應用傳感電子皮膚的PPG-ECG檢測系統設計方案

在可穿戴醫療設備領域，PPG（光電容積脈搏圖）和ECG（心電圖）檢測技術已成為監測心率、血氧飽和度、血壓等關鍵生理參數的核心手段。結合柔性電子皮膚技術，可實現長期、無創、舒適的生理信號監測。本文將詳細闡述基于傳感電子皮膚的PPG-ECG檢測系統設計方案，涵蓋元器件選型、功能解析及設計原理。

一、系統總體架構設計

1.1 系統功能需求

PPG-ECG檢測系統需實現以下核心功能：

• 心率監測：通過PPG和ECG信號同步提取心率數據，確保動態環境下的高精度測量。

• 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信號的脈搏波傳導時間（PTT）計算血壓值。

• 呼吸頻率監測：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。

• 數據傳輸與存儲：支持藍牙低功耗（BLE）或Wi-Fi傳輸，云端存儲與遠程分析。

1.2 系統模塊劃分

系統分為四大模塊：

1. 傳感模塊：集成柔性PPG傳感器與ECG電極，實現光電與生物電信號采集。

2. 信號處理模塊：包括模擬前端（AFE）與數字信號處理器（DSP），負責信號放大、濾波與特征提取。

3. 電源管理模塊：采用低功耗設計，支持無線充電與能量收集技術。

4. 通信與存儲模塊：實現數據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：基于有機半導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：

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

• 光響應度：0.53 A/W（940 nm，-1 V反向偏置）。

• 探測率：>1013 Jones，信噪比（SNR）優于商用硅基器件。

• 機械柔性：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形變需求，避免運動偽影。

• 高探測率：在近紅外波段實現高靈敏度，提升SpO?測量精度。

• 長期穩定性：1272小時環境儲存后光響應度保持90%以上，適合長期佩戴。

2.1.2 發光二極管（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：

• 波長精度：±5 nm，確保血氧計算準確性。

• 發光效率：>40%，低功耗設計。

• 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：延長設備續航時間。

2.2 柔性ECG電極選型

2.2.1 導電聚合物電極

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

• 電導率：>660 S/cm，確保低阻抗信號傳輸。

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

• 機械柔性：厚度<20 μm，可重復粘貼/移除。

選型理由：

• 高導電性：減少信號衰減，提升ECG波形質量。

• 無凝膠設計：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，適應動態運動。

2.2.2 模擬前端（AFE）芯片

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

• 通道數：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，簡化電路設計。

• 低功耗：單通道功耗<1 mW，延長電池壽命。

• 醫療級精度：符合IEC 60601-2-27標準，支持臨床級ECG監測。

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：

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

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

• 無線協議：支持BLE 5.0與Thread，實現低功耗通信。

• 浮點運算單元（FPU）：加速數字信號處理算法。

選型理由：

• 高性能：滿足實時信號處理需求，如PTT計算與血壓估算。

• 低功耗：動態電壓調節（DVS）與多種休眠模式，延長續航時間。

• 無線集成：簡化通信模塊設計，降低系統復雜度。

2.3.2 數字信號處理器（DSP）

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

• 運算能力：200-400 MIPS，支持FFT與小波變換。

• 內存接口：支持DDR2/LPDDR2，滿足大數據量處理需求。

• 功耗：<0.1 mW/MHz，適配可穿戴設備。

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協同工作，優化系統能效。

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：

• 容量：50-100 mAh，支持24小時連續監測。

• 尺寸：<10 mm×20 mm×2 mm，適配超薄設計。

• 充電電壓：3.7 V，支持無線充電。

選型理由：

• 高能量密度：滿足小型化與長續航需求。

• 安全性：內置保護電路，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：

• 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與電池保護功能。

• 低靜態電流：<1 μA，延長待機時間。

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內置BLE 5.0或ESP32-C3。
核心參數：

• 傳輸速率：2 Mbps（BLE 5.0），支持實時數據上傳。

• 發射功率：+8 dBm，確保10米以上通信距離。

• 協議棧：支持Zigbee與Thread，適配智能家居場景。

選型理由：

• 低功耗：適配可穿戴設備續航需求。

• 多協議支持：擴展設備應用場景。

2.5.2 存儲芯片

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

• 容量：16-32 MB，支持7天以上數據本地存儲。

• 接口類型：SPI，速率>50 MHz。

• 擦寫壽命：>10萬次，確保數據可靠性。

選型理由：

• 高密度：滿足長期監測數據存儲需求。

• 低成本：適配消費級設備定價策略。

三、系統設計原理與實現

3.1 柔性傳感模塊設計

• PPG傳感器布局：采用反射式結構，LED與PD間距<5 mm，優化光耦合效率。

• ECG電極排布：雙電極設計，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

• 動態電壓調節（DVS）：根據負載調整MCU與DSP電壓，降低功耗。

• 睡眠模式優化：無操作時進入深度睡眠，電流<5 μA。

• 能量收集：集成太陽能或熱電發電機，延長續航時間。

四、系統測試與驗證

4.1 性能測試指標

• 心率誤差：<±1 bpm（靜態），<±3 bpm（動態）。

• SpO?誤差：<±2%（血氧>70%）。

• 血壓誤差：<±5 mmHg（收縮壓），<±8 mmHg（舒張壓）。

• 運動偽影抑制：跑步狀態下心率測量準確率>95%。

4.2 臨床驗證方案

• 受試者招募：招募50名健康志愿者與20名心血管疾病患者。

• 對比設備：采用飛利浦DX8000多導聯ECG與Masimo Radical-7脈搏血氧儀。

• 測試場景：靜息、步行、跑步、睡眠。

五、結論與展望

本文提出的基于傳感電子皮膚的PPG-ECG檢測系統，通過優化元器件選型與系統設計，實現了高精度、低功耗、超柔性的生理信號監測。未來研究方向包括：

1. 多模態傳感器融合：集成體溫、汗液等傳感器，提升健康監測維度。

2. AI算法優化：基于深度學習的心律異常分類與血壓預測。

3. 自供電技術：開發柔性太陽能電池或摩擦納米發電機，實現設備自維持。

該系統在遠程醫療、運動健康、慢性病管理等領域具有廣泛應用前景，有望推動可穿戴醫療設備的革新。