代雁冰, 曹志廣, 李 鐵, 孫富欽, 張 珽

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 納米技術(shù)與納米仿生學(xué)院,安徽 合肥 230026;2.中國科學(xué)院 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215123)

0 引 言

脈搏波是由心臟搏動沿動脈血管和血流向外周傳輸而形成,并在各級動脈分支產(chǎn)生反射而形成反射波,這些反射波的強(qiáng)度和波形會受生理或病理因素影響產(chǎn)生較大差異,其與原始脈搏波疊加之后也會呈現(xiàn)出不同波形特征,這使得脈搏波中包含豐富的人體生理或病理信息[1]。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地對人體脈搏信號進(jìn)行采集和處理,對日常健康監(jiān)護(hù)、臨床診斷有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。傳統(tǒng)脈搏檢測系統(tǒng)通常采用有線方式,存在設(shè)備體積較大、不便于攜帶的問題,不能滿足人們對日常健康檢測的需求[2]。

針對于上述情況,本文將無線藍(lán)牙技術(shù)和柔性印刷電子技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計(jì)出一種無線可穿戴柔性脈搏檢測系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對人體脈搏信號的采集、處理,并能無線傳輸至智能手機(jī)端實(shí)時(shí)顯示脈搏信息。無線藍(lán)牙技術(shù)使檢測方式擺脫了有線檢測的束縛,使系統(tǒng)更為便攜、可穿戴；而柔性印刷電子技術(shù)使整體電路與動態(tài)可彎折被測表面貼敷更為緊密,使系統(tǒng)具有更小的體積及更高的穿戴舒適性。這兩種技術(shù)的結(jié)合,使該系統(tǒng)在日常健康檢測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概述

無線可穿戴柔性脈搏檢測系統(tǒng)分為主機(jī)、從機(jī)兩部分,主要由可穿戴脈搏傳感模塊、藍(lán)牙傳輸模塊、電源模塊等構(gòu)成。從機(jī)部分主要功能是,通過可穿戴脈搏傳感器采集人體脈搏波信號,將原始信號進(jìn)行處理后,利用藍(lán)牙4.0技術(shù)將脈搏信息無線傳輸至主機(jī)部分。主機(jī)部分功能主要是在智能手機(jī)終端實(shí)現(xiàn),所設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序可以向從機(jī)發(fā)送藍(lán)牙連接指令、脈搏信號采集指令,并且接收無線傳輸數(shù)據(jù),進(jìn)行脈搏波形實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

1.2 柔性印刷電路工藝

柔性電路板采用印刷電子技術(shù)制作,主要由絕緣薄膜、銅箔以及粘結(jié)劑制成。通過在可彎曲輕薄塑料薄膜上嵌入電路設(shè)計(jì),能實(shí)現(xiàn)在有限空間范圍內(nèi)堆嵌所需精密元器件的目的,從而形成可彎曲的柔性電路[3]。

絕緣薄膜是柔性電路的基礎(chǔ)層,常見絕緣薄膜材料是聚酰亞胺和聚酯材料。聚酰亞胺材料具有幾何尺寸穩(wěn)定,抗扯強(qiáng)度高,不易燃等優(yōu)點(diǎn),可承受常用焊接溫度。聚酯材料,也稱聚乙烯雙苯二甲酸鹽,其物理性能類似于聚酰亞胺,但不耐高溫,限制了其在需焊接的應(yīng)用場景下使用[3]?；谏鲜龇治?本系統(tǒng)柔性印刷電路采用聚酰亞胺作為絕緣薄膜材料。

本系統(tǒng)采用壓延銅箔作為柔性印刷電路中導(dǎo)體材料,其具有較好延展性,能與可穿戴脈搏檢測系統(tǒng)撓折性需求相匹配。

柔性印刷電路板與剛性電路板制作工藝最大區(qū)別在于,柔性電路采用覆蓋膜方式代替了剛性板中的阻焊劑,通過“開窗—粘貼—壓合”制作而成。與剛性板相比,柔性印刷電路板具有重量輕、體積小、厚度薄、可撓性強(qiáng)等特點(diǎn),更符合可穿戴電子領(lǐng)域應(yīng)用場景。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)柔性印刷電路及其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 柔性印刷電路及其結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

為滿足輕量化、可穿戴需求,本系統(tǒng)采用紙電池對功能模塊進(jìn)行供電。其輸出電壓范圍為5～6 V,經(jīng)AMS1117穩(wěn)壓芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生3.3 V穩(wěn)定直流電壓,能達(dá)到給系統(tǒng)功能模塊供電的目的。

本系統(tǒng)采用恩福賽柔性電子所生產(chǎn)紙電池,其表觀尺寸為36 mm×54 mm,最大厚度小于0.7 mm,重量僅為1～2 g,交流內(nèi)阻90 Ω,且輸出電壓穩(wěn)定。與傳統(tǒng)硬質(zhì)鋰電池相比,可更好地滿足系統(tǒng)輕量化、可穿戴應(yīng)用需求。

2.2 脈搏傳感器模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 脈搏傳感器的選型

目前,主流脈搏傳感器主要分為光電式、壓電式、壓阻式等類型。

光電式脈搏傳感器以紅外光感知為主,利用紅外光線對血液容積變化敏感的特性,可以檢測到血液中血氧蛋白含量變化,通過調(diào)理電路輸出反映指尖血容積變化的完整脈搏波形信號[4]。光電式傳感器對外界環(huán)境中光信號十分敏感,測量環(huán)境中的背景光和二次反射光都會對脈搏信號測量產(chǎn)生影響。

壓電式和壓阻式傳感器一般采用微壓力傳感材料,通過對血管搏動時(shí)皮膚表面微小壓力信息檢測,即可以采集到脈搏跳動信號及其電信號變化量,經(jīng)過信號調(diào)理電路可以得到完整脈搏波形[5]。相對于壓阻式傳感材料來說,壓電材料靈敏度不高,在需要較高靈敏度場景下,必須選用尺寸較大的壓電材料。

基于對不同種類脈搏傳感器的分析,針對可穿戴脈搏檢測系統(tǒng)便攜性和可靠性的技術(shù)要求,本設(shè)計(jì)方案選用壓阻式脈搏傳感器作為從機(jī)脈搏采集模塊。

2.2.2 柔性壓阻式脈搏傳感器的工作原理

本文系統(tǒng)采用華科電子HK—2018集成型可穿戴脈搏傳感器。它是一種柔性可穿戴的無創(chuàng)傷脈搏傳感器。該脈搏傳感器技術(shù)指標(biāo)如下：1)供電電壓為3.3～3.6 V；2)可以檢測到0～300 mmHg的脈搏壓力；3)壓力分辨率為1 mmHg；4)工作溫度范圍為0～50 ℃。

該脈搏傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,除了壓阻式傳感器模塊外,還集成了信號處理模塊和微控制器,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 柔性脈搏傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

HK—2018柔性脈搏傳感模塊是采用應(yīng)變橋式壓力結(jié)構(gòu)芯體制成的傳感模塊,其本質(zhì)是一個惠斯通電橋。初始狀態(tài)時(shí),傳感器的4個橋臂電阻相等,電橋輸出為零；當(dāng)施加外界壓力時(shí)(因脈搏跳動而產(chǎn)生的微壓力),敏感電阻阻值發(fā)生變化,電橋產(chǎn)生不平衡輸出[6],傳感器即可檢測到人體橈動脈壓力信號。

人體脈搏信號頻率范圍為0.05～20 Hz,因此，采用低通濾波器即可濾除50 Hz工頻干擾及其他高頻干擾信號[7]。此外,原始脈搏信號電壓幅值為毫伏(mV)級別,在濾波預(yù)處理之后還需經(jīng)過電路對其進(jìn)行放大,設(shè)計(jì)中采用差分放大電路,可以很好地抑制共模信號和零點(diǎn)漂移。

脈搏波信號在經(jīng)過放大和濾波模塊之后,可以有效、準(zhǔn)確地傳入微控制器,并在微控制器中完成A/D轉(zhuǎn)換,繼而與藍(lán)牙模塊進(jìn)行異步串行(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)通信。

2.3 藍(lán)牙傳輸模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊采用Nordic公司NRF51822藍(lán)牙芯片,其配備了具有256kB flash,16kB RAM 的32位ARM Cortex M0處理器,并集成了支持藍(lán)牙4.0的2.4 GHz無線收發(fā)器、16個可編程外設(shè)接口PPI和其他模擬/數(shù)字模塊,且支持SPI/I2C/UART全功能數(shù)字接口和10位ADC轉(zhuǎn)換[8]。相較于傳統(tǒng)藍(lán)牙傳輸芯片,NRF51822將控制芯片和射頻芯片功能集成到一起,可使系統(tǒng)無需其他單片機(jī)參與控制,即可完成信號的處理、傳輸和無線收發(fā),具有集成度高、易于移植開發(fā)等特點(diǎn),適用于可穿戴檢測設(shè)備。

NRF51822與柔性脈搏傳感模塊的通信采用URAT接口。柔性脈搏傳感器接口由接口間距0.5 mm的軟排線引出引腳與NRF51822相連,其中,VCC和GND用于向傳感器供電,TXD和RXD用于和傳感器通訊。藍(lán)牙模塊電路圖如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙模塊電路

NRF51822的ANT1與ANT2引腳為2.4 GHz射頻天線端口,為了節(jié)省電路板空間以實(shí)現(xiàn)較高集成度,本系統(tǒng)采用直接印刷在電路板上的曲流型天線進(jìn)行射頻端口與天線端口的阻抗匹配。天線部分的封裝如圖5所示。

圖5 阻抗匹配天線設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)格式與協(xié)議

藍(lán)牙模塊與可穿戴脈搏傳感器模塊通信時(shí),采用UART通信協(xié)議,為全雙工串行通信接口,設(shè)定1個起始位、 8個數(shù)據(jù)位、 1個停止位、無奇偶校驗(yàn)位,波特率256 000 bps。通信協(xié)議以幀為單位,數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括幀頭標(biāo)識、目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)長度、控制字、數(shù)據(jù)內(nèi)容,具體格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

在采樣時(shí),啟動自動采樣的特征代碼為0x32,設(shè)備收到采樣指令之后,定時(shí)5 ms自動發(fā)送采樣數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)范圍為0—0x7FFF,低字節(jié)在前,高字節(jié)在后。

3.2 藍(lán)牙傳輸軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊程序基于C語言開發(fā),采用Keil uVision5軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)上電之后,程序首先對藍(lán)牙模塊進(jìn)行初始化,包括BLE函數(shù)初始化、底層函數(shù)初始化、定時(shí)器初始化等。初始化完成之后,程序啟動定時(shí)器,開始對外廣播,請求建立通信鏈路。

程序采用中斷的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和緩存。當(dāng)藍(lán)牙接收到正確幀頭數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)緩存區(qū)中,待緩存區(qū)收集到滿包數(shù)據(jù),即標(biāo)記數(shù)據(jù)處于可發(fā)送狀態(tài)并進(jìn)行發(fā)送。同時(shí),緩存區(qū)清零,進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的接收。若接收到的幀頭數(shù)據(jù)不正確,直接將緩存數(shù)據(jù)清零接收下一幀數(shù)據(jù)。

所獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果既可以通過串口打印進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,也可以傳輸?shù)绞謾C(jī)或者其他移動終端。藍(lán)牙模塊工作流程圖如圖6所示。

圖6 藍(lán)牙模塊工作流程圖

3.3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的移動應(yīng)用端軟件采用微信小程序形式進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示,無需用戶安裝下載且即開即用,具有應(yīng)用場景通用性。程序利用HBuilder開發(fā)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā),其工作流程圖如圖7所示。

圖7 小程序工作流程圖

小程序主要功能分為兩個部分,第一部分是藍(lán)牙掃描和連接：啟動程序并點(diǎn)擊“掃描”按鈕,此時(shí)進(jìn)入藍(lán)牙掃描界面,完成對周圍可連接藍(lán)牙設(shè)備的掃描和確認(rèn)。在成功連接相應(yīng)傳感器之后,觸發(fā)中斷程序,啟動數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中,仍采用幀協(xié)議讀取方式,使手機(jī)在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)不會占用過多內(nèi)存,達(dá)到長時(shí)間運(yùn)行要求。

第二部分是脈搏波形顯示：當(dāng)移動設(shè)備端藍(lán)牙連接至脈搏采集模塊后,應(yīng)用程序?qū)⒆詣舆M(jìn)入脈搏波顯示界面。為獲得完整、準(zhǔn)確的脈搏波形,利用HBuilder開發(fā)工具設(shè)計(jì)出X軸移動繪圖動態(tài)界面,且該界面也可根據(jù)脈搏波形數(shù)值調(diào)整Y軸顯示范圍,使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈搏波形的實(shí)時(shí)、動態(tài)檢測。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于整體電路設(shè)計(jì)原理制作柔性印刷電路板,并焊接貼片元器件,燒錄軟件程序之后進(jìn)行系統(tǒng)性能測試。脈搏傳感器模塊通過0.5 mm間距軟排線與藍(lán)牙模塊相連接,連接方式如圖8所示。

圖8 功能模塊實(shí)物

將脈搏傳感器固定于測試者的手腕處,開啟移動設(shè)備藍(lán)牙,打開應(yīng)用程序進(jìn)行藍(lán)牙設(shè)備掃描,選擇連接傳感器“Flexible Pulse Sensor”,進(jìn)入波形顯示界面可實(shí)時(shí)顯示被測者脈搏波形。藍(lán)牙掃描及波形顯示界面如圖9所示。從結(jié)果可見脈搏波形中主波、潮波、重搏波等詳細(xì)信號,達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

圖9 藍(lán)牙掃描及波形顯示界面

藍(lán)牙系統(tǒng)性能另一個重要指標(biāo)是接收數(shù)據(jù)的誤碼率[9]。將藍(lán)牙傳輸模塊通過J-Link與電腦端相連接,使用J-Link Viewer軟件可以在電腦端輸出藍(lán)牙傳輸之前脈搏波數(shù)據(jù)。智能手機(jī)終端在與藍(lán)牙模塊建立連接之后,使用第三方應(yīng)用軟件NRF-connect可檢測到手機(jī)終端接收到的無線傳輸數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)對比可以看出，脈搏波數(shù)據(jù)在藍(lán)牙傳輸前后的誤碼率和丟包率小于1 %,可進(jìn)一步驗(yàn)證本系統(tǒng)無線藍(lán)牙傳輸?shù)目尚行浴?/p>

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并制作出無線可穿戴式柔性脈搏檢測系統(tǒng),性能測試結(jié)果顯示,移動終端的應(yīng)用程序可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地顯示出所檢測脈搏波形信號的詳細(xì)信息。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地將無線藍(lán)牙技術(shù)和柔性印刷電子技術(shù)相結(jié)合,使系統(tǒng)可貼敷在動態(tài)可彎折的被測表面,具有體積小、可穿戴、易便攜、輕量化等優(yōu)勢；同時(shí),將脈搏波檢測結(jié)果于智能移動終端顯示,能使本系統(tǒng)在日常健康監(jiān)護(hù)、臨床診斷、遠(yuǎn)程醫(yī)療方面具有較好的應(yīng)用前景。