應(yīng)用傳感電子皮膚的PPG-ECG檢測系統(tǒng)設(shè)計方案

在可穿戴醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，PPG（光電容積脈搏圖）和ECG（心電圖）檢測技術(shù)已成為監(jiān)測心率、血氧飽和度、血壓等關(guān)鍵生理參數(shù)的核心手段。結(jié)合柔性電子皮膚技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)長期、無創(chuàng)、舒適的生理信號監(jiān)測。本文將詳細(xì)闡述基于傳感電子皮膚的PPG-ECG檢測系統(tǒng)設(shè)計方案，涵蓋元器件選型、功能解析及設(shè)計原理。

一、系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能需求

PPG-ECG檢測系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下核心功能：

• 心率監(jiān)測：通過PPG和ECG信號同步提取心率數(shù)據(jù)，確保動態(tài)環(huán)境下的高精度測量。

• 血氧飽和度（SpO?）檢測：利用PPG雙波長（紅光與近紅外光）信號計算動脈血氧飽和度。

• 無袖帶血壓測量：基于PPG與ECG信號的脈搏波傳導(dǎo)時間（PTT）計算血壓值。

• 呼吸頻率監(jiān)測：通過ECG信號的R-R間期變化或PPG信號的基線漂移提取呼吸頻率。

• 數(shù)據(jù)傳輸與存儲：支持藍(lán)牙低功耗（BLE）或Wi-Fi傳輸，云端存儲與遠(yuǎn)程分析。

1.2 系統(tǒng)模塊劃分

系統(tǒng)分為四大模塊：

1. 傳感模塊：集成柔性PPG傳感器與ECG電極，實(shí)現(xiàn)光電與生物電信號采集。

2. 信號處理模塊：包括模擬前端（AFE）與數(shù)字信號處理器（DSP），負(fù)責(zé)信號放大、濾波與特征提取。

3. 電源管理模塊：采用低功耗設(shè)計，支持無線充電與能量收集技術(shù)。

4. 通信與存儲模塊：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與本地存儲功能。

二、元器件選型與功能解析

2.1 柔性PPG傳感器選型

2.1.1 光電探測器（PD）

型號選擇：基于有機(jī)半導(dǎo)體材料的超柔性近紅外光電探測器（OPD），如PTB7-Th/COTIC-4F非富勒烯體系。
核心參數(shù)：

• 波長響應(yīng)范圍：600-1000 nm，覆蓋血氧檢測窗口（660 nm與940 nm）。

• 光響應(yīng)度：0.53 A/W（940 nm，-1 V反向偏置）。

• 探測率：>1013 Jones，信噪比（SNR）優(yōu)于商用硅基器件。

• 機(jī)械柔性：厚度<4 μm，彎曲半徑<1 mm，可貼合皮膚溝壑。

選型理由：

• 超柔性：適配電子皮膚的動態(tài)形變需求，避免運(yùn)動偽影。

• 高探測率：在近紅外波段實(shí)現(xiàn)高靈敏度，提升SpO?測量精度。

• 長期穩(wěn)定性：1272小時環(huán)境儲存后光響應(yīng)度保持90%以上，適合長期佩戴。

2.1.2 發(fā)光二極管（LED）

型號選擇：雙波長LED（660 nm紅光與940 nm近紅外光），如OSRAM SFH 4253系列。
核心參數(shù)：

• 波長精度：±5 nm，確保血氧計算準(zhǔn)確性。

• 發(fā)光效率：>40%，低功耗設(shè)計。

• 封裝形式：0402貼片封裝，適配柔性電路板（FPCB）。

選型理由：

• 雙波長覆蓋：滿足SpO?檢測需求，660 nm波長對氧合血紅蛋白敏感，940 nm波長對還原血紅蛋白敏感。

• 低功耗：延長設(shè)備續(xù)航時間。

2.2 柔性ECG電極選型

2.2.1 導(dǎo)電聚合物電極

型號選擇：基于PEDOT:PSS的紋身電極，如C2Sense柔性導(dǎo)電聚合物電極。
核心參數(shù)：

• 電導(dǎo)率：>660 S/cm，確保低阻抗信號傳輸。

• 皮膚接觸阻抗：15 kΩ·cm2（100 Hz），優(yōu)于傳統(tǒng)Ag/AgCl凝膠電極。

• 機(jī)械柔性：厚度<20 μm，可重復(fù)粘貼/移除。

選型理由：

• 高導(dǎo)電性：減少信號衰減，提升ECG波形質(zhì)量。

• 無凝膠設(shè)計：避免皮膚過敏與長期佩戴不適。

• 超薄柔性：與電子皮膚完美集成，適應(yīng)動態(tài)運(yùn)動。

2.2.2 模擬前端（AFE）芯片

型號選擇：TI ADS1292R或ams OSRAM AS7058。
核心參數(shù)：

• 通道數(shù)：2通道（支持ECG與BioZ測量）。

• 輸入阻抗：>1 GΩ，適配高阻抗生物電信號。

• 共模抑制比（CMRR）：>115 dB，抑制50/60 Hz工頻干擾。

• 噪聲密度：<1 μVpp（0.5-100 Hz），確保微弱信號檢測。

選型理由：

• 高集成度：集成可編程增益放大器（PGA）、濾波器與ADC，簡化電路設(shè)計。

• 低功耗：單通道功耗<1 mW，延長電池壽命。

• 醫(yī)療級精度：符合IEC 60601-2-27標(biāo)準(zhǔn)，支持臨床級ECG監(jiān)測。

2.3 信號處理模塊選型

2.3.1 微控制器（MCU）

型號選擇：Nordic nRF52840或STM32L4R9ZI。
核心參數(shù)：

• 主頻：64 MHz（nRF52840）或120 MHz（STM32L4R9ZI）。

• RAM/Flash：256 kB/1 MB（nRF52840）或640 kB/2 MB（STM32L4R9ZI）。

• 無線協(xié)議：支持BLE 5.0與Thread，實(shí)現(xiàn)低功耗通信。

• 浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）：加速數(shù)字信號處理算法。

選型理由：

• 高性能：滿足實(shí)時信號處理需求，如PTT計算與血壓估算。

• 低功耗：動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）與多種休眠模式，延長續(xù)航時間。

• 無線集成：簡化通信模塊設(shè)計，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

2.3.2 數(shù)字信號處理器（DSP）

型號選擇：TI TMS320C5535或ADI ADSP-BF706。
核心參數(shù)：

• 運(yùn)算能力：200-400 MIPS，支持FFT與小波變換。

• 內(nèi)存接口：支持DDR2/LPDDR2，滿足大數(shù)據(jù)量處理需求。

• 功耗：<0.1 mW/MHz，適配可穿戴設(shè)備。

選型理由：

• 高效計算：加速PPG與ECG信號的特征提取與分類。

• 低功耗：與MCU協(xié)同工作，優(yōu)化系統(tǒng)能效。

2.4 電源管理模塊選型

2.4.1 電池

型號選擇：鋰聚合物電池（LiPo），如Panasonic CG-320A。
核心參數(shù)：

• 容量：50-100 mAh，支持24小時連續(xù)監(jiān)測。

• 尺寸：<10 mm×20 mm×2 mm，適配超薄設(shè)計。

• 充電電壓：3.7 V，支持無線充電。

選型理由：

• 高能量密度：滿足小型化與長續(xù)航需求。

• 安全性：內(nèi)置保護(hù)電路，防止過充/過放。

2.4.2 電源管理芯片（PMIC）

型號選擇：TI BQ25120或Maxim MAX77812。
核心參數(shù)：

• 輸入電壓范圍：3.6-6 V，適配無線充電與USB供電。

• 充電電流：100-500 mA，支持快速充電。

• LDO輸出：3.3 V/100 mA，為模擬電路供電。

• 效率：>90%，降低熱損耗。

選型理由：

• 高集成度：集成充電管理、LDO與電池保護(hù)功能。

• 低靜態(tài)電流：<1 μA，延長待機(jī)時間。

2.5 通信與存儲模塊選型

2.5.1 無線通信模塊

型號選擇：Nordic nRF52840內(nèi)置BLE 5.0或ESP32-C3。
核心參數(shù)：

• 傳輸速率：2 Mbps（BLE 5.0），支持實(shí)時數(shù)據(jù)上傳。

• 發(fā)射功率：+8 dBm，確保10米以上通信距離。

• 協(xié)議棧：支持Zigbee與Thread，適配智能家居場景。

選型理由：

• 低功耗：適配可穿戴設(shè)備續(xù)航需求。

• 多協(xié)議支持：擴(kuò)展設(shè)備應(yīng)用場景。

2.5.2 存儲芯片

型號選擇：Winbond W25Q128JVSIQ或Cypress S25FL256L。
核心參數(shù)：

• 容量：16-32 MB，支持7天以上數(shù)據(jù)本地存儲。

• 接口類型：SPI，速率>50 MHz。

• 擦寫壽命：>10萬次，確保數(shù)據(jù)可靠性。

選型理由：

• 高密度：滿足長期監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲需求。

• 低成本：適配消費(fèi)級設(shè)備定價策略。

三、系統(tǒng)設(shè)計原理與實(shí)現(xiàn)

3.1 柔性傳感模塊設(shè)計

• PPG傳感器布局：采用反射式結(jié)構(gòu)，LED與PD間距<5 mm，優(yōu)化光耦合效率。

• ECG電極排布：雙電極設(shè)計，間距20-30 mm，適配前臂或胸壁測量。

• 柔性基底材料：選用PDMS或TPU，厚度<50 μm，楊氏模量<1 MPa。

3.2 信號處理流程

1. PPG信號處理：

• 去除直流分量（DC），提取交流分量（AC）。

• 帶通濾波（0.5-10 Hz），抑制運(yùn)動偽影。

• 峰值檢測算法提取心率與SpO?。

2. ECG信號處理：

• 50/60 Hz工頻陷波濾波。

• 差分放大與高通濾波（0.05-150 Hz）。

• QRS波檢測算法提取心率與心律異常。

3. PTT計算與血壓估算：

• 同步ECG R波與PPG主波峰時間差。

• 基于線性回歸模型計算收縮壓（SBP）與舒張壓（DBP）。

3.3 電源管理策略

• 動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）：根據(jù)負(fù)載調(diào)整MCU與DSP電壓，降低功耗。

• 睡眠模式優(yōu)化：無操作時進(jìn)入深度睡眠，電流<5 μA。

• 能量收集：集成太陽能或熱電發(fā)電機(jī)，延長續(xù)航時間。

四、系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

4.1 性能測試指標(biāo)

• 心率誤差：<±1 bpm（靜態(tài)），<±3 bpm（動態(tài)）。

• SpO?誤差：<±2%（血氧>70%）。

• 血壓誤差：<±5 mmHg（收縮壓），<±8 mmHg（舒張壓）。

• 運(yùn)動偽影抑制：跑步狀態(tài)下心率測量準(zhǔn)確率>95%。

4.2 臨床驗(yàn)證方案

• 受試者招募：招募50名健康志愿者與20名心血管疾病患者。

• 對比設(shè)備：采用飛利浦DX8000多導(dǎo)聯(lián)ECG與Masimo Radical-7脈搏血氧儀。

• 測試場景：靜息、步行、跑步、睡眠。

五、結(jié)論與展望

本文提出的基于傳感電子皮膚的PPG-ECG檢測系統(tǒng)，通過優(yōu)化元器件選型與系統(tǒng)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了高精度、低功耗、超柔性的生理信號監(jiān)測。未來研究方向包括：

1. 多模態(tài)傳感器融合：集成體溫、汗液等傳感器，提升健康監(jiān)測維度。

2. AI算法優(yōu)化：基于深度學(xué)習(xí)的心律異常分類與血壓預(yù)測。

3. 自供電技術(shù)：開發(fā)柔性太陽能電池或摩擦納米發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自維持。

該系統(tǒng)在遠(yuǎn)程醫(yī)療、運(yùn)動健康、慢性病管理等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，有望推動可穿戴醫(yī)療設(shè)備的革新。