摘" 要：光电容积脉搏波技术在穿戴式健康监测领域的应用日益广泛，然而，传感器与皮肤之间的接触压力对信号采集可能产生重要影响。为了研究接触压力变化对光电容积脉搏波信号采集的影响机制，设计了一款可控接触压力和光电容积脉搏波同步采集系统。系统包含STM32单片机、MAX30102脉搏波传感器、FSR402薄膜压力传感器，实现了脉搏信号和压力信号同步采集。开发的上位机实时显示两路信号，并能将数据进行保存。通过控制手指的按压力度，可实现不同施压方式下的脉搏信号和压力信号同步采集和显示。
关键词：光电容积脉搏波；可控接触压力；同步采集
中图分类号：TP311；TP212" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）24-0066-06
Design of a Synchronous Acquisition System for Contact Pressure and Photoplethysmography
LI Zhiyang， YU Mengcheng， YANG Yuze， PENG Xueqing， LI Shiyong
（Guilin University of Electronic Technology， Guilin" 541004， China）
Abstract： The application of photoplethysmography technology in wearable health monitoring field is becoming increasingly widespread. However， the contact pressure between sensors and skin may have a significant impact on signal acquisition. In order to study the influence mechanism of contact pressure changes on the acquisition of photoplethysmography signals， a controllable contact pressure and photoplethysmography synchronous acquisition system is designed. The system includes STM32 single-chip microcomputer， MAX30102 photoplethysmography sensor， and FSR402 thin film pressure sensor， achieving synchronous acquisition of photoplethysmography signals and pressure signals. The developed upper computer displays two-way signals in real time and it can save data. By controlling the pressure force on the fingers， photoplethysmography signals and pressure signals can be synchronously collected and displayed under different pressure application methods.
Keywords： photoplethysmography; controllable contact pressure; synchronous acquisition
0" 引" 言
脉搏信号是血液在动脉内脉搏波传导产生的生物电信号，反映了心脏搏动和动脉血液流动的周期性变化[1]。通过对脉搏信号特征进行检测，可以了解心率、血压、心脏功能以及血管弹性等生理参数，对于诊断心血管疾病、评估健康状况和制定治疗方案具有重要意义[2]。在心脏搏动过程中，血液流动引起了皮肤微血管区域的血液容积变化，光电传感器接收到这一变化的光信号，并将其转换为电信号进行采集和处理，形成光电容积脉搏波[3]。光电容积脉搏信号检测具有广泛的应用范围，例如，在运动监测中，光电容积脉搏信号检测可以实时监测心率变化，帮助运动员进行训练调整[4]。然而，在将传感器与皮肤接触的过程中，接触压力变化可能对光电容积脉搏波信号的采集产生显著影响[5]。随着可穿戴医疗设备和智能健康监测系统的快速发展，在实际使用中模拟不同生理状态的需求不断增加。深入研究接触压力如何影响光电容积脉搏波信号，对于提高可穿戴设备的精准性、适用性以及各种健康监测应用的可靠性至关重要。通过了解不同压力条件下的信号特征，深入研究接触压力影响，可以为未来个性化医疗提供支持，定制医疗设备，提供更为精准的监测和治疗方案。
在国内陈真诚等[6]研究设计了一种基于手指压力示波法的血压测量系统，旨在消除传统血压计测量时需要使用袖带的限制。该系统利用手指压力传感器改变手指内动脉的压力，进而改变血管容积，同时测量施加的压力和光电容积脉搏图信号，为无袖套血压测量系统提供了一种新思路，也为血压测量装置的小型化、移动医疗以及全民健康服务提供了一种新方法。谢世婷等[7]设计一款基于PPG光电容积脉搏波技术的睡眠耳机，通过内嵌集成创新化芯片与“PPG光电容积脉搏波+陀螺仪”双重传感器进行睡眠健康监测，并将监测到的生理指标数据反馈给手机APP进行分析处理，形成睡眠报告与听力健康报告，及时提供给用户可行性的建议，以改善使用者的睡眠质量。该研究在光电容积脉搏波上进行创新，为用户提供了更加智能化和个性化的睡眠监测和健康管理方案，这种特殊应用的成功，为光电容积脉搏波技术的未来发展开辟了更广阔的空间。在国外，Charlton等[8]研究探讨了可穿戴PPG技术在监测心率、血压、心血管疾病等方面的潜在优势和挑战。研究结果表明，可穿戴PPG技术具有非侵入性、实时监测、数据共享等优势，同时指出了数据准确性、算法优化、临床验证等方面的挑战。Baumann[9]探讨了一种基于模型的方法，他利用振荡式手指压法实现无袖血压测量。并且开发一种算法和测量方法，利用一种称为评估套件的电子设备进行无袖血压测量，这个设备就包括一个光电容积描记传感器和一个压力传感器。研究指出，进一步的研究，包括使用不同的硬件，有望产生更稳定和准确的血压测量结果。
1" 光电容积脉搏波理论知识
脉搏波是指血液在心脏搏动时在动脉内传播的一种波动，是心脏收缩和舒张过程中产生的一种生理信号。脉搏波的形成是由于心脏在每个心动周期内的周期性活动，即心脏的收缩和舒张。当心脏收缩时，它将氧合血液推送到主动脉中，导致动脉内血液产生一系列的脉动，这种脉动随着血液在血管中传播，形成了脉搏波。光电容积脉搏波是一种利用光电探测技术非侵入性地测量人体血管中血液容积变化的方法。该技术通过向皮肤表面（如指尖）发射光线，小部分光束在皮肤表面被散射或反射，大部分光束能依次穿过皮肤、血液、肌肉和骨骼后，再以反射或者透射的方式将光信号传送至光电探测器，通过光电探测器可以获取反射或透射的光强度。由于心脏泵血作用，皮肤下的血液量会呈现周期性的脉动变化，导致光电传感器探测到的光强度随之波动。这些光强度的变化被转换成电信号，从而反映出血管中的血液流动情况。光电容积脉搏波信号是一种低频且敏感的生理信号，信号频率通常在0.1～10 Hz，主要能量集中在1～5 Hz，该信号在采集过程中容易受到外界信号的干扰[10]。一个典型的人体指端光电容积脉搏波波形如图1所示。图1中T为一个心动周期，容积脉搏波信号分为升支与降支。OA段为升支，它代表心室收缩期，心脏在t1时间段内快速射血，是主动脉血量增加的阶段。t2时间内的信号为容积脉搏波的降支，降支代表快速射血后，心室的压力缓慢下降的过程。点A所在的波峰是脉搏波的主波，是脉搏波的最高点所在的波峰。B是心脏收缩期与舒张期的分界点，它所在的波谷称为降中峡，整个OB段描绘了左心室的整个射血期。C所在的小波被称为重搏波，是由于主动脉的血液在心室舒张时返流引起的。
2" 系统硬件方案设计
2.1" 系统总体方案
为了使采集装置设计思路更加清晰且易于调试，本设计采用了模块化设计，整个系统整体上分为硬件和软件两个部分。硬件部分主要包括了脉搏信号采集电路、压力信号采集电路；由STM32主控、电源电路、按键电路和蓝牙通信构成的关键组件。而软件部分则是下位机软件和上位机软件，整个系统框图如图2所示。在实际运行中，首先，打开装置的按键开关，让装置正常通电。接下来，将手指按压在MAX30102传感器上，这时MAX30102的红光或者红外光将穿透手指，经过血液后反射回来。MAX30102内部的接收管将接收到的光信号在它的内部进行AD转换，将转换后的数据传输通过IIC通信至主控STM32F103C8T6；与此同时，手指的压力信号经过FSR402传感器采集并转换为电阻值，随后通过压力信号处理电路进行R-V转换，将电阻转换为电压输入STM32F103C8T6进行AD转换。ADC采集的压力数据和IIC接收到的脉搏数据将会通过蓝牙模块发送回上位机。上位机接收到数据后，将会绘制出两个信号的波形图，并对数据进行保存。
2.2" 光电容积脉搏波采集系统设计
MAX30102是一款高灵敏度的脉搏血氧和心率传感器，适用于可穿戴健康设备。该传感器内部集成有660 nm红光和880 nm红外光的光源，通过红外LED和红色LED发射光线到皮肤上，并通过光电二极管接收反射光信号。MAX30102的供电电压为VDD引脚1.8 V，VLED+引脚3.3 V，这两个电压由牛角座引入；INT、SCL引脚和SDL引脚和经过牛角座将信号引出与主控芯片的PB5、PB6、PB7相连，如图3所示。
2.3" 接触压力采集系统设计
本设计使用的压力传感器是FRS402薄膜压力传感器，它的基本原理是：当没有力作用时，它的阻值约为无穷大；有力作用在它的敏感区域时，它的阻值会随着力的增大而减小，将“力”转换为“电阻”，表1是它的基本参数，图4是它的实物图。
2.3.1" 接触压力采集电路设计
FSR402本质就是将电压转换为电阻，如图5所示，利用一个10 kΩ电阻与之串联分压，电压跟随器的作用是阻抗匹配，当有力作用时，FSR402的电阻会发生改变，R14的分压就会随之改变，即可完成R-V转换，将这个电压用单片机ADC进行读取，利用传感器标定的曲线进行拟合，根据拟合曲线的表达式进行反推，即可算出对应的压力大小。
2.3.2" 压力采集与脉搏采集组合设计
本装置将脉搏采集电路单独制成一块电路板，同时为其设计了一个3D外壳，如图6所示，它的外壳由下壳和推盖组成，推盖上留出了光电二极管和手指接触的位置。如图7所示，在底壳下表面做了一个直径为10 mm，高为2 mm的圆柱突起，FSR402的敏感直径为14.5 mm，刚好可以容纳这个圆柱突起，具体安装如图8所示。
3" 系统软件设计
3.1" 整体软件设计
软件部分整体上分为下位机软件和上位机软件，下位机软件主要是对脉搏信号和压力信号进行采集、AD转换、IIC通信，转换后计算出压力值和脉搏波电压值，发送到上位机。而上位机的功能则是创建串口号、设置串口的波特率、数据位、校验位、停止位等属性，将这些属性设置好后，打开串口，接收来自下位机发送的脉搏信号、压力信号数据，并且对这两个信号的数据进行显示、绘图、保存。当上位机停止绘图后整个软件工作结束。具体工作流程图如图9所示。
下位机软件设计的基本思想是，在硬件采集完数据后，有一路模拟电压信号和两路数字信号输入STM32单片机，然后使用STM32自带的ADC功能对模拟电压进行转换，使用I2C通信接收数字信号，将转换和接收后的数据发送到上位机进行绘图和显示。具体描述如下：将单片机的ADC通道设置为1，ADC数据转换结束后将数据返回给数组AD_Value，利用定时中断控制信号采样率，I2C传输过来的红光数据存放在fifo_red中，红外光数据存放在fifo_ir中，等待转换完成后，将AD_Value返回，利用压力标定的拟合曲线计算出压力值后存放在press中，然后将压力值、脉搏信号数据发送到上位机进行数据处理，发送之后延时5 ms，防止数据发送太快造成上位机接收错乱。上位机读取串口组件接收到的数据，根据下位机数据传输帧格式将数据进行解析，然后显示数据，并对数据进行保存和绘图显示。
3.2" 串口数据发送软件设计
串口发送数据可以有很多种格式，如可以直接发送一个字节或者数据，但是这样的话，下位机发送数据还要调用不同的发送函数，并且编写上位机的时候，接收这些数据还要注意数据的格式，这无疑会使软件结构变得杂乱，为了减小上位机和下位机的软件编写难度，本设计采用重定将C语言库函数printf，这样发送数据时只需要使用printf就行。并且为了让上位机能够准确识别出哪个数据时压力信号，哪个数据是脉搏信号，下位机发送信号时，脉搏信号红光数据以“@+数据+回车”，红外光数据以“#+数据+回车”，压力信号以“$+数据+回车”的格式进行发送。
3.3" 下位机软件设计
本设计的上位机使用MATLAB2020a中自带的APP Designer进行上位机编写，直接集成了MATLAB语言和函数库，可以直接使用MATLAB语法和函数来实现应用程序的逻辑和算法。还支持创建交互式的应用程序，可以与用户进行实时交互，响应用户的输入和操作，展示动态数据和图形。基本操作如下：
1）打开APP Designer。在MATLAB的主界面中，点击APP Designer按钮或在命令行中输入appdesigner命令来打开APP Designer工具。
2）设计界面。在APP Designer中，通过拖放式设计界面来创建应用程序的用户界面。可以从工具栏上选择不同类型的组件，并将它们拖放到设计区域中。
3）添加交互功能。设计好界面后可以通过双击组件或使用右侧的属性编辑器来设置组件的属性和行为。例如，可以设置按钮的点击事件、文本框的输入处理等。
4）编写MATLAB代码。在App Designer中，可以通过点击左侧的Code View 或App View按钮切换到代码编辑界面，在这里编写与界面相关的MATLAB代码。可以通过编辑代码来实现应用程序的逻辑功能、数据处理和图形展示等。
5）调试和测试。设计完成后，可以通过点击工具栏中的Run按钮来运行应用程序，进行调试和测试。可以模拟用户操作，查看应用程序的功能是否正常运行。
本设计上位机界面主要是两大板块，一是绘图板块，二是操作板块。绘图板块是对压力信号和脉搏信号进行绘图显示，而操作板块包括了搜索串口、串口开关、串口属性选择、串口状态显示、绘图开关、画图状态、压力和脉搏数据显示，如图10所示。
图11为上位机工作流程图，使用时，点击搜索串口，此时会调用一个函数进行电脑的串口查找，假如电脑没有连接串口，则会提示“没有搜索到任何可用串口”。假如搜索到串口会将串口号显示在“选择串口”的这个下拉框上；选择完串口后，再对串口的属性进行选择，选择好对应的波特率、校验位、数据位、停止位等，点击开始绘图，右边的坐标区就会绘制脉搏信号和压力信号曲线，左边的“脉搏数据”和“压力数据”则会显示脉搏次数和压力值。上位机开始工作后，首先会根据操作查找对应的串口（蓝牙），选择好串口属性，连接好对应串口之后尝试打开串口，假如打开串口失败，将会报错；打开成功的话，会接收来自下位机发送的数据，将“$”“#”“@”开头的数据分别在pulse_red、pulse_ir、press中进行存放，分别表示红光、红外光、压力数据。之后进行数据显示、绘图，若要保存数据，则先关闭串口；保存数据之后，若点击退出，则关闭系统。
3.4" 整机装配
将脉搏信号采集电路和压力信号采集电路进行组装，就得到了装置整体硬件电路，具体如图12所示；为了使电路板不暴露在外面，本装置使用嘉立创进行3D外壳设计，并且对外壳进行了挖孔挖槽，使开关、旋钮等能从外部接触、手指能正常接触MAX30102，使用时只需要先打开装置电源开关，打开电脑连接名称为“mcmc”的蓝牙，打开上位机，像图13所示那样将手指深入装置内，即可对手指的脉搏信号以及施加的压力信号进行采集。
3.5" 数据采集与分析
本装置调试完成后对35个人的脉搏信号进行数据分析，以下是一些对被试者的要求，以尽可能排除不同人体因素对数据的影响：
1）相似年龄范围。测试者均为22～23岁之间，以减少年龄因素对数据的影响。
2）健康状态。测试者均为身体健康，没有重大疾病史大学生。以保证脉搏信号数据的稳定性。
3）排除运动影响。在采集数据前后避免剧烈运动，确保被试的身体状态相对稳定，以减少运动因素对数据的干扰。
4）排除饮食影响。在采集数据前后避免大量进食或饮水，以减少饮食因素对脉搏信号的影响。
5）心理状态稳定。确保被试在数据采集过程中心理状态相对稳定，避免焦虑、紧张等因素对数据的影响。
6）所测试的都是右手食指。
本设计分别对线性施加压力、阶梯施加压力、折线施加压力、梯形施加压力进行了测量。线性施压是指用手指按压MAX30102，观察压力数据，使压力成线性慢慢上升，按压MAX30102时，缓慢增大力度按压；阶梯施加压力，就是控制手指使阶梯状上升，按压时先迅速按压MAX30102，使压力到达一个值，保持不变，再迅速按压，使压力上升到另一个值，再保持不变；折线施加压力就是使压力成折线状，按压MAX30102时，先缓慢按压，使压力到达一个值，保持这个点不变，再缓慢按压到另一个压力值；梯形施加压力就是使压力成梯形状，按压MAX30102时，先缓慢按压压力到一个值，然后保持这个点不变，然后缓慢松开手指，使压力缓慢下降。如图14所示，展示了线性施加压力情况下的光电容积脉搏波信号和接触压力信号。
4" 结" 论
对于接触压力和光电容积脉搏研究，可以为个性化医疗和定制治疗提供更多的数据支持，针对不同患者的生理特征和疾病状态，可以采用最适合的压力方式，实现更精准的诊断和治疗方案。本文设计了一种可控接触压力和光电容积脉搏波同步检测装置，并且研究了不同施加压力方式对光电容积脉搏波形的影响。随着医疗技术的不断进步，光电容积脉搏波技术在临床医学中越来越重要。通过对患者的脉搏波形进行准确、实时的监测，可以帮助医生更好地评估心血管健康状况，指导诊断和治疗。本设计虽然完成了对压力信号和脉搏信号同步采集，但仍存在需要改进的地方：
1）由于是使用人眼观察压力数据，进而控制采集脉搏信号时的不同施压方式，这种施压对压力的控制并不稳定。
2）整个系统在外观上尺寸比较大，硬件做得集成度不高，对于可穿戴性能的话，还相差较远。
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作者简介：李志洋（2003—），男，汉族，四川仪陇人，本科在读，研究方向：测控技术与仪器；余孟城（2002—），男，蒙古族，贵州毕节人，本科在读，研究方向：测控技术与仪器；杨宇泽（2002—），男，汉族，广西百色人，本科在读，研究方向：测控技术与仪器；彭学清（2002—），女，汉族，广西柳州人，本科在读，研究方向：测控技术与仪器；李世勇（1993—），男，汉族，江西吉安人，实验师，硕士，研究方向：智能仪器。
