可穿戴脉搏压力监测系统设计

胡 威，吴学洲，朱 臣，叶 冬，黄永安

(华中科技大学 数字制造装备与技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074)

0 引言

可穿戴电子技术为形成一个快速发展的消费设备领域奠定了基础。可穿戴表皮电子设备能够实时监测人体生理健康信息，并实现人体产生的信号与外界系统的实时交互，为人们的生活带来更多的舒适和方便。当前可穿戴电子设备多用于监测人体生理健康信息，如先进的医疗保健、监测人体生命体征等。同时，可穿戴电子设备还可作为人体生理和神经信号与外界检测装备之间的接口[1]，为可穿戴电子系统提供了新的应用研究方向，如人机实时交互处理控制接口等[2]。

完整的可穿戴电子系统需具备数据采集、处理及应用能力，除此之外，还需兼具可弯曲性、可伸缩性与穿戴舒适性。因此，建立一个实用可靠的系统，需要将传感器、执行器、数据处理单元和无线通信系统[3-6]集成在一个柔性平台上。但目前的执行器、数据处理单元和无线通信系统的整体柔性化程度还未能匹配可穿戴表皮电子传感器的封装条件[7-8]，导致多采用有线系统进行信号的采集和传输处理。本文提出了一种可穿戴脉搏压力监测系统的解决思路，包括信息传导、无线传输和实时显示。

1 系统整体框架

本文提出的可穿戴脉搏压力监测系统由3部分组成：脉搏压力监测传感器、调理硬件系统以及智能终端设备。脉搏传感器采集人体脉搏的压力信号，经过系统调理放大电路的滤波和放大处理，得到可用于蓝牙无线传输的信号。再通过蓝牙无线传输系统电路的AD采样模块进行模数转换，并最终无线发送给智能终端设备。智能终端设备的软件程序无线接收数据，并对其进行处理，用于数据分析和图像显示。系统整体框图如图1所示。图1右为系统实测场景图。

图1 系统整体功能框图

上述的硬件处理系统集成制作在柔性基底电路板上，与设计的脉搏压力监测传感器有机结合，整体封装成手表形状，人体可进行舒适地穿戴。并且还可与现有的机械或电子表头相结合，形成具有智能监测功能的手表。系统采用柔性基板电路和微电子相结合，实现了柔性可弯曲的无线通信系统，将传感器采集的信号传输到智能终端，并对传感器信号进行了简单处理和分析应用。

1.1 脉搏压力监测传感器设计

脉搏压力传感器作为整个可穿戴脉搏压力检测系统的感知元件，除了要求灵敏度高、噪声信号小、稳定性高等特点，还需要具备柔软舒适的特点，以满足可穿戴电子设备的穿戴需求。

压电传感器利用压电材料的压电效应，将机械能转换为电能。这种有源传感器能将脉搏跳动微弱的机械能转换为电能，再通过电压放大和采集电路，就可以非常灵敏地检测到微小的压力变化[9]。

压电材料有石英、压电陶瓷等无机压电材料和聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride, PVDF)等有机压电材料。无机压电材料虽然有着更高的压电常数，但是其脆性大，可承受的最大应变一般不超过1%；相反，有机压电材料具有非常好的柔性，同时也有着较优良的压电效应。

直接将柔性的PVDF压电薄膜贴在手腕处，能够测量到人体的脉搏波形。但是输出电压的幅值在1 mV左右，需用半导体分析测试仪才能测得有效信号[10]。另一方面有效信号幅值过小，很容易被噪声信号所淹没。使用单一的柔性压电膜也增加了与整个可穿戴系统装配的难度[11]。

基于以上问题，设计了如图2(a)所示的压力传感器。传感器由5部分组成：下支撑件、PVDF压电薄膜、硅胶探头、上封装基体和引出线。上下基体起到固定、支撑和封装的作用；硅胶探头是用杨氏模量极小的Ecoflex材料浇铸在精密模具里制备而成的超柔软的压力探头，起到压力传递的作用，可以将比较微弱的压力传递到传感器的感芯上，有效地减小了能量的损失；PVDF压电薄膜当受到外界压力作用而产生应变时，由于压电效应能在其表面产生极化的电荷，从而有电信号输出，是整个传感器的感芯部分；引出线将PVDF产生的电压信号传递给采集和调理电路做下一步处理。所设计的脉搏压力传感器的实物图如图2(b)所示，将传感器用腕带戴在手腕处，用示波器测得人体脉搏波形如图2(c)所示，最大电压约70 mV，最小电压约-20 mV，所以还需电压放大电路、直流偏置电路等进行后续处理。

图2 脉搏检测传感器结构示意图

1.2 脉搏信号调理硬件系统

脉搏压力传感器的输出信号的幅值和能量是非常微弱的。为了采集出脉搏压力传感器的信号，需要在进行无线传输前对微弱的电压信号进行多级放大处理，才能达到AD采集单元的采样电压范围的要求，采集到有效的脉搏信号。同时还需避免传输过程中外界低幅值微弱噪声信号的混入[12]。

由于人体本身就是一个导电体，外界的工频干扰，体外的电场、磁场感应都会引入测量噪声，导致采集的信号中混杂着来自人体或环境的噪声干扰，因此信号的滤波和电路的屏蔽就成为了调理电路设计的重点。50 Hz工频噪声的去除也是调理电路的关键。本文中使用的电路为典型的有源双T型陷波器[13]。其中心频率漂移受电路中电容和电阻的影响，所以设计中需采用高精度的镀银云母电容或碳酸盐电容和金属膜电阻，才能高效滤除50 Hz工频信号。同时对于有效频带范围外的高频和低频噪声也需去除[14]。

由于前文叙述的电路设计，不可避免会产生零点漂移，以及脉搏压力信号本身的特性，都会导致负压的产生，而系统芯片的AD采样接口无法采集负压信号，因此调理电路结构中需设计偏置电路以适应后续电路的AD采样。

电源设计需综合考虑系统的功耗和系统集成所需的供电电压及供电电流。本系统存在有源集成运算放大器以及DA14580蓝牙芯片的供电需求。

无线传输部分，要求信号实时传输，且数据发送量较大，对传输速率也有比较高的要求。考虑到信号与智能终端的无线通信实现，以及可穿戴系统整体功耗要求较低，综合比较其他无线传输协议，选用蓝牙无线通信协议便于实现与智能手机终端的无线通信。本文选用DA14580蓝牙核心芯片实现蓝牙无线传输功能。调理硬件系统原理图如图3和图4所示。通过模拟仿真给出了调理系统的幅相频曲线，并通过方波信号进行测试，以及实测人体在静止时的脉搏波形，由图5可以看出，调理系统在相应通频带内滤波放大功能正常，对噪声滤除效果良好。

图3 系统蓝牙及电源供电部分电路图

图4 系统调理放大电路图

图5 系统调理部分信号测试

图6 Android智能手机终端APP

完成系统的原理设计后，还需进行柔性印刷电路板(Flexible Printed Circuit Board, FPCB)整板设计调试。为了保证系统硬件的可靠性，需要考虑FPCB的布局设计；电源部分和调理放大部分及蓝牙无线传输部分的数字地和模拟地要分隔开；电源线和地线必须加宽，高阻抗的走线要短；元件的信号走线要避免相互之间平行布局，其电源线要与信号线之间隔开；合理进行铺铜设计以减小干扰。还需综合考虑FPCB设计的弯曲曲率要求，合理分布元器件，在满足系统功能的前提下，尽可能地实现较大曲率的弯曲性能要求。综合考虑以上因素得到FPCB系统电路板设计。

1.3 Android智能手机终端APP开发

在开源的Android操作系统下进行APP的开发工作，其核心任务是利用Bluetooth协议实现目标数据的无线传输。本系统采用了低功耗蓝牙4.0这种最新版本的蓝牙传输协议，利用Eclipse Android应用开发软件成功设计出了一款APP,并且最终在智能手机上实现了人体脉搏波形的无线显示。设计开发的APP运行逻辑流程图如图6所示。

2 系统性能测试

柔性无线通信系统整体调试，将柔性无线通信硬件和软件相结合，采集自制的脉搏波形传感器信号，利用终端APP接收数据显示脉搏波形，验证系统的功能。并对系统的使用稳定性进行改进，对软件功能进行完善。最后设计模具，利用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)对FPCB系统电路板进行封装，最终完成可穿戴脉搏压力监测手环的设计。

本文中可穿戴脉搏压力监测手环的应用场景为日常生活成年人脉搏信号监测。为此设计实验方案：(1)静止时脉搏波形测量；(2)运动后脉搏波形测量。利用示波器采集原始脉搏波形数据以及调理后的波形数据，并通过APP终端显示脉搏波形。对比测试采集的脉搏波形如图7所示，脉搏波形的主波、潮波、重搏波特征[15]可由图7中APP采集波形较好地读出。

图7 成年受试者运动前后脉搏波形测试结果对比

从图7(a)和图7(b)中示波器直接采集调理后波形数据与APP采集数据对比可知，系统无线采集的数据波形与实际波形吻合良好。而且由人体运动前和运动后测试采集的脉搏波形可知，运动后脉搏频率明显加快。图7(c)中脉搏波形频率基本保持稳定，由于影响脉搏压力变化的因素较多，传感器灵敏度较高，细微的环境变化都会引起脉搏波形变化，图中波形幅值在一定范围内波动与实际测量环境相符，验证了系统脉搏传感器长时间采集数据的稳定性。通过实验结果与数据分析，可以验证本文的穿戴脉搏压力监测手环可用于日常生活成年人脉搏信号监测。

3 结论

本文提出了一种可穿戴脉搏压力监测系统的解决思路，自主设计实现了一种脉搏波形采集传感器，利用APP将脉搏传感器采集的信号传输到Android移动终端，在APP界面上实现脉搏信号的可视化。但没有进一步分析处理APP采集到的数据，提取脉搏波形的特征数据。后续将研究脉搏波形数据处理算法以及APP的优化设计。

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