脈診用柔性傳感器及便攜檢測設備的研制

摘 要：脈搏信號是人體重要的生理信號之一，現代醫學可以通過脈搏信號來了解人體的生理健康水平。為了準確采集脈搏信號，采用軟件與硬件相結合的方式，設計了一種基于碳纖維柔性傳感器和Arduino平臺的脈搏信號采集系統，并通過藍牙將數據傳輸到Android系統上位機。經驗證，設計的脈診用柔性傳感器及便攜檢測設備可以準確反映人體的脈搏信號，并能夠將數據發送給后端進行進一步的數據處理與分析，具有良好的社會效益與經濟效益。

關鍵詞：脈搏；碳纖維；柔性傳感器；Arduino平臺；藍牙；數據傳輸

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-0-04

0 引 言

脈搏是表征人體健康狀況的重要指標之一。脈搏傳感器按照測試方法可分為非接觸式和接觸式兩種，其中非接觸式傳感器多利用光電傳感器完成檢測。檢測原理：通過判斷照射到被檢測部位的光線經過反射或折射后的狀態來分析脈搏[1-3]。因其無需與人體接觸且要配備相應的光源設備，因此這種傳感器及其外封裝結構一般不具有柔性特征；此外，光電傳感器的監測數據為容積式脈搏波，不同于傳統的壓力式脈搏波[4]。接觸式傳感器通常考慮選用柔性傳感器。檢測原理：通過壓力引起自身的電學性能變化，從而表征脈搏的變化。根據其機理可以將其再分為壓電式[5-7]、電容式[8]和電阻式[9-11]傳感器。

傳感器信號的采集和傳輸也是脈搏檢測的重要一環。由于其特殊的服役環境，因此線纜連接難以滿足其便攜性的要求。目前主流解決辦法有兩個，一是將傳感器和上位機進行集成[12]；二是利用數據無線傳輸技術連接傳感器和上位機[13]。

本研究以導電橡膠作為柔性傳感器的敏感材料，并設計了基于Arduino平臺的數據采集設備。

1 柔性脈搏傳感器的設計與制備

1.1 柔性脈搏傳感器材料及形態選擇

實驗選擇碳纖維填充的硅橡膠基復合材料，柔性基底為PDMS硅橡膠。由于采集脈搏最多的部位是手腕，為模擬傳統的手指腹按壓方式，將傳感器設計為指腹形，如圖1所示，其直徑約為12 mm，高度為5 mm，初始電阻約為500 Ω。

1.2 柔性脈搏傳感器的性能表征及形態選擇

傳感器的電阻響應測試方法：將其借助織物綁帶固定貼合在手腕處，待受試者靜坐后，進行時長為1 min的數據采集，而后隨機取其中的10 s數據進行分析，按式（1）計算傳感器的靈敏度：

（1）

式中：S代表傳感器的靈敏度；?R代表測試時間段內任意時刻的電阻值與初始電阻值之差；R0代表電阻的初始電阻值；p代表該時刻所施加的壓強。式（1）的分子部分代表傳感器的電阻變化率，該式的物理意義是單位壓強所產生的電阻變化率的大小。

電阻性能測試實驗采樣儀器為LCR電橋（同惠2830），采樣頻率為10 Hz。

2 柔性電阻傳感器檢測系統的設計及性能表征

將柔性電阻傳感器視為檢測系統的前端，數據傳輸和數據處理模塊被視為后端電路。傳感器系統的軟硬件設計包括將采集的傳感器數據集中發送到平板電腦、手機等移動端進行處理，以便進行數據讀取和進一步分析。

2.1 檢測系統的器件選擇

基于Arduino進行脈搏信號檢測系統設計，圖2所示為檢測系統的硬件組成結構框圖，主要包括傳感器、信號采集電路、單片機和數據傳輸電路，虛線內為本文設計的檢測系統。該設備驅動軟件部分分為數模轉換程序、數字濾波程序、藍牙數據傳輸程序。

信號轉換電路將傳感器的電阻變化轉化為電壓變化；利用數模轉換電路采集轉換的電壓信號，經數字濾波后再依靠藍牙技術進行數據傳輸。本檢測系統選擇以Arduino UNO作為控制和供電芯片，以ADS1115作為數模轉換模塊，以HC-05作為藍牙傳輸芯片。

2.2 柔性傳感器檢測系統的電路設計

2.2.1 信號轉換和采集電路要求

信號轉換和采集電路如圖3所示。在該檢測電路中，被測傳感器和另一定值電阻串聯，電路由恒壓電源供電。信號轉換原理：被測傳感器與定值電阻形成分壓電路，通過檢測傳感器兩端的電壓，間接檢測傳感器的電阻值，將電阻值的變化轉換為電壓值的變化。若該傳感器的電阻為R0，定值電阻的阻值為R1，則分壓公式如式（2）所示：

（2）

式中：U0和U1分別為傳感器兩端和定值電阻兩端的電壓，這二者均隨傳感器的電阻變化而變化，但是由于實驗采用恒壓源作為電源，所以二者的和為電源電壓U。R1用于保護電路，當傳感器短路時，串聯接入的R1可以防止電源短路，避免引發次生危害。選用ADS1115數模轉化模塊采集U0，再用電源電壓減去該數值得到U1，利用式（2）計算得到傳感器電阻R0。經過整理后的柔性電阻傳感器的阻值如式（3）所示，由此便可將采集的電壓信號轉換為電阻：

（3）

定值電阻R1的阻值由被測傳感器的初始電阻決定，其電阻值一般為傳感器初始電阻的1～3倍。若定值電阻的阻值過大則會使定值電阻兩端分壓變小，當傳感器阻值較低時檢測設備的準確度下降；若其阻值過小，則會使傳感器兩端分壓變大，導致檢測設備的精度下降。電源電壓的選擇由Arduino單片機的參比電壓（5 V）決定，為防止單片機芯片被燒毀，電源電壓不能高于5 V。

ADS1115芯片采集A0模擬接口和GND接口間的電勢差后，與Arduino參比電壓（5 V）作對比。該芯片的數模轉換精度為16位，所以取值范圍為0～65 535，即最終輸出一個不小于0且不大于65 535的數字，這個數字的意義是，該數字和65 535的比值，等于采集的電壓和參比電壓（5 V）的比值，由此可計算采集的電壓值。

普通人的脈搏大約為40～150次/min（0.66～2.5 Hz），靜息狀態下成年人脈搏約為70次/min，即1.16 Hz。根據奈奎斯特采樣定理，且為了不失真地恢復模擬信號，采樣頻率應該不小于模擬信號頻譜中最高頻率的2倍。A/D轉換芯片的采樣頻率最高可達1 000 Hz，藍牙芯片HC-05的數據傳輸頻率為每20 ms/次，即50 Hz，所以本設備的采樣頻率上限為50 Hz。

本文定值電阻選為1 kΩ，電源電壓由Arduino提供（5 V）。

根據數模轉換原理可知，ADS1115的電壓分辨率為7.63×10-5 V，根據式（3）可計算出電阻分辨率約為0.015 Ω。

2.2.2 數據傳輸電路

數據傳輸系統電路如圖4所示。

HC-05的6個引腳分別是：

（1）State：狀態指示，在未連接其他設備時輸出低電平，連接時輸出高電平；

（2）RXD：接收引腳；

（3）TXD：發射引腳；

（4）GND：接地線引腳；

（5）VCC：電源引腳；

（6）EN：使能端，接地禁用模塊，懸空或接3.3 V。

本電路只使用RXD、TXD、GND、VCC引腳。

2.3 柔性傳感器檢測系統的軟件設計

檢測設備的驅動程序既要滿足對硬件設備的適配度，還要考慮軟件層面的除雜、濾波等功能。本系統的驅動程序部分大致可以分為電壓采集程序、藍牙信號傳輸程序和數據存儲程序，對應信號的采集、傳輸、存儲等功能。

Arduino單片機的程序一般分為兩部分：前置程序和主體循環程序。硬件在執行程序時會在開機或復位之后優先執行前置程序，之后再執行主體循環程序，當主體循環部分執行完畢后，會反復執行主體循環程序，直至單片機斷電或復位。

2.3.1 電壓采集程序

硬件驅動程序包括數模轉換程序、數字濾波程序和藍牙數據傳輸程序。數模轉換程序采集傳感器兩端的電壓信號，但該過程需要使用ADS1115芯片的模擬量端口，所以在前置程序部分需要對模擬量端口A0進行初始化，以激活硬件。數據采集過程在主體循環內進行，得到傳感器兩端的電壓值，供后續程序使用。

2.3.2 數字濾波程序

數字濾波部分的具體程序邏輯如下：

（1）將數據采集電路傳送的數據每10個分為1組。

（2）利用“冒泡排序法”將這10個數據按照從大到小的順序排列，采集的極端數據往往出現在數列的頭部或尾部。此時，只需再將頭部和尾部的數據同時舍棄，就可以達到濾波的效果。

為了保證實驗結果的準確性，本實驗將數列的頭部兩個和尾部兩個數據舍棄，再將剩余的6個數據求平均值，作為本組數據的最終值返還給程序。

3 實驗結果與討論

圖5是使用LCR電橋和自制檢測設備對脈搏傳感器的信號測量結果，采用LCR電橋記錄某受試者靜態脈診傳感器的電阻變化信號，如圖5（a）所示。

圖5（b）是自制設備測試結果的折線圖，可以看出，其與使用LCR電橋作為檢測設備時的圖像相似。二者采集到的電阻值變化能夠準確地反映出脈搏水平，信號波峰清晰、周期規律，噪聲低。

由圖5可知，在10 s時間內，該傳感器檢測結果顯示脈搏共跳動21次，對應脈搏頻率約為1 Hz，這一數據與體感測得的受試者心率一致。脈搏信號所引起的自制傳感器的電阻變化范圍為5～15 Ω，參考式（1）的傳感器靈敏度計算方法和正常人體脈搏的脈搏壓強（約為9.31 kPa[14]）對比可知，該傳感器靈敏度約為0.003 2 kPa。因此該柔性電阻傳感器可以相對準確地反映出脈搏水平。

將柔性傳感器與數據處理器集成后，得到脈搏檢測系統，如圖6所示。利用該檢測系統進行了多人多種狀態下的10 s脈搏波測試，結果如圖7所示。

圖7（a）和圖7（b）是受試者X（男）在劇烈運動時和劇烈運動后靜坐60 s所檢測到的脈搏曲線。由圖7（a）和圖7（b）可知，在劇烈運動后10 s內，其脈搏曲線一共出現了20個峰，對應脈搏頻率約2 Hz；在休息1 min后，脈搏圖像呈現出12個峰，頻率為1 Hz。圖7（c）是受試者X（男）和受試者Y（女）的脈搏，兩位受試者都在15 min內無劇烈運動的條件下，以靜息狀態進行測試。可以看出，受試者X的脈搏所引起的波動約為15 Ω，頻率約為1.1 Hz，而受試者Y的波動僅有5 Ω，但是頻率同樣為1.1 Hz。這是由于不同性別、不同年齡、不同體脂率的人的脈搏強弱不同，因此引發上述差異，而對于脈搏強度的差異，檢測系統的評價指標是電阻變化率。

4 結 語

本文設計的基于導電橡膠的指腹式柔性電阻傳感器，其直徑約為12 mm，厚度約為5 mm，初始電阻約為500 Ω，靈敏度為0.003 2 kPa，適合作為檢測脈搏跳動的傳感器。

本文設計了柔性脈診電阻傳感器的檢測軟硬件系統，可實現脈搏信號的轉換、采集、存儲和傳輸。系統的數據采集頻率為50 Hz，電壓分辨率為7.63×10-5 V，電阻分辨率約為0.015 Ω，數據通過藍牙無線傳輸至安卓系統的上位機。該柔性傳感器脈搏檢測系統可以分辨不同的脈搏強度和脈搏頻率，以此分辨受試者的差別。

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