接觸壓力與光電容積脈搏波同步采集系統設計

摘" 要：光電容積脈搏波技術在穿戴式健康監測領域的應用日益廣泛，然而，傳感器與皮膚之間的接觸壓力對信號采集可能產生重要影響。為了研究接觸壓力變化對光電容積脈搏波信號采集的影響機制，設計了一款可控接觸壓力和光電容積脈搏波同步采集系統。系統包含STM32單片機、MAX30102脈搏波傳感器、FSR402薄膜壓力傳感器，實現了脈搏信號和壓力信號同步采集。開發的上位機實時顯示兩路信號，并能將數據進行保存。通過控制手指的按壓力度，可實現不同施壓方式下的脈搏信號和壓力信號同步采集和顯示。

關鍵詞：光電容積脈搏波；可控接觸壓力；同步采集

中圖分類號：TP311；TP212" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）24-0066-06

Design of a Synchronous Acquisition System for Contact Pressure and Photoplethysmography

LI Zhiyang， YU Mengcheng， YANG Yuze， PENG Xueqing， LI Shiyong

（Guilin University of Electronic Technology， Guilin" 541004， China）

Abstract： The application of photoplethysmography technology in wearable health monitoring field is becoming increasingly widespread. However， the contact pressure between sensors and skin may have a significant impact on signal acquisition. In order to study the influence mechanism of contact pressure changes on the acquisition of photoplethysmography signals， a controllable contact pressure and photoplethysmography synchronous acquisition system is designed. The system includes STM32 single-chip microcomputer， MAX30102 photoplethysmography sensor， and FSR402 thin film pressure sensor， achieving synchronous acquisition of photoplethysmography signals and pressure signals. The developed upper computer displays two-way signals in real time and it can save data. By controlling the pressure force on the fingers， photoplethysmography signals and pressure signals can be synchronously collected and displayed under different pressure application methods.

Keywords： photoplethysmography; controllable contact pressure; synchronous acquisition

0" 引" 言

脈搏信號是血液在動脈內脈搏波傳導產生的生物電信號，反映了心臟搏動和動脈血液流動的周期性變化[1]。通過對脈搏信號特征進行檢測，可以了解心率、血壓、心臟功能以及血管彈性等生理參數，對于診斷心血管疾病、評估健康狀況和制定治療方案具有重要意義[2]。在心臟搏動過程中，血液流動引起了皮膚微血管區域的血液容積變化，光電傳感器接收到這一變化的光信號，并將其轉換為電信號進行采集和處理，形成光電容積脈搏波[3]。光電容積脈搏信號檢測具有廣泛的應用范圍，例如，在運動監測中，光電容積脈搏信號檢測可以實時監測心率變化，幫助運動員進行訓練調整[4]。然而，在將傳感器與皮膚接觸的過程中，接觸壓力變化可能對光電容積脈搏波信號的采集產生顯著影響[5]。隨著可穿戴醫療設備和智能健康監測系統的快速發展，在實際使用中模擬不同生理狀態的需求不斷增加。深入研究接觸壓力如何影響光電容積脈搏波信號，對于提高可穿戴設備的精準性、適用性以及各種健康監測應用的可靠性至關重要。通過了解不同壓力條件下的信號特征，深入研究接觸壓力影響，可以為未來個性化醫療提供支持，定制醫療設備，提供更為精準的監測和治療方案。

在國內陳真誠等[6]研究設計了一種基于手指壓力示波法的血壓測量系統，旨在消除傳統血壓計測量時需要使用袖帶的限制。該系統利用手指壓力傳感器改變手指內動脈的壓力，進而改變血管容積，同時測量施加的壓力和光電容積脈搏圖信號，為無袖套血壓測量系統提供了一種新思路，也為血壓測量裝置的小型化、移動醫療以及全民健康服務提供了一種新方法。謝世婷等[7]設計一款基于PPG光電容積脈搏波技術的睡眠耳機，通過內嵌集成創新化芯片與“PPG光電容積脈搏波+陀螺儀”雙重傳感器進行睡眠健康監測，并將監測到的生理指標數據反饋給手機APP進行分析處理，形成睡眠報告與聽力健康報告，及時提供給用戶可行性的建議，以改善使用者的睡眠質量。該研究在光電容積脈搏波上進行創新，為用戶提供了更加智能化和個性化的睡眠監測和健康管理方案，這種特殊應用的成功，為光電容積脈搏波技術的未來發展開辟了更廣闊的空間。在國外，Charlton等[8]研究探討了可穿戴PPG技術在監測心率、血壓、心血管疾病等方面的潛在優勢和挑戰。研究結果表明，可穿戴PPG技術具有非侵入性、實時監測、數據共享等優勢，同時指出了數據準確性、算法優化、臨床驗證等方面的挑戰。Baumann[9]探討了一種基于模型的方法，他利用振蕩式手指壓法實現無袖血壓測量。并且開發一種算法和測量方法，利用一種稱為評估套件的電子設備進行無袖血壓測量，這個設備就包括一個光電容積描記傳感器和一個壓力傳感器。研究指出，進一步的研究，包括使用不同的硬件，有望產生更穩定和準確的血壓測量結果。

1" 光電容積脈搏波理論知識

脈搏波是指血液在心臟搏動時在動脈內傳播的一種波動，是心臟收縮和舒張過程中產生的一種生理信號。脈搏波的形成是由于心臟在每個心動周期內的周期性活動，即心臟的收縮和舒張。當心臟收縮時，它將氧合血液推送到主動脈中，導致動脈內血液產生一系列的脈動，這種脈動隨著血液在血管中傳播，形成了脈搏波。光電容積脈搏波是一種利用光電探測技術非侵入性地測量人體血管中血液容積變化的方法。該技術通過向皮膚表面（如指尖）發射光線，小部分光束在皮膚表面被散射或反射，大部分光束能依次穿過皮膚、血液、肌肉和骨骼后，再以反射或者透射的方式將光信號傳送至光電探測器，通過光電探測器可以獲取反射或透射的光強度。由于心臟泵血作用，皮膚下的血液量會呈現周期性的脈動變化，導致光電傳感器探測到的光強度隨之波動。這些光強度的變化被轉換成電信號，從而反映出血管中的血液流動情況。光電容積脈搏波信號是一種低頻且敏感的生理信號，信號頻率通常在0.1～10 Hz，主要能量集中在1～5 Hz，該信號在采集過程中容易受到外界信號的干擾[10]。一個典型的人體指端光電容積脈搏波波形如圖1所示。圖1中T為一個心動周期，容積脈搏波信號分為升支與降支。OA段為升支，它代表心室收縮期，心臟在t1時間段內快速射血，是主動脈血量增加的階段。t2時間內的信號為容積脈搏波的降支，降支代表快速射血后，心室的壓力緩慢下降的過程。點A所在的波峰是脈搏波的主波，是脈搏波的最高點所在的波峰。B是心臟收縮期與舒張期的分界點，它所在的波谷稱為降中峽，整個OB段描繪了左心室的整個射血期。C所在的小波被稱為重搏波，是由于主動脈的血液在心室舒張時返流引起的。

2" 系統硬件方案設計

2.1" 系統總體方案

為了使采集裝置設計思路更加清晰且易于調試，本設計采用了模塊化設計，整個系統整體上分為硬件和軟件兩個部分。硬件部分主要包括了脈搏信號采集電路、壓力信號采集電路；由STM32主控、電源電路、按鍵電路和藍牙通信構成的關鍵組件。而軟件部分則是下位機軟件和上位機軟件，整個系統框圖如圖2所示。在實際運行中，首先，打開裝置的按鍵開關，讓裝置正常通電。接下來，將手指按壓在MAX30102傳感器上，這時MAX30102的紅光或者紅外光將穿透手指，經過血液后反射回來。MAX30102內部的接收管將接收到的光信號在它的內部進行AD轉換，將轉換后的數據傳輸通過IIC通信至主控STM32F103C8T6；與此同時，手指的壓力信號經過FSR402傳感器采集并轉換為電阻值，隨后通過壓力信號處理電路進行R-V轉換，將電阻轉換為電壓輸入STM32F103C8T6進行AD轉換。ADC采集的壓力數據和IIC接收到的脈搏數據將會通過藍牙模塊發送回上位機。上位機接收到數據后，將會繪制出兩個信號的波形圖，并對數據進行保存。

2.2" 光電容積脈搏波采集系統設計

MAX30102是一款高靈敏度的脈搏血氧和心率傳感器，適用于可穿戴健康設備。該傳感器內部集成有660 nm紅光和880 nm紅外光的光源，通過紅外LED和紅色LED發射光線到皮膚上，并通過光電二極管接收反射光信號。MAX30102的供電電壓為VDD引腳1.8 V，VLED+引腳3.3 V，這兩個電壓由牛角座引入；INT、SCL引腳和SDL引腳和經過牛角座將信號引出與主控芯片的PB5、PB6、PB7相連，如圖3所示。

2.3" 接觸壓力采集系統設計

本設計使用的壓力傳感器是FRS402薄膜壓力傳感器，它的基本原理是：當沒有力作用時，它的阻值約為無窮大；有力作用在它的敏感區域時，它的阻值會隨著力的增大而減小，將“力”轉換為“電阻”，表1是它的基本參數，圖4是它的實物圖。

2.3.1" 接觸壓力采集電路設計

FSR402本質就是將電壓轉換為電阻，如圖5所示，利用一個10 k?電阻與之串聯分壓，電壓跟隨器的作用是阻抗匹配，當有力作用時，FSR402的電阻會發生改變，R14的分壓就會隨之改變，即可完成R-V轉換，將這個電壓用單片機ADC進行讀取，利用傳感器標定的曲線進行擬合，根據擬合曲線的表達式進行反推，即可算出對應的壓力大小。

2.3.2" 壓力采集與脈搏采集組合設計

本裝置將脈搏采集電路單獨制成一塊電路板，同時為其設計了一個3D外殼，如圖6所示，它的外殼由下殼和推蓋組成，推蓋上留出了光電二極管和手指接觸的位置。如圖7所示，在底殼下表面做了一個直徑為10 mm，高為2 mm的圓柱突起，FSR402的敏感直徑為14.5 mm，剛好可以容納這個圓柱突起，具體安裝如圖8所示。

3" 系統軟件設計

3.1" 整體軟件設計

軟件部分整體上分為下位機軟件和上位機軟件，下位機軟件主要是對脈搏信號和壓力信號進行采集、AD轉換、IIC通信，轉換后計算出壓力值和脈搏波電壓值，發送到上位機。而上位機的功能則是創建串口號、設置串口的波特率、數據位、校驗位、停止位等屬性，將這些屬性設置好后，打開串口，接收來自下位機發送的脈搏信號、壓力信號數據，并且對這兩個信號的數據進行顯示、繪圖、保存。當上位機停止繪圖后整個軟件工作結束。具體工作流程圖如圖9所示。

下位機軟件設計的基本思想是，在硬件采集完數據后，有一路模擬電壓信號和兩路數字信號輸入STM32單片機，然后使用STM32自帶的ADC功能對模擬電壓進行轉換，使用I2C通信接收數字信號，將轉換和接收后的數據發送到上位機進行繪圖和顯示。具體描述如下：將單片機的ADC通道設置為1，ADC數據轉換結束后將數據返回給數組AD_Value，利用定時中斷控制信號采樣率，I2C傳輸過來的紅光數據存放在fifo_red中，紅外光數據存放在fifo_ir中，等待轉換完成后，將AD_Value返回，利用壓力標定的擬合曲線計算出壓力值后存放在press中，然后將壓力值、脈搏信號數據發送到上位機進行數據處理，發送之后延時5 ms，防止數據發送太快造成上位機接收錯亂。上位機讀取串口組件接收到的數據，根據下位機數據傳輸幀格式將數據進行解析，然后顯示數據，并對數據進行保存和繪圖顯示。

3.2" 串口數據發送軟件設計

串口發送數據可以有很多種格式，如可以直接發送一個字節或者數據，但是這樣的話，下位機發送數據還要調用不同的發送函數，并且編寫上位機的時候，接收這些數據還要注意數據的格式，這無疑會使軟件結構變得雜亂，為了減小上位機和下位機的軟件編寫難度，本設計采用重定將C語言庫函數printf，這樣發送數據時只需要使用printf就行。并且為了讓上位機能夠準確識別出哪個數據時壓力信號，哪個數據是脈搏信號，下位機發送信號時，脈搏信號紅光數據以“@+數據+回車”，紅外光數據以“#+數據+回車”，壓力信號以“$+數據+回車”的格式進行發送。

3.3" 下位機軟件設計

本設計的上位機使用MATLAB2020a中自帶的APP Designer進行上位機編寫，直接集成了MATLAB語言和函數庫，可以直接使用MATLAB語法和函數來實現應用程序的邏輯和算法。還支持創建交互式的應用程序，可以與用戶進行實時交互，響應用戶的輸入和操作，展示動態數據和圖形。基本操作如下：

1）打開APP Designer。在MATLAB的主界面中，點擊APP Designer按鈕或在命令行中輸入appdesigner命令來打開APP Designer工具。

2）設計界面。在APP Designer中，通過拖放式設計界面來創建應用程序的用戶界面。可以從工具欄上選擇不同類型的組件，并將它們拖放到設計區域中。

3）添加交互功能。設計好界面后可以通過雙擊組件或使用右側的屬性編輯器來設置組件的屬性和行為。例如，可以設置按鈕的點擊事件、文本框的輸入處理等。

4）編寫MATLAB代碼。在App Designer中，可以通過點擊左側的Code View 或App View按鈕切換到代碼編輯界面，在這里編寫與界面相關的MATLAB代碼。可以通過編輯代碼來實現應用程序的邏輯功能、數據處理和圖形展示等。

5）調試和測試。設計完成后，可以通過點擊工具欄中的Run按鈕來運行應用程序，進行調試和測試。可以模擬用戶操作，查看應用程序的功能是否正常運行。

本設計上位機界面主要是兩大板塊，一是繪圖板塊，二是操作板塊。繪圖板塊是對壓力信號和脈搏信號進行繪圖顯示，而操作板塊包括了搜索串口、串口開關、串口屬性選擇、串口狀態顯示、繪圖開關、畫圖狀態、壓力和脈搏數據顯示，如圖10所示。

圖11為上位機工作流程圖，使用時，點擊搜索串口，此時會調用一個函數進行電腦的串口查找，假如電腦沒有連接串口，則會提示“沒有搜索到任何可用串口”。假如搜索到串口會將串口號顯示在“選擇串口”的這個下拉框上；選擇完串口后，再對串口的屬性進行選擇，選擇好對應的波特率、校驗位、數據位、停止位等，點擊開始繪圖，右邊的坐標區就會繪制脈搏信號和壓力信號曲線，左邊的“脈搏數據”和“壓力數據”則會顯示脈搏次數和壓力值。上位機開始工作后，首先會根據操作查找對應的串口（藍牙），選擇好串口屬性，連接好對應串口之后嘗試打開串口，假如打開串口失敗，將會報錯；打開成功的話，會接收來自下位機發送的數據，將“$”“#”“@”開頭的數據分別在pulse_red、pulse_ir、press中進行存放，分別表示紅光、紅外光、壓力數據。之后進行數據顯示、繪圖，若要保存數據，則先關閉串口；保存數據之后，若點擊退出，則關閉系統。

3.4" 整機裝配

將脈搏信號采集電路和壓力信號采集電路進行組裝，就得到了裝置整體硬件電路，具體如圖12所示；為了使電路板不暴露在外面，本裝置使用嘉立創進行3D外殼設計，并且對外殼進行了挖孔挖槽，使開關、旋鈕等能從外部接觸、手指能正常接觸MAX30102，使用時只需要先打開裝置電源開關，打開電腦連接名稱為“mcmc”的藍牙，打開上位機，像圖13所示那樣將手指深入裝置內，即可對手指的脈搏信號以及施加的壓力信號進行采集。

3.5" 數據采集與分析

本裝置調試完成后對35個人的脈搏信號進行數據分析，以下是一些對被試者的要求，以盡可能排除不同人體因素對數據的影響：

1）相似年齡范圍。測試者均為22～23歲之間，以減少年齡因素對數據的影響。

2）健康狀態。測試者均為身體健康，沒有重大疾病史大學生。以保證脈搏信號數據的穩定性。

3）排除運動影響。在采集數據前后避免劇烈運動，確保被試的身體狀態相對穩定，以減少運動因素對數據的干擾。

4）排除飲食影響。在采集數據前后避免大量進食或飲水，以減少飲食因素對脈搏信號的影響。

5）心理狀態穩定。確保被試在數據采集過程中心理狀態相對穩定，避免焦慮、緊張等因素對數據的影響。

6）所測試的都是右手食指。

本設計分別對線性施加壓力、階梯施加壓力、折線施加壓力、梯形施加壓力進行了測量。線性施壓是指用手指按壓MAX30102，觀察壓力數據，使壓力成線性慢慢上升，按壓MAX30102時，緩慢增大力度按壓；階梯施加壓力，就是控制手指使階梯狀上升，按壓時先迅速按壓MAX30102，使壓力到達一個值，保持不變，再迅速按壓，使壓力上升到另一個值，再保持不變；折線施加壓力就是使壓力成折線狀，按壓MAX30102時，先緩慢按壓，使壓力到達一個值，保持這個點不變，再緩慢按壓到另一個壓力值；梯形施加壓力就是使壓力成梯形狀，按壓MAX30102時，先緩慢按壓壓力到一個值，然后保持這個點不變，然后緩慢松開手指，使壓力緩慢下降。如圖14所示，展示了線性施加壓力情況下的光電容積脈搏波信號和接觸壓力信號。

4" 結" 論

對于接觸壓力和光電容積脈搏研究，可以為個性化醫療和定制治療提供更多的數據支持，針對不同患者的生理特征和疾病狀態，可以采用最適合的壓力方式，實現更精準的診斷和治療方案。本文設計了一種可控接觸壓力和光電容積脈搏波同步檢測裝置，并且研究了不同施加壓力方式對光電容積脈搏波形的影響。隨著醫療技術的不斷進步，光電容積脈搏波技術在臨床醫學中越來越重要。通過對患者的脈搏波形進行準確、實時的監測，可以幫助醫生更好地評估心血管健康狀況，指導診斷和治療。本設計雖然完成了對壓力信號和脈搏信號同步采集，但仍存在需要改進的地方：

1）由于是使用人眼觀察壓力數據，進而控制采集脈搏信號時的不同施壓方式，這種施壓對壓力的控制并不穩定。

2）整個系統在外觀上尺寸比較大，硬件做得集成度不高，對于可穿戴性能的話，還相差較遠。

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作者簡介：李志洋（2003—），男，漢族，四川儀隴人，本科在讀，研究方向：測控技術與儀器；余孟城（2002—），男，蒙古族，貴州畢節人，本科在讀，研究方向：測控技術與儀器；楊宇澤（2002—），男，漢族，廣西百色人，本科在讀，研究方向：測控技術與儀器；彭學清（2002—），女，漢族，廣西柳州人，本科在讀，研究方向：測控技術與儀器；李世勇（1993—），男，漢族，江西吉安人，實驗師，碩士，研究方向：智能儀器。