性電子技術及汗液傳感器，并開發出一套配合柔性可延展人體表皮汗液傳感芯片陣列的生化微信號實時采集傳輸及移動端的數據處理可視化系統模塊，從而實現對汗液中鉀、鈣、鈉、氯四種離子濃度的實時、無創、連續監測，實現柔性汗液傳感芯片器件向實際應用的重要轉化。

2 人體汗液監測

2.1 方案設計

目前，可穿戴汗液傳感器的研究已成為健康電子領域的發展重點之一[9]。選用柔性材料可使得傳感器更好地貼合人體身體表面，對柔性傳感器輸出信號進行信號放大，濾波降噪等處理后，輸入到藍牙數據傳輸模塊，最后由移動端實時顯示數據[10]。系統框圖如圖1所示。

圖1 汗液監測系統框圖

前端傳感器選用可通過特殊酶與汗液中鈉、鉀、鈣、氯四種離子發生化學反應并產生微弱電信號的柔性汗液傳感器。考慮到柔性傳感器與硬質 PCB 電路不匹配的問題，本文微小信號無線傳輸系統使用圓柱形導電磁粒與傳感器進行連接。微弱電信號經過相同放大倍數的放大電路和數據處理電路生成離子濃度信號后，由四通道藍牙通信模塊將濃度信號發送至移動端，移動端實時顯示四種離子濃度值，記錄并繪制曲線，實現汗液監測系統可視化。

2.2 微弱信號處理電路

2.2.1 微弱信號放大

汗液傳感器采集到的人體生物信號為模擬信號，且信號幅度非常微小，須將其放大才能進行后續處理。精密儀表放大器芯片INA333具有高共模抑制比、低噪聲密度、低漂移電壓，以及超低功耗的特性，非常適宜用作低功耗微弱信號處理電路的放大芯片。它可通過單個外接電阻設置增益，最高可達1000。其阻值RG與增益G關系為：

用INA333實現的微弱信號放大電路如圖2所示。其中，WE為汗液傳感器傳入的微弱信號，REF為放大電路的參考信號。不外接參考信號時，R4將其設置為默認的參考電平，即電源電壓的一半。放大后的信號由芯片Uo端輸出。

圖2 微弱信號放大電路

2.2.2 微弱信號濾波

低通濾波是微弱信號放大的關鍵步驟。它既能有效抑制傳感器轉換及信號傳輸過程中產生的高頻噪聲，也能對表征汗液信息的微弱信號進行初步的平滑處理，便于后續計算。圖3中的濾波電路為有源二階低通濾波電路，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點。放大器芯片LTC6088具有低至10nV/的超低噪聲密度，以及最大0.75mV的低漂移電壓，適合用于微小信號的濾波處理。

圖3 微弱信號濾波電路

2.2.3 供電電路

放大芯片INA333和LTC6088均可用單電源供電。供電電路由兩部分組成，分別為使用ME6216實現的穩壓電路，以及使用ME4055實現的鋰電池充電電路。

穩壓電路如圖4所示。LDO芯片ME6216A33M3G將鋰電池提供的輸入電壓轉換為穩定的2.3V輸出電壓，供放大芯片使用。它的低功耗特點非常適合本系統的應用場景。

圖4 穩壓電路

電池充電電路如圖5所示。電池管理芯片ME4055用于給鋰電池充電。其內部包含熱反饋電路，以對芯片溫度和充電電流進行調節，能適應系統的散熱需求。移除輸入電壓后，芯片將進入休眠模式并降低電池漏電流；無電池時，其靜態供電電流低至55μA，大幅降低了系統功耗。

圖5 電池充電電路

ME4055具有兩個充電指示引腳CHRG和STDBY。通過將它們外界發光二極管的陰極，可以實時顯示電池充電狀態，如圖6所示。當芯片給鋰電池充電時，CHRG引腳輸出低電平，使第一個指示燈點亮，顯示正在進行充電；當充電電流截止時，STDBY引腳輸出低電平，使第二個指示燈點亮，顯示當前不在充電狀態。

圖6 充電指示電路

2.3 數據處理及發送

ADC采集流程如圖7所示。通過寄存器 ADCCON1 初始化 ADC 模塊，隨后寄存器 ADCCON3配置 ADC 轉換的采樣頻率、參考電壓、分辨率與轉換輸入端口等參數。在一個周期中執行四次讀取操作，分別讀取四種離子通道的值，放入不同數組中，再進行打包發送。

圖7 ADC采集流程圖

藍牙數據發送流程如圖8所示，ADC 數據存儲完畢后，通過 GATT 子程序內的特征值CHAR6 發送出去。該方法速度較快且無需客戶端設備向服務器發送請求，僅需在通知前完成配置特征值，便可將特征值從服務端發送至客戶端。

圖8 藍牙數據傳輸流程圖

3 信號無線傳輸模塊

3.1 技術背景

人體身體參數微小信號包括心電，腦電，血壓，血氧等[13]。為了傳輸這些微小信號，目前有不少產品基于ZigBee協議傳輸，雖然該協議可以較好滿足低速率、低功耗傳輸的條件，但ZigBee 技術不便于與智能手機相連接[14]。而現代社會智能手機的普及使藍牙無線通信技術得到廣泛應用。藍牙技術是一種短距離無線通信的技術標準，使用高速跳頻和時分多址，可以實現多設備之間的全雙工通信，即數據同步接收與發送[15]。使用藍牙技術進行微小信號的無線傳輸顯然更為便捷。

3.2 初代藍牙模塊

初代藍牙模塊采用的是具備低功耗藍牙4.0功能的CC2541系統芯片，因其集合了射頻收發器、增強型 8051 MCU、可編程閃存存儲器等多種具有強大功能的外設為一體，大大節省了藍牙開發所需的物料成本，同時本文初代藍牙模塊采用CC2541的6mm×6mm方形扁平無引腳(QFN)-40封裝，盡可能縮小電路體積。CC2541引腳示意圖如圖9所示。

圖9 CC2541(QFN—40封裝) 引腳示意圖

CC2541采用Bluetooth4.0協議進行無線通信，具有低功耗、低成本、低延遲等特點，專門面向對成本和功耗都有較高要求的無線方案。藍牙4.0支持兩種不同的無線射頻，分別是雙模式射頻和單模式射頻。雙模式中，低功耗藍牙功能基于現有的經典藍牙，整體架構基本不變，成本增加有限。單模式則面向高度集成的設備，提供超低功耗、點對多點數據傳輸、節能和加密連接[16]。初代藍牙模塊所選用的CC2541的藍牙4.0為單模式射頻，雖支持低功耗藍牙但不可向下兼容。

3.3 二代藍牙模塊

為了進一步地降低功耗，提升傳輸速率和穩定性。本文微小信號無線傳輸系統二代藍牙模塊選用德州儀器公司的CC2640R2F超低功耗藍牙芯片，CC2640R2F支持低功耗藍牙4.2/5.0協議無線通信，并結合了2.4GHz RF收發器，是CC2541的升級版。本文微小信號無線傳輸系統二代藍牙模塊采用4mm×4mm RSM VQFN32封裝，進一步縮小了電路體積。CC2640R2F引腳示意圖如圖10所示。

圖10 CC2640R2F（VQFN32封裝）引腳示意圖

本文二代藍牙模塊采用CC2640R2F的藍牙5.0協議進行無線通信。藍牙5.0 包含三種規格的藍牙設備：BR/EDR基本速率設備，HS高速藍牙以及BLE低功耗藍牙設備[17]。其中BLE低功耗藍牙設備是全新藍牙協議棧的代表，功耗極低且傳輸的數據量非常小，傳輸速率全面提高。Bluetooth SIG 提出：藍牙5.0 標準將無線低功耗藍牙設備的傳輸速度提升至2 Mbit/s，傳輸距離達300米[18]。除此之外，藍牙5.0廣播包數據容量更是提升了8倍：從藍牙4.2的31Byte提升到255Byte[17]。

藍牙5.0的高速率、低功耗、深覆蓋、大容量等特性使藍牙設備盡可能滿足設備對運行性能的要求的同時僅用一粒紐扣電池就能運行數年[19]。

3.4 移動端可視化

為提高汗液檢測系統的普適性，本文移動端可視化分為APP和小程序設計。兩者界面保持統一，如圖11所示：界面頂部顯示提醒信息，提醒用戶藍牙連接情況。連接成功后鈉離子、鉀離子、鈣離子與氯離子濃度將實時顯示在四個圖表中。圖表橫坐標為時間，縱坐標為濃度，每種離子顯示0～300秒內的數據，可通過截圖保存歷史數據。兩者功能也保持一致，流程圖如圖12所示。

圖11 智能汗液監測移動端應用軟件

圖12 智能汗液監測APP/小程序設計流程圖

但APP與小程序的開發過程是截然不同的。其中APP通過Android Studio搭建開發環境，使用Java語言編譯。而小程序設計則借助于微信小程序開發者工具，使用JavaScript語言調用微信官方小程序提供的API，開發出適用于安卓手機系統的汗液智能分析小程序。兩者都根據確定好的UUID通過移動端自帶的低功耗藍牙模塊與本文微小信號無線傳輸系統建立藍牙鏈接。設備的名稱為SIC monitor Pro，這種連接方式延遲低，效率高，且在80米內連接穩定，有很強的實用性。與藍牙模塊連接后每隔3s獲取一次離子濃度數據并實時顯示在各自的圖表中，直觀地顯示穿戴者汗液所含離子濃度。

4 電路的驗證及測試

為了比較采用藍牙4.0和藍牙5.0實現的微小信號傳輸系統性能的差異，分別制作其電路評估版并測試它們的功率、線性度以及最遠傳輸距離，其中藍牙5.0版本實物圖如圖13所示。

圖13 汗液電路實物圖

在測量功率時，用電壓表測得系統的電源電壓，并將電流表串聯接入系統供電回路，測得其靜態待機電流與工作電流，測試結果如表1所示。可以看出，藍牙5.0在功耗上較藍牙4.0有顯著下降，相同工作電壓下的工作電流為藍牙4.0的一半左右。

表1 微小信號傳輸系統的功耗對比

在測量線性度時，從輸入端給定一定幅度的信號，經過電路放大以及藍牙傳輸后，可由配套的汗液智能分析系統APP檢測并顯示監測到的信號的數值。隨著輸入信號的不斷增大，APP檢測到的信號的數值會逐漸偏離線性增長趨勢。測量結果如表2所示。分別繪制它們的輸入輸出曲線和擬合曲線，如圖14所示。可以得出，藍牙5.0的線性度略優于藍牙4.0的線性度，其線性范圍為0～400mV，而藍牙4.0只可達到350mV。

圖14 微小信號傳輸系統的線性度對比

表2 微小信號傳輸系統的輸入輸出關系

使藍牙正常工作，開啟BLE調試助手APP接受信號。在空曠無障礙物場景中，固定信號發射端的位置，另一位測試人員手持手機接收信號并逐漸遠離發射端，直到APP提示與信號斷開連接，記錄二者的距離，即可得到藍牙的最遠傳輸距離，測試結果如表3所示。發現藍牙5.0最遠傳輸距離較遠但與藍牙4.0的最遠傳輸距離相差不多。

表3 微小信號傳輸系統的最遠傳輸距離對比

5 討論

經過以上對比測試，藍牙5.0的總體表現明顯優于藍牙4.0。具體表現為功耗、線性度和傳輸距離三個方面。其中最重要的是功耗方面，藍牙5.0的超低功耗使得本文微小信號傳輸系統對電池的容量要求極低，這意味著可以選用更小體積的電池，為可穿戴汗液傳感系統的實用性提供基礎。其線性度和傳輸距離相比于藍牙4.0也表現更好，其數據傳輸更穩定，監測結果更精確，較寬的線性范圍也能更好地適應前端傳感器采集的信號。

本文提出的用于汗液監測的表皮傳感器數據傳輸的硬件電路系統，雖然已經實現汗液內離子濃度等微小信號的無線傳輸，但是如何將硬質電路板轉制成柔性的可穿戴設備的問題亟待解決。并希望可以通過移動端調控汗液傳感器的工作狀態，既可以實現精準控制的效果，還可達到降低不必要的功耗等目的。因汗液的成分因人而異，對于手機APP的后續完善，需搭建一個針對不同用戶體質的健康管理系統，提醒用戶及時補充電解質。最后，本文介紹的微小信號采集及無線傳輸系統不僅限于汗液信號的傳輸，在其他各種短距離無線數據傳輸場景均有廣闊的應用前景。

6 結語

如今，隨著可穿戴設備的普及以及智能醫療的進步，越來越多的可穿戴醫療設備應運而生，尤其是對于汗液成分的實時監測還在起步階段。汗液像血液一樣含有電解質和生物分子，因此可以作為一種醫學診斷工具[7]。綜上所述，本文提出一種應用于無線、實時、連續汗液監測的表皮傳感器硬件電路系統，實現了磁吸接口、信號處理、無線數據傳輸電路與移動端可視化等功能。并結合藍牙5.0，具有低功耗、高性能等優點，使其投入生產成為可能。通過分析人體的電解質平衡狀態等指標，為人體實時監測身體健康提供一種選擇，促進醫療智能化。