人體汗液生化微信號(hào)無創(chuàng)連續(xù)采集傳輸系統(tǒng)

毛禹皓，李佳清，楊敬涵，張雅涵，馬燁波，王卓然，秦偉，郭強(qiáng)，李慶利，魏高峰，陳建剛,

（1.華東師范大學(xué)通信與電子工程學(xué)院/上海市多維度信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海，200241；2.上海中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)智能康復(fù)教育部工程研究中心，上海，201203；3.中國人民解放軍海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍醫(yī)學(xué)系，上海，200433）

1 研究背景

隨著柔性電子與微流控生化傳感芯片技術(shù)的發(fā)展，能夠應(yīng)用于人體深層次生化指標(biāo)實(shí)時(shí)、無創(chuàng)、連續(xù)監(jiān)測的柔性汗液表皮傳感芯片技術(shù)成為了國際學(xué)術(shù)領(lǐng)域聚焦的前沿技術(shù)[1]。人體的汗液成分不僅像血液一樣包含豐富的生物標(biāo)志物，能夠提供與人體健康有關(guān)的重要信息[2]，而且能夠?qū)崿F(xiàn)無創(chuàng)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測，相較于其他體液的監(jiān)測，如血液有較大優(yōu)勢[3]。因汗液監(jiān)測可以在人體皮膚任意位置以無創(chuàng)方式采集，且危險(xiǎn)性低，故非常適合連續(xù)監(jiān)測[6]。汗液監(jiān)測大多用于疾病預(yù)測與診斷、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、藥物分析等方面，具有成為醫(yī)學(xué)診斷工具的潛力[7]。然而，目前汗液的監(jiān)測與采集主要依靠大型儀器，連續(xù)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測較難實(shí)現(xiàn)。故若能在一定距離內(nèi)對患者的生命體征進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，并通過手機(jī)監(jiān)管，便可進(jìn)一步提高醫(yī)療工作者的工作效率，改善醫(yī)療環(huán)境，為智能醫(yī)療時(shí)代的到來提供有利條件[8]。

本研究中，我們基于現(xiàn)代柔性電子技術(shù)及汗液傳感器，并開發(fā)出一套配合柔性可延展人體表皮汗液傳感芯片陣列的生化微信號(hào)實(shí)時(shí)采集傳輸及移動(dòng)端的數(shù)據(jù)處理可視化系統(tǒng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)對汗液中鉀、鈣、鈉、氯四種離子濃度的實(shí)時(shí)、無創(chuàng)、連續(xù)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)柔性汗液傳感芯片器件向?qū)嶋H應(yīng)用的重要轉(zhuǎn)化。

2 人體汗液監(jiān)測

2.1 方案設(shè)計(jì)

目前，可穿戴汗液傳感器的研究已成為健康電子領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)之一[9]。選用柔性材料可使得傳感器更好地貼合人體身體表面，對柔性傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大，濾波降噪等處理后，輸入到藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊，最后由移動(dòng)端實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)[10]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 汗液監(jiān)測系統(tǒng)框圖

前端傳感器選用可通過特殊酶與汗液中鈉、鉀、鈣、氯四種離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生微弱電信號(hào)的柔性汗液傳感器?？紤]到柔性傳感器與硬質(zhì) PCB 電路不匹配的問題，本文微小信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)使用圓柱形導(dǎo)電磁粒與傳感器進(jìn)行連接。微弱電信號(hào)經(jīng)過相同放大倍數(shù)的放大電路和數(shù)據(jù)處理電路生成離子濃度信號(hào)后，由四通道藍(lán)牙通信模塊將濃度信號(hào)發(fā)送至移動(dòng)端，移動(dòng)端實(shí)時(shí)顯示四種離子濃度值，記錄并繪制曲線，實(shí)現(xiàn)汗液監(jiān)測系統(tǒng)可視化。

2.2 微弱信號(hào)處理電路

2.2.1 微弱信號(hào)放大

汗液傳感器采集到的人體生物信號(hào)為模擬信號(hào)，且信號(hào)幅度非常微小，須將其放大才能進(jìn)行后續(xù)處理。精密儀表放大器芯片INA333具有高共模抑制比、低噪聲密度、低漂移電壓，以及超低功耗的特性，非常適宜用作低功耗微弱信號(hào)處理電路的放大芯片。它可通過單個(gè)外接電阻設(shè)置增益，最高可達(dá)1000。其阻值RG與增益G關(guān)系為：

用INA333實(shí)現(xiàn)的微弱信號(hào)放大電路如圖2所示。其中，WE為汗液傳感器傳入的微弱信號(hào)，REF為放大電路的參考信號(hào)。不外接參考信號(hào)時(shí)，R4將其設(shè)置為默認(rèn)的參考電平，即電源電壓的一半。放大后的信號(hào)由芯片Uo端輸出。

圖2 微弱信號(hào)放大電路

2.2.2 微弱信號(hào)濾波

低通濾波是微弱信號(hào)放大的關(guān)鍵步驟。它既能有效抑制傳感器轉(zhuǎn)換及信號(hào)傳輸過程中產(chǎn)生的高頻噪聲，也能對表征汗液信息的微弱信號(hào)進(jìn)行初步的平滑處理，便于后續(xù)計(jì)算。圖3中的濾波電路為有源二階低通濾波電路，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點(diǎn)。放大器芯片LTC6088具有低至10nV/的超低噪聲密度，以及最大0.75mV的低漂移電壓，適合用于微小信號(hào)的濾波處理。

圖3 微弱信號(hào)濾波電路

2.2.3 供電電路

放大芯片INA333和LTC6088均可用單電源供電。供電電路由兩部分組成，分別為使用ME6216實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)壓電路，以及使用ME4055實(shí)現(xiàn)的鋰電池充電電路。

穩(wěn)壓電路如圖4所示。LDO芯片ME6216A33M3G將鋰電池提供的輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的2.3V輸出電壓，供放大芯片使用。它的低功耗特點(diǎn)非常適合本系統(tǒng)的應(yīng)用場景。

圖4 穩(wěn)壓電路

電池充電電路如圖5所示。電池管理芯片ME4055用于給鋰電池充電。其內(nèi)部包含熱反饋電路，以對芯片溫度和充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，能適應(yīng)系統(tǒng)的散熱需求。移除輸入電壓后，芯片將進(jìn)入休眠模式并降低電池漏電流；無電池時(shí)，其靜態(tài)供電電流低至55μA，大幅降低了系統(tǒng)功耗。

圖5 電池充電電路

ME4055具有兩個(gè)充電指示引腳CHRG和STDBY。通過將它們外界發(fā)光二極管的陰極，可以實(shí)時(shí)顯示電池充電狀態(tài)，如圖6所示。當(dāng)芯片給鋰電池充電時(shí)，CHRG引腳輸出低電平，使第一個(gè)指示燈點(diǎn)亮，顯示正在進(jìn)行充電；當(dāng)充電電流截止時(shí)，STDBY引腳輸出低電平，使第二個(gè)指示燈點(diǎn)亮，顯示當(dāng)前不在充電狀態(tài)。

圖6 充電指示電路

2.3 數(shù)據(jù)處理及發(fā)送

ADC采集流程如圖7所示。通過寄存器 ADCCON1 初始化 ADC 模塊，隨后寄存器 ADCCON3配置 ADC 轉(zhuǎn)換的采樣頻率、參考電壓、分辨率與轉(zhuǎn)換輸入端口等參數(shù)。在一個(gè)周期中執(zhí)行四次讀取操作，分別讀取四種離子通道的值，放入不同數(shù)組中，再進(jìn)行打包發(fā)送。

圖7 ADC采集流程圖

藍(lán)牙數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖8所示，ADC 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后，通過 GATT 子程序內(nèi)的特征值CHAR6 發(fā)送出去。該方法速度較快且無需客戶端設(shè)備向服務(wù)器發(fā)送請求，僅需在通知前完成配置特征值，便可將特征值從服務(wù)端發(fā)送至客戶端。

圖8 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3 信號(hào)無線傳輸模塊

3.1 技術(shù)背景

人體身體參數(shù)微小信號(hào)包括心電，腦電，血壓，血氧等[13]。為了傳輸這些微小信號(hào)，目前有不少產(chǎn)品基于ZigBee協(xié)議傳輸，雖然該協(xié)議可以較好滿足低速率、低功耗傳輸?shù)臈l件，但ZigBee 技術(shù)不便于與智能手機(jī)相連接[14]。而現(xiàn)代社會(huì)智能手機(jī)的普及使藍(lán)牙無線通信技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離無線通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使用高速跳頻和時(shí)分多址，可以實(shí)現(xiàn)多設(shè)備之間的全雙工通信，即數(shù)據(jù)同步接收與發(fā)送[15]。使用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行微小信號(hào)的無線傳輸顯然更為便捷。

3.2 初代藍(lán)牙模塊

初代藍(lán)牙模塊采用的是具備低功耗藍(lán)牙4.0功能的CC2541系統(tǒng)芯片，因其集合了射頻收發(fā)器、增強(qiáng)型 8051 MCU、可編程閃存存儲(chǔ)器等多種具有強(qiáng)大功能的外設(shè)為一體，大大節(jié)省了藍(lán)牙開發(fā)所需的物料成本，同時(shí)本文初代藍(lán)牙模塊采用CC2541的6mm×6mm方形扁平無引腳(QFN)-40封裝，盡可能縮小電路體積。CC2541引腳示意圖如圖9所示。

圖9 CC2541(QFN—40封裝) 引腳示意圖

CC2541采用Bluetooth4.0協(xié)議進(jìn)行無線通信，具有低功耗、低成本、低延遲等特點(diǎn)，專門面向?qū)Τ杀竞凸亩加休^高要求的無線方案。藍(lán)牙4.0支持兩種不同的無線射頻，分別是雙模式射頻和單模式射頻。雙模式中，低功耗藍(lán)牙功能基于現(xiàn)有的經(jīng)典藍(lán)牙，整體架構(gòu)基本不變，成本增加有限。單模式則面向高度集成的設(shè)備，提供超低功耗、點(diǎn)對多點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)能和加密連接[16]。初代藍(lán)牙模塊所選用的CC2541的藍(lán)牙4.0為單模式射頻，雖支持低功耗藍(lán)牙但不可向下兼容。

3.3 二代藍(lán)牙模塊

為了進(jìn)一步地降低功耗，提升傳輸速率和穩(wěn)定性。本文微小信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)二代藍(lán)牙模塊選用德州儀器公司的CC2640R2F超低功耗藍(lán)牙芯片，CC2640R2F支持低功耗藍(lán)牙4.2/5.0協(xié)議無線通信，并結(jié)合了2.4GHz RF收發(fā)器，是CC2541的升級(jí)版。本文微小信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)二代藍(lán)牙模塊采用4mm×4mm RSM VQFN32封裝，進(jìn)一步縮小了電路體積。CC2640R2F引腳示意圖如圖10所示。

圖10 CC2640R2F（VQFN32封裝）引腳示意圖

本文二代藍(lán)牙模塊采用CC2640R2F的藍(lán)牙5.0協(xié)議進(jìn)行無線通信。藍(lán)牙5.0 包含三種規(guī)格的藍(lán)牙設(shè)備：BR/EDR基本速率設(shè)備，HS高速藍(lán)牙以及BLE低功耗藍(lán)牙設(shè)備[17]。其中BLE低功耗藍(lán)牙設(shè)備是全新藍(lán)牙協(xié)議棧的代表，功耗極低且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常小，傳輸速率全面提高。Bluetooth SIG 提出：藍(lán)牙5.0 標(biāo)準(zhǔn)將無線低功耗藍(lán)牙設(shè)備的傳輸速度提升至2 Mbit/s，傳輸距離達(dá)300米[18]。除此之外，藍(lán)牙5.0廣播包數(shù)據(jù)容量更是提升了8倍：從藍(lán)牙4.2的31Byte提升到255Byte[17]。

藍(lán)牙5.0的高速率、低功耗、深覆蓋、大容量等特性使藍(lán)牙設(shè)備盡可能滿足設(shè)備對運(yùn)行性能的要求的同時(shí)僅用一粒紐扣電池就能運(yùn)行數(shù)年[19]。

3.4 移動(dòng)端可視化

為提高汗液檢測系統(tǒng)的普適性，本文移動(dòng)端可視化分為APP和小程序設(shè)計(jì)。兩者界面保持統(tǒng)一，如圖11所示：界面頂部顯示提醒信息，提醒用戶藍(lán)牙連接情況。連接成功后鈉離子、鉀離子、鈣離子與氯離子濃度將實(shí)時(shí)顯示在四個(gè)圖表中。圖表橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為濃度，每種離子顯示0～300秒內(nèi)的數(shù)據(jù)，可通過截圖保存歷史數(shù)據(jù)。兩者功能也保持一致，流程圖如圖12所示。

圖11 智能汗液監(jiān)測移動(dòng)端應(yīng)用軟件

圖12 智能汗液監(jiān)測APP/小程序設(shè)計(jì)流程圖

但APP與小程序的開發(fā)過程是截然不同的。其中APP通過Android Studio搭建開發(fā)環(huán)境，使用Java語言編譯。而小程序設(shè)計(jì)則借助于微信小程序開發(fā)者工具，使用JavaScript語言調(diào)用微信官方小程序提供的API，開發(fā)出適用于安卓手機(jī)系統(tǒng)的汗液智能分析小程序。兩者都根據(jù)確定好的UUID通過移動(dòng)端自帶的低功耗藍(lán)牙模塊與本文微小信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)建立藍(lán)牙鏈接。設(shè)備的名稱為SIC monitor Pro，這種連接方式延遲低，效率高，且在80米內(nèi)連接穩(wěn)定，有很強(qiáng)的實(shí)用性。與藍(lán)牙模塊連接后每隔3s獲取一次離子濃度數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示在各自的圖表中，直觀地顯示穿戴者汗液所含離子濃度。

4 電路的驗(yàn)證及測試

為了比較采用藍(lán)牙4.0和藍(lán)牙5.0實(shí)現(xiàn)的微小信號(hào)傳輸系統(tǒng)性能的差異，分別制作其電路評估版并測試它們的功率、線性度以及最遠(yuǎn)傳輸距離，其中藍(lán)牙5.0版本實(shí)物圖如圖13所示。

圖13 汗液電路實(shí)物圖

在測量功率時(shí)，用電壓表測得系統(tǒng)的電源電壓，并將電流表串聯(lián)接入系統(tǒng)供電回路，測得其靜態(tài)待機(jī)電流與工作電流，測試結(jié)果如表1所示。可以看出，藍(lán)牙5.0在功耗上較藍(lán)牙4.0有顯著下降，相同工作電壓下的工作電流為藍(lán)牙4.0的一半左右。

表1 微小信號(hào)傳輸系統(tǒng)的功耗對比

在測量線性度時(shí)，從輸入端給定一定幅度的信號(hào)，經(jīng)過電路放大以及藍(lán)牙傳輸后，可由配套的汗液智能分析系統(tǒng)APP檢測并顯示監(jiān)測到的信號(hào)的數(shù)值。隨著輸入信號(hào)的不斷增大，APP檢測到的信號(hào)的數(shù)值會(huì)逐漸偏離線性增長趨勢。測量結(jié)果如表2所示。分別繪制它們的輸入輸出曲線和擬合曲線，如圖14所示?？梢缘贸?，藍(lán)牙5.0的線性度略優(yōu)于藍(lán)牙4.0的線性度，其線性范圍為0～400mV，而藍(lán)牙4.0只可達(dá)到350mV。

圖14 微小信號(hào)傳輸系統(tǒng)的線性度對比

表2 微小信號(hào)傳輸系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系

使藍(lán)牙正常工作，開啟BLE調(diào)試助手APP接受信號(hào)。在空曠無障礙物場景中，固定信號(hào)發(fā)射端的位置，另一位測試人員手持手機(jī)接收信號(hào)并逐漸遠(yuǎn)離發(fā)射端，直到APP提示與信號(hào)斷開連接，記錄二者的距離，即可得到藍(lán)牙的最遠(yuǎn)傳輸距離，測試結(jié)果如表3所示。發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙5.0最遠(yuǎn)傳輸距離較遠(yuǎn)但與藍(lán)牙4.0的最遠(yuǎn)傳輸距離相差不多。

表3 微小信號(hào)傳輸系統(tǒng)的最遠(yuǎn)傳輸距離對比

5 討論

經(jīng)過以上對比測試，藍(lán)牙5.0的總體表現(xiàn)明顯優(yōu)于藍(lán)牙4.0。具體表現(xiàn)為功耗、線性度和傳輸距離三個(gè)方面。其中最重要的是功耗方面，藍(lán)牙5.0的超低功耗使得本文微小信號(hào)傳輸系統(tǒng)對電池的容量要求極低，這意味著可以選用更小體積的電池，為可穿戴汗液傳感系統(tǒng)的實(shí)用性提供基礎(chǔ)。其線性度和傳輸距離相比于藍(lán)牙4.0也表現(xiàn)更好，其數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定，監(jiān)測結(jié)果更精確，較寬的線性范圍也能更好地適應(yīng)前端傳感器采集的信號(hào)。

本文提出的用于汗液監(jiān)測的表皮傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布娐废到y(tǒng)，雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)汗液內(nèi)離子濃度等微小信號(hào)的無線傳輸，但是如何將硬質(zhì)電路板轉(zhuǎn)制成柔性的可穿戴設(shè)備的問題亟待解決。并希望可以通過移動(dòng)端調(diào)控汗液傳感器的工作狀態(tài)，既可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的效果，還可達(dá)到降低不必要的功耗等目的。因汗液的成分因人而異，對于手機(jī)APP的后續(xù)完善，需搭建一個(gè)針對不同用戶體質(zhì)的健康管理系統(tǒng)，提醒用戶及時(shí)補(bǔ)充電解質(zhì)。最后，本文介紹的微小信號(hào)采集及無線傳輸系統(tǒng)不僅限于汗液信號(hào)的傳輸，在其他各種短距離無線數(shù)據(jù)傳輸場景均有廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié)語

如今，隨著可穿戴設(shè)備的普及以及智能醫(yī)療的進(jìn)步，越來越多的可穿戴醫(yī)療設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，尤其是對于汗液成分的實(shí)時(shí)監(jiān)測還在起步階段。汗液像血液一樣含有電解質(zhì)和生物分子，因此可以作為一種醫(yī)學(xué)診斷工具[7]。綜上所述，本文提出一種應(yīng)用于無線、實(shí)時(shí)、連續(xù)汗液監(jiān)測的表皮傳感器硬件電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了磁吸接口、信號(hào)處理、無線數(shù)據(jù)傳輸電路與移動(dòng)端可視化等功能。并結(jié)合藍(lán)牙5.0，具有低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)，使其投入生產(chǎn)成為可能。通過分析人體的電解質(zhì)平衡狀態(tài)等指標(biāo)，為人體實(shí)時(shí)監(jiān)測身體健康提供一種選擇，促進(jìn)醫(yī)療智能化。