张帆 王文廉 王玉

摘要：可穿戴的实时检测和诊断设备在生物医学领域的需求日益增加，而电源是可穿戴设备发展的薄弱环节。利用现有的近场通信（NFC）技术，设计一种无源无线柔性心率检测系统。测量端通过微型 NFC 天线从智能手机获得能量，利用光电容积脉搏波描记法（PPG）完成脉搏信号采集，并把信号处理结果发送到手机，进行记录和分析。对多名志愿者进行不同身体状态（运动状态、工作状态、休息状态）的心率测试，分析心率值和脉搏速率变异性（PRV）。实验结果表明，系统能够快速实时测量人体心率数据，实现无源无线生理信号监测，满足柔性可穿戴设备的设计需求。关键词：心率测量;近场通信;可穿戴测量;光电容积脉搏波描记法

中图分类号： TP212文献标志码： A文章编号：1674–5124（2021）12–0014–09

Batter-free heart rate detection method based on near field communication technology

ZHANG Fan1，2，WeANG Wenlian1，2，WANG Yu1，2

（1. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， Ministry of Education， NorthUniversity of China， Taiyuan 030051， China;2. National Key Laboratory for ElectronicMeasurement Technology， Taiyuan 030051， China）

Abstract： Wearable real-time detection and diagnosis devices are increasingly needed in the biomedical field. But power supply is a weak link in the development of wearable devices. We designed a batter-free wireless flexibleheartratedetectionsystemusingtheexistingnearfieldcommunication （NFC） technology. The measurementterminalobtainsenergyfromthesmartphonethroughaminiatureNFCantenna，anduses photoplethysmography （PPG） to complete pulse signal acquisition， and sends the signal processing results to thesmartphonefor recordingand analysis. Heart rateand pulse rate variability （PRV） wereanalyzed by measuring the heart rate of multiple volunteers in different body states （exercise state， working state and rest state）. The experimental results show that the system can measure human heart rate data in real time， realize passive wireless physiological signal monitoring and meet the design needs of flexible wearables devices. Keywords： heart rate measurement; NFC; wearable measurement; photoplethysmography

0引言

為了给医疗领域带来可持续的、节能的、便携式的解决方案，设计一种能够测量人体生理信号而不降低测量性能的无源可穿戴设备受到了越来越多的关注与研究[1-3]。随着电子技术小型化和系统集成化趋势的发展，监测人体生理参数的医用传感器的能量供应也逐渐由一次性的微型电池向其他能量收集技术逐渐转变，包括人体本身和周围环境都可以为这些医用设备提供能量。例如人体的四肢或关节能够产生压电效应和摩擦生电，人体的内部组织（如：肠胃）能够产生化学能，以及人体的体温能够产生一定的热势能等[4-6]。但是在实践中这些能量都无法真正实现持续收集，并且功率也远远不能够驱动人体生理信息采集设备来监测人体生理参数。因此找到一种能够实时检测人体生理参数，满足系统无源无线传输同时保证被检测者的正常工作与生活不受到影响的方法尤为重要。

近场通信技术（near field communication， NFC）是自动识别通信技术的一种，工频为13.56 MHz。 NFC 通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，从而在短距离内实现设备之间的快速通信[7-8]。 NFC 对于低成本小型传感器以及微控制器的开发也具有很大的意义。NFC 天线与智能手机内置的 NFC 阅读器之间不仅能够进行数据交流，最重要的是能够通过电感耦合产生能量。它能够以无源和无线的方式工作，而不需要额外的复杂电路和电源[9-10]。因此，在这种背景下，一些 NFC 集成电路（integratedcircuit， IC）制造商已推出了具有能量收集功能的 NFC 芯片，通过与智能手机交互为可穿戴设备提供能量，能够实现真正的无源测量。近年来，许多基于智能手机的生物信号监测被开发用于便携式或可穿戴设备。在这些监测中，采用蓝牙通信进行无线数据传输，使用锂离子电池供电是最常见的配置，因为其设计简单、性能稳定，并且可以在远距离进行监测。然而，这种形式限制了系统的小型化，灵活性以及可穿戴性，无法满足基于体表或植入的应用。相反，将 NFC 技术用于无线电源和数据传输为基于智能手机的监测平台提供了一种轻量级的设计理念。没有刚性电池或额外的数据传输模块，系统可以满足便携式、小型化设计，为开发基于智能手机的生物信号监测系统提供了新的解决方案[11-13]。光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography，PPG）是一种原理简单，制作成本较低的光学测量脉搏波信号技术，是一种非侵入、无创式的心率检测方法，可以应用于任何含有动脉血组织部位[14-16]。传统的心电图（electrocardiogram， ECG）测量方法存在一些局限性，首先心电仪器通常需要三个电极附着在特定的身体部位，限制了被测者的活动，使被测者感到不适。目前在可穿戴设备中应用最广，如智能手环、智能手表等就是采用 PPG 来监测心率，血压和血氧饱和度等。

结合以上分析，将 NFC 无源技术应用到人体生理参数的检测中，利用光电容积脉搏波描记法，研制了一种基于智能手机的无源柔性可穿戴微型系统，用于检测脉搏波来分析心率变化。该系统由圆形 NFC 无源电路和 PPG 传感器放大电路组成，可以通过支持 NFC 的智能手机进行无线功率采集和数据传输。该系统不受电池和有线连接的限制，设计完全灵活，可以方便贴在皮肤表面进行脉搏信号的采集传感。全印刷技术实现电路的高拉伸性，能够适应皮肤的变形，方便快捷地动态监测人体生理参数（尤其是特殊人群，如婴儿，孕妇，老人），并通过随身携带的智能手机显示检测结果，从而实现在健康监测、疾病诊断和运动优化方面实现广泛的应用。

1系统设计与分析

图1（a）描绘了NFC 无源心率监测系统的系统工作原理。柔性 NFC 无源系统总质量仅为3 g，一共分为五个部分，包括圆形 NFC 天线、NFC 芯片（NT3H1101，NXP）、微控制器（MSP430G2553，TI）、滤波放大电路（MCP6001，MICPOCHIP）以及光学心率传感器。其中光学心率传感器由绿色 LED 光源（AM2520，Kingbright）和光电探测器（APDS9008，Avago）组成。如图1（b）所示，将柔性 NFC 无源系统贴附在人体皮肤动脉处，在智能手机中打开以 Android Studio 为工具研发的脉搏心率监测 APP，并靠近柔性 NFC 无源系统时，NFC 芯片将会被自动唤醒。NFC 天线与智能手机通过电感耦合产生电能，为各级电路提供能量。光学心率传感器监测到脉搏变化后，将脉搏信号经滤波放大电路处理，输出稳定的脉搏波模拟电压。然后由 MCU 中的模数转换器（analog to digital converter，ADC）将模拟信号转化成数字信号，并且将数字信号存储在 NFC 芯片的静态随机存储器（static random access memory，SRAM）中，最后由NFC 天线无线传输到智能手机，实时显示心率的每分钟节拍数（beat per minute， BPM）及其曲线，从而实现心率值的即时检测（pointof care testing，POCT）。

1.1 NFC 天线设计

NFC 天线的设计目标是小型化、高效化和抗干扰性强。传统的 NFC 天线是多匝矩形线圈，其线圈棱角会对人体造成不必要的伤害。因此提出了微型圆形的 NFC 天线设计构想，影响 NFC 天线性能最主要的因素是电感值[17]，与电感值有关的包括以下几项：线圈长宽、走线宽度、走线距离、介质基片厚度、线圈匝数等各种参数。NFC 天线设计及参数验证见图2。如图2（a），通过不断优化，确定了 NFC天线的最优化参数，利用 ANSYS 软件设计仿真直径为30 mm 的圆形 NFC 天线模型，其中天线的正面附着3匝线圈，背面附着2匝线圈，介质基片厚度为0.2 mm。

图2（b）、图2（c）分别为 NFC 天线中输入反射系數随频率变化曲线以及 NFC 天线等效电感 L 值与品质因数 Q 值随频率变化曲线。输入反射系数（S11）是天线性能的重要指标。提高输入反射系数，能够有效提高天线辐射效率。图2（b）为NFC 线圈中输入反射系数随频率变化曲线，扫频设定为5～20 MHz。频率达到13.56 MHz 时，输入反射系数（S11）处在曲线波谷，达到了–42 dB，能量在13.56 MHz 实现最大化传输。理想的 NFC 天线等效电感值范围是1～4?H，由仿真图可以观察到等效电感集中在1.5～1.8?H，结果达到了仿真的预期和要求。而品质因数作为衡量电感元器件的重要参数，也直接影响到 NFC 天线的性能。理想的 NFC 天线品质因数为4～15，由图表明同样满足设计要求。

为了验证 NFC 天线的仿真结果，如图2（d）所示，将设计制成的柔性电路板（flexible printedcircuit， FPC）与 LCR 数字电桥测量仪连接，通过测得 NFC 线圈在13.56 MHz 时 L 值为1.59609?H， Q 值为8.81976，与仿真曲线数据对比结果相差无几。将 NFC 无源测量系统与人体接触，测得 L 值为1.64028?H，Q 值为8.71733，与仿真结果相比，均在理想范围之内。

1.2柔性 NFC 系统设计及性能分析

如图3（a）所示，柔性印刷电路板是以聚脂薄膜（polyethylene terephthalate， PET）为基底制成的，基板厚度只有0.2 mm，具有良好的耐热性和柔韧性，是常用的阻透性生物薄膜之一。图3（b）为NFC 无源控制电路和 PPG 滤波放大电路原理图，以及使 Altium Designer 所设计的 PCB 原理图，涉及能量供能网络，信号采集传输和数字化处理及存储。其中在 Bottom层除了设计了两圈 NFC 天线外，还将绿色 LED 光源和光电探测器设计在这层，并贴附在人体皮肤表面，目的是能够更准确感测脉搏波信号。在 NFC 无源电路中，NFC 芯片与 MCU 芯片通过 I2C（inter-integrated circuit）总线进行通信，SDA 和 SCL 两条总线外接4.7 kΩ的上拉电阻，其目的是钳位在高电平，同时起限流作用。而系统使用 SBW（SPY-BI-WIRE）两线制下载接口，在保证系统程序正常下载到 MCU 的同时，最大限度的减少电路设计布局面积，有利于微型化设计。

该 NFC 芯片既可以有源输入，又可以无源输入。如图3（c）所示为 NFC 无源电路中 NFC 芯片在外部有源输入电压（VCC）与输出电压（VOUT）拟合曲线图，可以观察到输入电压与输出电压基本保持一致，拟合曲线的斜率为0.99745，r2为0.9989，表明该电路具有较高的检测精度和可靠性。由芯片手册可知，采用无源输入时，将 NFC 芯片的输出电压端（VOUT）与供电电压端（VCC）相连，NFC 芯片可实现自我供电，同时在电压输出端串联10?F 的大电容并接地，确保能够持续输出稳定电压。

NFC 圆形天线与手机通过电感耦合将能量传递给 NFC 芯片，由 NFC 芯片输出电压为系统提供能量。为了评估判断 NFC 芯片输出电压（ Vharvest）的稳定性，如图4所示，设计了 NFC 无源系统与智能手机的耦合电能实验。如图4（a），将 NFC 系統固定在可上下移动的平台上，垂直对准手机背面 NFC 天线处，使用手持式万用表来测量 NFC 无源系统的感应输出电压（Vharvest），当智能手机与 NFC 无源系统的垂直距离不超过12 mm 时，NCF 芯片的电压输出稳定在2.95 V 左右。NFC 芯片在0～12 mm 的平均输出电压是2.93 V，相对标准偏差（relative standard deviation， RSD）约为1.31%。当距离大于12 mm 时，NFC 芯片的输出电压为0 V，系统无法与智能手机保持连接。

如图4（b），手机背面 NFC 天线部位对准 NFC 无源测量系统，且二者距离保持紧贴状态。改变 NFC 无源系统的曲率半径，用手持式万用表检测输出电压。由图可以观察到，当 NFC 无源系统由平面状态弯曲到曲率半径为12 mm 时，总是能够稳定输出2.8 V 以上的电压，手机与 NFC 无源系统一直能够保持连接。在弯曲过程中，输出电压的平均值为2.9 V，RSD 约为1.98%。当曲率半径小于12 mm 时，NFC 芯片的输出电压为0 V，系统无法与智能手机保持连接。虽然 NFC 系统紧贴人体表面皮肤时使 NFC 系统不同程度发生形变，但是输出电压与实验测得的电压保持一致。

1.3 PPG 原理及传感器特性分析

光与人体组织之间的相互作用是非常复杂的光学过程，包括散射、吸收、反射和透射。由于许多生物成分（如水、黑色素、血液和脱氧血红蛋白）具有特定的吸收光谱，因此光源波长对于人体皮肤组织相互作用非常重要，而光学测量还可以避免人体电位信号与外界杂波信号的干扰，提高测量精度[18-19]。图5显示了 PPG 传感器的基本工作原理。当光照透过人体各个组织然后再反射到光电探测器时，光照强度有一定的衰减。像肌肉、骨骼、静脉和其他组织等对光的吸收是基本不变的，但是血液不同，由于动脉血会随心脏搏动产生变化，那么对光的吸收自然也有所变化。光电信号就可以分为直流（DC）信号和交流（AC）信号。交流（AC）信号的基本频率随心率而变化，并叠加在直流（DC）分量基线上。提取其中的 AC 信号，就能反应出血液流动的特点，从而能够确定实时心率[20]。

传感器系统选择绿色 LED 光源是因为绿光的波长是500～560 nm，频率范围是530～600 MHz。皮肤的黑色素会吸收大量波长较短的光，环境光中的光源很少有在绿色光的频段中，稳定性和可靠性相比于其他光源更加突出[21]。随着进一步的研究和对比，绿光作为光源得到的信号更好，信噪比也比其他光源得到的信号更好，脉搏心率测量的准确性也更高。大部分可穿戴智能心率检测设备都是采用绿光作为光源。与此同时，为了不受其他环境绿光的干扰，将 NFC 无源系统柔性基板设计成黑色，防止其他反射的可见光或者自然光干扰信号，确保心率检测准确性。

1.4脉搏速率变异性参数分析

心率变异性（heart rate variability， HRV）是指心率节奏快慢随时间所发生的变化，通过识别 ECG 波形中随 R 峰之间的持续时间而获得的时间序列[22]。 HRV 是反映自主神经系统活性和定量评估心脏交感神经与迷走神经张力及其平衡性，从而判断人体疲劳度与身体压力是否正常，以及对心血管疾病的病情分析和预防。从 PPG 传感器产生的脉搏波信号及其提取的脉冲周期间隔作为 HRV 分析的一种潜在的替代方法被称为脉冲速率变异性（pluse ratevariability， PRV）分析。大量论文研究表明，HRV与 PRV 之间存在很大的相关性[23-25]。图6所示为 PPG 信号图，通过 MCU 设定的程序，确定采集到的脉搏波信号中每一个波峰和波谷，脉搏波中连续两个波峰（PPG Peak）基点间的时间定义为 P-P 间隔（pulse to pusle interval， PPI），单位是ms。

由 PRV 时间序列在时域分析中可以导出许多医学相关参数[26-27]，包括心率、脉冲速率变异性平均值（average of PPI，APPI），PPI 时间序列标准差（standard diviationofNN interval，SDNN），单位为ms;相邻PPI 差值的均方根（rootmean square of sussessivedifferences，RMSSD），单位为ms;相邻 PPI 之差>50 ms的个数占总区间数的百分比（probabilisticneural network more than 50 ms， pNN50）。这些参数能够直接或间接地反映一个人的身体状况，例如 SDNN 能够间接定量评估人体精神压力及躯体压力， RMSSD 和 pNN50主要反映自主神经系统的副交感神经活动[28]。由于 PRV 受到诸如性别、年龄及环境等因素的影响，5min 时域分析 SDNN、RMSSD、 pNN50的标准正常值分别为（141±39） ms、（39±15） ms、（16.7±2.3）%。

2实验与数据分析

实验选取了10名年龄在23～40岁志愿者，其中女性志愿者2名，男性志愿者8名。他们的体质指数（body mass index， BMI）均处在正常水平且没有其他心脏类疾病，其中 BMI 体质指数计算公式为：BMI=体重（kg）/身高2（m2），成年人的标准 BMI 值为18.5～23.9 kg/m2[29]。因为 PPG 光电传感器相比于 ECG 心率传感器更具灵活性，可以测量人体任何位置动脉搏动，为了使数据多样化和更具对比性，同时实现便携式穿戴的舒适性和灵活性，选择测量颈部的颈动脉和手腕的桡动脉两处位置进行测量。用医用双面绝缘胶带将 NFC 无源测量系统贴在上述两处位置，如图7所示，对不同的身体状态进行测量，分别是休息状态，工作状态以及运动状态。具体测量方法是：每5min 进行一次短期心率测量，每个身体状态测量30 min，并且记录手机 APP 上的 BPM 值。

如图8（a）所示，为3种身体状态下脉搏波形，在休息状态脉搏波较为平稳，心率处于正常值。在工作状态时脉搏波振幅较为平稳，心率上升，达到了80 BPM，在运动状态时呼吸急促，心跳加快，血管容积变化加快，脉搏波形的振幅更加剧烈，心率达到了110 BPM 。图8（b）则是显示了智能手机心率 APP 端三种状态下，心率的变化曲线，可以看出不同的身体状态下，心率能够顺利采集与显示。

表1是统计10名志愿者30 min 平均心率值，包括了頸部颈动脉和腕部桡动脉两个身体部位的测量，同时针对 3 种不同的身体状态进行测量，包括运动状态，工作状态以及休息状态。从统计的数据分析，所有志愿者的平均心率在各个状态均为正常值，没有出现心率突变或心率异常的情况，也从侧面反映了 NFC 无源测量系统能够实现较为准确快速心率测量。

选取了一名男性志愿者的实验数据进行心率分析和 PRV 分析，其结果如图 9 所示，其中图 9（a） 和9（b）分别显示了3种不同的身体状态下，BPM 值和 PPG 信号的振幅均值变化情况。可以看出颈动脉和桡动脉两处测量点的数据所测数据较为接近， NFC 无源测量系统能够准确地完成数据采集和显示。在休息状态下，心率和 PPG 信号峰值是最低的，且变化较为稳定。而在运动状态下，心率与 PPG 信号峰值则逐步上升，在30min 时达到了最大值。相比于其他两种身体状态，工作状态时心率和 PPG 信号峰值变化不大，处在稳定的状态。

图9（c）、9（d）、9（e）、9（f）分是对 PRV 的参数进行统计分析，在每5min 的短期测量中，该志愿者的所有 PRV 参数（APPI， SDNN， RMSSD， pNN50）有不同的幅值变化，是因为当受试者在锻炼或有精神压力（即噪音增加）时，会存在出汗、周围血管收缩增加和运动过程中的呼吸困难等不可控的因素影响，不过均在标准值的范围之内。

3结束语

针对检测人体心率需要长期快速，准确客观和便携穿戴等特点，提出了一种新型的 NFC 无源柔性心率监测系统。本系统通过 NFC 天线电感耦合从智能手机获得能量，采用 PPG 采取人体脉搏信号，由智能手机 APP 接受显示心率值，力图实现低成本、低功耗、无危害的无源无线柔性可穿戴心率监测系统。系统性能测试实验及初步分析能够证明本系统可以实时监测人体心率值，对于不同身体状态能够实现快速准确地测量，满足日常心率监测的应用要求。

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（编辑：谭玉龙）