何智慧，王錦航，劉易婷，任新成，崔 巍*

(1.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院；2.延安大學(xué) 附屬醫(yī)院，陜西 延安 716000)

2020年，新冠病毒席卷全球，血氧飽和度是此次新冠肺炎治療時的一個重要檢測指標(biāo)。當(dāng)血氧飽和度下降時，往往預(yù)示著病人病情逐漸由輕型轉(zhuǎn)為重癥。在這種情況下急需醫(yī)生的看護(hù)和治療。尤其是在醫(yī)療資源不足的地方或者疫情大規(guī)模發(fā)生的地區(qū)，有疑似癥狀的病人需居家自療，配備一個便攜式血氧儀，可以時刻知道自己的病情狀況[1]。血氧飽和度是衡量人體生理健康的重要參數(shù)，包含了豐富的生理或病理信息，所以對血氧的無創(chuàng)、實時、便攜式監(jiān)測具有重要意義[2]。血氧儀是監(jiān)測脈搏血氧飽和度的設(shè)備，它根據(jù)朗伯比爾定律[3-4]，對光電容積脈搏波進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)對人體脈搏和血氧飽和度參數(shù)的監(jiān)測[5]。

設(shè)計一種便攜式低功耗血氧監(jiān)測裝置，通過提高傳感器數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度、優(yōu)化數(shù)據(jù)算法以及降低自身的功耗，來監(jiān)測人體中的血氧情況。本設(shè)計采用STM32F103C8控制芯片、MAX30101傳感芯片、OLED顯示電路、藍(lán)牙JDY-18模塊來設(shè)計實現(xiàn)一種高精度低功耗的血氧濃度檢測裝置[6-7]。通過硬件電路模塊的搭建，實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、動態(tài)顯示；通過軟件編程控制各個硬件模塊的工作狀態(tài)以及數(shù)據(jù)算法上的進(jìn)一步優(yōu)化；實現(xiàn)血氧濃度的便攜式動態(tài)監(jiān)測以及顯示，并通過無線藍(lán)牙模塊將已測量歷史數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芙K端。本設(shè)計將非介入式生理信號檢測技術(shù)融入日常穿戴中，為推動智能移動醫(yī)療的發(fā)展做出一定的基礎(chǔ)工作。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計原則，硬件與軟件相結(jié)合的方式。傳感器檢測電路模塊采用可穿戴式高靈敏度脈搏血氧儀傳感器MAX30101，它本身集成了完整的發(fā)光LED及驅(qū)動部分、光電探測器、ADC轉(zhuǎn)換部分以及環(huán)境光抑制部分，采集數(shù)據(jù)信號屬于光電容積法[8-9]。光電容積法基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進(jìn)行脈搏和血氧飽和度的測量[10-11]。通過綁帶固定在手腕或手指上，光源發(fā)出550 nm附近的綠光去探測動脈血中氧合血紅蛋白和血紅蛋白，因為綠光比紅光具有更強(qiáng)的抗干擾性[12]。透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接收并轉(zhuǎn)換成電信號再經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以供控制器對信號進(jìn)行處理。超低功耗單片機(jī)STM32F103C8作為控制器以及數(shù)據(jù)算法處理芯片，顯示電路為0.96寸OLED屏幕，無線傳輸模塊電路使用藍(lán)牙JDY-18。為了更好地進(jìn)行調(diào)試，在實驗樣機(jī)中增加USB上位機(jī)調(diào)試電路，以便對系統(tǒng)整體進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器模塊

MAX30101傳感器電路采用I2C傳輸標(biāo)準(zhǔn)與控制器STM32進(jìn)行通信。可以通過軟件控制來實現(xiàn)零待機(jī)電流，從而在空閑時進(jìn)一步減小功耗。其封裝尺寸為5.6 mm×3.3 mm×1.55 mm，內(nèi)部光電探測部分有超凈玻璃進(jìn)行保護(hù)，可以用于設(shè)計成手環(huán)佩戴式。MAX30101的SCL和SDA引腳與控制器STM32的PB6和PB7相連接，進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)傳輸，使用I2C雙向通信傳輸協(xié)議。INT為MAX30101的中斷輸入引腳與STM32的PB12連接，低電平有效中斷，且需要接上拉電阻。MAX30101的VLED+和VDD引腳使用旁路電容連接到PGND，以便獲得最佳探測性能。

2.2 顯示及無線傳輸模塊

無線傳輸電路采用藍(lán)牙JDY-18模塊，其RX和TX引腳分別與STM32的PA2和PA3引腳進(jìn)行連接，用于控制器STM32使用藍(lán)牙協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至智能終端設(shè)備。顯示電路采用0.96寸OLED屏幕，OLED的D0和D1引腳分別與STM32的PA5和PA7相連接，采用SPI協(xié)議接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了實驗樣機(jī)調(diào)試的便利性，加入USB-TTL模塊電路。USB-TTL模塊的TXD和RXD分別與STM32的PA9和PA10相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)總體電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是通過上位機(jī)中使用C語言在Keil軟件環(huán)境中進(jìn)行。待程序編寫完畢后，通過編譯器轉(zhuǎn)換為STM32可識別的機(jī)器語言，后下載程序至STM32控制器內(nèi)部的專用存儲器，實現(xiàn)STM32對整體硬件電路的時序控制以及對血氧數(shù)字信號進(jìn)行處理。

3.1 血氧數(shù)據(jù)采集

首先，控制器STM32對MAX30101發(fā)送初始化配置指令，MAX30101向待測目標(biāo)發(fā)送綠光信號，MAX30101自帶光敏傳感器檢測反射信號，經(jīng) ADC對接收到的模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以便下一步被STM32處理。當(dāng)STM32檢測到數(shù)據(jù)信號并對其進(jìn)行有效性判斷，如有效則一次信號檢測結(jié)束，若信號無效則返回?zé)o效信號使MAX30101再次發(fā)送綠光信號。血氧數(shù)據(jù)采集軟件部分流程圖如圖3所示。

圖3 血氧數(shù)據(jù)采集軟件部分流程圖

3.2 信號處理及顯示模塊的設(shè)計

待控制器STM32單片機(jī)接收到有效信號后，對信號進(jìn)行有效提取及數(shù)字算法上的處理，最終得到血氧值。在軟件算法中，每接收到一次有效信號后，STM32繼續(xù)給MAX30101發(fā)送檢測信號指令，重復(fù)10次，求得10次信號的平均值后，即為一次完整的檢測。進(jìn)一步，控制器STM32將血氧值通過SPI協(xié)議接口顯示在OLED顯示器，并存儲數(shù)據(jù)于STM32自帶的寄存器中。信號處理及顯示模塊程序流程圖如圖4所示。待用戶通過智能終端連接藍(lán)牙時，發(fā)送讀取歷史保存數(shù)據(jù)指令后，藍(lán)牙模塊讀取STM32寄存器中數(shù)據(jù)，并向智能終端發(fā)送。

圖4 信號處理及顯示模塊程序流程圖

4 實驗樣機(jī)測試

硬軟件調(diào)試完畢之后，為了進(jìn)一步驗證實驗樣機(jī)檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使用醫(yī)院專業(yè)血氧儀測試的數(shù)據(jù)和實驗樣機(jī)進(jìn)行對比，樣機(jī)測試地點選在延安大學(xué)附屬醫(yī)院進(jìn)行。測試選取男女不同8人作為測試對象，同一時間分別使用左右手腕進(jìn)行測量。每個測試者先左手使用實驗樣機(jī)，右手使用醫(yī)院內(nèi)血氧儀，然后左右相互交換取2次測試結(jié)果的均值作為一名測試者的數(shù)據(jù)。測試的血氧飽和度數(shù)據(jù)對比表如表1所示。實驗測試結(jié)果表明，實驗樣機(jī)具有良好的精度以及穩(wěn)定性，且與醫(yī)院血氧儀的誤差率最高為2%，平均誤差率為1%。使用手機(jī)藍(lán)牙連接實驗樣機(jī)，手機(jī)端可以方便地讀取已測歷史數(shù)據(jù)并顯示相應(yīng)的測試時間。

表1 實驗樣機(jī)檢測數(shù)據(jù)與血氧監(jiān)護(hù)儀結(jié)果對比

5 結(jié)語

本文采用硬件電路搭配軟件編程控制與數(shù)據(jù)信號處理，實現(xiàn)人體血氧濃度檢測、顯示、藍(lán)牙無線傳輸數(shù)據(jù)至智能終端。系統(tǒng)使用超低功耗單片機(jī)STM32為控制器以及數(shù)字信號處理器，整機(jī)可用3.3V電壓供電，實現(xiàn)超低功耗的同時且具有很好的便攜性。實驗樣機(jī)可以把系統(tǒng)整體尺寸控制在4 cm×4 cm×1.5 cm，同時有待進(jìn)一步開發(fā)專用PCB板，把系統(tǒng)整體尺寸控制在2 cm×1 cm×1 cm上。樣機(jī)實驗測試結(jié)果表明，樣機(jī)具有良好的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，可實現(xiàn)人體血氧濃度實時動態(tài)監(jiān)測。