劉 靜， 楊永杰， 李 丹， 張會猛

(南通大學 電子信息學院,江蘇 南通 226019)

可穿戴式生理數(shù)據(jù)檢測儀的研制*

劉 靜， 楊永杰， 李 丹， 張會猛

(南通大學 電子信息學院,江蘇 南通 226019)

為了改善傳統(tǒng)脈搏、血氧測量方式以及適應人們對設備可攜帶的要求，通過對壓電薄膜的研究，選擇合適的無源壓電薄膜傳感器和無創(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、顯示報警及無線通訊等模塊，制成了一種可穿戴式生理數(shù)據(jù)檢測儀。通過測試，儀器檢測的數(shù)據(jù)與正常標準值的平均相對測量誤差在1.0 %之內(nèi)，滿足測量要求。實驗表明：該檢測儀制作簡單，測量準確，攜帶方便，對臨床以及個人脈搏及血氧檢測具有一定的實際指導意義。

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

0 引 言

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

本文結合穿戴設備的實用性設計出一種新的生理數(shù)據(jù)檢測儀。在脈搏測量方面,設備使用無源壓電薄膜傳感器[3]，運用壓電原理計算脈搏；在血氧檢測方面,儀器采用反射式紅外光檢測原理制成血氧檢測傳感器,該方法免去紅外穿透血液測量計數(shù)的不便。上述兩種傳感器結合起來,只需貼近皮膚表面就可以測量身體任何一個部位的脈搏和血氧，同時儀器制成手環(huán)或者小型設備可以有效地穿戴，實時監(jiān)測身體數(shù)據(jù)，通過藍牙和串口上傳至手機或者電

腦，結合軟件對數(shù)據(jù)的分析，達到對穿戴者長期監(jiān)測觀察的目的。

1 總體結構設計

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

圖1 生理數(shù)據(jù)檢測儀器設計框圖Fig 1 Design block diagram of physical data test instrument

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

2 傳感器模塊設計

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修正其他傳感器的測量數(shù)據(jù)，達到測量更為準確的效果。

2.1 脈搏傳感器模塊

20世紀60年代，科學家發(fā)現(xiàn)高分子材料聚偏氟乙烯(PVDF)壓電效應，即有外力施加于材料表面時，由于材料內(nèi)部晶體不對稱性，使得正負電荷開始偏移，內(nèi)部形成電場，且表面外部的壓力與兩端形成的電壓成正相關，整個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，但是脈搏信號比較微弱，頻率低，外界干擾信號多，所以，由傳感器得到的信號要經(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，再通過電壓比較電路，實現(xiàn)對信號整形，輸出適合處理的方波信號，整個電路比較簡單。

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，學生第一時間想到的往往是長方形、正方形，從一（下）“平面圖形的認識”開始，學生所接觸的平面圖形中最多的是長方形與正方形，以致面積學習的起始階段，會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)對紅光和紅外光吸收程度不同，導致入射光和出射光之間存在一定的衰減，從而計算出某一時間段流經(jīng)某一部位的血氧含量，在醫(yī)學上用血氧飽和度(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，結合以上兩個公式和數(shù)學計算可以得到血氧飽和度計算的另一種計算方法[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，c是一個用來減小因為其他因素造成的誤差的常量，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是實驗過程中需要計算的值。經(jīng)過光電轉換和電壓與電流變換，本文就把實際中要測量血氧問題轉變成了測光頻率問題，電路如圖3所示。

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

圖3為血樣電路的檢測電路,該電路是將光電傳感器采集到的信號轉換成可計算得數(shù)字信號,整個電路分成4塊：H橋電路由4個三極管搭建而成，其4個端口接到處理器的4個引腳，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，簡單易實現(xiàn)；偏置電壓IV轉換電路是在發(fā)射光源的同側，有相應光電接受管，將接收到的光轉換為電流信號，再將微弱的電流信號轉化為電壓信號；信號的放大濾波處理電路，主要是對微弱信號濾波放大再加工；雙陷波濾波電路，主要功能為了濾去整個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濕元件和一個NTC測溫元件，4個引腳分別接著系統(tǒng)相應的串口：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二進制形式進行傳送，數(shù)據(jù)采用校驗和的方式保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。DHT1功耗低，性能穩(wěn)定，價格便宜，接口簡單適合對環(huán)境溫度、濕度的測量。

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)按照相應的算法進行處理，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I/O通用接口，工作頻率可達72 MBZ，工作電壓3.3 V，芯片穩(wěn)定，價格合理，性價比高，滿足設計需求。

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

軟件設計主要是針對數(shù)據(jù)進行的算法并整合外圍模塊形成的一個程序流程圖，如圖5所示。首先開始程序進入初始化階段，該階段主要是對系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)定義，內(nèi)存分配以及外接設備的連接，確認無誤后按下開始按鍵；軟件有兩個模式選擇，默認的為標準模式，即按照脈搏的定義需要在1 min內(nèi)統(tǒng)計用戶脈搏數(shù)，血氧含量，周圍環(huán)境溫濕度的平均值以及當時的時間?？焖倌Ｊ絼t可以滿足用戶在運動過程中實時的查看數(shù)據(jù)，對準確率有一定影響，是個參考值，數(shù)據(jù)檢測完畢之后會有一個判斷，數(shù)據(jù)超標或者低于正常值就會觸動紅色的二極管，并且蜂鳴器給予警告，顯示屏會有相應的提示。數(shù)據(jù)上傳，按下藍牙開關按鍵，藍牙工作燈亮，此時手機上的藍牙打開連接成功就可以接受相應的數(shù)據(jù)；同時串口可以連接電腦，通過C#編寫的上位機接收數(shù)據(jù)，上傳失敗則反復循環(huán)測量實時的數(shù)據(jù)。

圖5 程序流程圖Fig 5 Program flow chart

4 測試結果

在測試中,選擇了5個實驗對象(身體健康)分別用A,B,C,D,E表示,如表1。

表1 測試對象的基本情況Tab 1 Basic situation of test objects

如表1，A～E為不同人在相同情況下測出的脈搏和血氧數(shù)據(jù)，E，E1—E3為同一個人在不同的條件下測出的數(shù)據(jù)，總共測量100次,10次取一個平均值,共10個數(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數(shù)要高；2)比較B,C,E在平靜狀態(tài)下,年齡小一點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，溫度高對應脈搏也高。

從圖7可以的得出結論：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，睡眠時會有所下降，運動時有所提高但都不會有很大的波動；3)由E1,E3得出溫度高對血氧也稍微的有影響。

由圖8可知，實驗測得的數(shù)據(jù)圍繞這標準值波動，起伏的范圍不大。通過計算可知在平均10次測量中，脈搏平均相對誤差為：0.70 %，單次測量的最大誤差為：2.86 %；血氧平均相對誤差為：0.53 %，單次測量的最大誤差為：1.05 %。

圖8 E的10次測量數(shù)據(jù)與標準值比較Fig 8 Comparison between ten times measurement data and standard values of E

5 結束語

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

了溫濕度傳感器、顯示報警及無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)并對其中存在的不同給出了相應的解釋，同時儀器采集數(shù)據(jù)與標準設備對比，計算誤差在很小1.0 %之內(nèi)，滿足實際過程中測試的需求。綜上結果表明：本文介紹的可穿戴式設備擺脫之前測量儀器局限性，制作簡潔，運行穩(wěn)定，測量準確，兼有無線和有線傳輸?shù)墓δ?。生理?shù)據(jù)檢測儀為以后生理數(shù)據(jù)大規(guī)模檢測提供一種可用設計理念，同時對醫(yī)療及個人生理數(shù)據(jù)檢測具有一定的實際指導意義。

[1] 于 巍,古慶恩,黃世安.脈搏血氧飽和度監(jiān)測技術的研究進展[J].中國醫(yī)學裝備,2008(4):2-3.

[2] 劉士龍,李曉梅,于天林.血氧飽和度儀器的測量原理與應用維護[J].中國醫(yī)療設備,2011(11):7.

[3] 舒方法,石 俊.基于PVDF壓電薄膜的脈搏測量系統(tǒng)研究[J].壓電與聲光,2008(1):3-4.

[4] Zijlstrad W G,Oeseburg B.Definition and notation of hemoglobin oxygen saturation[J].IEEE Transactions on Bio-medical Engi-neering,1989,36(8):872-872.

[5] 張 彬.基于脈搏波的血氧飽和度檢測算法的研究[D].北京：北京交通大學，2009：9-12.

[6] 程本同,劉激揚.傳感器在環(huán)境監(jiān)控中的應用[J].傳感器與微系統(tǒng),2000,19(1):1-4.

[7] 周勝海.傳感器非線性的硬件校正方法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2002，21(5):1-4.

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

江蘇省科技資助項目(BY2014081—089);南通市科技項目(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，主要研究方向為傳感器制作，數(shù)據(jù)采集和嵌入式開發(fā)。