付厚奎 楊玲玲

(武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢：430205)

在現(xiàn)代快節(jié)奏的生活模式下，頻繁去醫(yī)院或診所進(jìn)行常規(guī)健康檢查對大部分人并不方便，通過便攜式健康監(jiān)測設(shè)備實時監(jiān)測人體關(guān)鍵健康指標(biāo)成為便捷有效的方式。這種設(shè)備既可以幫助識別多種疾病的早期癥狀從而加以預(yù)防，還可以幫助人們記錄日常健康狀況，正日益成為更多人生活中的必需品。本文設(shè)計開發(fā)了一種便攜式健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要對心率和體溫兩個基本健康指標(biāo)進(jìn)行測量，具有低功耗、低成本、采樣便捷等優(yōu)點，便于實現(xiàn)小型化和移動化。

1 總體架構(gòu)

本文所設(shè)計的健康監(jiān)測系統(tǒng)主要從人體手指部位對心率和體溫進(jìn)行采樣，通過LCD屏和PC超級終端進(jìn)行顯示，如果健康指標(biāo)超出正常范圍，系統(tǒng)會通過閃爍紅色LED和蜂鳴器發(fā)聲的方式進(jìn)行報警。健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括心率和體溫傳感器模塊，嵌入式處理器模塊，LCD屏和PC超級終端，以及LED燈和蜂鳴器模塊，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 健康監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

1.1 心率測量模塊

此模塊包含一個放置于指尖下的光學(xué)感應(yīng)單元和對PPG信號進(jìn)行濾波和放大從而均衡電壓水平的信號調(diào)理單元，信號之后再由STM32F103處理后顯示為心率。完整的心率傳感器模塊電路如圖2所示。此傳感器模塊包含一個光學(xué)傳感器和信號調(diào)理電路，詳細(xì)構(gòu)成見圖2。

圖2 心率傳感器模塊電路圖

心率傳感器前端TCRT5000是一個反射式光學(xué)傳感器，由一個紅外LED和一個光電三極管封裝在一起構(gòu)成，可將環(huán)境光影響降至最低。

光電三極管TCRT5000集電極電壓Vsen的變化正比于心率，疊加在周期性PPG波形的較大支流成分上的微弱脈動交流成分與心率也是同步的[1]。

來自傳感器的集電極電壓Vsen的PPG信號必需要進(jìn)行濾波以消除較大的直流成分，從而使心跳脈動以期望的0.72～2.34Hz的頻率范圍進(jìn)行傳遞。調(diào)理電路同時考慮到了不期望的50Hz交流市電和可能竄入的其他無關(guān)諧波的影響。心跳信號非常微弱需要進(jìn)行放大，放大的信號送入信號比較電路，并轉(zhuǎn)換為便于計數(shù)的方波信號[2]。

濾波功能是通過一個帶通濾波器實現(xiàn)的，由一個被動高通濾波器和一個主動低通濾波器組成。濾波器之間是隔離的，從而使得高頻噪聲在有效的AC信號被放大之前就被過濾干凈。被動高通濾波器的截止頻率為0.72Hz，根據(jù)fch=0.72Hz以及C=4.7μF,根據(jù)公式(1)可計算得到R=47kΩ。

(1)

主動低通濾波器可提供101倍的增益，其截止頻率fc為2.34Hz。將fc=2.34Hz和C1=100nF代入公式(2)，可得到R2=680kΩ，再將R2代入公式(3)，可得R1=6.8kΩ。

(2)

(3)

電壓比較器單元的閾值電壓VTh設(shè)置為2.5V，在R3=10kΩ和VS=5V的條件下，根據(jù)公式(4)得到R4應(yīng)設(shè)置為10kΩ。

(4)

信號調(diào)理模塊用于對PPG脈沖進(jìn)行濾波、放大和整形，消除任何可能傳遞到微控制器單元的噪聲信號，從而生成正確無誤的結(jié)果。

1.2 體溫測量傳感器模塊

指尖體溫測量的電路圖如圖3所示。溫度采集傳感器LM35是一款輸出電壓正比于攝氏溫度的精密溫度IC，溫度測量范圍為-55℃到150℃。此傳感器成本低，自發(fā)熱小，可工作在4-30V之間，并具有低輸出阻抗，從而使其可直接連接到信號調(diào)理單元的運放輸入端[3]。

圖3 體溫傳感器模塊電路圖

溫度傳感器的信號調(diào)理單元主要由一款運算放大器μA741構(gòu)成。μA741是作為同相放大器使用的，用于放大LM35傳感器的輸出，同時附有噪聲消除組件。旁路電容向模擬電路部分提供局部的低阻抗電源，從而減少從運放器和電源管腳傳輸?shù)诫娐返鸟詈显肼暋?/p>

1.3 嵌入式處理器模塊

系統(tǒng)中所用微處理器模塊為ST Microelectronics公司的STM32 Nucleo-6開發(fā)板。開發(fā)板搭載STM32F103微處理器，STM32系列這是一款意法半導(dǎo)體公司開發(fā)基于Arm Cortex-M內(nèi)核的32位微控制器，具備高性能、高實時性、數(shù)字信號處理、低功耗、低電壓、連接性豐富等特性。嵌入式開發(fā)工具選用ECLIPSE KEPLER 4.3 IDE開發(fā)平臺，可高效完成嵌入式C代碼的編譯、調(diào)試和執(zhí)行。嵌入式處理器STM32F103的系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 STM32F103嵌入式處理器系統(tǒng)架構(gòu)

2 實驗設(shè)計和流程

測量時病人被要求將其手指放置在心率傳感器模塊的光電傳感器TCRT5000上，并復(fù)位STM32F103進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)指尖放到傳感器上時，指尖內(nèi)血夜的容量波動會引起反射光束密度的變化，這種密度變化與心率是一致的。在心室收縮階段，手指動脈的血液容量增加，導(dǎo)致更少的光線被反射回光電三極管，從而使光電三極管的電導(dǎo)率降低，同時集電極電流降低，而集電極電壓升高。類似的，當(dāng)手指動脈中的血液容量減少時，到達(dá)光電三極管的反射光線增加，從而引起集電極電流增加而集電極電壓降低。傳感器前端的信號在經(jīng)信號調(diào)理電路后傳輸?shù)絊TM32嵌入式處理器的內(nèi)置ADC電路，ADC電路將模擬信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號。嵌入式處理器記錄數(shù)字脈沖信號每分鐘出現(xiàn)的次數(shù)即心率值，并實時顯示在LCD屏和PC超級終端上。

心率測量完之后，病人需要按壓LM35體溫傳感器，同時傳感器模塊連接到ADC的輸入端。傳感器的輸出信號經(jīng)放大后由ADC進(jìn)行數(shù)字化，然后處理器再對體溫數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和顯示。如果任一或兩個健康指標(biāo)都不在正常范圍內(nèi)，蜂鳴器和紅色LED燈就會開啟。整個過程的完整流程圖如圖5所示。

圖5 嵌入式控制系統(tǒng)軟件流程圖

3 結(jié)果與分析

本文對健康監(jiān)測系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)檢查方式進(jìn)行了對比驗證。心率對比檢測對象為55名志愿者，包括35名男性和20名女性，年齡在20到52歲之間。兩種檢測方式對不同性別志愿者采集數(shù)據(jù)比較對照結(jié)果如圖6(a)和6(b)所示，圖6(c)顯示了男性和女性志愿者平均心率的結(jié)果。體溫對比檢測對象為10名志愿者，包括7名男性和3名女性，兩種檢測方式的比較對照結(jié)果如圖6(d)所示。

圖6 健康監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果分析圖

上述數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻(xiàn)論述是一致的[4]，即成年人正常的心率在每分鐘60-100之間。實驗發(fā)現(xiàn)女性心率高于男性，詳見圖6(c)。這可能是由于女性本身及其心臟尺寸要比同齡的男性小，所以心臟需要泵送更快以使血液能經(jīng)過人體循環(huán)更多次。靜止心率隨年齡的變化不明顯，只在運動時或運動冷卻之后有明顯區(qū)別。

人體溫度的典型值為36℃。但是體表溫度在身體不同部位不一樣，典型的區(qū)間為32-37℃，這是因為從指尖測量到的皮膚溫度依賴于環(huán)境溫度，本次檢測測量到的體溫范圍為35-37℃。發(fā)燒時人體對某些疾病會產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，免疫系統(tǒng)會提高身體溫度來抵御疾病，所以透過體溫變化可以洞察到健康狀況變化。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種便攜式低功耗、低成本高精度的健康監(jiān)測系統(tǒng)。為驗證健康監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性，對本系統(tǒng)所測心率和體溫數(shù)據(jù)與常規(guī)檢測方式進(jìn)行了對比研究，通過對多名志愿者進(jìn)行檢測對比，發(fā)現(xiàn)開發(fā)的健康監(jiān)測系統(tǒng)所測結(jié)果與傳統(tǒng)檢測方式是高度一致的，充分證明了本系統(tǒng)對心率和體溫兩項健康指標(biāo)的檢測是高度準(zhǔn)確和可靠的。