紐扣式無線心率監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

華晨惠， 王曉飛， 邵海明， 丁軍浩， 盧 愷

(1.北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 北京 100192;2. 中國計(jì)量科學(xué)研究院 電磁所， 北京 100013)

紐扣式無線心率監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

華晨惠1， 王曉飛1， 邵海明2， 丁軍浩1， 盧 愷1

(1.北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 北京 100192;2. 中國計(jì)量科學(xué)研究院 電磁所， 北京 100013)

設(shè)計(jì)了一種紐扣式無線心率監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光電容積法(PPG)設(shè)計(jì)了一款紐扣式傳感器實(shí)現(xiàn)對心率信號(hào)的采集和預(yù)處理，利用微處理器Atmega 328進(jìn)行ADC和心率計(jì)算，通過藍(lán)牙將處理后的數(shù)據(jù)上傳給基于LabVIEW設(shè)計(jì)的心率監(jiān)測軟件，實(shí)現(xiàn)對心率信號(hào)長時(shí)間實(shí)時(shí)的監(jiān)測。對5名受測人員分別使用心率監(jiān)測系統(tǒng)和人工方法進(jìn)行多次重復(fù)性心率測試，心率監(jiān)測系統(tǒng)的誤差小于2%。結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了語音提示、語音報(bào)警、數(shù)據(jù)庫建立、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

紐扣式傳感器; 心率監(jiān)測; 藍(lán)牙; LabVIEW

0 引 言

心血管疾病現(xiàn)為全球威脅人類健康和生命的主要疾病之一，也是中國人死亡的重要原因之一，因此其早期的發(fā)現(xiàn)和診斷有著非常重要的意義[1]。心率是目前評(píng)估心血管疾病的主要指標(biāo)之一，若能對其進(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)測和分析，在被監(jiān)測者剛有心血管疾病傾向時(shí)就能得到合理的醫(yī)生指導(dǎo)，發(fā)病之初就能及時(shí)給與治療和搶救，將會(huì)降低患病率，減少患者的死亡率[2-3]。

傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)心電圖儀簡稱Holter，可以24 h監(jiān)測心電圖，但因其質(zhì)量、體積以及記錄儀和電極間連線的復(fù)雜度決定了受檢者帶上它后會(huì)嚴(yán)重影響日常生活，而TI提供的便攜式腕部心率計(jì)價(jià)格高。劉滿晉采用三導(dǎo)聯(lián)方式采集人體運(yùn)動(dòng)心電信號(hào)，要在胸部和右腿穿戴傳感器使用起來很不方便[4];周聰聰?shù)忍岢鐾髱叫穆蕼y裝置在佩戴時(shí)會(huì)存在傳感器位置偏移的狀況等[5]。本文設(shè)計(jì)了一種紐扣式可以長時(shí)間無線監(jiān)測心率，并且給使用者在情況異常時(shí)，給予提醒并及時(shí)報(bào)警的便攜式家用心率監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由光電反射式脈搏傳感器模塊、信號(hào)處理模塊、微處理器Atmega328控制器模塊、藍(lán)牙通信模塊及上位機(jī)組成。主要工作原理：脈搏傳感器實(shí)時(shí)采集人體耳垂處的心率信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理模塊后被A/D模塊采集并傳輸?shù)轿⑻幚砥鰽tmega328完成對信號(hào)的處理。通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與LabVIEW軟件構(gòu)建的上位機(jī)軟件通信，將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入心率數(shù)據(jù)庫，以滿足長時(shí)間的監(jiān)測和比較。紐扣式無線心率監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 光電容積法檢測原理

光電容積法的基本原理是利用光電容積脈搏波進(jìn)行脈搏測量，其傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，借助光電傳感器技術(shù)檢測皮下組織中的血液容積變化從而得到的脈搏波。動(dòng)脈血管容積隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化，因此光電變換器的電信號(hào)變化周期就是心率[6]。根據(jù)取光的路徑不同，光電容積法可分為透射式和反射式檢測[7]，為保證使用方便，本文采用反射式監(jiān)測法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 紐扣式心率傳感器

光源選取對動(dòng)脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的波長段為500～700 nm的發(fā)光二極管[8]。因?yàn)椴ㄩL為560 nm的波能反映皮膚淺部微動(dòng)脈信息，適合提取脈搏信號(hào)；并且在指端或橈動(dòng)脈處使用壓力或光電傳感器采集不僅會(huì)對使用者帶來不適，還極易因運(yùn)動(dòng)對信號(hào)質(zhì)量造成影響；為了方便佩戴并提高可靠性，選用傳感器采集耳垂處的心率信號(hào)。由于脈搏信號(hào)的頻帶一般在0.3～20 Hz，信號(hào)幅度在毫伏級(jí)，容易受到各種信號(hào)干擾[7]。因此需要將信號(hào)通過低通濾波電路和信號(hào)放大電路，才能得到較為理想的心率信號(hào)。

圖2為紐扣式心率傳感器電路設(shè)計(jì)圖，圖3為紐扣式心率傳感器的實(shí)物和實(shí)際測量時(shí)傳感器位置。該系統(tǒng)中傳感器的光源是峰值波長為515 nm的綠光LED燈，感受峰值波長為565 nm APDS-9008光接收器，兩者的峰值波長相近，保證靈敏度。APDS-9008端輸出心率信號(hào)為7.6 mV交變電壓信號(hào)，經(jīng)過整流濾波后和MCP 6001 芯片放大330倍后，輸出信號(hào)為峰值2.6 V的交變電壓信號(hào)，傳感器信號(hào)測試波形如圖4所示，進(jìn)一步由微處理器Atmega328進(jìn)行ADC采集和處理。

圖2 紐扣式心率傳感器電路

圖3 紐扣式心率傳感器的實(shí)物和實(shí)際測量位置圖

圖4 傳感器信號(hào)測試波形

2.3 微處理器Atmega328處理模塊

選用微處理器Atmega328進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，借助Arduino平臺(tái)，它簡單且實(shí)用性很強(qiáng)，簡單易懂的編程語言，只需要對接口進(jìn)行操作，極大地降低了開發(fā)難度，提高了設(shè)計(jì)開發(fā)效率并且價(jià)格便宜[9]。選擇Arduino控制板可以通過簡單的導(dǎo)線連接及外部電源供電并給傳感器提供5 V電源，有效地解決了傳感器供電問題。

圖 5為心率監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)原理圖。本系統(tǒng)將紐扣心率傳感器輸出的心率信號(hào)直接送至Atmega328的ADC模塊，具體連接是將紐扣式心率傳感器的Vcc、GND分別與Arduino控制板上5 V、GND相連，紐扣式心率傳感器的信號(hào)輸出端S管腳與Arduino板的模擬輸入端相連。在IDE中編寫程序心率計(jì)算程序，編譯正確后，用USB數(shù)據(jù)線將程序上傳到Arduino控制板后，程序便會(huì)在Arduino板工作。最終將該微處理模塊做成胸針形式，小巧易于攜帶，能實(shí)現(xiàn)長時(shí)間實(shí)時(shí)心率監(jiān)測。

圖5 硬件系統(tǒng)原理圖

對于心率監(jiān)測系統(tǒng)中微處理器Atmega328進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和心率計(jì)算算法的調(diào)用，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的ADC和心率數(shù)值的計(jì)算，將處理后數(shù)據(jù)傳遞到藍(lán)牙模塊。微處理器Atmega328處理數(shù)據(jù)流程圖如圖6所示。

圖6 微處理器程序流程圖

2.4 藍(lán)牙模塊

采用藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)，既擺脫了短距離內(nèi)有線的束縛，又增加了使用的靈活性。本系統(tǒng)選取了HC-05藍(lán)牙模塊[9-10]。在此處將與Arduino板相連接藍(lán)牙模塊設(shè)置為主機(jī)模式，與PC機(jī)相連接的藍(lán)牙模塊設(shè)置為從機(jī)模式。將藍(lán)牙模塊設(shè)置成從機(jī)模式:在藍(lán)牙模塊KEY引腳高電平狀態(tài)下，通過USB-TTL轉(zhuǎn)接板，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊和電腦USB接口間的連接，借助串口調(diào)試助手發(fā)送AT指令進(jìn)行相應(yīng)修改。設(shè)置完畢后KEY引腳懸空即可。

將HC-05藍(lán)牙模塊的V+、GND、TXD(串口發(fā)送引腳)、RXD(串口接收引腳)分別與Atmega328的的3.3 V、GND、RXD、TXD引腳進(jìn)行連線，實(shí)現(xiàn)無線串口的功能將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。系統(tǒng)中與藍(lán)牙連接的PC開始接收數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

由Arduino控制器構(gòu)建性價(jià)比較高的下位機(jī)，簡單且容易上手；由LabVIEW軟件構(gòu)建的簡單易用的上位機(jī)軟件，前者負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和輸出執(zhí)行的任務(wù)；后者負(fù)責(zé)顯示與處理，即可實(shí)現(xiàn)兩者的功能互補(bǔ)[8]。LabVIEW中有專門對Arduino進(jìn)行控制的工具包LabVIEW Interface for Arduino (LIFA)，在NI VISA驅(qū)動(dòng)下，可以快速完成Arduino端口控制以及傳感器數(shù)據(jù)采集和控制[11-12]。但官方工具包的函數(shù)庫中傳感器型號(hào)有限[13-14]，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取藍(lán)牙串口方式傳輸數(shù)據(jù)，因此通過藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)管理軟件生成虛擬串口供LabVIEW使用[15-16]。可供使用者的長時(shí)間監(jiān)測和分析，適用于日常家庭生活，有較好的使用價(jià)值。

系統(tǒng)采集控制數(shù)據(jù)的流程如圖7所示。LabVIEW的前面板主要功能包括：測試者信息的輸入，心率監(jiān)測圖形實(shí)時(shí)的顯示，平均心率顯示，測試結(jié)果語音提示，語音報(bào)警，測量結(jié)果上傳，上傳成功后自動(dòng)建立該測試者的數(shù)據(jù)庫，在高級(jí)選項(xiàng)中顯示近期數(shù)據(jù)的圖形，可以很好地觀察近階段身體健康趨勢。圖8 是LabVIEW心率采集和顯示部分的程序框圖。

圖7 LabVIEW程序流程圖

圖8 LabVIEW心率采集和顯示程序框圖

4 測試結(jié)果與分析

圖9顯示了上位機(jī)LabVIEW前面板的心率監(jiān)測實(shí)驗(yàn)圖，實(shí)現(xiàn)了測試者信息輸入，測試心率圖形的顯示，現(xiàn)在心率測試值以及讀取歷史數(shù)據(jù)，長時(shí)間高級(jí)分析等軟件功能。

(a)系統(tǒng)硬件圖

(b)心率監(jiān)測實(shí)驗(yàn)圖

測試結(jié)果表明，研制的心率監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果與人工測量完全符合。在恒溫20℃的環(huán)境下，對5 名受測人員使用心率監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行多次重復(fù)性心率測試，同時(shí)采用人工方法對相同對象脈搏進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1。人工測試由于起始和結(jié)束時(shí)間的掌握差異，在1 min內(nèi)最多也就相差了2次。因此該心率監(jiān)測系統(tǒng)的誤差<2%，是可以接受。以人工測量為實(shí)際心率值，設(shè)計(jì)的心率測試為待測試，對其進(jìn)行多次重復(fù)測試，結(jié)果表明心率監(jiān)測系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測試重復(fù)性好。

表1 測量結(jié)果與實(shí)際心率比較

5 結(jié) 語

心率計(jì)作為常用的醫(yī)學(xué)設(shè)備，能長時(shí)間實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測心率，將在家庭生活和臨床醫(yī)學(xué)等方便具有廣泛的應(yīng)用。而使用光電容積法獲取心率信號(hào)，使用更為簡單方便，易于攜帶，可以像佩戴飾品一樣；同時(shí)運(yùn)用藍(lán)牙技術(shù)，將Arduino和LabVIEW結(jié)合起來，使心率測量裝置能夠長時(shí)間實(shí)時(shí)通信、記錄心電波形、繪制近期心率趨向圖、建立數(shù)據(jù)庫、存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，能更加有效監(jiān)測測試者身體狀態(tài)，尤其適用于日常家庭生活，有較好的使用價(jià)值。

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Research and Implementation of a Button-type Wireless Heart Rate Monitoring System

HUAChen-hui1，WANGXiao-fei1，SHAOHai-ming2，DINGJun-hao1，LUKai1

(1. School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China; 2. Electromagnetic Institute, National Institute of Metrology, Beijing 100013, China)

To improve the poor flexibility and functionality of the heart rate measurement systems, a button-type wireless heart rate monitoring system is presented. In this system, the button sensor is closely related to photo plethysmography (PPG) used to collect date about heart rate and pre-process the signals. Microcontroller chip Atmega 328 is used as a core to compute ADC and heart rate and transmit the data to LabVIEW via the bluetooth. Finally, the software of the heart rate monitor is responsible for real-time receiving and monitoring of heart rate signals for a long time. Five persons were selected to test the performance of the heart rate monitoring through repeatedly test by using heart rate monitoring system and artificial method, respectively. The error of heart rate monitoring system was less than 2%. The results show that the system is reliable and realizes the functions of voice prompt, voice alarm, database building, massive data storage. It also has the characteristics of small size, good flexibility, cheap cost, multiple functions, and can be used for long time monitoring and analysis for the users, which has good application prospects in daily life.

button sensor; heart rate monitoring; bluetooth; LabVIEW

2016-05-13

北京信息科技大學(xué)校級(jí)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目；北京信息科技大學(xué)校級(jí)傳感技術(shù)課程建設(shè)項(xiàng)目資助(2016KGYB12)

華晨惠(1990-)，女，安徽宿州人，碩士生，主要研究方向：電子測量技術(shù)。Tel.:13691042141;E-mail:hchenhui@yeah.net

王曉飛(1965-)，女，遼寧鞍山人，博士，教授，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程及儀器、電子測量技術(shù)的研究。

Tel.:13661211927;E-mail:wangxiaofei@bistu.edu.cn

R 318

A

1006-7167(2017)01-0065-04