0 引言

    2016年10月25日，中共中央、國務(wù)院發(fā)布了《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》^[1]，這是今后15年推進健康中國建設(shè)的行動綱領(lǐng)。在《綱要》中，首次在國家層面上提出關(guān)于健康領(lǐng)域的中長期戰(zhàn)略規(guī)劃，同時也著重提出了對疾病的預(yù)防。由于個人對自身健康狀況的實時監(jiān)測意識顯著提高，可穿戴設(shè)備與家庭醫(yī)療器械的結(jié)合，將會在未來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。但是對于市面上現(xiàn)有的大多數(shù)設(shè)備，不方便攜帶或者精準度的欠缺成為目前急需解決的問題。

    本文采用光電容積描記法，通過光電手段檢測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]。當一定波長的光束通過人體皮膚后，反射回來的光強減弱。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態(tài)非穩(wěn)定的。反射回來的動態(tài)變化光強通過光電傳感器，將生物信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?sup>[3]。

    人體耳廓內(nèi)部有著豐富的毛細血管，由頸內(nèi)動脈系統(tǒng)垂直沿著耳道區(qū)域運行，毛細血管系統(tǒng)貫穿耳屏和耳垂。而且由于耳部的皮膚相對比較薄，減少了皮膚非血液組織對光束的穩(wěn)定吸收^[4]，使光強度損失較低，提高了采集信號的信噪比。

    另外，佩戴耳機后，光電傳感器會與耳廓緊密貼合。即使人們從事各種運動時，耳朵位置也保持相對穩(wěn)定。因此在這個位置采集信號抗干擾性能強，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)，包含了一個人生理健康的重要參數(shù)信息。血氧監(jiān)測的是血液中氧氣的飽和度，目前血氧的計算大都采用Lambert-Beer定律，根據(jù)血紅蛋白對光吸收系數(shù)的特性得到^[5]。

1.1 心率計算原理

    本設(shè)計中計算實時心率值經(jīng)過如下幾個步驟：(1)將采集的原始信號先做濾波處理，經(jīng)過加權(quán)平均濾波的信號消除了大部分毛刺和噪聲；(2)為了消除基線漂移，對濾波后的信號進行求導(dǎo)；(3)經(jīng)過前兩個步驟對原始信號的處理，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]的極值點濾除，通過兩個主波波峰的間距RR，計算實時心率值，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不同時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)計采用反射性原理，選擇血液在對血氧飽和度的變化最為敏感的波長紅光660 nm和紅外光905 nm。根據(jù)反射式血氧計算公式如下：

    其中ρ_660/905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)去驗證標定，是實驗常數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

    本設(shè)計是一款穿戴式測量實時心率和血氧值的健康監(jiān)測耳機系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括信號采集模塊、信號處理模塊、信號傳輸模塊和上位機顯示模塊^[8]。心率血氧監(jiān)測的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    完成的耳機實物如圖3所示。

2.1 信號采集模塊

    信號采集采用兩種光源，紅光LED和紅外LED。通過微控制器對預(yù)處理模塊AFE440x的LED驅(qū)動寄存器進行配置，實現(xiàn)紅光LED和紅外LED交替閃爍。照射到耳朵皮膚的光束經(jīng)過反射后的光信號被光電傳感器接收，轉(zhuǎn)換為電信號，并傳輸給預(yù)處理模塊AFE440x。

2.2 信號處理模塊

    信號處理模塊由預(yù)處理模塊、MCU（微控制器）控制模塊組成。通過采集模塊光電傳感器得到的信號，需要經(jīng)過預(yù)處理模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過AFE440x的SPI接口傳輸至微控器MSP430^[9]，進行分析處理，計算脈搏波輸出波形數(shù)據(jù)以及實時心率和血氧值。

2.3 信號傳輸模塊

    本文選用的藍牙芯片為NRF51822，是一款具有高靈活性的多協(xié)議系統(tǒng)級芯片，功能強大，非常適用于藍牙低功耗的應(yīng)用。藍牙模塊主要負責與上位機通信，將MCU主控模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機^[10-11]，并接收上位機發(fā)出的指令。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    系統(tǒng)軟件設(shè)計由控制軟件設(shè)計、藍牙傳輸軟件設(shè)計和上位機界面設(shè)計三部分組成，主要完成信號的采集和處理以及數(shù)據(jù)的傳輸。

3.1 控制軟件設(shè)計

    MCU控制模塊上電工作，先初始化AFE440x，等待上位機發(fā)送采集指令。開始采集數(shù)據(jù)后， AFE440x以200 Hz的采樣率進行工作，每5 ms采集一次數(shù)據(jù)（包含紅光LED和紅外LED兩個通道的值），當采集累計到達256個數(shù)據(jù)，便完成了一個數(shù)據(jù)包的存儲。微控制器MSP430對存入相應(yīng)的緩沖區(qū)中的原始信號進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)，并且計算出實時心率值和血氧值。如圖4所示。

3.2 藍牙傳輸軟件設(shè)計

    NRF51822需要先初始化藍牙協(xié)議棧，然后打開藍牙廣播與上位機進行配對連接^[12]。用戶通過上位機發(fā)出采集指令，每1.28秒采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析計算，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。當用戶停止采集，上位機就向藍牙發(fā)送停止采集的指令，結(jié)束操作，如圖5所示。

3.3 上位機界面設(shè)計

    上位機客戶端顯示包含三部分：(1)實時心率值；(2)實時血氧值；(3)波形顯示。在上位機應(yīng)用界面，點擊藍色球開始采集數(shù)據(jù)，顯示每一個數(shù)據(jù)包計算的心率和血氧值并畫出相應(yīng)波形。設(shè)置心率正常范圍為50～120次，血氧飽和度基準為94%～99%，當心率或血氧超出設(shè)定范圍，顯示會提出預(yù)警，變?yōu)榧t色。上位機界面顯示如圖6所示。

4 實驗結(jié)果

4.1 脈博波實驗結(jié)果

    耳機監(jiān)測系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)LED的亮度、減少光電傳感器對光接收的損失等操作，得到具有較高信噪比的脈搏波信號，如圖7所示。

    將采集的帶有噪聲的原始信號進行濾波，濾除大部分無用的噪聲干擾，得到人體脈搏波信號，原始脈搏波波形和濾波后的波形對比如圖8、圖9所示。

4.2 心率和血氧實驗結(jié)果

    為驗證設(shè)計的合理性，挑選出年齡不同(20歲-70歲)的50人作為測試樣本，每次每人采集1 min，進行多次采集，結(jié)果與符合國家標準的監(jiān)測儀對比，挑選其中代表樣本12組，如表1和表2所示。

    對比穿戴式監(jiān)測耳機系統(tǒng)與標準的心率血氧監(jiān)測儀測試結(jié)果，兩者心率測量結(jié)果平均誤差為0.08 t/min，血氧飽和度測量結(jié)果平均誤差為0.33%，由于人體單位時間內(nèi)的體征差異，誤差在合理的波動范圍。

    實驗證明：本設(shè)計的結(jié)果不僅滿足可穿戴設(shè)備的便攜性，并保證了對人體健康參數(shù)心率和血氧監(jiān)測的精準度。

5 結(jié)論

    監(jiān)測耳機系統(tǒng)采用光電容積描記法計算出心率與血氧值，通過上位機實時監(jiān)測，并且提供實時波形顯示。本系統(tǒng)具有成本低、功耗低、易操作、方便攜帶，便于測量等特點，而且能夠獲取較高質(zhì)量的信號，誤差精準度相對較高，穩(wěn)定性好。

參考文獻

[1] 張永光，王曉鋒.“健康中國2030”規(guī)劃綱要的幾個理念轉(zhuǎn)變[J].衛(wèi)生軟科學(xué)，2017(2)：3-5.

[2] 龐宇，黃俊驍，林金朝，等.一種頭戴式血壓測量改進方法的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(11)：52-55.

[3] 郭晏瑋，王新玲.基于藍牙傳輸?shù)男穆时O(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試，2011(8)：84-87.

[4] 李景文，龍村，張保洲，等.反射式血氧飽和度監(jiān)測儀的設(shè)計與應(yīng)用[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床，2003(1)：3-6.

[5] 陳妮，張國棟，顏煥歡.便攜式無線光電容積脈搏波采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2017(1)：101-104.

[6] 周聰聰，涂春龍，高云，等.腕戴式低功耗無線心率監(jiān)測裝置的研制[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2015(4)：798-805.

[7] ZHU J，WU S，GUO W，et al.Design of non-invasive blood oxygen measurement based on AFE4490][J].Chinese Journal of Medical Instrumentation，2015，39(5)：341.

[8] 畢海濤.可穿戴式單芯片心率血氧智能采集的設(shè)計[D].長春：東北大學(xué)，2014.

[9] 魯林松.基于BLE和安卓的心率變異分析顯示系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].成都：成都理工大學(xué)，2015.

[10] TAHIR S.A bluetooth scatternet route optimization protocol[C].Proceedings of 2012 AASRI Conference on Power and Energy Systems(PES 2012 V2)，AASRI：，2012：7.

[11] LIU Y L，JING Y，QIAO L，et al.Intelligent temperature control system based on MSP430F149 single chip microcomputer[J].Control & Automation，2005.

[12] 黎圣峰，龐宇，高小鵬，等.便攜式血氧信號檢測裝置設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017(3)：1-4.

作者信息：

劉艷萍，金  菲，李  杰，胡東陽，劉澤宇

（河北工業(yè)大學(xué)，天津300401）