王世豪，臧衍樂，祝雙武

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

我國每年因心腦血管疾病死亡的人數(shù)占總死亡人數(shù)的40%，因此市場(chǎng)迫切需要可以幫助人們及時(shí)了解健康信息的產(chǎn)品。在人體的多項(xiàng)健康指標(biāo)中，心率和血氧是非常重要的2項(xiàng)指標(biāo)，心率反應(yīng)了心臟的健康狀況，血氧異常則會(huì)影響人體的大部分機(jī)能[1]。傳統(tǒng)心率血氧檢測(cè)醫(yī)療器械具有檢測(cè)成本高、使用地點(diǎn)有限等缺點(diǎn)。無創(chuàng)式醫(yī)療設(shè)備可以實(shí)時(shí)進(jìn)行心率血氧檢測(cè)，了解自身的健康狀況。

目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)心率血氧等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的產(chǎn)品，如智能手環(huán)、智能手表等，但是因?yàn)榇┐髁?xí)慣的不同，與手環(huán)等產(chǎn)品相比，穿戴式服裝設(shè)備有著更多的接受人群。國內(nèi)很多學(xué)者也對(duì)此做了研究改進(jìn)，崔騰等[2]通過單片機(jī)對(duì)采集的心率血氧數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過LCD屏和手機(jī)進(jìn)行顯示。吳紹聰?shù)萚3]使用單片機(jī)對(duì)心率血氧數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存到數(shù)據(jù)庫中，以便于醫(yī)護(hù)人員查看并根據(jù)數(shù)據(jù)制定后續(xù)治療方案。李偉權(quán)等[4]認(rèn)為心率血氧的測(cè)量可以在人體其他部位進(jìn)行，設(shè)計(jì)了一種在耳部測(cè)量心率血氧的設(shè)備。這些研究都具有一定的實(shí)用價(jià)值，但是卻不適合日常生活使用。

基于日常生活和健康需要，本文將心率血氧檢測(cè)和報(bào)警定位、智能可穿戴服裝相結(jié)合，設(shè)計(jì)一款用于心率血氧檢測(cè)的智能服裝，在穿著舒適的前提下實(shí)時(shí)測(cè)量穿戴者的心率血氧情況，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)安卓系統(tǒng)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和健康診斷，讓穿戴者直觀地了解自身的健康狀況，改善了傳統(tǒng)心率血氧檢測(cè)設(shè)備不易攜帶、功能不完善的問題。

1 心率血氧檢測(cè)原理

1.1 心率血氧檢測(cè)方法概述

現(xiàn)有的心率血氧測(cè)量方法主要分成4類[5]： ①心電圖(Electrocardio-graphy，ECG)； ②光電容積脈搏波描記法(PhotoPlethysmoGraphy，PPG)； ③生物阻抗； ④攝像頭、WiFi等技術(shù)。心電圖ECG在測(cè)量時(shí)要在身體多個(gè)部位連接傳感器電極，同攝像頭、WiFi等技術(shù)一樣，存在無法服用化的問題。生物阻抗技術(shù)則容易受到人體其他器官、組織的干擾，準(zhǔn)確性較差。而光電容積脈搏波描記法使用的傳感器體積小、測(cè)量準(zhǔn)確度高，所以本文心率血氧測(cè)量采用PPG。

1.2 PPG測(cè)量原理

即人體的靜脈、骨骼、肌肉及其他組織對(duì)光的吸收是基本不變的，而動(dòng)脈中存在血液的流動(dòng)，對(duì)于光的吸收是有變化的。當(dāng)用一束光照射人體皮膚，將反射回來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，由于其他組織對(duì)光的吸收基本不變而動(dòng)脈對(duì)光的吸收有變化，所以得到的信號(hào)就可以分為直流信號(hào)和交流信號(hào)，直流信號(hào)反映了人體組織的信息，交流信號(hào)給出了血流脈動(dòng)的情況。去除直流分量，對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行處理，就可以獲得心率血氧的數(shù)值。心率值可以通過對(duì)波峰的處理[6]得出，如式(1)所示。

(1)

式中：心率值是計(jì)算出來的心臟每分鐘博動(dòng)的次數(shù)，次/min；N是波峰的總個(gè)數(shù)；crest[i]是1次采樣數(shù)據(jù)中的第i個(gè)波峰的值。

本文采用MAX30102模塊，它是一個(gè)集成的脈搏血氧儀和心率檢測(cè)器模塊，該模塊使用一路紅光和一路紅外光測(cè)量心率血氧數(shù)據(jù)，只要分別算出紅光的交流分量、紅光的直流分量及紅外光的交流分量、紅外光的直流分量就可以計(jì)算得到參數(shù)R，然后根據(jù)R的值就可以推出血氧飽和度值，R的公式如式(2)所示。

(2)

式中：ACred和DCred是紅光的交流分量和直流分量；ACired和DCired是紅外光的交流分量和直流分量。得到R后可以通過式(3)計(jì)算出血氧飽和度值。

SPO2=-45.060R2+30.354R+94.845 (3)

式中：SPO2為計(jì)算出的血氧飽和度值，%。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

心率血氧檢測(cè)系統(tǒng)主要分成2個(gè)部分，即數(shù)據(jù)采集與處理部分和安卓系統(tǒng)APP。數(shù)據(jù)采集與處理部分是通過STM32F103C8T6型單片機(jī)對(duì)MAX30102模塊測(cè)得的心率血氧數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給HC05藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊再通過藍(lán)牙4.0協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給安卓手機(jī)APP上。手機(jī)APP顯示測(cè)得的心率血氧數(shù)據(jù)，并通過測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)合穿戴者的年齡、病歷等情況進(jìn)行健康診斷，在數(shù)據(jù)異常時(shí)確定穿戴者的位置并短信提醒其監(jiān)護(hù)人，監(jiān)護(hù)人可以在手機(jī)APP上察看穿戴者的具體位置。在設(shè)計(jì)時(shí)將程序下載到單片機(jī)中，再將單片機(jī)焊接到檢測(cè)系統(tǒng)上，去除程序下載電路，減少系統(tǒng)體積。心率血氧檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1，心率血氧檢測(cè)系統(tǒng)電路圖見圖2。

圖1 心率血氧檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 心率血氧檢測(cè)系統(tǒng)電路圖

3 心率血氧數(shù)據(jù)采集與處理

單片機(jī)首先進(jìn)行初始化，并對(duì)MAX30102心率血氧傳感器的模式進(jìn)行配置，然后MAX30102開始采樣工作，采樣完成后會(huì)產(chǎn)生中斷，中斷信號(hào)會(huì)將單片機(jī)喚醒去讀取采樣數(shù)據(jù)。MAX30102有紅光LED和紅外光LED 2個(gè)通道，每個(gè)通道每次采樣的數(shù)據(jù)是3個(gè)字節(jié)，所以1次采樣的數(shù)據(jù)有6個(gè)字節(jié)，MAX30102數(shù)據(jù)讀取流程圖見圖3。

圖3 MAX30102數(shù)據(jù)讀取流程圖

按照上述方式讀取到的數(shù)據(jù)中包含由于身體抖動(dòng)、外界光照等因素引起的干擾信號(hào)[7]，所以對(duì)每秒采樣得到的100個(gè)數(shù)據(jù)建立了1個(gè)長(zhǎng)度為500的FIFO隊(duì)列，以便于濾波處理。此隊(duì)列對(duì)應(yīng)了原始采樣波型，PPG理論波形如圖4所示。

圖4 PPG理論波形圖

PPG的理論波形可分成2部分：直流信號(hào)和交流信號(hào)，其中波峰對(duì)應(yīng)心臟的收縮，波谷對(duì)應(yīng)心臟舒張。在實(shí)際測(cè)量中，由于人體的運(yùn)動(dòng)和外界因素的干擾，實(shí)測(cè)波形與理論波形有一定的差異，由于交流信號(hào)對(duì)于心率和血氧的計(jì)算起決定性作用，所以對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波處理，即可計(jì)算出心率、血氧值。數(shù)據(jù)處理波形圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理波形圖

首先從圖5(a)中去除直流信號(hào)，即取所有點(diǎn)的均值，用原始信號(hào)減去均值即可得到交流信號(hào)。對(duì)剩下的交流信號(hào)再進(jìn)行四點(diǎn)平均濾波處理，以消除細(xì)小的突變干擾信號(hào)，再對(duì)平均濾波后的數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序前后時(shí)間點(diǎn)取差值，得到圖5(b)波形。處理公式如下：

prement[i]=fildata[i+1]-fildata[i]

0≤i≤N-1

(4)

式中：prement[i]是處理后的第i個(gè)數(shù)據(jù)的值；fildata[i]是濾波后第i個(gè)數(shù)據(jù)的值；N是FIFO隊(duì)列的總長(zhǎng)度。

在圖5(b)中，波形的波谷點(diǎn)就是原波形的波峰點(diǎn)，所以對(duì)波形進(jìn)行翻轉(zhuǎn)得到圖5(c)，相比于原始波形，圖5(c)的特征更明顯，更利于計(jì)算。

在圖5(c)波形的上升沿查找峰位置，再根據(jù)窗口函數(shù)去除2個(gè)峰點(diǎn)之間的偽峰，得到圖5(d)。最后根據(jù)峰的位置和峰點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及式(1)(2)(3)即可得出心率血氧數(shù)據(jù)。

4 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

WxBit是一個(gè)安卓系統(tǒng)APP開發(fā)工具，它是基于MIT App Inventor 2(簡(jiǎn)稱AI2)源代碼優(yōu)化定制的漢化版軟件，其修正了AI2的 一部分缺陷[8],經(jīng)過漢化后更適合人們學(xué)習(xí)和使用。WxBit包含組件設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)2個(gè)界面。在組件設(shè)計(jì)界面中，用戶可以使用拖拽、放置的方法來設(shè)置組件，而邏輯設(shè)計(jì)界面是編程區(qū)，但不需要使用代碼進(jìn)行編程，而是通過拖拽和拼接各種功能語句來完成程序的設(shè)計(jì)[9]。

手機(jī)APP的結(jié)構(gòu)框圖見圖6。APP的軟件設(shè)計(jì)總共分為2個(gè)部分，數(shù)據(jù)接收與顯示部分以及病理推斷與危險(xiǎn)報(bào)警部分。APP中包含登錄和注冊(cè)界面，用戶在注冊(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)自己的身體狀況如：性別、年齡、病歷等填寫相關(guān)信息。當(dāng)APP通過藍(lán)牙接收到心率血氧數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)在顯示界面顯示出來，方便用戶查看，并且可以根據(jù)用戶選擇的時(shí)間繪制心率血氧曲線圖。

圖6 手機(jī)APP的結(jié)構(gòu)框圖

APP可以結(jié)合用戶填寫的因素和測(cè)量到的心率血氧數(shù)據(jù)進(jìn)行身體健康診斷，并將診斷結(jié)果通過對(duì)話框彈出。當(dāng)心率過快或者過慢時(shí)，彈出對(duì)話框提醒用戶注意休息、飲食等。當(dāng)數(shù)據(jù)超出健康閾值，彈出危險(xiǎn)報(bào)警對(duì)話框，提醒用戶現(xiàn)在身體情況很危險(xiǎn)，并預(yù)備對(duì)其監(jiān)護(hù)人進(jìn)行短信提醒，若用戶點(diǎn)擊確定或者10 s內(nèi)沒有點(diǎn)擊取消，APP就會(huì)自動(dòng)向其監(jiān)護(hù)人發(fā)送短信，以確保用戶的安全。當(dāng)監(jiān)護(hù)人收到報(bào)警短信時(shí)，可以點(diǎn)擊圖7(b)中的地圖定位按鈕進(jìn)入地圖定位界面，在該界面輸入短信上的位置信息，就可以查看穿戴者的具體位置，手機(jī)APP的功能界面如圖7所示。

圖7 手機(jī)APP功能界面

5 心率血氧檢測(cè)智能服裝設(shè)計(jì)

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，相比于緊身的衣物，人們會(huì)更偏好穿戴相對(duì)寬松的服裝，所以選擇H型和O型廓形的T恤或內(nèi)衣進(jìn)行智能服裝的設(shè)計(jì)，以便于穿戴者的日常生活使用[10]。

5.2 傳感器和服裝的結(jié)合

如圖8所示，心率血氧檢測(cè)智能服裝主要由硬件電路和軟件APP組成，心率血氧檢測(cè)模塊MAX30102體積較小，所以將其以徽章的形式放置于體外，當(dāng)用戶需要測(cè)量時(shí)，只需要打開手機(jī)APP，點(diǎn)擊健康測(cè)量，就可以將手指放置到徽章上面進(jìn)行測(cè)量。而心率血氧檢測(cè)系統(tǒng)的硬件電路板經(jīng)過密封和防水的處理后，以磁吸和卡扣的方式與衣服結(jié)合，使用鍍銀錦綸作為各個(gè)模塊和主電路板數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?dǎo)線[11]，具體數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)線結(jié)構(gòu)如圖9所示。主電路板通過藍(lán)牙模塊將測(cè)得的心率血氧數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)APP。

圖8 心率血氧檢測(cè)智能服裝設(shè)計(jì)

圖9 柔性導(dǎo)線結(jié)構(gòu)圖

6 數(shù)據(jù)與分析

為了驗(yàn)證智能服裝測(cè)得的心率血氧數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了10人規(guī)模的測(cè)試，針對(duì)飯前、飯后、空腹、運(yùn)動(dòng)結(jié)束等4種情況，分別使用智能服裝和YX306指夾式血氧儀(江蘇魚躍科技發(fā)展有限公司)測(cè)量心率、血氧數(shù)據(jù)，共測(cè)得數(shù)據(jù)400組。在測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)智能服裝的使用范圍更廣，不容易受到環(huán)境的限制，加上健康診斷和危險(xiǎn)報(bào)警功能的存在，智能服裝能夠更好地保障人體的健康安全，但是智能服裝的測(cè)量精度卻略低于血氧儀，因此以血氧儀測(cè)得的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，求得二者測(cè)量的數(shù)據(jù)之差，對(duì)其進(jìn)行分析比較，智能服裝和血氧儀測(cè)得的心率血氧數(shù)據(jù)差異圖見圖10。

圖10 智能服裝和血氧儀測(cè)得的心率血氧數(shù)據(jù)差異圖

智能服裝與血氧儀測(cè)得的數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1。對(duì)血氧儀和智能服裝測(cè)得的心率血氧數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后測(cè)得的心率數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低，究其原因是運(yùn)動(dòng)結(jié)束后心率波動(dòng)較劇烈。而其他情況下測(cè)得的心率血氧數(shù)據(jù)都比較準(zhǔn)確。

表1 數(shù)據(jù)分析表

7 結(jié)束語

針對(duì)心率血氧數(shù)據(jù)對(duì)人體健康狀況的重要性和傳統(tǒng)心率血氧檢測(cè)設(shè)備的不足，從日常使用和健康安全2個(gè)方面進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一款具有心率血氧檢測(cè)功能的智能服裝。通過單片機(jī)(STM32F103C8T6)對(duì)心率血氧檢測(cè)傳感器(MAX30102)測(cè)得的心率血氧信號(hào)進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波處理，并將得到的心率血氧數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送到智能手機(jī)APP上。根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)并結(jié)合穿戴者的性別、年齡、病歷等推斷其身體健康情況，在測(cè)得數(shù)據(jù)異常時(shí)通過短信向穿戴者的監(jiān)護(hù)人發(fā)送其位置信息，使穿戴者在危險(xiǎn)時(shí)得到第一時(shí)間的救助。測(cè)試結(jié)果表明，該智能服裝對(duì)于心率血氧數(shù)據(jù)檢測(cè)的準(zhǔn)確度達(dá)到了95.9%以上，對(duì)于健康狀況的推斷有著極高的準(zhǔn)確性，能夠保障穿戴者的健康安全。