人体汗液生化微信号无创连续采集传输系统

毛禹皓，李佳清，杨敬涵，张雅涵，马烨波，王卓然，秦伟，郭强，李庆利，魏高峰，陈建刚,

（1.华东师范大学通信与电子工程学院/上海市多维度信息处理重点实验室, 上海，200241；2.上海中医药大学中医智能康复教育部工程研究中心，上海，201203；3.中国人民解放军海军军医大学海军医学系，上海，200433）

1 研究背景

随着柔性电子与微流控生化传感芯片技术的发展，能够应用于人体深层次生化指标实时、无创、连续监测的柔性汗液表皮传感芯片技术成为了国际学术领域聚焦的前沿技术[1]。人体的汗液成分不仅像血液一样包含丰富的生物标志物，能够提供与人体健康有关的重要信息[2]，而且能够实现无创采集与实时监测，相较于其他体液的监测，如血液有较大优势[3]。因汗液监测可以在人体皮肤任意位置以无创方式采集，且危险性低，故非常适合连续监测[6]。汗液监测大多用于疾病预测与诊断、运动状态、药物分析等方面，具有成为医学诊断工具的潜力[7]。然而，目前汗液的监测与采集主要依靠大型仪器，连续、实时的监测较难实现。故若能在一定距离内对患者的生命体征进行实时动态监测，并通过手机监管，便可进一步提高医疗工作者的工作效率，改善医疗环境，为智能医疗时代的到来提供有利条件[8]。

本研究中，我们基于现代柔性电子技术及汗液传感器，并开发出一套配合柔性可延展人体表皮汗液传感芯片阵列的生化微信号实时采集传输及移动端的数据处理可视化系统模块，从而实现对汗液中钾、钙、钠、氯四种离子浓度的实时、无创、连续监测，实现柔性汗液传感芯片器件向实际应用的重要转化。

2 人体汗液监测

2.1 方案设计

目前，可穿戴汗液传感器的研究已成为健康电子领域的发展重点之一[9]。选用柔性材料可使得传感器更好地贴合人体身体表面，对柔性传感器输出信号进行信号放大，滤波降噪等处理后，输入到蓝牙数据传输模块，最后由移动端实时显示数据[10]。系统框图如图1所示。

图1 汗液监测系统框图

前端传感器选用可通过特殊酶与汗液中钠、钾、钙、氯四种离子发生化学反应并产生微弱电信号的柔性汗液传感器。考虑到柔性传感器与硬质 PCB 电路不匹配的问题，本文微小信号无线传输系统使用圆柱形导电磁粒与传感器进行连接。微弱电信号经过相同放大倍数的放大电路和数据处理电路生成离子浓度信号后，由四通道蓝牙通信模块将浓度信号发送至移动端，移动端实时显示四种离子浓度值，记录并绘制曲线，实现汗液监测系统可视化。

2.2 微弱信号处理电路

2.2.1 微弱信号放大

汗液传感器采集到的人体生物信号为模拟信号，且信号幅度非常微小，须将其放大才能进行后续处理。精密仪表放大器芯片INA333具有高共模抑制比、低噪声密度、低漂移电压，以及超低功耗的特性，非常适宜用作低功耗微弱信号处理电路的放大芯片。它可通过单个外接电阻设置增益，最高可达1000。其阻值RG与增益G关系为：

用INA333实现的微弱信号放大电路如图2所示。其中，WE为汗液传感器传入的微弱信号，REF为放大电路的参考信号。不外接参考信号时，R4将其设置为默认的参考电平，即电源电压的一半。放大后的信号由芯片Uo端输出。

图2 微弱信号放大电路

2.2.2 微弱信号滤波

低通滤波是微弱信号放大的关键步骤。它既能有效抑制传感器转换及信号传输过程中产生的高频噪声，也能对表征汗液信息的微弱信号进行初步的平滑处理，便于后续计算。图3中的滤波电路为有源二阶低通滤波电路，具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点。放大器芯片LTC6088具有低至10nV/的超低噪声密度，以及最大0.75mV的低漂移电压，适合用于微小信号的滤波处理。

图3 微弱信号滤波电路

2.2.3 供电电路

放大芯片INA333和LTC6088均可用单电源供电。供电电路由两部分组成，分别为使用ME6216实现的稳压电路，以及使用ME4055实现的锂电池充电电路。

稳压电路如图4所示。LDO芯片ME6216A33M3G将锂电池提供的输入电压转换为稳定的2.3V输出电压，供放大芯片使用。它的低功耗特点非常适合本系统的应用场景。

图4 稳压电路

电池充电电路如图5所示。电池管理芯片ME4055用于给锂电池充电。其内部包含热反馈电路，以对芯片温度和充电电流进行调节，能适应系统的散热需求。移除输入电压后，芯片将进入休眠模式并降低电池漏电流；无电池时，其静态供电电流低至55μA，大幅降低了系统功耗。

图5 电池充电电路

ME4055具有两个充电指示引脚CHRG和STDBY。通过将它们外界发光二极管的阴极，可以实时显示电池充电状态，如图6所示。当芯片给锂电池充电时，CHRG引脚输出低电平，使第一个指示灯点亮，显示正在进行充电；当充电电流截止时，STDBY引脚输出低电平，使第二个指示灯点亮，显示当前不在充电状态。

图6 充电指示电路

2.3 数据处理及发送

ADC采集流程如图7所示。通过寄存器 ADCCON1 初始化 ADC 模块，随后寄存器 ADCCON3配置 ADC 转换的采样频率、参考电压、分辨率与转换输入端口等参数。在一个周期中执行四次读取操作，分别读取四种离子通道的值，放入不同数组中，再进行打包发送。

图7 ADC采集流程图

蓝牙数据发送流程如图8所示，ADC 数据存储完毕后，通过 GATT 子程序内的特征值CHAR6 发送出去。该方法速度较快且无需客户端设备向服务器发送请求，仅需在通知前完成配置特征值，便可将特征值从服务端发送至客户端。

图8 蓝牙数据传输流程图

3 信号无线传输模块

3.1 技术背景

人体身体参数微小信号包括心电，脑电，血压，血氧等[13]。为了传输这些微小信号，目前有不少产品基于ZigBee协议传输，虽然该协议可以较好满足低速率、低功耗传输的条件，但ZigBee 技术不便于与智能手机相连接[14]。而现代社会智能手机的普及使蓝牙无线通信技术得到广泛应用。蓝牙技术是一种短距离无线通信的技术标准，使用高速跳频和时分多址，可以实现多设备之间的全双工通信，即数据同步接收与发送[15]。使用蓝牙技术进行微小信号的无线传输显然更为便捷。

3.2 初代蓝牙模块

初代蓝牙模块采用的是具备低功耗蓝牙4.0功能的CC2541系统芯片，因其集合了射频收发器、增强型 8051 MCU、可编程闪存存储器等多种具有强大功能的外设为一体，大大节省了蓝牙开发所需的物料成本，同时本文初代蓝牙模块采用CC2541的6mm×6mm方形扁平无引脚(QFN)-40封装，尽可能缩小电路体积。CC2541引脚示意图如图9所示。

图9 CC2541(QFN—40封装) 引脚示意图

CC2541采用Bluetooth4.0协议进行无线通信，具有低功耗、低成本、低延迟等特点，专门面向对成本和功耗都有较高要求的无线方案。蓝牙4.0支持两种不同的无线射频，分别是双模式射频和单模式射频。双模式中，低功耗蓝牙功能基于现有的经典蓝牙，整体架构基本不变，成本增加有限。单模式则面向高度集成的设备，提供超低功耗、点对多点数据传输、节能和加密连接[16]。初代蓝牙模块所选用的CC2541的蓝牙4.0为单模式射频，虽支持低功耗蓝牙但不可向下兼容。

3.3 二代蓝牙模块

为了进一步地降低功耗，提升传输速率和稳定性。本文微小信号无线传输系统二代蓝牙模块选用德州仪器公司的CC2640R2F超低功耗蓝牙芯片，CC2640R2F支持低功耗蓝牙4.2/5.0协议无线通信，并结合了2.4GHz RF收发器，是CC2541的升级版。本文微小信号无线传输系统二代蓝牙模块采用4mm×4mm RSM VQFN32封装，进一步缩小了电路体积。CC2640R2F引脚示意图如图10所示。

图10 CC2640R2F（VQFN32封装）引脚示意图

本文二代蓝牙模块采用CC2640R2F的蓝牙5.0协议进行无线通信。蓝牙5.0 包含三种规格的蓝牙设备：BR/EDR基本速率设备，HS高速蓝牙以及BLE低功耗蓝牙设备[17]。其中BLE低功耗蓝牙设备是全新蓝牙协议栈的代表，功耗极低且传输的数据量非常小，传输速率全面提高。Bluetooth SIG 提出：蓝牙5.0 标准将无线低功耗蓝牙设备的传输速度提升至2 Mbit/s，传输距离达300米[18]。除此之外，蓝牙5.0广播包数据容量更是提升了8倍：从蓝牙4.2的31Byte提升到255Byte[17]。

蓝牙5.0的高速率、低功耗、深覆盖、大容量等特性使蓝牙设备尽可能满足设备对运行性能的要求的同时仅用一粒纽扣电池就能运行数年[19]。

3.4 移动端可视化

为提高汗液检测系统的普适性，本文移动端可视化分为APP和小程序设计。两者界面保持统一，如图11所示：界面顶部显示提醒信息，提醒用户蓝牙连接情况。连接成功后钠离子、钾离子、钙离子与氯离子浓度将实时显示在四个图表中。图表横坐标为时间，纵坐标为浓度，每种离子显示0～300秒内的数据，可通过截图保存历史数据。两者功能也保持一致，流程图如图12所示。

图11 智能汗液监测移动端应用软件

图12 智能汗液监测APP/小程序设计流程图

但APP与小程序的开发过程是截然不同的。其中APP通过Android Studio搭建开发环境，使用Java语言编译。而小程序设计则借助于微信小程序开发者工具，使用JavaScript语言调用微信官方小程序提供的API，开发出适用于安卓手机系统的汗液智能分析小程序。两者都根据确定好的UUID通过移动端自带的低功耗蓝牙模块与本文微小信号无线传输系统建立蓝牙链接。设备的名称为SIC monitor Pro，这种连接方式延迟低，效率高，且在80米内连接稳定，有很强的实用性。与蓝牙模块连接后每隔3s获取一次离子浓度数据并实时显示在各自的图表中，直观地显示穿戴者汗液所含离子浓度。

4 电路的验证及测试

为了比较采用蓝牙4.0和蓝牙5.0实现的微小信号传输系统性能的差异，分别制作其电路评估版并测试它们的功率、线性度以及最远传输距离，其中蓝牙5.0版本实物图如图13所示。

图13 汗液电路实物图

在测量功率时，用电压表测得系统的电源电压，并将电流表串联接入系统供电回路，测得其静态待机电流与工作电流，测试结果如表1所示。可以看出，蓝牙5.0在功耗上较蓝牙4.0有显著下降，相同工作电压下的工作电流为蓝牙4.0的一半左右。

表1 微小信号传输系统的功耗对比

在测量线性度时，从输入端给定一定幅度的信号，经过电路放大以及蓝牙传输后，可由配套的汗液智能分析系统APP检测并显示监测到的信号的数值。随着输入信号的不断增大，APP检测到的信号的数值会逐渐偏离线性增长趋势。测量结果如表2所示。分别绘制它们的输入输出曲线和拟合曲线，如图14所示。可以得出，蓝牙5.0的线性度略优于蓝牙4.0的线性度，其线性范围为0～400mV，而蓝牙4.0只可达到350mV。

图14 微小信号传输系统的线性度对比

表2 微小信号传输系统的输入输出关系

使蓝牙正常工作，开启BLE调试助手APP接受信号。在空旷无障碍物场景中，固定信号发射端的位置，另一位测试人员手持手机接收信号并逐渐远离发射端，直到APP提示与信号断开连接，记录二者的距离，即可得到蓝牙的最远传输距离，测试结果如表3所示。发现蓝牙5.0最远传输距离较远但与蓝牙4.0的最远传输距离相差不多。

表3 微小信号传输系统的最远传输距离对比

5 讨论

经过以上对比测试，蓝牙5.0的总体表现明显优于蓝牙4.0。具体表现为功耗、线性度和传输距离三个方面。其中最重要的是功耗方面，蓝牙5.0的超低功耗使得本文微小信号传输系统对电池的容量要求极低，这意味着可以选用更小体积的电池，为可穿戴汗液传感系统的实用性提供基础。其线性度和传输距离相比于蓝牙4.0也表现更好，其数据传输更稳定，监测结果更精确，较宽的线性范围也能更好地适应前端传感器采集的信号。

本文提出的用于汗液监测的表皮传感器数据传输的硬件电路系统，虽然已经实现汗液内离子浓度等微小信号的无线传输，但是如何将硬质电路板转制成柔性的可穿戴设备的问题亟待解决。并希望可以通过移动端调控汗液传感器的工作状态，既可以实现精准控制的效果，还可达到降低不必要的功耗等目的。因汗液的成分因人而异，对于手机APP的后续完善，需搭建一个针对不同用户体质的健康管理系统，提醒用户及时补充电解质。最后，本文介绍的微小信号采集及无线传输系统不仅限于汗液信号的传输，在其他各种短距离无线数据传输场景均有广阔的应用前景。

6 结语

如今，随着可穿戴设备的普及以及智能医疗的进步，越来越多的可穿戴医疗设备应运而生，尤其是对于汗液成分的实时监测还在起步阶段。汗液像血液一样含有电解质和生物分子，因此可以作为一种医学诊断工具[7]。综上所述，本文提出一种应用于无线、实时、连续汗液监测的表皮传感器硬件电路系统，实现了磁吸接口、信号处理、无线数据传输电路与移动端可视化等功能。并结合蓝牙5.0，具有低功耗、高性能等优点，使其投入生产成为可能。通过分析人体的电解质平衡状态等指标，为人体实时监测身体健康提供一种选择，促进医疗智能化。