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摘要：本论文为满足日常健康监测中高效、轻便的检测脉搏的需要，将柔性压电薄膜与无线蓝牙技术、柔性印刷电子技术相结合，构建一种基于 PVDF柔性压电薄膜的可穿戴脉搏信号监测系统，本系统实现了对人体脉冲信号的采集和处理，并能通过无线方式将脉冲信号传送到智能手机上，实现了对脉象的实时显示。该系统的特点是：测量准确度高、噪声小、脉动波特征点清晰、方便佩戴。无线蓝牙技术突破了传统的有线探测模式，实现了探测的便携化和智能化。采用柔性印制技术，可实现整个电路动态弯曲，并与被测物体贴合，降低器件体积，提升穿戴舒适性。实验结果表明，所提出的方法可以实现对人体脉搏实时、准确、高效的测量，满足了可穿戴性的需求，可以用于日常的健康监测。

关键词：柔性PVDF；可穿戴；脉搏波检测

引言

随着科学技术的进步，生命科学和信息技术的结合日益密切，各种新型的脉博检测设备应运而生，尤其是电子脉博检测设备的问世，为人们提供了极大的便利。脉象在我国已有 2600多年的历史，是中国传统医学的精华所在，人体的脉象信号含有大量的生理信息，脉搏测量是患者必不可少的测试项目，在医学监测中脉搏是衡量人体状况的一个重要指标。因此，需要从脉搏信号中提取出病人的病理学信息，以辅助临床诊疗。大量的临床研究表明，脉搏波与冠心病等心血管疾病有很大的关系。脉搏波的幅值、频率及脉搏波特征点可较好反映人体血管的生理及病理学特征。医生通过分析脉搏波形不同参数间的相互关系，可以对人体的血管系统进行全面、准确的评价。

当前的电子脉搏检测设备在检测脉搏信号时容易受到运动干扰，从而使采集到的数据质量下降，不能准确地监测脉搏，造成对人体健康状况的错误警报。为使日常生活中的脉搏信号得到稳定的检测，获取更多的脉搏信息，减少误报警率。设计出一种基于PVDF柔性压电薄膜传感器的无线可穿戴人体脉搏监控带模型。本系统能够实时、准确地采集和处理人体的脉搏信号，对日常健康监测和临床诊断具有一定的实用价值。

一、系统整体设计

1.1硬软件系统原理

使用PVDF压电薄膜作为脉冲传感器件，其输出信号需要用检测电路进行精确检测，并且具有两个模式：电荷模式和电压模式。放大器的输出电压只与输入电荷和反馈电容有关，并且与电荷成正比，而电缆电容与放大器的输出电压无关。这是电荷放大器的最大优势。因此，选择电荷方式来处理PVDF薄膜受微脉冲振动产生的电荷。放大模块采用高共模抑制比的差分放大器，大大降低了PVDF压电薄膜脉冲传感器引入的噪声，保证了脉冲信号的完整性和高精度。

传感器将采集到的脉搏信号输入到差分电荷放大器中，再进行二次放大，为以后的数据处理和分析做准备。脉冲信号经过放大后，其中夹杂着来自于人体手腕皮肤的静电干扰和220V电力系统的工频干扰。针对这一问题，本文使用一种降噪方法，即利用巴特沃斯低通滤波器和50 Hz工频陷波器进行降噪。针对1～10赫兹的人体脉动频率，巴特沃斯低通滤波器设置15～20赫兹的截断频段，其通频带满足使用要求，并且不会对脉动信号造成影响。将50 Hz工频陷波器与低通滤波器相结合，在解决干扰的同时，可使信号的信噪比得到很大的改善。

实时采集的脉搏数据，通过AD转换成为数字信号，再通过蓝牙模块实时传输至智能终端界面，根据接收到的数字信号，进行数据分析和结果呈现，进而分析脉搏波的临床意义，并对人体健康进行评估分析。其传输速率快，传输可靠，数据不丢失，信息完整，为临床诊断和治疗提供了依据。

1.2硬件系统组成

硬件系统组成包括：PVDF柔性薄膜传感器、前置微弱小信号处理电路（包括差分电荷放大模块、电压放大模块、巴特沃斯低通滤波器模块、50 Hz工频陷波器模块）、高精度数据采集模块、处理器模块、检测分析模块、无线传输模块，电源模块组成。

1.差分电荷放大模块

电荷放大器具有两个特点：深度负反馈、输入阻抗高。因此与 PVDF 薄膜相连的电荷放大器必须具备非常高的输入阻抗及极低的输入偏置电流。电荷放大器电路的耦合方式是直接耦合，极大地抑制了电荷放大器输入端引入的共模信号。因此可以很好的降低电荷放大器产生零点偏移的概率，从而提升了系统的稳定性。

LF353运放芯片拥有两路通道，出于可穿戴系统的小型化及系统的组装及测试便利性的考虑，本文优选对LF353运放芯片进行微弱小信号的放大，其尺寸为4.9 mm*13.9 mm*1.45 mm。

2.差分比例运算电压放大模块

传感器采集的脉搏信号经过差分电荷放大模块后，由于传感器采集的信号很微弱，需要进一步放大以便于后续数据的处理与分析。因为差分电荷放大模块输出端为两路输出端，能够使小信号得到精确的高增益放大。输出阻抗小，具有优良的带负载能力。

选择OP27GS器件作为差分比例运算电压放大模块的运放芯片，采用SOIC-8进行封装，尺寸为5 mm*4 mm*1.5 mm。增益带宽 GBP是8 MHz，转换速率 SR是2.8 V/μ s，充分满足了要采集的脉冲信号所需的带宽，并确保了放大后的脉冲信号不会失真。

其输入偏置电流 Ib为±10 nA，输入偏置电压 Vos为100µ V，共模抑制比 CMRR为126 dB，电源抑制比 PSRR为20µ V/V，可以看出其具有很强的抑制噪声能力，可以使小信号得到精确的高增益放大。具有极低的输出阻抗和优异的带载性能。OP27GS所具有的这些性能指标可实现脉搏微弱信号的放大，并且保证了信号的高精度与完整性

3.低通滤波器模块

脉搏信号经过传感器采集后，所采集的信号不仅有脉搏小信号，还有很多噪声及无用信号混合在其中，会影响信号的高精度与完整性，只要选择有源滤波电路让有用信号通过，而阻止其他频率信号通过，就可以有效的滤波。切比雪夫低通滤波器在工作频率范围内存在一定的波动，因而不适用于本文设计的脉搏带。贝塞尔滤波器具有稳定的振幅、线性的相位响应（即稳定的群延迟），但是与同阶的巴特沃斯、切比雪夫等滤波器相比选择性差，其滤波效果还不够理想。巴特沃斯低通滤波器具有高品质因数 Q值、良好的阶跃响应、极小的过冲、极小的振荡、最大的通频带、最大的平整度，更适用于低频信号的处理。因此，这篇文章选取了巴特沃斯低通滤波器

4.工频陷波器模块

由于国家电网的电力在传播过程中会以电磁波的形式释放能量并影响我们使用的电子设备，虽然上述所设计的低通滤波器对噪声及无用信号进行了很好的衰减，但是还是存在一定程度的工频干扰，使用工频陷波器模块便可以有效的解决这个问题。

5.无线通讯模块

通过无线方式传输，简单方便，抗干扰性强，不会丢失数据，保证脉搏信息的完整性。

使用的是HC-08型蓝牙模块，其大小为26.9mm×13mm。该模块以 Bluetooch Specification V4.0 BLE蓝牙协议为基础，利用STM32F103C8T6芯片的 UART协议来进行无线传输，工作频率范围2.4 GHz，UART3.3 VTTL的通信接口，工作电压3.0-3.6 V，发送功率4 dBm，接收灵敏度-93 dBm@1Mbps，通信距离80m；配对中消耗电流为20-40 mA，完成配对未完成通讯所需的电流为8.5mA；在通讯时会消耗9mA的电流

二、软件部分

脉搏监控带的软件设计基于硬件系统，通过设计软件程序来执行脉搏监控带的数据检测，数据传输和结果显示等功能。

系统软件设计分为两部分，一是脉搏监控带控制系统的程序设计，二是智能终端上位机软件界面设计，分别实现了脉搏监控带管理控制和智能终端人机界面的功能。在该系统中，我们使用了C语言与汇编语言，并以C语言为外接接口。在 Arduino IDE5.0中安装开发环境，将数据导入，开发各个功能的模块，编写下载，并进行调试。

脉搏检测分析上位机的设计，主要包括四个模块：采集者信息录入模块、数据实时接收模块、脉搏波分析检测模块、智能终端显示模块。

本文所研制的采集者信息录入模块，具体包括了采集者的姓名、年龄、身高、体重以及是否有既往病史。这些基本信息可以在任何时候进行查看，方便后续分析脉搏波中所包含信息的意义。输入身高和体重后，就可以计算出每一个对象的体重指数（Body Mass Index，BMI）。BMI指数是一种国际通用的，通常用于衡量体重和身体健康的指标。已有的学术研究显示，BMI指数在脉搏诊断中起到了良好的辅助作用，因此，在设计软件系统的时候，需要将BMI信息纳入系统中。这一基础信息对后续的脉搏分析起着非常重要的作用。

数据实时接收模块是根据下位机的通讯协议编写对应的上位机通讯协议，设置对应的波特率为115200，停止位为1，数据位是8，无奇偶校验。该模块可实时读取下位机无线传输出的脉搏数据信息。

在20秒钟之内，对脉搏波形中相邻波峰间的 N个时段进行探测，利用数组极大值与极小值检测函数，检测出N个时段中的极大值和极小值，并将其去除。再利用均值函数，便可计算出20秒内时间间隔的平均值，即心率跳动一次所需时间，进而计算出每分钟心跳数。

程序设计完成之后，进行智能终端上位机软件界面的设计，该界面包括以下模块采集者信息录入模块、数据实时接收模块、脉搏波分析检测模块、智能终端显示模块。所设计的脉搏监控带智能终端显示界面如下图所示，具有操作简单及直观显示的特点。

实验结果

根据总体电路的设计原则，制作了一块柔性的印制电路板，并对其进行了焊接元器件、烧录程序和测试。把PVDF柔性感应器放到测试者的手腕上，再把智能终端装置的蓝牙功能开启，开启软件，开始扫描。然后，选择与感应器相连，进入波形显示界面，即可对受测者的脉搏进行实时显示。按照下面的方式显示波形。最终实现了设计目标。

四、结论

本项目以PVDF柔性薄膜为基础，针对目前脉搏信号采集和分析系统存在的精度低、噪声大、脉搏信号易扭曲、不易佩戴等问题，开展基于 PVDF柔性薄膜的脉搏信号采集和分析系统的研究。在此基础上，提出了一种高精度、低噪声、便于佩带的脉动测量与诊断的设计方案。从压电薄膜传感器的工作原理出发，确定了相应的测量电路。对所设计的弱小信号检测电路进行了仿真和分析，对其进行了不断的优化，最后制成了脉搏检测诊断系统的硬件电路。 在此基础上，通过对腕部血管内脉搏微弱小信号的探测和分析，开发出相应的下位机与上位机，完成可穿戴式脉搏探测系统的研制。最后，对脉搏检测诊断系统进行测试和分析，实现了高精度、极低噪声、易佩戴等特点，从而使其在日常的健康监测中具有重要的应用价值。

作者简介：

郝帅（2002—），男，内蒙古巴彦淖尔人，大学本科，现就读于天津职业技术师范大学，研究方向：应用电子技术教育。

余浩（2001—），男，内蒙古巴彦淖尔人，大学本科，现就读于天津职业技术师范大学，研究方向：应用电子技术教育。

王泽宇（2001—），男，内蒙古鄂尔多斯人，大学本科，现就读于天津职业技术师范大学，研究方向：应用电子技术教育。

基金项目：项目来源：天津市大学生创新创业训练计划项目“基于PVDF柔性压电薄膜传感器的无线可穿戴人体脉搏监控带”（项目编号：202210066012）。