摘 要：在后疫情時(shí)代，公眾對(duì)健康的關(guān)注度有了顯著提升，特別是對(duì)于那些疫情后更易患上其他疾病的人群，持續(xù)對(duì)心臟功能進(jìn)行監(jiān)控變得尤為重要。為此，設(shè)計(jì)了一款面向心率及血氧的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)核心包括采用血氧采集模塊、血壓采集模塊和溫度感應(yīng)模塊實(shí)時(shí)記錄血壓、血氧水平、心跳速率及體溫，并支持波形數(shù)據(jù)的即時(shí)采集與分析。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多功能集成，方便用戶對(duì)健康狀況進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：血氧監(jiān)測(cè)；血壓監(jiān)測(cè)；可穿戴設(shè)備；MKB0805；STM32；MAX30102

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）06-0-02

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.032

0 引 言

隨著全球人口老齡化進(jìn)程的不斷加速，各種慢性疾病和代謝性疾病的高發(fā)問題愈發(fā)嚴(yán)重，人們對(duì)于自身健康的關(guān)注程度與日俱增。尤其在經(jīng)歷了某些突發(fā)事件后，人們更加意識(shí)到自身健康的重要性。因此，越來越多的人們希望能夠?qū)崟r(shí)了解自己的身體狀況，及時(shí)掌握如血氧、血壓和心率等生命特征數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅可以反映出身體的基本代謝狀態(tài)和心血管方面的健康情況，而且對(duì)于發(fā)現(xiàn)疾病的早期征兆、預(yù)防疾病的發(fā)生以及尋求醫(yī)療幫助至關(guān)重要[1]。

近年來，隨著人們健康意識(shí)的增強(qiáng)以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，針對(duì)個(gè)體健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控需求顯著上升。這促使簡(jiǎn)單的生理參數(shù)跟蹤向復(fù)雜的多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。基于醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療可穿戴設(shè)備，因其部署迅速、應(yīng)用多樣以及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，成為了實(shí)現(xiàn)人體健康檢測(cè)的理想選擇[2]。因此，提供一種集成多種生理參數(shù)檢測(cè)功能的可穿戴設(shè)備，用于對(duì)個(gè)人健康狀況和慢性病進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，已經(jīng)成為當(dāng)前健康管理領(lǐng)域中的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

1 硬件設(shè)計(jì)與分析

本系統(tǒng)主要包括血壓檢測(cè)模塊、血氧采集模塊、心率測(cè)量模塊、體溫檢測(cè)模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊。血氧采集模塊檢測(cè)人體的PPG（光電容積脈搏波）信號(hào)峰值，通過分析峰值和模塊中紅外信號(hào)對(duì)應(yīng)的AC（交流成分）/DC（直流成分）來計(jì)算血氧飽和度的比例。血壓檢測(cè)模塊可以檢測(cè)出血壓信息、PPG、ECG（心電圖）波形等。上述模塊采集的數(shù)據(jù)都會(huì)被發(fā)送給STM32單片機(jī)進(jìn)行處理、分析，之后單片機(jī)將處理過的數(shù)據(jù)輸出到顯示模塊或通過串口發(fā)送給電腦端。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1 控制器模塊

STM32F103ZET6是一款功能強(qiáng)大的單片機(jī)，內(nèi)嵌有一個(gè)8 MHz的RC振蕩器，具有串行單線調(diào)試和JTAG兩種調(diào)試模式，便于用戶根據(jù)實(shí)際需求選擇，但推薦使用SWD模式。該模塊擁有8個(gè)定時(shí)器，包括3個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)通道，支持精確計(jì)時(shí)，還有2個(gè)I2C接口和3個(gè)USART接口，支持各類通信接口和總線協(xié)議。總體而言，STM32F103ZET6是一款適用于不同應(yīng)用領(lǐng)域的性能穩(wěn)定、功能全面的控制器。

1.2 血壓檢測(cè)模塊

血壓測(cè)量模塊選用高科公司出品的MKB0805，這款傳感器由 YK1801脈搏傳感器芯片、HR6707脈搏芯片、HR6816增益芯片以及SFB9712算法芯片構(gòu)成[3-4]。脈搏傳感器芯片采用光電式容積脈搏波描記（PPG）方式感測(cè)并提取人體脈搏信號(hào)，經(jīng)過 HR607和HR6816的模擬處理和 SFB9712的算法分析后，輸出血壓、ECG等生理信號(hào)。

1.3 血氧檢測(cè)模塊

MAX30102是一個(gè)集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)儀生物傳感器的模塊。此模塊內(nèi)置有紅光LED、紅外光LED、光電檢測(cè)器、光學(xué)組件[5-6]，具有擁有環(huán)境光干擾抑制功能的低噪聲電路，該模塊使用反射式LED技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)快速且可靠的心率和血氧測(cè)量[7]。

1.4 溫度模塊及顯示模塊

溫度模塊選用WD3703，這是一款包含PT1000傳感器的高精度溫度測(cè)量設(shè)備，能夠快速、精準(zhǔn)地測(cè)定環(huán)境溫度。其應(yīng)用范圍廣泛，包括醫(yī)療、建筑、新能源技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。顯示模塊采用的OLED屏幕無(wú)背光設(shè)計(jì)，利用化學(xué)材料發(fā)光，優(yōu)點(diǎn)是畫質(zhì)清晰、反應(yīng)速度快，且工作電壓要求不高，高效節(jié)能，屏幕小巧輕便，價(jià)格低廉，適合攜帶，顯示的信息較為豐富。屏幕陽(yáng)極為ITO玻璃電極，陰極為金屬。

2 軟件設(shè)計(jì)與流程

系統(tǒng)主流程如圖2所示，包括系統(tǒng)的時(shí)鐘樹配置、中斷系統(tǒng)設(shè)置、延時(shí)程序設(shè)置等，并在主函數(shù)中添加了板級(jí)初始化，包括實(shí)驗(yàn)板子模塊的初始化。完成初始化后使用者便可采集體溫值、血氧值、血壓值，系統(tǒng)將傳感器獲得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送給控制器，經(jīng)控制器傳送至OLED顯示模塊。與此同時(shí)，通過串口的協(xié)議處理，數(shù)據(jù)上傳完成后可在電腦端查看其波形。

2.1 血氧、心率檢測(cè)流程

血氧檢測(cè)由MAX30102傳感器完成，系統(tǒng)首先對(duì)傳感器采集的原始信號(hào)進(jìn)行濾波處理，在去除高頻和低頻噪聲后，提取出心跳峰和心跳谷的位置。對(duì)于每個(gè)心跳谷，通過相鄰波谷的間隔分析得出心率[8-10]，接著計(jì)算出在該區(qū)間內(nèi)紅光和紅外線信號(hào)的直流分量和交流分量。最后，將紅光和紅外線信號(hào)的交流分量比值（R值）映射到一個(gè)查找表中，得到相應(yīng)的血氧飽和度值。如果計(jì)算出的R值不在有效范圍內(nèi)，則血氧飽和度值為無(wú)效值-999。

2.2 血壓檢測(cè)流程

血壓的檢測(cè)以及波形的處理由MKB0805傳感器完成，該傳感器能實(shí)現(xiàn)對(duì)心率的測(cè)量，當(dāng)傳感器放置在手腕處時(shí)，動(dòng)脈血液的流動(dòng)會(huì)影響射向皮膚的LED光的反射。反射的光可被儀器感應(yīng)并轉(zhuǎn)化為AC信號(hào)，該信號(hào)為PPG脈搏信號(hào)，可反映人體脈搏的基本信息，再經(jīng)過模擬前端芯片和算法芯片對(duì)脈搏信號(hào)做進(jìn)一步處理后，輸出最終的PPG、ECG、血壓值等信息。血壓值通過芯片對(duì)血液流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的收縮壓和舒張壓進(jìn)行分析計(jì)算后得到。在該過程中，動(dòng)脈的收縮和擴(kuò)張就像一臺(tái)全自動(dòng)測(cè)量器，通過監(jiān)測(cè)可以觀察到心臟每次跳動(dòng)時(shí)動(dòng)脈血液流動(dòng)引起的血管體積發(fā)生的周期性變化。

3 實(shí)物測(cè)試

在進(jìn)行心率測(cè)量時(shí)，為確保測(cè)量精度，血壓傳感器應(yīng)放置于手腕處并使用橡皮筋緊固，防止傳感器與皮膚接觸不充分而導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。在測(cè)量血氧時(shí)，需要確保傳感器與手指緊密貼合，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。溫度傳感器在未與人體接觸狀態(tài)下顯示的溫度為環(huán)境室溫，當(dāng)與皮膚接觸后，開始測(cè)量體溫。通過圖示3中OLED屏幕可以看到被測(cè)者的生理指標(biāo)：血壓為132/74 mmHg（毫米汞柱），其中被測(cè)者的收縮壓（高壓）為132 mmHg，舒張壓（低壓）為74 mmHg，處于正常范圍；心率為76次/min；當(dāng)前環(huán)境下的室溫為32.9 ℃；血氧飽和度為98%。

此外，利用串口協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳后可在電腦端顯示測(cè)試結(jié)果如圖4所示?？梢钥吹诫娔X端展示了心電圖（ECG）波形和脈搏波（PPG）波形，以及采集的其他生理特征數(shù)據(jù)。這種可視化展示和數(shù)據(jù)采集功能為醫(yī)療工作人員提供了一種直觀且有效的監(jiān)測(cè)和評(píng)估被測(cè)者心血管健康狀況的方式。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)將多個(gè)檢測(cè)功能集成到一個(gè)平臺(tái)上，為用戶提供全面監(jiān)測(cè)健康狀況的方案。它能夠準(zhǔn)確測(cè)量血壓、血氧和體溫等關(guān)鍵生理參數(shù)，并且能持續(xù)輸出穩(wěn)定的波形數(shù)據(jù)。這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其非侵入性、便捷性以及能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)心率和血壓等重要生命體征的能力。通過對(duì)PPG和ECG信號(hào)的進(jìn)一步分析，可以提取出更多有關(guān)心臟健康狀態(tài)的信息，比如心率變異性（HRV）、心跳間期（IBI）等，這些信息對(duì)于評(píng)估心血管健康狀況、預(yù)防心臟疾病具有重要價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：徐爭(zhēng)超（1997—），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺、深度學(xué)習(xí)。

楊 蕾（1979—），女，博士，教授，研究方向?yàn)閳D像處理、計(jì)算機(jī)視覺。

徐榕冶（2000—），男，碩士，主要研究方向?yàn)樯疃葘W(xué)習(xí)。

王寅卜（1998—），男，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺。

收稿日期：2024-03-20 修回日期：2024-04-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62171318）；校內(nèi)重大項(xiàng)目成果培育計(jì)劃（K2020ZDPY02）