可穿戴式生理數(shù)據(jù)檢測(cè)儀的研制*

劉 靜， 楊永杰， 李 丹， 張會(huì)猛

(南通大學(xué) 電子信息學(xué)院,江蘇 南通 226019)

可穿戴式生理數(shù)據(jù)檢測(cè)儀的研制*

劉 靜， 楊永杰， 李 丹， 張會(huì)猛

(南通大學(xué) 電子信息學(xué)院,江蘇 南通 226019)

為了改善傳統(tǒng)脈搏、血氧測(cè)量方式以及適應(yīng)人們對(duì)設(shè)備可攜帶的要求，通過對(duì)壓電薄膜的研究，選擇合適的無(wú)源壓電薄膜傳感器和無(wú)創(chuàng)反射式血氧模塊，采用ARM Cortex—M3微型處理器，整合了溫濕度傳感器、顯示報(bào)警及無(wú)線通訊等模塊，制成了一種可穿戴式生理數(shù)據(jù)檢測(cè)儀。通過測(cè)試，儀器檢測(cè)的數(shù)據(jù)與正常標(biāo)準(zhǔn)值的平均相對(duì)測(cè)量誤差在1.0 %之內(nèi)，滿足測(cè)量要求。實(shí)驗(yàn)表明：該檢測(cè)儀制作簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確，攜帶方便，對(duì)臨床以及個(gè)人脈搏及血氧檢測(cè)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

壓電薄膜； 血氧檢測(cè)； 脈搏計(jì)數(shù)； STM32； 生理數(shù)據(jù)傳輸

0 引 言

目前市場(chǎng)上大多數(shù)脈搏檢測(cè)儀器，血氧儀都出現(xiàn)在大型醫(yī)院，價(jià)格高，使用復(fù)雜，不適合個(gè)人使用。雖然家用血氧監(jiān)測(cè)儀器已經(jīng)產(chǎn)生，但其都是用光透射原理[1]，通過測(cè)量不同的光吸收程度來(lái)測(cè)量相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在測(cè)量上有很多局限性并且操作起來(lái)不方便[2]。

本文結(jié)合穿戴設(shè)備的實(shí)用性設(shè)計(jì)出一種新的生理數(shù)據(jù)檢測(cè)儀。在脈搏測(cè)量方面,設(shè)備使用無(wú)源壓電薄膜傳感器[3]，運(yùn)用壓電原理計(jì)算脈搏；在血氧檢測(cè)方面,儀器采用反射式紅外光檢測(cè)原理制成血氧檢測(cè)傳感器,該方法免去紅外穿透血液測(cè)量計(jì)數(shù)的不便。上述兩種傳感器結(jié)合起來(lái),只需貼近皮膚表面就可以測(cè)量身體任何一個(gè)部位的脈搏和血氧，同時(shí)儀器制成手環(huán)或者小型設(shè)備可以有效地穿戴，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)身體數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙和串口上傳至手機(jī)或者電

腦，結(jié)合軟件對(duì)數(shù)據(jù)的分析，達(dá)到對(duì)穿戴者長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)觀察的目的。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

生理數(shù)據(jù)檢測(cè)儀主要功能是將脈搏、血氧的生理模擬信號(hào)通過傳感器的輸出能夠處理的數(shù)字信號(hào)。整個(gè)儀器設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 生理數(shù)據(jù)檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)框圖Fig 1 Design block diagram of physical data test instrument

傳感器和信號(hào)處理電路模塊是整個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵的部分，本文選用對(duì)壓力靈敏度高的壓電薄膜材料[3]以及對(duì)紅光紅外光頻率敏感的精密光學(xué)器件，提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和抗干擾性。信號(hào)處理電路是對(duì)信號(hào)的提取、過濾、放大，盡可能地將微弱的信號(hào)從采集大數(shù)據(jù)中分離出來(lái)。數(shù)據(jù)處理單元是數(shù)據(jù)處理的核心，采用STM32微型處理器構(gòu)成系統(tǒng)，配有報(bào)警、按鍵、顯示、等模塊。

2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器的模塊包含脈搏傳感器、血氧傳感器模塊和溫濕度傳感器模塊等，脈搏和血氧模塊主要完成對(duì)脈搏、血氧的生理數(shù)據(jù)的采集；溫濕度傳感器采集環(huán)境溫度和濕度，系統(tǒng)通過溫度濕度傳感器來(lái)修正其他傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，達(dá)到測(cè)量更為準(zhǔn)確的效果。

2.1 脈搏傳感器模塊

20世紀(jì)60年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)高分子材料聚偏氟乙烯(PVDF)壓電效應(yīng)，即有外力施加于材料表面時(shí)，由于材料內(nèi)部晶體不對(duì)稱性，使得正負(fù)電荷開始偏移，內(nèi)部形成電場(chǎng)，且表面外部的壓力與兩端形成的電壓成正相關(guān)，整個(gè)脈搏傳感器電路圖如圖2所示。盡管壓電薄膜材料制作的脈搏傳感器靈敏度高，但是脈搏信號(hào)比較微弱，頻率低，外界干擾信號(hào)多，所以，由傳感器得到的信號(hào)要經(jīng)過前端放大電路放大，經(jīng)過二階低通濾波器，濾去工頻干擾和其他高頻信號(hào)，再通過電壓比較電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)整形，輸出適合處理的方波信號(hào)，整個(gè)電路比較簡(jiǎn)單。

圖2 脈搏傳感電路原理圖Fig 2 Principle diagram of pulse sensing circuit

2.2 血氧傳感器模塊

提到面積，學(xué)生第一時(shí)間想到的往往是長(zhǎng)方形、正方形，從一（下）“平面圖形的認(rèn)識(shí)”開始，學(xué)生所接觸的平面圖形中最多的是長(zhǎng)方形與正方形，以致面積學(xué)習(xí)的起始階段，會(huì)不自主地將面積局限于規(guī)則圖形。為突破局限，筆者介入了“不規(guī)則圖形面積的比較”這一環(huán)節(jié)，主要包括線段圍成的不規(guī)則圖形和曲線圍成的不規(guī)則圖形。其目的是突出面積概念的本質(zhì)，更全面地理解面積概念。

紅外光反射式血氧模塊是根據(jù)血液中氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)對(duì)紅光和紅外光吸收程度不同，導(dǎo)致入射光和出射光之間存在一定的衰減，從而計(jì)算出某一時(shí)間段流經(jīng)某一部位的血氧含量，在醫(yī)學(xué)上用血氧飽和度(SpO2)表示[4]

(1)

式中CHbO2和CHb分別為氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的濃度。

依照朗伯—比爾定律，假設(shè)Ii為單色光的入射光，Io為出射光，A為吸光度，得到公式(2)

Io=Iie-A

(2)

吸光度A=εcv，ε為接觸體吸收系數(shù)，c為接觸體濃度，v為接觸體的體積，結(jié)合以上兩個(gè)公式和數(shù)學(xué)計(jì)算可以得到血氧飽和度計(jì)算的另一種計(jì)算方法[5]

(3)

式中 a，b為常量，該常量只與氧和血紅蛋白和還原血紅蛋白吸光度有關(guān)，c是一個(gè)用來(lái)減小因?yàn)槠渌蛩卦斐傻恼`差的常量，Ihf，Ihhf分別為初始紅光和紅外光頻率，ΔIhf，ΔIhhf分別為紅光頻率改變量和紅外光頻率改變量，R是實(shí)驗(yàn)過程中需要計(jì)算的值。經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和電壓與電流變換，本文就把實(shí)際中要測(cè)量血氧問題轉(zhuǎn)變成了測(cè)光頻率問題，電路如圖3所示。

圖3 反射式血氧含量檢測(cè)電路圖Fig 3 Circuit diagram of reflective blood oxygen content detection

圖3為血樣電路的檢測(cè)電路,該電路是將光電傳感器采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可計(jì)算得數(shù)字信號(hào),整個(gè)電路分成4塊：H橋電路由4個(gè)三極管搭建而成，其4個(gè)端口接到處理器的4個(gè)引腳，通過引腳輸入不同高低電平直接操控紅光和紅外光的改變，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)；偏置電壓IV轉(zhuǎn)換電路是在發(fā)射光源的同側(cè)，有相應(yīng)光電接受管，將接收到的光轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；信號(hào)的放大濾波處理電路，主要是對(duì)微弱信號(hào)濾波放大再加工；雙陷波濾波電路，主要功能為了濾去整個(gè)過程中影響最大的電源工頻干擾，最后引出引腳連接系統(tǒng)。

2.3 溫濕度傳感器

傳感器在環(huán)境中的應(yīng)用已經(jīng)很成熟[6]，本文選用DHT11溫濕度傳感器，該傳感器包括了電阻式測(cè)濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，4個(gè)引腳分別接著系統(tǒng)相應(yīng)的串口：VCC接電源，GND,NC(空腳)接地，Dout為輸出引腳接入系統(tǒng)第126引腳。傳感器采集到的溫度濕度數(shù)據(jù)以40 bit二進(jìn)制形式進(jìn)行傳送，數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和的方式保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。DHT1功耗低，性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，接口簡(jiǎn)單適合對(duì)環(huán)境溫度、濕度的測(cè)量。

3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理單元的主要作用是將傳感器采集的生理數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的算法進(jìn)行處理，程序在處理數(shù)據(jù)的過程中增加了算數(shù)平均濾波、限幅濾波算法等軟件濾波方法,對(duì)傳感器采用非線性硬件矯正的方法[7]，確保數(shù)據(jù)的精確性。數(shù)據(jù)處理模塊如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理模塊框圖Fig 4 Block diagram of data processing module

考慮到實(shí)際所需要的外圍接口較多，制作成本的問題，本文在最終確定為意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位Cortex—M3內(nèi)核的控制器STM32F103ZET6。該芯片擁有112個(gè)I/O通用接口，工作頻率可達(dá)72 MBZ，工作電壓3.3 V，芯片穩(wěn)定，價(jià)格合理，性價(jià)比高，滿足設(shè)計(jì)需求。

外圍設(shè)備主要是按鍵輸入、OLED液晶顯示模塊和由發(fā)光二極管、蜂鳴器做成的聲光報(bào)警模塊，以及藍(lán)牙和串口模塊。

軟件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的算法并整合外圍模塊形成的一個(gè)程序流程圖，如圖5所示。首先開始程序進(jìn)入初始化階段，該階段主要是對(duì)系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)定義，內(nèi)存分配以及外接設(shè)備的連接，確認(rèn)無(wú)誤后按下開始按鍵；軟件有兩個(gè)模式選擇，默認(rèn)的為標(biāo)準(zhǔn)模式，即按照脈搏的定義需要在1 min內(nèi)統(tǒng)計(jì)用戶脈搏數(shù)，血氧含量，周圍環(huán)境溫濕度的平均值以及當(dāng)時(shí)的時(shí)間。快速模式則可以滿足用戶在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)的查看數(shù)據(jù)，對(duì)準(zhǔn)確率有一定影響，是個(gè)參考值，數(shù)據(jù)檢測(cè)完畢之后會(huì)有一個(gè)判斷，數(shù)據(jù)超標(biāo)或者低于正常值就會(huì)觸動(dòng)紅色的二極管，并且蜂鳴器給予警告，顯示屏?xí)邢鄳?yīng)的提示。數(shù)據(jù)上傳，按下藍(lán)牙開關(guān)按鍵，藍(lán)牙工作燈亮，此時(shí)手機(jī)上的藍(lán)牙打開連接成功就可以接受相應(yīng)的數(shù)據(jù)；同時(shí)串口可以連接電腦，通過C#編寫的上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，上傳失敗則反復(fù)循環(huán)測(cè)量實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

圖5 程序流程圖Fig 5 Program flow chart

4 測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試中,選擇了5個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象(身體健康)分別用A,B,C,D,E表示,如表1。

表1 測(cè)試對(duì)象的基本情況Tab 1 Basic situation of test objects

如表1，A～E為不同人在相同情況下測(cè)出的脈搏和血氧數(shù)據(jù)，E，E1—E3為同一個(gè)人在不同的條件下測(cè)出的數(shù)據(jù)，總共測(cè)量100次,10次取一個(gè)平均值,共10個(gè)數(shù)據(jù),分別記錄成如圖6和圖7的曲線圖。

圖6 脈搏記錄曲線圖Fig 6 Curve of Pulse record

圖7 血氧記錄曲線圖Fig 7 Curve of blood oxygen record

從圖6可以得出結(jié)論：1)比較A,B和C,D，在同年齡的情況下，女生比男生的脈搏個(gè)數(shù)要高；2)比較B,C,E在平靜狀態(tài)下,年齡小一點(diǎn)的脈搏要比年齡大的高；3)比較E,E1,E2可知在不同的狀態(tài)下,人的脈搏數(shù)是不一樣的，受測(cè)試狀態(tài)的影響較大；4)由E1,E3得出：在不同的溫濕度下，人的脈搏次數(shù)也是不一樣，溫度高對(duì)應(yīng)脈搏也高。

從圖7可以的得出結(jié)論：1)比較A,B,C,D,E可知血氧含量主要集中在95 %～96 %范圍之內(nèi)，血氧的波動(dòng)性較小，在一定范圍內(nèi)受性別、年齡的影響不大；2)比較E,E1,E2知血氧的含量基本維持在94 %以上，睡眠時(shí)會(huì)有所下降，運(yùn)動(dòng)時(shí)有所提高但都不會(huì)有很大的波動(dòng)；3)由E1,E3得出溫度高對(duì)血氧也稍微的有影響。

由圖8可知，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)圍繞這標(biāo)準(zhǔn)值波動(dòng)，起伏的范圍不大。通過計(jì)算可知在平均10次測(cè)量中，脈搏平均相對(duì)誤差為：0.70 %，單次測(cè)量的最大誤差為：2.86 %；血氧平均相對(duì)誤差為：0.53 %，單次測(cè)量的最大誤差為：1.05 %。

圖8 E的10次測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值比較Fig 8 Comparison between ten times measurement data and standard values of E

5 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了脈搏傳感器和血氧傳感器的制作過程，同時(shí)也詳細(xì)介紹圍繞 ARM Cortex—M3微型處理器，整合

了溫濕度傳感器、顯示報(bào)警及無(wú)線通信等模塊制成可穿戴式的流程。數(shù)據(jù)采集過后，本文比較分析了各種情況下采集的數(shù)據(jù)并對(duì)其中存在的不同給出了相應(yīng)的解釋，同時(shí)儀器采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)比，計(jì)算誤差在很小1.0 %之內(nèi)，滿足實(shí)際過程中測(cè)試的需求。綜上結(jié)果表明：本文介紹的可穿戴式設(shè)備擺脫之前測(cè)量?jī)x器局限性，制作簡(jiǎn)潔，運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確，兼有無(wú)線和有線傳輸?shù)墓δ堋Ｉ頂?shù)據(jù)檢測(cè)儀為以后生理數(shù)據(jù)大規(guī)模檢測(cè)提供一種可用設(shè)計(jì)理念，同時(shí)對(duì)醫(yī)療及個(gè)人生理數(shù)據(jù)檢測(cè)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

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[2] 劉士龍,李曉梅,于天林.血氧飽和度儀器的測(cè)量原理與應(yīng)用維護(hù)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2011(11):7.

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楊永杰,通訊作者,E—mail：yang.yj@ntu.edu.cn。

Research and fabrication of wearable physiological data detector*

LIU Jing, YANG Yong-jie, LI Dan, ZHANG Hui-meng

(School of Electronic and Information,Nantong University,Nantong 226019,China)

In order to improve traditional pulse,blood oxygen measurement method, and adapt to portable requirements of equipment through study of piezoelectric thin film,select appropriate passive piezoelectric thin film sensor and invasive reflective blood oxygen module,using Cortex—M3 ARM micro processor,integrated temperature and humidity sensor,display alarm and wireless communication module,fabricate a wearable physiological data detector.Through test,average relative measuring error of instrument test data and normal standard value is within 1 %,which meets requirement of measurement.Experiments show that the detector is simple,accurate,easy to carry,and has some practical guidance for clinical and personal pulse and blood oxygen detection.

piezoelectric thin film; blood oxygen detection; pulse count; STM32; physiological data transmission

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0076—04

2015—10—24

江蘇省科技資助項(xiàng)目(BY2014081—089);南通市科技項(xiàng)目(CP22014005,AA2014013,BK2014002)

TP 271； TN 609

A

1000—9787(2016)07—0076—04

劉 靜(1989-)，男，安徽合肥人，碩士，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髦谱鳎瑪?shù)據(jù)采集和嵌入式開發(fā)。