馮衛(wèi)忠，邵洪芳，張玉琴，范詠燕

基于藍(lán)牙技術(shù)的便攜式心率數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計(jì)

馮衛(wèi)忠，邵洪芳，張玉琴，范詠燕

目的：及時(shí)、準(zhǔn)確、方便地顯示心率。方法：采用內(nèi)嵌藍(lán)牙模塊的心率采集裝置采集心率，并使用無(wú)線(xiàn)方式傳送至智能手持終端，智能手持終端接收、保存、判斷并在顯示屏上顯示心率數(shù)值。結(jié)果：佩戴心率采集儀的使用者可以隨時(shí)知道自己的心率數(shù)值，同時(shí)，在心率數(shù)據(jù)不正常情況下能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警求救短信。結(jié)論：基于藍(lán)牙技術(shù)的便攜式心率采集儀能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)持有者的心率不正常現(xiàn)象，為挽救生命提供了寶貴時(shí)間，在心血管疾病患者以及獨(dú)居老人等人群中具有廣闊的應(yīng)用前景。

心率監(jiān)測(cè)；藍(lán)牙；智能手持終端

0　引言

心率作為自主神經(jīng)在竇房結(jié)水平相互作用的反映，與人體心臟功能和健康狀況密切相關(guān)。心率的快慢反映了人體在心血管、代謝及精神等方面的健康狀況，是人體最重要的生理參數(shù)之一。隨著人們生活水平的提高，心血管疾病的發(fā)病率也逐年上升，并已成為我國(guó)城鄉(xiāng)居民病死的第二大原因[1]。因此，近年來(lái)心率在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。

隨著科技的發(fā)展，特別是信號(hào)檢測(cè)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)心率信號(hào)的檢測(cè)分析進(jìn)行了廣泛而有意義的研究[2]。傳統(tǒng)的心電監(jiān)測(cè)儀中，各硬件裝置之間通過(guò)通信線(xiàn)纜連接，操作平臺(tái)也基于通信線(xiàn)纜與各監(jiān)測(cè)裝置間交換數(shù)據(jù)。采用這種儀器檢測(cè)，人們需要到醫(yī)院等特定場(chǎng)合佩戴一定的儀器才能實(shí)現(xiàn)心率信號(hào)的采集，大大約束了人們的行為[3-4]。所以，傳統(tǒng)的心電監(jiān)測(cè)儀雖然在一定場(chǎng)合有其適用性，但不能隨時(shí)隨地檢測(cè)心率信號(hào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)被測(cè)者的隨意移動(dòng)。還有一些心率采集儀能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將心率數(shù)據(jù)傳送到使用者的智能終端上（如心率表等），方便使用者實(shí)時(shí)觀察心率數(shù)據(jù)，但心率表在使用者出現(xiàn)心率危險(xiǎn)時(shí)不能自動(dòng)通知他人[5-7]。為解決心率數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳送，特別是在出現(xiàn)危急情況時(shí)能夠自動(dòng)及時(shí)將心率儀使用者的危急情況告訴他人，本文設(shè)計(jì)一種使用者隨身攜帶的心率采集儀。該儀器采集心率數(shù)據(jù)，并通過(guò)藍(lán)牙近距離無(wú)線(xiàn)發(fā)送到使用者的智能手持終端（或智能手機(jī)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)手持終端），進(jìn)而在手持終端的屏幕上顯示該心率數(shù)據(jù)；在心率出現(xiàn)危急情況時(shí)，手持終端還可以向使用者本人及其監(jiān)護(hù)人（使用前設(shè)定）發(fā)送報(bào)警提示短信。本系統(tǒng)中的手持終端可以是人們目前通用的智能手機(jī)，通過(guò)運(yùn)行特定程序，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收、心率數(shù)據(jù)的保存?zhèn)洳?、心率?shù)據(jù)顯示和發(fā)生心率危急時(shí)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信，突破了有線(xiàn)的牽絆，實(shí)現(xiàn)了使用者的隨意移動(dòng)。因此，本系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用前景。

1　心率采集儀的結(jié)構(gòu)

便攜式心率采集儀由信號(hào)采集、信號(hào)傳送、信號(hào)接收和信號(hào)處理與顯示4部分組成。

（1）信號(hào)采集。動(dòng)脈血管在收縮和舒張時(shí)透射光的強(qiáng)度不同，所以，可以通過(guò)光敏元件將這些強(qiáng)弱不等的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度不同的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)心率數(shù)據(jù)的采集。

（2）信號(hào)傳送。將采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形、模數(shù)轉(zhuǎn)換與計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)所得數(shù)據(jù)送到藍(lán)牙模塊進(jìn)行近程無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。

（3）信號(hào)接收。具有藍(lán)牙模塊的手持終端，通過(guò)藍(lán)牙接收心率采集裝置無(wú)線(xiàn)傳送的心率數(shù)據(jù)。

（4）信號(hào)處理與顯示。將藍(lán)牙設(shè)備接收到的心率數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)顯示在顯示屏上。

1.1信號(hào)采集

心率信號(hào)的采集由心率傳感器、信號(hào)放大器、信號(hào)濾波器、A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理器組成。便攜式心率數(shù)據(jù)采集儀將采集到的人體的心率信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形，經(jīng)過(guò)微處理單元（MCU）的計(jì)數(shù)后將數(shù)值送到藍(lán)牙模塊，進(jìn)行近程無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。

心率信號(hào)的獲取，可以通過(guò)在胸部采集心臟跳動(dòng)幅度，也可以在腕部采集腕動(dòng)脈舒張與收縮的幅度，還可以采集指尖處脈搏搏動(dòng)的幅度，通常采集心率信號(hào)多采用壓電振動(dòng)傳感器和混合光學(xué)傳感器。如：在胸部或腕部采集心率信號(hào)一般采用壓電振動(dòng)傳感器；而在指尖部采集心率信號(hào)多采用混合光學(xué)傳感器[8]。下面以混合光學(xué)傳感器為例來(lái)說(shuō)明心率信號(hào)的提取。

在人體的指尖處，組織厚度薄，動(dòng)脈成分含量高，透過(guò)手指的光強(qiáng)跟隨脈搏搏動(dòng)而變化[9]。夾指?jìng)鞲衅魇怯杉t色發(fā)光二極管、近紅外發(fā)光二極管和高性能光敏二極管組成的混合光學(xué)傳感器。通過(guò)光敏元件將強(qiáng)弱不等的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度不同的電信號(hào)。

根據(jù)郎伯特—比爾（Lamber-Beer）定律[9]，混合光電傳感器輸出的電流為式中：I0為入射光的強(qiáng)度；C為溶液的濃度；D為溶液的厚度，即光程；λ為吸收系數(shù)，是常數(shù)。

郎伯特—比爾定律表明，當(dāng)I0、C和D不變時(shí)，λ越大，則I越小，透射光越弱，光被吸收得越多。這樣就可以根據(jù)指尖透過(guò)的光強(qiáng)不同使得傳感器輸出電流的大小不同，進(jìn)而得到脈搏舒張收縮的規(guī)律，從而得到心率信號(hào)。

由于從混合光學(xué)傳感器輸出的心率信號(hào)幅度較?。▋H為0～4 mV），為不失真地檢測(cè)出心率信號(hào)，要求心率采集裝置具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強(qiáng)抗干擾能力等性能，因此，前置放大電路是心率數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本設(shè)計(jì)中采用的前置信號(hào)放大電路如圖1所示，該放大器是差動(dòng)輸入、單端輸出。電壓增益可由一個(gè)電阻Rg來(lái)確定，且增益連續(xù)可調(diào)，放大器的放大增益G為

則

圖1　信號(hào)放大器的原理

通過(guò)心率信號(hào)幅度為0～4 mV，信號(hào)的頻率范圍為0.05～30 Hz，是一種弱的機(jī)械振動(dòng)，其噪聲背景較強(qiáng)，故檢測(cè)條件比較復(fù)雜，很容易受到干擾，主要干擾包括工頻干擾、肌電干擾、基線(xiàn)漂移、電磁場(chǎng)干擾和電極接觸噪聲。工頻干擾主要來(lái)源生活、工業(yè)用電的50 Hz干擾及其諧波干擾；肌電是人體肌肉收縮產(chǎn)生的電信號(hào)，幅度范圍為0.1～5 mV，頻率范圍為5～2 000 Hz，主要肌電干擾集中在35～45 Hz[8，10]；基線(xiàn)漂移是由人體的移動(dòng)、呼吸以及電極接觸不良等情況造成的心電信號(hào)偏離原來(lái)的基線(xiàn)水平而發(fā)生的漂移，這種噪聲的頻率一般在0.3 Hz以下[10]；電磁場(chǎng)干擾主要來(lái)源各類(lèi)無(wú)線(xiàn)電發(fā)射裝置、各種工業(yè)干擾、無(wú)電干擾和設(shè)備內(nèi)部的高頻電磁場(chǎng)干擾，其特點(diǎn)是頻率范圍較寬、作用距離遠(yuǎn)、幅值不穩(wěn)定[10]；電極接觸噪聲主要是由于電極和皮膚接觸不良引起的瞬態(tài)干擾，它可以看作是一個(gè)隨機(jī)發(fā)生的快速基線(xiàn)改變[8]。

為減小心率信號(hào)在采集過(guò)程中受這些干擾的影響，將心率傳感器輸出的心臟跳動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)截止頻率為30 Hz的低通濾波器。采用低噪聲雙運(yùn)算放大器NE5532構(gòu)成低通濾波器，通過(guò)調(diào)節(jié)NE5532外圍電路中電阻的阻值減半使低通濾波器的截止頻率為30 Hz。低通濾波原理如圖2所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)得濾波后的心率信號(hào)波形如圖3所示。

心率傳感器采集的心率信號(hào)是一個(gè)模擬信號(hào)，無(wú)法直接計(jì)數(shù)，需要將該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，然后計(jì)算心率脈沖的重復(fù)周期，心率脈沖重復(fù)周期的倒數(shù)就是心率跳動(dòng)的頻率，該頻率乘以60就可得到每分鐘的心率數(shù)。由于微處理器的時(shí)鐘與模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，在計(jì)算心率時(shí)通常計(jì)算5～7個(gè)脈沖所占用的時(shí)間來(lái)得到心率脈沖的平均周期，進(jìn)而得到心率，心率的計(jì)算公式為60/T（次/min）。

圖2　低通濾波器原理示意圖

圖3　心率傳感器輸出的心率信號(hào)波形

使用微處理單元計(jì)算得到心率數(shù)值是二進(jìn)制的，將該二進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后存儲(chǔ)到微處理單元的內(nèi)部寄存器中，以備近程通信單元讀取并發(fā)送。

1.2心率信號(hào)的近程發(fā)送與接收

經(jīng)過(guò)采集、放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換和計(jì)數(shù)后得到的心率數(shù)值，需要通過(guò)近程通信方式傳送到智能終端（或手持終端）。數(shù)據(jù)的近程通信可以采用近程射頻通信模塊、藍(lán)牙通信技術(shù)和ZigBee通信技術(shù)。由于藍(lán)牙是一種短距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，具有很強(qiáng)的移植性，可應(yīng)用于多種通信場(chǎng)合，成本低廉，功耗低，對(duì)人體危害小，采用擴(kuò)頻跳頻技術(shù)后其抗干擾能力強(qiáng)，增加了信息傳輸?shù)陌踩?，因此，心率儀采用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行近程數(shù)據(jù)傳送。

在心率采集儀中，藍(lán)牙模塊設(shè)置為從模式（簡(jiǎn)稱(chēng)從藍(lán)牙），手持終端中的藍(lán)牙模塊設(shè)置為主模式（簡(jiǎn)稱(chēng)主藍(lán)牙）。主藍(lán)牙是數(shù)據(jù)通信的發(fā)起者，主動(dòng)與其他藍(lán)牙設(shè)備建立鏈接，從藍(lán)牙用于響應(yīng)主藍(lán)牙建立鏈接的要求。在手持終端開(kāi)機(jī)時(shí)，主藍(lán)牙首先發(fā)出查詢(xún)從藍(lán)牙的指令，若從藍(lán)牙也處于加電工作狀態(tài)則響應(yīng)主藍(lán)牙“我已準(zhǔn)備好可以開(kāi)始發(fā)送”，主藍(lán)牙接收到這個(gè)響應(yīng)后，就讓自己處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備接收從藍(lán)牙發(fā)送的數(shù)據(jù)。若從藍(lán)牙未加電工作，則主藍(lán)牙發(fā)出“未找到心率采集儀”的提示信息。在主、從藍(lán)牙初始化信息交換成功后，心率采集儀則處于工作狀態(tài)。當(dāng)從藍(lán)牙得到一個(gè)心率數(shù)據(jù)時(shí)，添加上主藍(lán)牙的識(shí)別碼并發(fā)送到無(wú)線(xiàn)信道，在從藍(lán)牙附近的主藍(lán)牙接收到這個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)先判斷其中的識(shí)別碼是否是自己的號(hào)碼，若不是則不予理睬；若是則剝除主藍(lán)牙的識(shí)別碼，將這個(gè)數(shù)據(jù)接收下來(lái)。藍(lán)牙的工作流程如圖4所示。

圖4　藍(lán)牙工作流程

1.3信號(hào)處理與顯示

手持終端的藍(lán)牙接收了心率采集儀裝置的藍(lán)牙發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，這個(gè)數(shù)據(jù)是無(wú)法自動(dòng)在手持終端屏幕上顯示的，需要在手持終端上加載一個(gè)程序，使之能夠從藍(lán)牙數(shù)據(jù)流中找出心率數(shù)據(jù)并添加上時(shí)間，顯示在手持終端屏幕上。同時(shí)，對(duì)這個(gè)心率數(shù)據(jù)還要進(jìn)行處理，如果心率數(shù)據(jù)正常，則存儲(chǔ)到手持終端的固定文件中，然后手持終端處理器繼續(xù)偵聽(tīng)藍(lán)牙端口，接收新的心率數(shù)據(jù)，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)；如果心率數(shù)據(jù)超過(guò)正常范圍，達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，或者出現(xiàn)心率變化較大、心律不齊等癥狀時(shí)，手持終端處理器會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，并且使用移動(dòng)通信系統(tǒng)向監(jiān)護(hù)人（系統(tǒng)啟用時(shí)設(shè)置的）的號(hào)碼發(fā)送警示求救短信。自動(dòng)顯示及心率監(jiān)測(cè)程序流程如圖5所示。

圖5　自動(dòng)顯示及心率監(jiān)測(cè)程序流程圖

2　心率采集儀的應(yīng)用

心率是指心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，與人安靜/運(yùn)動(dòng)、心血管疾病、年齡大小等因素有關(guān)。如美國(guó)心臟病協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，正常成年人的靜息心率為60～80次/min；靜息心率超過(guò)100次/min，醫(yī)學(xué)上則為“心動(dòng)過(guò)速”；少于60次/min，則是“心動(dòng)過(guò)緩”；如果靜息心率經(jīng)常超過(guò)80～85次/min，則應(yīng)該引起警惕。因?yàn)殪o息心率過(guò)快，增加心臟耗氧量，使心臟應(yīng)激性增強(qiáng)，會(huì)引起小血管病變并促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致心肌廣泛纖維化，心肌廣泛纖維化是惡性心律失常和猝死的主要原因。

人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，心跳會(huì)加快，心率可達(dá)170次/min甚至200次/min，通常最大心率為210次/min，超過(guò)最大心率值也會(huì)發(fā)生猝死。因此，合理的有氧運(yùn)動(dòng)心率范圍為（最大心率-靜息心率-年齡）×Q+靜息心率，其中：最大心率≈210次/min；靜息心率指運(yùn)動(dòng)前相對(duì)安靜狀態(tài)下的心率；Q代表運(yùn)動(dòng)量，50%以下為小運(yùn)動(dòng)量，50%～75%為中運(yùn)動(dòng)量，75%以上為大運(yùn)動(dòng)量。如某人50歲，靜息心率76次/min，希望進(jìn)行小運(yùn)動(dòng)量有氧運(yùn)動(dòng)，確定有氧心率=（210-76-50）×50%+ 76=118次/min。智能終端進(jìn)行心率數(shù)據(jù)的分析判定時(shí)，要遵循上述心率范圍的規(guī)定。

基于上述原理和心率判斷準(zhǔn)則，在實(shí)驗(yàn)室制作了心率采集儀，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。其中，圖6（a）是采用光敏三極管制作的心率采集裝置，為提高采集效果用膠帶包住接收管，以達(dá)到蔽光的目的；圖6（b）是使用示波器對(duì)輸出電壓進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果；圖6（c）是對(duì)其進(jìn)行整形后得到的心率波形；圖6（d）是藍(lán)牙模塊接收到的心率數(shù)據(jù)；圖6（e）是系統(tǒng)判斷出不正常心率數(shù)據(jù)后發(fā)出的警示信息在手持終端上的顯示。

圖6（d）中顯示的心率數(shù)值是心率儀佩戴者靜坐聊天時(shí)監(jiān)測(cè)的，從中可以看出，心率處于正常數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，因而智能終端僅在藍(lán)牙接收的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上添加了接收時(shí)間就在顯示屏上顯示心率值；圖6（e）中顯示的數(shù)值是佩戴者慢跑后打開(kāi)心率儀所測(cè)得的數(shù)值，由于省略了從靜息心率到走路再到慢跑的心率逐漸增加的過(guò)程，心率儀認(rèn)為該數(shù)值是佩戴者靜息心率，因而發(fā)出了報(bào)警提示短信。由于數(shù)值較大屬于二級(jí)警告，所以智能終端每隔1 min就發(fā)出1次提示短信，直到佩戴者作出干預(yù)。

通過(guò)圖6所示實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出，該心率采集儀能夠?qū)崿F(xiàn)心率數(shù)據(jù)的采集、整形、計(jì)數(shù)、無(wú)線(xiàn)發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)判斷與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、發(fā)出警示信息等，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖6　心率采集儀的實(shí)驗(yàn)室制作與測(cè)試

3　結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于藍(lán)牙技術(shù)的便攜式心率采集儀，用藍(lán)牙模塊的無(wú)線(xiàn)傳輸取代傳統(tǒng)心率采集儀的有線(xiàn)傳輸，使心率監(jiān)測(cè)非常方便靈活，中老年人可以隨時(shí)隨地檢測(cè)自己的心率，了解自己的健康狀況，當(dāng)心率出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)可以及時(shí)采取措施。同時(shí)，本產(chǎn)品還可以應(yīng)用于心血管疾病患者、亞健康人群、肥胖人群、運(yùn)動(dòng)員和特殊需要人群，對(duì)提高全民的身體素質(zhì)、健康水平和生活質(zhì)量具有重要作用。

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（收稿：2014-04-17修回：2014-08-30）

Design of portable heart rate acquisition instrument based on bluetooth

FENG Wei-zhong1,SHAO Hong-fang2,ZHANG Yu-qin3,FAN Yong-yan2
（1.Department of Hospital Administration，the 454th Hospital of the PLA,Nanjing 210002, China;2.Yixing People's Hospital,Yixing 214200,Jiangsu Province,China; 3.The 359th Hospital of the PLA,Zhenjiang 212001,Jiangsu Province,China）

To display heart rate timely,accurately and conveniently.The heart rate signals were collected with the instrument with embedded Bluetooth module,and transmitted to the smart handheld terminal to receive, store and judge heart rate signals and then to display the values.The holder catching the apparatus could know the heart rate value,and send SOS message timely in case of irregular values.The apparatus based on Bluetooth can detect the abnormal heart rate,and is worth popularizing for cardiovascular disease patients and old solitary person.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（12）：7-10]

heart rate monitoring;Bluetooth;smart handheld terminal

R318.6；TH772+.2；TN92

A

1003-8868（2014）12-0007-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.007

南京軍區(qū)重點(diǎn)課題（102013）

馮衛(wèi)忠（1972—），男，主任，主管技師，主要從事醫(yī)院管理、衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)方面的研究工作，E-mail：FWZ9408@sina.com。

210002南京，解放軍454醫(yī)院醫(yī)務(wù)處（馮衛(wèi)忠）；214200江蘇宜興，宜興市人民醫(yī)院（邵洪芳，范詠燕）；212001江蘇鎮(zhèn)江，解放軍359醫(yī)院（張玉琴）

邵洪芳，E-mail：153989319@qq.com