深究和康iwatch技術(shù)原理

尤子銘 吳怡伸

摘 要 本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)血壓、血氧、心率三合一測量并利用APP實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到子女手機(jī)中的智能腕表，可以讓子女快捷了解到老年人身體狀況，并可以根據(jù)需要增加私人定制和天氣提醒系統(tǒng)，使設(shè)備更加人性化。

關(guān)鍵詞 物理學(xué)專業(yè);項(xiàng)目創(chuàng)新;技術(shù)原理

引言

我國正加速步入老齡化社會(huì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前60歲及以上老年人口有2.42億人，占總?cè)丝?7.9%，在我國老齡化的趨勢(shì)下，隨著人口出生率的下降，人口老齡化程度日益加劇，老年人對(duì)健康的需求將不斷增加。因此，給老年人健康監(jiān)測提供有關(guān)科技支持已迫在眉睫。2019年我國智慧健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)規(guī)模近3.2萬億元，近三年復(fù)合增長率超過18%。隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，全球工業(yè)制造行業(yè)迎來了智能制造時(shí)代，而智能可穿戴設(shè)備研發(fā)將成為智能制造中一股熱潮，其中又以智能腕表的流行為盛。我國雖然智能腕表尚未普及，未來將是我國大力培養(yǎng)的新興產(chǎn)業(yè)，具有很大的發(fā)展?jié)摿蛯?shí)用價(jià)值。因此，我們將研發(fā)一款老年人智能腕表上的健康測量設(shè)備。

1相關(guān)研究

（1）心率測量：心臟搏動(dòng)引起的毛細(xì)血管和動(dòng)脈靜脈容積呈規(guī)律性改變，對(duì)可見光的反射呈波動(dòng)性，而這波動(dòng)的頻率可記錄為心率信號(hào)。光電體積法是由特定綠色波長的發(fā)光LED和一個(gè)波長與之對(duì)應(yīng)的 光敏傳感器組成，光敏傳感器接受手臂皮膚的反射光并感測到光場強(qiáng)度的變化，換算為心率[1]。

（2）血氧測量：通過依次驅(qū)動(dòng)一個(gè)紅光LED（660nm）和一個(gè)紅外光LED（910nm），藍(lán)色線條表示血紅蛋白不帶氧分子的時(shí)候接收管對(duì)還原血紅蛋白感應(yīng)曲線，從曲線圖中可以看下還原血紅蛋白對(duì)660nm紅光的吸收比較強(qiáng)，而對(duì)910nm紅外光的吸收長度比較弱。紅色線條表示血紅蛋白并帶有氧分子的血紅細(xì)胞時(shí)接收管對(duì)氧合血紅蛋白感應(yīng)曲線。在血氧測量時(shí)，還原血紅蛋白和有氧合血紅蛋白，通過檢測兩種對(duì)不同波長的光吸收的區(qū)別，所測出來的數(shù)據(jù)差就是測量血氧飽和度最基本的數(shù)據(jù)。

（3）血壓測量：測量血壓時(shí)先用氣球向纏縛于上臂的袖帶內(nèi)充氣加壓，壓力經(jīng)軟組織作用于肱動(dòng)脈。當(dāng)所加壓力高于心收縮壓力時(shí)，由氣球慢慢向外放氣，袖帶內(nèi)的壓力即隨之下降，當(dāng)袖帶內(nèi)的壓力等于或稍低于心縮壓時(shí)，隨著心縮射血，血液即可沖開被阻斷的血管形成渦流，用聽診器便開始聽到搏動(dòng)的聲音，此時(shí)檢壓計(jì)所指示的壓力值即相當(dāng)于收縮壓。繼續(xù)緩慢放氣，使袖帶內(nèi)壓力逐漸降低，當(dāng)袖帶內(nèi)壓力低于心收縮壓，但高于心舒張壓這一段時(shí)間內(nèi)，心臟每收縮一次，均可聽到一次聲音。當(dāng)袖帶壓力降低到等于或稍低于舒張壓時(shí)，血流復(fù)又暢通，伴隨心跳所發(fā)出的聲音便突然變?nèi)趸蛳?，此時(shí)檢壓計(jì)所指示的壓力值即相當(dāng)于舒張壓。

2深究技術(shù)

2.1 研究過程

在研究過程中，我們查找了許多在醫(yī)學(xué)上廣泛使用的心率、血氧、血壓的儀器的資料及他們使用的效果及優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)他們的外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并結(jié)合智能手表的功能特性進(jìn)行合理利用與改動(dòng)。同時(shí)，為了更好的實(shí)現(xiàn)我們預(yù)期的效果，我們對(duì)醫(yī)學(xué)儀器和智能手表的使用說明書進(jìn)行了深入的研究，然后畫出了簡單的設(shè)計(jì)圖。后期為了更方便人們使用，我們又為它設(shè)計(jì)了許多具有特定功能的配件。

2.2 主要涉及的科學(xué)原理

光電體積法、型光學(xué)測量法、示波法。

2.3 主要?jiǎng)?chuàng)新

（1）將血壓、血氧、心率結(jié)合，可以隨時(shí)隨地監(jiān)護(hù)使用者的身體狀況，排除了一些僅在診室才存在的白大褂效應(yīng)。

（2）操作簡單，不需家人為其擔(dān)心。

（3）結(jié)合大氣系統(tǒng)，及時(shí)提醒使用者該做的事。

（4）手表材料采用最新型合成橡膠，佩戴舒適，且小巧，不影響正常生活。

（5）內(nèi)設(shè)電池相比其他產(chǎn)品更為環(huán)保，容易被降解。

（6）可以與手機(jī)藍(lán)牙連接，如果丟失也可找回。

2.4 未來改進(jìn)

目前設(shè)計(jì)出的作品還很粗糙，有些地方的技術(shù)處理還不是很科學(xué)，需要進(jìn)一步完善。由于知識(shí)和專業(yè)的局限性，有很多東西不是很了解，希望能得到有關(guān)專家的幫助與指導(dǎo)。如果有條件的話，希望我們的iWatch可以加入電腦芯片，通過人工智能的方式來更好地服務(wù)于使用者，更好地讓使用者享受生活。通過電腦芯片，我們的產(chǎn)品可以更多地完成一些看似不可能的事情，使它可以緊跟世界科技的潮流，成為一項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)明。

上圖是我們iWatch主體的剖面（由于空間有限并不是很全面），這個(gè)部分是手表的核心部分，這個(gè)核心部分可以被分成兩大層，這兩層都有其特定的作用，且且這兩層之間有橡膠隔絕漏電及固定內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的模塊[2]。

這幅圖為手表主體部分的第一層，具有常見智能手表的基本功能，但不同的是，我們有警報(bào)系統(tǒng)，根據(jù)下面結(jié)構(gòu)測量的數(shù)據(jù)反饋，主控板控制手表發(fā)出聲音，并且亮起sos的燈光，這樣可以提醒使用者該服用藥物了，并且聲音及燈光可以吸引旁邊的人注意力，讓使用者得到他人的幫助。在發(fā)出警報(bào)的同時(shí)，手表同樣會(huì)發(fā)出信息，讓使用者的家人也知道這個(gè)情況，并通過手表的定位及時(shí)把使用者送入醫(yī)院。

這幅圖則是手表主體部分的第二層，這一層的主要作用是測量使用者的血氧及心率，并把數(shù)據(jù)反饋到上層的主控板上。

根據(jù)氧合血紅蛋白和非氧合血紅蛋白對(duì)不同波長入射光有著不同的吸收率。當(dāng)單色光垂直照射人體時(shí)，動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量將隨透光區(qū)域動(dòng)脈血管搏動(dòng)而變化，而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織對(duì)光的吸收是恒定不變的。由于生物組織是一個(gè)各向異性、強(qiáng)散射、弱吸收的復(fù)雜光學(xué)介質(zhì)，因此在實(shí)際測量中無法用一個(gè)嚴(yán)格的公式來描述，所以我們是利用上述規(guī)律通過測量雙光束（紅光和紅外光來實(shí)現(xiàn)）吸光度變化之比，然后通過經(jīng)驗(yàn)定標(biāo)曲線最終獲取氧飽和度。

對(duì)于心率的測量我們的產(chǎn)品與皮膚接觸的傳感器會(huì)發(fā)出一束光打在皮膚上，測量反射和透射的光。因?yàn)檠簩?duì)特定波長的光有吸收作用，每次心臟泵血時(shí)，該波長都會(huì)被大量吸收，以此就可以確定心跳。

而對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)這一步驟是根據(jù)圖中的電子電路來實(shí)現(xiàn)的，電路中的電流變化間接反映出前面所測量的數(shù)據(jù)，然后上層的主控板進(jìn)行下一步的活動(dòng)。

這幅圖主要是畫出手表的表帶部分，該部分的作用主要是測量使用者的血壓，并把測量的數(shù)據(jù)反饋到上層的主控板上。

表帶部分是利用現(xiàn)代電子技術(shù)與血壓間接測量相結(jié)合而研制出的一種方便可行的設(shè)備其原理是用示波法間接測量血壓，在放氣的過程中，手腕處動(dòng)脈血流從完全阻斷到逐漸恢復(fù)正常，脈沖信號(hào)從無到有，并且呈先增后減的趨勢(shì)。這種脈沖信號(hào)的振幅很微弱，但可被血壓計(jì)的壓力傳感器感知、放大，并依據(jù)袖帶壓力變化及脈搏振幅的變化，得出一條包絡(luò)線。表帶上的氣泵和放氣閥配合工作在充氣或放氣的過程中，電容式壓力傳感器可以感知脈搏波信息，然后在振蕩器中留存，并開始對(duì)血壓波形的擺動(dòng)進(jìn)行分析和一系列復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和計(jì)算得到收縮壓和舒張壓的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送到上層的主控板上[3]。

3結(jié)束語

我們說明了和康iWatch是如何在老年人的日常生活中起到作用的，盡管有部分的缺漏，不能完全像醫(yī)學(xué)臨床的精密儀器那樣精準(zhǔn)，但是我們的產(chǎn)品測量的數(shù)據(jù)的同時(shí)會(huì)給定一個(gè)較小的測量者的數(shù)據(jù)區(qū)間，從而判斷是否需要就醫(yī)或者服用藥物。雖然在精確度比不上高精度儀器，但是我們的iWatch比那些儀器的價(jià)錢要少得多。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉永宣，劉丙杰. 指夾式血氧飽和度探頭的維修保養(yǎng)[J]. 中國醫(yī)療設(shè)備，2002，17（11）：67-67，69.

[2] 陳紅友，郭禧斌. 護(hù)腕式心電監(jiān)控器的設(shè)計(jì)[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017，（5）：85.

[3] 劉莎，李玉霞.智能通信腕式血壓計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國科技信息，2016，（Z1）：62-64.

作者簡介

尤子銘（2000-），男，江蘇南京人;現(xiàn)就讀學(xué)校：南京信息工程大學(xué)，專業(yè)：數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)。

2018年8月曾在《百科論壇》理論研究雜志上發(fā)表論文1篇;2020年4月，參加學(xué)院首屆“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽《和康iwatch》項(xiàng)目榮獲二等獎(jiǎng)，現(xiàn)任班長、團(tuán)支部書記、校組織部成員。