应用传感电子皮肤的PPG-ECG检测系统设计方案

在可穿戴医疗设备领域，PPG（光电容积脉搏图）和ECG（心电图）检测技术已成为监测心率、血氧饱和度、血压等关键生理参数的核心手段。结合柔性电子皮肤技术，可实现长期、无创、舒适的生理信号监测。本文将详细阐述基于传感电子皮肤的PPG-ECG检测系统设计方案，涵盖元器件选型、功能解析及设计原理。

一、系统总体架构设计

1.1 系统功能需求

PPG-ECG检测系统需实现以下核心功能：

• 心率监测：通过PPG和ECG信号同步提取心率数据，确保动态环境下的高精度测量。

• 血氧饱和度（SpO₂）检测：利用PPG双波长（红光与近红外光）信号计算动脉血氧饱和度。

• 无袖带血压测量：基于PPG与ECG信号的脉搏波传导时间（PTT）计算血压值。

• 呼吸频率监测：通过ECG信号的R-R间期变化或PPG信号的基线漂移提取呼吸频率。

• 数据传输与存储：支持蓝牙低功耗（BLE）或Wi-Fi传输，云端存储与远程分析。

1.2 系统模块划分

系统分为四大模块：

1. 传感模块：集成柔性PPG传感器与ECG电极，实现光电与生物电信号采集。

2. 信号处理模块：包括模拟前端（AFE）与数字信号处理器（DSP），负责信号放大、滤波与特征提取。

3. 电源管理模块：采用低功耗设计，支持无线充电与能量收集技术。

4. 通信与存储模块：实现数据传输与本地存储功能。

二、元器件选型与功能解析

2.1 柔性PPG传感器选型

2.1.1 光电探测器（PD）

型号选择：基于有机半导体材料的超柔性近红外光电探测器（OPD），如PTB7-Th/COTIC-4F非富勒烯体系。
核心参数：

• 波长响应范围：600-1000 nm，覆盖血氧检测窗口（660 nm与940 nm）。

• 光响应度：0.53 A/W（940 nm，-1 V反向偏置）。

• 探测率：>10¹³ Jones，信噪比（SNR）优于商用硅基器件。

• 机械柔性：厚度<4 μm，弯曲半径<1 mm，可贴合皮肤沟壑。

选型理由：

• 超柔性：适配电子皮肤的动态形变需求，避免运动伪影。

• 高探测率：在近红外波段实现高灵敏度，提升SpO₂测量精度。

• 长期稳定性：1272小时环境储存后光响应度保持90%以上，适合长期佩戴。

2.1.2 发光二极管（LED）

型号选择：双波长LED（660 nm红光与940 nm近红外光），如OSRAM SFH 4253系列。
核心参数：

• 波长精度：±5 nm，确保血氧计算准确性。

• 发光效率：>40%，低功耗设计。

• 封装形式：0402贴片封装，适配柔性电路板（FPCB）。

选型理由：

• 双波长覆盖：满足SpO₂检测需求，660 nm波长对氧合血红蛋白敏感，940 nm波长对还原血红蛋白敏感。

• 低功耗：延长设备续航时间。

2.2 柔性ECG电极选型

2.2.1 导电聚合物电极

型号选择：基于PEDOT:PSS的纹身电极，如C2Sense柔性导电聚合物电极。
核心参数：

• 电导率：>660 S/cm，确保低阻抗信号传输。

• 皮肤接触阻抗：15 kΩ·cm²（100 Hz），优于传统Ag/AgCl凝胶电极。

• 机械柔性：厚度<20 μm，可重复粘贴/移除。

选型理由：

• 高导电性：减少信号衰减，提升ECG波形质量。

• 无凝胶设计：避免皮肤过敏与长期佩戴不适。

• 超薄柔性：与电子皮肤完美集成，适应动态运动。

2.2.2 模拟前端（AFE）芯片

型号选择：TI ADS1292R或ams OSRAM AS7058。
核心参数：

• 通道数：2通道（支持ECG与BioZ测量）。

• 输入阻抗：>1 GΩ，适配高阻抗生物电信号。

• 共模抑制比（CMRR）：>115 dB，抑制50/60 Hz工频干扰。

• 噪声密度：<1 μVpp（0.5-100 Hz），确保微弱信号检测。

选型理由：

• 高集成度：集成可编程增益放大器（PGA）、滤波器与ADC，简化电路设计。

• 低功耗：单通道功耗<1 mW，延长电池寿命。

• 医疗级精度：符合IEC 60601-2-27标准，支持临床级ECG监测。

2.3 信号处理模块选型

2.3.1 微控制器（MCU）

型号选择：Nordic nRF52840或STM32L4R9ZI。
核心参数：

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

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

• 无线协议：支持BLE 5.0与Thread，实现低功耗通信。

• 浮点运算单元（FPU）：加速数字信号处理算法。

选型理由：

• 高性能：满足实时信号处理需求，如PTT计算与血压估算。

• 低功耗：动态电压调节（DVS）与多种休眠模式，延长续航时间。

• 无线集成：简化通信模块设计，降低系统复杂度。

2.3.2 数字信号处理器（DSP）

型号选择：TI TMS320C5535或ADI ADSP-BF706。
核心参数：

• 运算能力：200-400 MIPS，支持FFT与小波变换。

• 内存接口：支持DDR2/LPDDR2，满足大数据量处理需求。

• 功耗：<0.1 mW/MHz，适配可穿戴设备。

选型理由：

• 高效计算：加速PPG与ECG信号的特征提取与分类。

• 低功耗：与MCU协同工作，优化系统能效。

2.4 电源管理模块选型

2.4.1 电池

型号选择：锂聚合物电池（LiPo），如Panasonic CG-320A。
核心参数：

• 容量：50-100 mAh，支持24小时连续监测。

• 尺寸：<10 mm×20 mm×2 mm，适配超薄设计。

• 充电电压：3.7 V，支持无线充电。

选型理由：

• 高能量密度：满足小型化与长续航需求。

• 安全性：内置保护电路，防止过充/过放。

2.4.2 电源管理芯片（PMIC）

型号选择：TI BQ25120或Maxim MAX77812。
核心参数：

• 输入电压范围：3.6-6 V，适配无线充电与USB供电。

• 充电电流：100-500 mA，支持快速充电。

• LDO输出：3.3 V/100 mA，为模拟电路供电。

• 效率：>90%，降低热损耗。

选型理由：

• 高集成度：集成充电管理、LDO与电池保护功能。

• 低静态电流：<1 μA，延长待机时间。

2.5 通信与存储模块选型

2.5.1 无线通信模块

型号选择：Nordic nRF52840内置BLE 5.0或ESP32-C3。
核心参数：

• 传输速率：2 Mbps（BLE 5.0），支持实时数据上传。

• 发射功率：+8 dBm，确保10米以上通信距离。

• 协议栈：支持Zigbee与Thread，适配智能家居场景。

选型理由：

• 低功耗：适配可穿戴设备续航需求。

• 多协议支持：扩展设备应用场景。

2.5.2 存储芯片

型号选择：Winbond W25Q128JVSIQ或Cypress S25FL256L。
核心参数：

• 容量：16-32 MB，支持7天以上数据本地存储。

• 接口类型：SPI，速率>50 MHz。

• 擦写寿命：>10万次，确保数据可靠性。

选型理由：

• 高密度：满足长期监测数据存储需求。

• 低成本：适配消费级设备定价策略。

三、系统设计原理与实现

3.1 柔性传感模块设计

• PPG传感器布局：采用反射式结构，LED与PD间距<5 mm，优化光耦合效率。

• ECG电极排布：双电极设计，间距20-30 mm，适配前臂或胸壁测量。

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

3.2 信号处理流程

1. PPG信号处理：

• 去除直流分量（DC），提取交流分量（AC）。

• 带通滤波（0.5-10 Hz），抑制运动伪影。

• 峰值检测算法提取心率与SpO₂。

2. ECG信号处理：

• 50/60 Hz工频陷波滤波。

• 差分放大与高通滤波（0.05-150 Hz）。

• QRS波检测算法提取心率与心律异常。

3. PTT计算与血压估算：

• 同步ECG R波与PPG主波峰时间差。

• 基于线性回归模型计算收缩压（SBP）与舒张压（DBP）。

3.3 电源管理策略

• 动态电压调节（DVS）：根据负载调整MCU与DSP电压，降低功耗。

• 睡眠模式优化：无操作时进入深度睡眠，电流<5 μA。

• 能量收集：集成太阳能或热电发电机，延长续航时间。

四、系统测试与验证

4.1 性能测试指标

• 心率误差：<±1 bpm（静态），<±3 bpm（动态）。

• SpO₂误差：<±2%（血氧>70%）。

• 血压误差：<±5 mmHg（收缩压），<±8 mmHg（舒张压）。

• 运动伪影抑制：跑步状态下心率测量准确率>95%。

4.2 临床验证方案

• 受试者招募：招募50名健康志愿者与20名心血管疾病患者。

• 对比设备：采用飞利浦DX8000多导联ECG与Masimo Radical-7脉搏血氧仪。

• 测试场景：静息、步行、跑步、睡眠。

五、结论与展望

本文提出的基于传感电子皮肤的PPG-ECG检测系统，通过优化元器件选型与系统设计，实现了高精度、低功耗、超柔性的生理信号监测。未来研究方向包括：

1. 多模态传感器融合：集成体温、汗液等传感器，提升健康监测维度。

2. AI算法优化：基于深度学习的心律异常分类与血压预测。

3. 自供电技术：开发柔性太阳能电池或摩擦纳米发电机，实现设备自维持。

该系统在远程医疗、运动健康、慢性病管理等领域具有广泛应用前景，有望推动可穿戴医疗设备的革新。