尤子銘 吳怡伸

摘 要 本實用新型的目的在于提供一種能夠實現(xiàn)血壓、血氧、心率三合一測量并利用APP實時傳輸數(shù)據(jù)到子女手機中的智能腕表，可以讓子女快捷了解到老年人身體狀況，并可以根據(jù)需要增加私人定制和天氣提醒系統(tǒng)，使設備更加人性化。

關鍵詞 物理學專業(yè);項目創(chuàng)新;技術原理

引言

我國正加速步入老齡化社會。據(jù)統(tǒng)計，我國目前60歲及以上老年人口有2.42億人，占總人口17.9%，在我國老齡化的趨勢下，隨著人口出生率的下降，人口老齡化程度日益加劇，老年人對健康的需求將不斷增加。因此，給老年人健康監(jiān)測提供有關科技支持已迫在眉睫。2019年我國智慧健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)規(guī)模近3.2萬億元，近三年復合增長率超過18%。隨著工業(yè)4.0時代的到來，全球工業(yè)制造行業(yè)迎來了智能制造時代，而智能可穿戴設備研發(fā)將成為智能制造中一股熱潮，其中又以智能腕表的流行為盛。我國雖然智能腕表尚未普及，未來將是我國大力培養(yǎng)的新興產(chǎn)業(yè)，具有很大的發(fā)展?jié)摿蛯嵱脙r值。因此，我們將研發(fā)一款老年人智能腕表上的健康測量設備。

1相關研究

（1）心率測量：心臟搏動引起的毛細血管和動脈靜脈容積呈規(guī)律性改變，對可見光的反射呈波動性，而這波動的頻率可記錄為心率信號。光電體積法是由特定綠色波長的發(fā)光LED和一個波長與之對應的 光敏傳感器組成，光敏傳感器接受手臂皮膚的反射光并感測到光場強度的變化，換算為心率[1]。

（2）血氧測量：通過依次驅動一個紅光LED（660nm）和一個紅外光LED（910nm），藍色線條表示血紅蛋白不帶氧分子的時候接收管對還原血紅蛋白感應曲線，從曲線圖中可以看下還原血紅蛋白對660nm紅光的吸收比較強，而對910nm紅外光的吸收長度比較弱。紅色線條表示血紅蛋白并帶有氧分子的血紅細胞時接收管對氧合血紅蛋白感應曲線。在血氧測量時，還原血紅蛋白和有氧合血紅蛋白，通過檢測兩種對不同波長的光吸收的區(qū)別，所測出來的數(shù)據(jù)差就是測量血氧飽和度最基本的數(shù)據(jù)。

（3）血壓測量：測量血壓時先用氣球向纏縛于上臂的袖帶內充氣加壓，壓力經(jīng)軟組織作用于肱動脈。當所加壓力高于心收縮壓力時，由氣球慢慢向外放氣，袖帶內的壓力即隨之下降，當袖帶內的壓力等于或稍低于心縮壓時，隨著心縮射血，血液即可沖開被阻斷的血管形成渦流，用聽診器便開始聽到搏動的聲音，此時檢壓計所指示的壓力值即相當于收縮壓。繼續(xù)緩慢放氣，使袖帶內壓力逐漸降低，當袖帶內壓力低于心收縮壓，但高于心舒張壓這一段時間內，心臟每收縮一次，均可聽到一次聲音。當袖帶壓力降低到等于或稍低于舒張壓時，血流復又暢通，伴隨心跳所發(fā)出的聲音便突然變弱或消失，此時檢壓計所指示的壓力值即相當于舒張壓。

2深究技術

2.1 研究過程

在研究過程中，我們查找了許多在醫(yī)學上廣泛使用的心率、血氧、血壓的儀器的資料及他們使用的效果及優(yōu)缺點，對他們的外部結構和內部結構進行分析，并結合智能手表的功能特性進行合理利用與改動。同時，為了更好的實現(xiàn)我們預期的效果，我們對醫(yī)學儀器和智能手表的使用說明書進行了深入的研究，然后畫出了簡單的設計圖。后期為了更方便人們使用，我們又為它設計了許多具有特定功能的配件。

2.2 主要涉及的科學原理

光電體積法、型光學測量法、示波法。

2.3 主要創(chuàng)新

（1）將血壓、血氧、心率結合，可以隨時隨地監(jiān)護使用者的身體狀況，排除了一些僅在診室才存在的白大褂效應。

（2）操作簡單，不需家人為其擔心。

（3）結合大氣系統(tǒng)，及時提醒使用者該做的事。

（4）手表材料采用最新型合成橡膠，佩戴舒適，且小巧，不影響正常生活。

（5）內設電池相比其他產(chǎn)品更為環(huán)保，容易被降解。

（6）可以與手機藍牙連接，如果丟失也可找回。

2.4 未來改進

目前設計出的作品還很粗糙，有些地方的技術處理還不是很科學，需要進一步完善。由于知識和專業(yè)的局限性，有很多東西不是很了解，希望能得到有關專家的幫助與指導。如果有條件的話，希望我們的iWatch可以加入電腦芯片，通過人工智能的方式來更好地服務于使用者，更好地讓使用者享受生活。通過電腦芯片，我們的產(chǎn)品可以更多地完成一些看似不可能的事情，使它可以緊跟世界科技的潮流，成為一項高新技術的發(fā)明。

上圖是我們iWatch主體的剖面（由于空間有限并不是很全面），這個部分是手表的核心部分，這個核心部分可以被分成兩大層，這兩層都有其特定的作用，且且這兩層之間有橡膠隔絕漏電及固定內部結構穩(wěn)定的模塊[2]。

這幅圖為手表主體部分的第一層，具有常見智能手表的基本功能，但不同的是，我們有警報系統(tǒng)，根據(jù)下面結構測量的數(shù)據(jù)反饋，主控板控制手表發(fā)出聲音，并且亮起sos的燈光，這樣可以提醒使用者該服用藥物了，并且聲音及燈光可以吸引旁邊的人注意力，讓使用者得到他人的幫助。在發(fā)出警報的同時，手表同樣會發(fā)出信息，讓使用者的家人也知道這個情況，并通過手表的定位及時把使用者送入醫(yī)院。

這幅圖則是手表主體部分的第二層，這一層的主要作用是測量使用者的血氧及心率，并把數(shù)據(jù)反饋到上層的主控板上。

根據(jù)氧合血紅蛋白和非氧合血紅蛋白對不同波長入射光有著不同的吸收率。當單色光垂直照射人體時，動脈血液對光的吸收量將隨透光區(qū)域動脈血管搏動而變化，而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織對光的吸收是恒定不變的。由于生物組織是一個各向異性、強散射、弱吸收的復雜光學介質，因此在實際測量中無法用一個嚴格的公式來描述，所以我們是利用上述規(guī)律通過測量雙光束（紅光和紅外光來實現(xiàn)）吸光度變化之比，然后通過經(jīng)驗定標曲線最終獲取氧飽和度。

對于心率的測量我們的產(chǎn)品與皮膚接觸的傳感器會發(fā)出一束光打在皮膚上，測量反射和透射的光。因為血液對特定波長的光有吸收作用，每次心臟泵血時，該波長都會被大量吸收，以此就可以確定心跳。

而對于傳輸數(shù)據(jù)這一步驟是根據(jù)圖中的電子電路來實現(xiàn)的，電路中的電流變化間接反映出前面所測量的數(shù)據(jù)，然后上層的主控板進行下一步的活動。

這幅圖主要是畫出手表的表帶部分，該部分的作用主要是測量使用者的血壓，并把測量的數(shù)據(jù)反饋到上層的主控板上。

表帶部分是利用現(xiàn)代電子技術與血壓間接測量相結合而研制出的一種方便可行的設備其原理是用示波法間接測量血壓，在放氣的過程中，手腕處動脈血流從完全阻斷到逐漸恢復正常，脈沖信號從無到有，并且呈先增后減的趨勢。這種脈沖信號的振幅很微弱，但可被血壓計的壓力傳感器感知、放大，并依據(jù)袖帶壓力變化及脈搏振幅的變化，得出一條包絡線。表帶上的氣泵和放氣閥配合工作在充氣或放氣的過程中，電容式壓力傳感器可以感知脈搏波信息，然后在振蕩器中留存，并開始對血壓波形的擺動進行分析和一系列復雜的轉換和計算得到收縮壓和舒張壓的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送到上層的主控板上[3]。

3結束語

我們說明了和康iWatch是如何在老年人的日常生活中起到作用的，盡管有部分的缺漏，不能完全像醫(yī)學臨床的精密儀器那樣精準，但是我們的產(chǎn)品測量的數(shù)據(jù)的同時會給定一個較小的測量者的數(shù)據(jù)區(qū)間，從而判斷是否需要就醫(yī)或者服用藥物。雖然在精確度比不上高精度儀器，但是我們的iWatch比那些儀器的價錢要少得多。

參考文獻

[1] 劉永宣，劉丙杰. 指夾式血氧飽和度探頭的維修保養(yǎng)[J]. 中國醫(yī)療設備，2002，17（11）：67-67，69.

[2] 陳紅友，郭禧斌. 護腕式心電監(jiān)控器的設計[J]. 科技創(chuàng)新與應用，2017，（5）：85.

[3] 劉莎，李玉霞.智能通信腕式血壓計監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].中國科技信息，2016，（Z1）：62-64.

作者簡介

尤子銘（2000-），男，江蘇南京人;現(xiàn)就讀學校：南京信息工程大學，專業(yè)：數(shù)學與統(tǒng)計學院應用統(tǒng)計學。

2018年8月曾在《百科論壇》理論研究雜志上發(fā)表論文1篇;2020年4月，參加學院首屆“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽《和康iwatch》項目榮獲二等獎，現(xiàn)任班長、團支部書記、校組織部成員。