文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172487
中文引用格式： 劉艷萍，金菲，李杰，等. 可穿戴的心率和血氧監(jiān)測(cè)耳機(jī)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(9)：4-7，12.
英文引用格式： Liu Yanping，Jin Fei，Li Jie，et al. Design of wearable headset system monitoring heart rate and blood oxygen[J].Application of Electronic Technique，2017，43(9)：4-7，12.
0 引言
2016年10月25日，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布了《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》[1]，這是今后15年推進(jìn)健康中國(guó)建設(shè)的行動(dòng)綱領(lǐng)。在《綱要》中，首次在國(guó)家層面上提出關(guān)于健康領(lǐng)域的中長(zhǎng)期戰(zhàn)略規(guī)劃，同時(shí)也著重提出了對(duì)疾病的預(yù)防。由于個(gè)人對(duì)自身健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)意識(shí)顯著提高，可穿戴設(shè)備與家庭醫(yī)療器械的結(jié)合，將會(huì)在未來(lái)的生活中變得尤為重要。這種潮流已經(jīng)逐漸滲入人們的生活。但是對(duì)于市面上現(xiàn)有的大多數(shù)設(shè)備，不方便攜帶或者精準(zhǔn)度的欠缺成為目前急需解決的問(wèn)題。
本文采用光電容積描記法，通過(guò)光電手段檢測(cè)血液容積變化所呈現(xiàn)的特性，從而得到相關(guān)的健康參數(shù)[2]。當(dāng)一定波長(zhǎng)的光束通過(guò)人體皮膚后，反射回來(lái)的光強(qiáng)減弱。影響減弱的因吸收是穩(wěn)定的，而由于心臟收縮引起血液容積變化的吸收是動(dòng)態(tài)非穩(wěn)定的。反射回來(lái)的動(dòng)態(tài)變化光強(qiáng)通過(guò)光電傳感器，將生物信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)[3]。
人體耳廓內(nèi)部有著豐富的毛細(xì)血管，由頸內(nèi)動(dòng)脈系統(tǒng)垂直沿著耳道區(qū)域運(yùn)行，毛細(xì)血管系統(tǒng)貫穿耳屏和耳垂。而且由于耳部的皮膚相對(duì)比較薄，減少了皮膚非血液組織對(duì)光束的穩(wěn)定吸收[4]，使光強(qiáng)度損失較低，提高了采集信號(hào)的信噪比。
另外，佩戴耳機(jī)后，光電傳感器會(huì)與耳廓緊密貼合。即使人們從事各種運(yùn)動(dòng)時(shí)，耳朵位置也保持相對(duì)穩(wěn)定。因此在這個(gè)位置采集信號(hào)抗干擾性能強(qiáng)，穩(wěn)定度高，并且方便攜帶。
1 基本原理
心率是指人體一分鐘內(nèi)心臟的收縮次數(shù)，包含了一個(gè)人生理健康的重要參數(shù)信息。血氧監(jiān)測(cè)的是血液中氧氣的飽和度，目前血氧的計(jì)算大都采用Lambert-Beer定律，根據(jù)血紅蛋白對(duì)光吸收系數(shù)的特性得到[5]。
1.1 心率計(jì)算原理
本設(shè)計(jì)中計(jì)算實(shí)時(shí)心率值經(jīng)過(guò)如下幾個(gè)步驟：(1)將采集的原始信號(hào)先做濾波處理，經(jīng)過(guò)加權(quán)平均濾波的信號(hào)消除了大部分毛刺和噪聲；(2)為了消除基線漂移，對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行求導(dǎo)；(3)經(jīng)過(guò)前兩個(gè)步驟對(duì)原始信號(hào)的處理，得到如圖1所示的波形圖，提取波形的極大值；(4)利于閾值濾波，將低于最大值0.8倍[6]的極值點(diǎn)濾除，通過(guò)兩個(gè)主波波峰的間距RR，計(jì)算實(shí)時(shí)心率值，如式(1)所示：
其中，hr為心率值(次/分鐘)，RR為主波波峰間距，f為采樣頻率200 Hz。
1.2 血氧計(jì)算原理
本文根據(jù)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白在光波長(zhǎng)不同時(shí)的吸收差異性作為理論基礎(chǔ)[7]。紅光LED一般為660 nm波段，而紅外的LED分為905 nm和940 nm兩種波段。本設(shè)計(jì)采用反射性原理，選擇血液在對(duì)血氧飽和度的變化最為敏感的波長(zhǎng)紅光660 nm和紅外光905 nm。根據(jù)反射式血氧計(jì)算公式如下：
其中ρ660/905是指血液在選取波形附近的反射比，此反射比能夠反映出血氧飽和度的敏感變化。公式中的A、B、C、D需要用大量的數(shù)據(jù)去驗(yàn)證標(biāo)定，是實(shí)驗(yàn)常數(shù)。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)是一款穿戴式測(cè)量實(shí)時(shí)心率和血氧值的健康監(jiān)測(cè)耳機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)傳輸模塊和上位機(jī)顯示模塊[8]。心率血氧監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
完成的耳機(jī)實(shí)物如圖3所示。
2.1 信號(hào)采集模塊
信號(hào)采集采用兩種光源，紅光LED和紅外LED。通過(guò)微控制器對(duì)預(yù)處理模塊AFE440x的LED驅(qū)動(dòng)寄存器進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)紅光LED和紅外LED交替閃爍。照射到耳朵皮膚的光束經(jīng)過(guò)反射后的光信號(hào)被光電傳感器接收，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳輸給預(yù)處理模塊AFE440x。
2.2 信號(hào)處理模塊
信號(hào)處理模塊由預(yù)處理模塊、MCU（微控制器）控制模塊組成。通過(guò)采集模塊光電傳感器得到的信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)AFE440x的SPI接口傳輸至微控器MSP430[9]，進(jìn)行分析處理，計(jì)算脈搏波輸出波形數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)心率和血氧值。
2.3 信號(hào)傳輸模塊
本文選用的藍(lán)牙芯片為NRF51822，是一款具有高靈活性的多協(xié)議系統(tǒng)級(jí)芯片，功能強(qiáng)大，非常適用于藍(lán)牙低功耗的應(yīng)用。藍(lán)牙模塊主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，將MCU主控模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)[10-11]，并接收上位機(jī)發(fā)出的指令。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由控制軟件設(shè)計(jì)、藍(lán)牙傳輸軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)界面設(shè)計(jì)三部分組成，主要完成信號(hào)的采集和處理以及數(shù)據(jù)的傳輸。
3.1 控制軟件設(shè)計(jì)
MCU控制模塊上電工作，先初始化AFE440x，等待上位機(jī)發(fā)送采集指令。開(kāi)始采集數(shù)據(jù)后， AFE440x以200 Hz的采樣率進(jìn)行工作，每5 ms采集一次數(shù)據(jù)（包含紅光LED和紅外LED兩個(gè)通道的值），當(dāng)采集累計(jì)到達(dá)256個(gè)數(shù)據(jù)，便完成了一個(gè)數(shù)據(jù)包的存儲(chǔ)。微控制器MSP430對(duì)存入相應(yīng)的緩沖區(qū)中的原始信號(hào)進(jìn)行去除基線漂移以及濾波等處理，從而得到輸出的脈搏波波形數(shù)據(jù)，并且計(jì)算出實(shí)時(shí)心率值和血氧值。如圖4所示。
3.2 藍(lán)牙傳輸軟件設(shè)計(jì)
NRF51822需要先初始化藍(lán)牙協(xié)議棧，然后打開(kāi)藍(lán)牙廣播與上位機(jī)進(jìn)行配對(duì)連接[12]。用戶(hù)通過(guò)上位機(jī)發(fā)出采集指令，每1.28秒采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，得到一組心率、血氧值以及脈搏波輸出波形數(shù)據(jù)，發(fā)送至上位機(jī)。當(dāng)用戶(hù)停止采集，上位機(jī)就向藍(lán)牙發(fā)送停止采集的指令，結(jié)束操作，如圖5所示。
3.3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)
上位機(jī)客戶(hù)端顯示包含三部分：(1)實(shí)時(shí)心率值；(2)實(shí)時(shí)血氧值；(3)波形顯示。在上位機(jī)應(yīng)用界面，點(diǎn)擊藍(lán)色球開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，顯示每一個(gè)數(shù)據(jù)包計(jì)算的心率和血氧值并畫(huà)出相應(yīng)波形。設(shè)置心率正常范圍為50～120次，血氧飽和度基準(zhǔn)為94%～99%，當(dāng)心率或血氧超出設(shè)定范圍，顯示會(huì)提出預(yù)警，變?yōu)榧t色。上位機(jī)界面顯示如圖6所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.1 脈博波實(shí)驗(yàn)結(jié)果
耳機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)LED的亮度、減少光電傳感器對(duì)光接收的損失等操作，得到具有較高信噪比的脈搏波信號(hào)，如圖7所示。
將采集的帶有噪聲的原始信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除大部分無(wú)用的噪聲干擾，得到人體脈搏波信號(hào)，原始脈搏波波形和濾波后的波形對(duì)比如圖8、圖9所示。
4.2 心率和血氧實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，挑選出年齡不同(20歲-70歲)的50人作為測(cè)試樣本，每次每人采集1 min，進(jìn)行多次采集，結(jié)果與符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)儀對(duì)比，挑選其中代表樣本12組，如表1和表2所示。
對(duì)比穿戴式監(jiān)測(cè)耳機(jī)系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)的心率血氧監(jiān)測(cè)儀測(cè)試結(jié)果，兩者心率測(cè)量結(jié)果平均誤差為0.08 t/min，血氧飽和度測(cè)量結(jié)果平均誤差為0.33%，由于人體單位時(shí)間內(nèi)的體征差異，誤差在合理的波動(dòng)范圍。
實(shí)驗(yàn)證明：本設(shè)計(jì)的結(jié)果不僅滿(mǎn)足可穿戴設(shè)備的便攜性，并保證了對(duì)人體健康參數(shù)心率和血氧監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度。
5 結(jié)論
監(jiān)測(cè)耳機(jī)系統(tǒng)采用光電容積描記法計(jì)算出心率與血氧值，通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且提供實(shí)時(shí)波形顯示。本系統(tǒng)具有成本低、功耗低、易操作、方便攜帶，便于測(cè)量等特點(diǎn)，而且能夠獲取較高質(zhì)量的信號(hào)，誤差精準(zhǔn)度相對(duì)較高，穩(wěn)定性好。
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作者信息：
劉艷萍，金 菲，李 杰，胡東陽(yáng)，劉澤宇
（河北工業(yè)大學(xué)，天津300401）