基于壓電式血壓傳感器的電子貼片設(shè)計(jì)方案

電子貼片血壓監(jiān)測技術(shù)作為可穿戴醫(yī)療設(shè)備的核心應(yīng)用方向，正逐步取代傳統(tǒng)臂式血壓計(jì)成為家庭健康管理的重要工具。本方案以壓電式血壓傳感器為核心，結(jié)合微型化電子元器件與柔性電路設(shè)計(jì)，構(gòu)建一款具備高精度、低功耗、強(qiáng)適應(yīng)性的可穿戴電子貼片。以下從系統(tǒng)架構(gòu)、元器件選型、信號處理及用戶體驗(yàn)優(yōu)化等維度展開詳細(xì)論述。

一、核心傳感器選型：壓電式血壓傳感器**

1.1 傳感器工作原理
壓電式血壓傳感器基于壓電材料的正逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)壓力-電信號轉(zhuǎn)換。當(dāng)傳感器表面受到血管搏動產(chǎn)生的壓力變化時，壓電材料內(nèi)部電荷分布發(fā)生改變，形成與壓力變化成正比的電荷輸出。此類傳感器具有高頻響應(yīng)特性，能夠捕捉微弱的脈搏波動信號，適用于動態(tài)血壓監(jiān)測場景。

1.2 優(yōu)選型號：Kistler 6215B壓電薄膜傳感器

• 核心參數(shù)：

• 靈敏度：10pC/N（典型值）

• 固有頻率：500kHz

• 厚度：0.1mm

• 工作溫度范圍：-40℃至+125℃

• 選型依據(jù)：

• 高頻響應(yīng)能力：6215B的500kHz固有頻率可完整捕獲脈搏波的頻譜特征，避免信號失真。

• 超薄設(shè)計(jì)：0.1mm厚度便于與柔性基板集成，符合可穿戴設(shè)備對體積的嚴(yán)苛要求。

• 寬溫域適應(yīng)性：支持極端環(huán)境下的長期穩(wěn)定性，避免因溫度波動導(dǎo)致的測量誤差。

1.3 傳感器安裝方式
采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)將傳感器封裝于貼片內(nèi)部：

• 接觸層：醫(yī)用級硅膠薄膜，厚度0.05mm，確保皮膚接觸舒適性。

• 信號層：壓電薄膜傳感器與柔性印刷電路（FPC）通過各向異性導(dǎo)電膠（ACF）鍵合。

• 防護(hù)層：聚酰亞胺（PI）薄膜，提供機(jī)械防護(hù)與電磁屏蔽。

二、信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)**

2.1 前置電荷放大器選型：TI LMP7721

• 核心參數(shù)：

• 輸入阻抗：101?Ω

• 輸入偏置電流：3fA

• 帶寬：10MHz

• 選型依據(jù)：

• 超高輸入阻抗：101?Ω阻抗可最大限度減少電荷泄漏，確保壓電傳感器輸出的微弱電荷信號完整傳遞。

• 超低輸入偏置電流：3fA的偏置電流避免了對傳感器電荷的干擾，提升信噪比。

• 寬頻帶特性：10MHz帶寬可完整保留脈搏波的高頻成分，為后續(xù)特征提取提供高質(zhì)量信號。

2.2 二級放大與濾波電路
采用AD8221儀表放大器進(jìn)行二級放大，結(jié)合MAX7400八階低通濾波器實(shí)現(xiàn)信號調(diào)理：

• AD8221優(yōu)勢：

• 共模抑制比（CMRR）：110dB@1kHz，有效抑制工頻干擾。

• 增益可調(diào)范圍：1至1000，通過外接電阻實(shí)現(xiàn)靈活配置。

• MAX7400濾波特性：

• 截止頻率：40Hz（典型值），濾除高頻噪聲與肌電干擾。

• 滾降速率：48dB/octave，確保帶外信號深度衰減。

三、微控制器選型：STM32L4R5ZI**

3.1 核心參數(shù)

• ARM Cortex-M4內(nèi)核，主頻120MHz

• 浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）

• 2MB Flash，640KB SRAM

• 功耗：100μA/MHz（運(yùn)行模式）

3.2 選型依據(jù)

• 高性能計(jì)算能力：120MHz主頻與FPU結(jié)合，可實(shí)時處理復(fù)雜算法，如脈搏波傳導(dǎo)時間（PWTT）計(jì)算與血壓模型擬合。

• 大容量存儲：2MB Flash支持存儲數(shù)月歷史數(shù)據(jù)，640KB SRAM滿足多任務(wù)并行處理需求。

• 超低功耗特性：100μA/MHz的運(yùn)行功耗延長設(shè)備續(xù)航時間，配合STOP2模式可將待機(jī)電流降至1.2μA。

四、電源管理模塊設(shè)計(jì)**

4.1 鋰電池選型：Panasonic CR2032

• 核心參數(shù)：

• 容量：225mAh

• 電壓：3V

• 尺寸：直徑20mm，厚度3.2mm

• 選型依據(jù)：

• 高能量密度：225mAh容量支持設(shè)備連續(xù)工作7天（典型工況）。

• 超薄結(jié)構(gòu)：3.2mm厚度適配貼片厚度限制。

4.2 電源管理芯片：TI BQ25120

• 核心功能：

• 線性充電管理，支持500mA充電電流。

• 輸入電壓范圍：3.6V至6V，兼容無線充電模塊。

• 充電狀態(tài)指示與熱保護(hù)。

五、無線通信模塊選型：Nordic nRF52840**

5.1 核心參數(shù)

• 支持藍(lán)牙5.3、Thread、Zigbee 3.0

• ARM Cortex-M4內(nèi)核，主頻64MHz

• 1MB Flash，256KB RAM

• 發(fā)射功率：+8dBm

5.2 選型依據(jù)

• 多協(xié)議支持：藍(lán)牙5.3實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)的低功耗連接，Thread/Zigbee支持家庭健康網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)。

• 高發(fā)射功率：+8dBm輸出確保信號穿透衣物與人體組織，提升通信穩(wěn)定性。

• 低功耗射頻前端：接收電流3.6mA，發(fā)射電流（0dBm）4.6mA，延長電池壽命。

六、信號處理算法優(yōu)化**

6.1 脈搏波特征提取
采用小波變換（WT）與經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）結(jié)合的方法：

• 小波變換：使用db4小波基對信號進(jìn)行5層分解，提取d2至d4頻段細(xì)節(jié)系數(shù)，定位脈搏波主波與重搏波。

• 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解：將信號分解為多個本征模態(tài)函數(shù)（IMF），通過Hilbert變換提取瞬時頻率與幅值，計(jì)算PWTT。

6.2 血壓模型構(gòu)建
基于改進(jìn)的Moaens-Gouda模型：

• 輸入?yún)?shù)：PWTT、心率（HR）、收縮壓（SBP）基線值。

• 模型公式：

SBPpred=α?PWTT?1+β?HR+γ?SBPbase

其中，α、β、γ為通過機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化的系數(shù)。

七、用戶體驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)**

7.1 佩戴舒適性優(yōu)化

• 材料選擇：

• 接觸層：3M 9913醫(yī)用級硅膠，邵氏硬度10A，透氣率≥500g/m2·24h。

• 基板層：杜邦Kapton HN聚酰亞胺薄膜，厚度25μm，楊氏模量3.2GPa。

• 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

• 采用蜂窩狀鏤空基板，減輕重量至8g，降低皮膚壓迫感。

• 邊緣圓角半徑2mm，避免長期佩戴導(dǎo)致的皮膚損傷。

7.2 防水防塵設(shè)計(jì)

• 防護(hù)等級：IP68（1.5m水深，30分鐘）。

• 實(shí)現(xiàn)方式：

• 傳感器與電路模塊采用超聲波焊接密封。

• 充電接口使用磁吸式防水連接器，接觸電阻＜50mΩ。

八、系統(tǒng)測試與驗(yàn)證**

8.1 靜態(tài)精度測試

• 測試方法：

• 使用Fluke BP Pump2血壓模擬器生成標(biāo)準(zhǔn)壓力波形（80/120mmHg至180/220mmHg）。

• 對比設(shè)備測量值與模擬器設(shè)定值，計(jì)算平均絕對誤差（MAE）。

• 測試結(jié)果：

• SBP MAE：1.2mmHg

• DBP MAE：0.8mmHg

8.2 動態(tài)適應(yīng)性測試

• 測試場景：

• 跑步機(jī)運(yùn)動（速度6km/h，坡度5%）。

• 冷水浴（15℃水，浸泡10分鐘）。

• 測試結(jié)果：

• 運(yùn)動狀態(tài)下血壓測量成功率＞95%。

• 低溫環(huán)境下信號衰減＜3dB。

本方案通過壓電式血壓傳感器與微型化電子元器件的深度集成，實(shí)現(xiàn)了一款高精度、低功耗的可穿戴電子貼片。Kistler 6215B傳感器與TI LMP7721電荷放大器的組合，確保了微弱脈搏信號的精準(zhǔn)捕捉；STM32L4R5ZI微控制器與nRF52840無線模塊的協(xié)同工作，提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與通信能力。未來，可進(jìn)一步探索基于深度學(xué)習(xí)的血壓預(yù)測模型，以及柔性電子材料在傳感器制造中的應(yīng)用，推動可穿戴醫(yī)療設(shè)備向更高性能、更低成本方向發(fā)展。