可測心率的智能T恤設計探討

蔡眾旺，班興達，何乃磊，陳 路，刁鵬飛

(東北林業大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引言

目前，心血管疾病成為全球威脅人類健康的主要病因。根據世界衛生組織統計，心血管病死亡率居首位，明顯高于腫瘤及其他疾病。心血管疾病在2012年使全球近1750萬人喪命，占全球死亡總數的31%，也就是每10名死者中就有3名是死于心血管疾病。

據統計，截至2015年，心血管病死亡率居我國因病致死率的首位[1]。從圖1中可以看出，從2009年起，農村因心血管病的死亡率高于城市水平。這與農村醫療條件差，患者得不到有效預防與救治有著直接的關系。因此，亟待設計出能隨時隨地監測人類心臟健康狀況的設備。

圖1 1990～2015年中國城鄉居民心血管病死亡率變化

目前，醫院最普遍的檢查方法是采用心電圖機(ECG)[2]檢查患者的心臟功能，但監測較為麻煩且不能做到實時監測。國內市場的一些持續監測心率的設備(如運動手環)等產品也存在一些問題：手環僅僅根據脈搏檢測心率往往導致監測不夠準確。

綜上所述，針對國內心臟監測產品開發的空缺，需要開發出一套更完善的裝置，提升心率信息采集和遠程測定心率的效率，同時更具準確性及便捷性。本文擬采用基于Arduino Uno微控制器和心率傳感器 Pulse sensor設計了一種能夠遠程實時測定心率的心率數據信息采集裝置[3]。傳感器收集到的信息并通過藍牙通信回傳，實現心率數據信息的采集。最終研制出一種能夠遠程實時測定使用者心率的低功耗的智能T恤。

2 心率傳感器

2.1 心率

心率是指正常人安靜狀態下每分鐘心跳的次數，也稱安靜心率，一般為60～100次/min，影響因素有年齡、性別或其他生理因素等。心率變化與心臟疾病密切相關。如果心率超過160次/min，或低于40次/min，大多見于心臟病患者，如常伴有心悸、胸悶等不適感，應及早進行詳細檢查，以便針對病因進行治療。

2.2 心率監測系統概述

隨著近年來企業加大對智能穿戴市場的投入，涌現出如百度Boom Band智能手環，果殼電子的 REAK watch等一系列產品[4]。這些產品基于心率以及一些位移傳感器已經能做到步數記錄，簡單的心率測定。但對測定的精確性，手環囿于測定手部的脈搏并不能得到保證。

心率信號采集應用兩種方法:一種是有創法, 將傳感器插入血管中, 另一種是無創法。常用的無創方法有3種:一是壓力傳感器采集, 需要將傳感器與使用者身體緊緊固定住, 影響舒適度;二是ECG采集, 通過12聯導可以準確地采集到心率, 信號波形豐富, 但成本過高, 不適于可穿戴設備;三是光電采集法, 又叫做PPG法[5], 是將特定波長的光從人體血管豐富的地方 (如腕部或指部) 一端照射, 在另一端用光敏元件接收, 心臟收縮的時候會在血管里產生波動, 流過血管內的容積大小產生變化, 對于光的吸收度也跟隨變化, 光敏元件中的電流會隨之變化電流通過電路轉化為電壓。[6]T恤采用光電采集法來采集心率信號, 由于采集后的電壓值較小, 需要經過放大器和低通濾波器后再進行A/D采集[7]。

由于傳統測心率方法的不精確性，我們使用了基于Arduino Uno微控制器的心率數據信息采集裝置，其組成包括：信息采集裝置，其特征是：所述的信息采集裝置包括電源供電模塊、Arduino Uno 微控制器系統模塊、心率傳感器 Pulse sensor、藍牙通信模塊XM-15B[8]。總體設計如圖2所示。

圖2 總體設計

2.3 系統模塊功能設計

電源模塊是為信息采集裝置提供穩定的工作電壓，使得其它電路模塊能夠正常工作，本產品中電源模塊的VCC分別與信息采集裝置的Arduino Uno微控制器系統模塊的VCC、藍牙通信模塊XM-15B的VCC和心率傳感器Pulse sensor的VCC連接;所述的電源模塊的GND分別與信息采集裝置的Arduino Uno微控制器系統模塊的GND、藍牙通信模塊XM-15B的GND和心率傳感器Pulse sensor的GND連接，并且帶有太陽能充電功能使人們每天不用自主充電體現出了便利性，也不會出現忘記充電從而監測不準的事情[9]。

心率檢測模塊對心率進行檢測并進行數據采集，將實時監測的信息整合。而后使用Arduino Uno 微控制器系統模塊用來實現數據的獲取、處理與傳送，其中Arduino Uno 微控制器通過TXD與XM-15B的RXD相連接；Arduino Uno 微控制器通過RXD與XM-15B的TXD相連接；心率檢測模塊 Pulse sensor通過OUT端口與Arduino Uno微控制器系統模塊的P2端口相連接[10]。

藍牙通信模塊用來實現對所收集的心率數據與智能收集的傳送。將之前整合的信息發送至智能手機上從而實現實時監控。

傳輸系統基于Arduino Uno微控制器的心率數據信息采集裝置，其藍牙通信模塊XM-15B由藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group)管理，使用無線電(廣播)通訊系統，能夠大大提高通訊信息的傳遞效率。其技術路線見圖3。

3 T恤的外觀設計

考慮到穿戴者的汗液可能會干擾傳感器的正常運作，所以計劃用干爽、透氣的面料制造T恤，將并電子板放置在穿戴著胸口的位置，以保證外觀的協調和穿著的舒適。如圖4所示。

圖3 技術路線

圖4 T恤外觀構想

4 結語

該T恤基于Arduino Uno微控制器的心率數據信息采集裝置設計，尤其涉及一種用于心率數據信息采集中的電路設計，填補了該產品研究、開發的空缺，是一套更完善的裝置，對心率信息采集中信息和遠程測定心率的效率進行了提升，同時也提高了心率測量的準確性和信息傳輸的精確性，是一次重要的技術創新。