可穿戴式脈搏監(jiān)測(cè)手環(huán)設(shè)計(jì)與分析

陳嘉慈，楊海馬，李福鳳，周小芳，張大偉，何施晶，王朝斌，宋智超，馮婷

（1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，上海 201203；3.上海領(lǐng)旌信息科技有限公司，上海 200120；4.上海溯湃醫(yī)療科技有限公司，上海 201600）

0 引言

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們生活方式的轉(zhuǎn)變，心血管疾病逐漸成為人們死亡的一大重要因素。脈搏檢測(cè)作為心血管疾病重要診斷方式，也成為時(shí)下熱門的研究方向。脈圖是脈管搏動(dòng)的軌跡，綜合了心臟射血活動(dòng)和脈波沿血管樹傳播途中攜帶的各種信息，而橈動(dòng)脈處測(cè)量的壓力脈搏波就是血液在動(dòng)脈管中傳播和反射在橈動(dòng)脈處的結(jié)果。相較于心電圖，脈搏圖測(cè)量方式更簡(jiǎn)便，這也意味著中西醫(yī)在脈象信息上具有相似的采集意義。而隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和傳感技術(shù)的更新，使用科學(xué)儀器診斷脈象成為時(shí)下熱門話題。

衛(wèi)佳駿研制了一種可進(jìn)行三部脈診的脈象裝置，能夠得到較好的脈象信息，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積龐大，需要攜帶手提箱、電源等，使用起來并不靈活；蘇小青等設(shè)計(jì)一種基于光電傳感器的脈象檢測(cè)儀，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)脈象的非接觸檢測(cè)，但其并未實(shí)現(xiàn)對(duì)脈診三部九侯的測(cè)量要求，且不符合傳統(tǒng)切脈方式；Antsiperov等提出一種基于氣動(dòng)傳感器的脈診裝置，并結(jié)合中醫(yī)的脈診方式，進(jìn)行三部測(cè)量，能夠得到良好的波形信息，但該設(shè)備氣動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)成本較高。

針對(duì)上述不足，本文設(shè)計(jì)了一種三部診脈裝置，以STM32位主控芯片，為更好地復(fù)現(xiàn)醫(yī)生診脈場(chǎng)景，選取MEMS壓阻傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)寸關(guān)尺脈象信號(hào)的采集，通過設(shè)計(jì)電路使得主控板尺寸為3cm*2.8cm，極大減小了設(shè)備體積，并通過藍(lán)牙將脈象信息上傳到手機(jī)端獲得連續(xù)變化的脈搏曲線，滿足便攜采樣要求。同時(shí)，采用LabVIEW作為PC端的上位機(jī)，對(duì)獲取的脈象信息進(jìn)行初步的波形預(yù)處理與特征參數(shù)提取。該系統(tǒng)較傳統(tǒng)儀器體積小，可在手機(jī)與PC端使用，且功耗較低，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試效果良好。

1 工作原理與整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集硬件部分和數(shù)據(jù)顯示與分析的軟件部分所組成。設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)三部脈象檢測(cè)裝置，主要功能如下：①能夠?qū)Υ珀P(guān)尺三部進(jìn)行可靠有效的信號(hào)采樣；②能夠?qū)⒚}搏信息顯示在OLED屏幕上；③具有實(shí)時(shí)顯示波形功能，并能夠完成對(duì)脈象波形的相關(guān)處理；④能夠通過無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)脈象信號(hào)的移動(dòng)端顯示。圖1為便攜式三部診脈實(shí)物圖。

整體系統(tǒng)采用搭扣式手環(huán)設(shè)計(jì)，當(dāng)采集信號(hào)時(shí)，將手環(huán)綁緊在手腕上。當(dāng)腕帶收緊時(shí)，底部裸露的三個(gè)傳感器為采樣探頭，接收壓力變化，經(jīng)由主控芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力信號(hào)的轉(zhuǎn)換與發(fā)送。采樣裝置選用壓阻式傳感器對(duì)脈搏跳動(dòng)進(jìn)行采樣，其原理為被測(cè)物體表面的硅膜片收到機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生形變時(shí)，載流子遷移率發(fā)生變化，使得電阻發(fā)生變化，再通過惠更斯電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換為電壓變換，實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量

Fig.1 Physical pictureof portable three-position pulsediagnosis圖1 便攜式三部診脈實(shí)物

具體流程如圖2所示，三部傳感器采集到數(shù)據(jù)經(jīng)由傳感器內(nèi)部處理芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控芯片進(jìn)行處理，主控芯片再將經(jīng)由處理后的信號(hào)分三路發(fā)送，一路發(fā)送至藍(lán)牙模塊，一路經(jīng)由計(jì)算后在液晶屏上顯示參數(shù)，最后一路通過串口通信發(fā)送至PC端處理。

Fig.2 Work flow圖2 工作流程

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用的微處理器為STM32F100，以Cortex-M3為核心，工作頻率最高可達(dá)到24MHZ，滿足了實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)F100較F103封裝更小，能夠較好地減小裝置的體積。并且，該芯片還具有兩個(gè)I2C接口、3個(gè)USART、多個(gè)IO口，能夠滿足系統(tǒng)需要。裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 電源模塊

采用5V鋰電池對(duì)裝置進(jìn)行供電，為了滿足電池電量的顯示需求，需要對(duì)電池電量進(jìn)行檢測(cè)。采用兩個(gè)電阻對(duì)電池電壓分壓后再送到MCU的ADC中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過計(jì)算后將結(jié)果顯示在OLED屏幕上。電源管理模塊如圖4所示。

Fig.3 Hardware structureblock diagram圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖

Fig.4 Power management module圖4 電源管理模塊

為了滿足裝置便攜使用需求，在整個(gè)電源模塊中還增加了充電功能。裝置選用CN3763充電芯片，在恒壓充電模式，恒壓充電電壓可以通過BAT管腳和FB管腳之間的電阻向上調(diào)整。并且，裝置通過外接LED對(duì)充電狀態(tài)進(jìn)行辨別。電源充電模塊如圖5所示。

Fig.5 Charging module圖5 充電模塊

2.2 壓力傳感模塊

壓力傳感器選用MEMS壓阻式傳感器AS77。該傳感器的工作電壓為1.8～5.5V，測(cè)量范圍為300～2 000mbar，并且正常工作的溫度保持在-40～85℃。此外，由于該傳感器內(nèi)部集成有24位ADC，能夠在內(nèi)部進(jìn)行溫度等誤差補(bǔ)償，因而能夠很好地滿足裝置工作要求，達(dá)到減小主板體積的作用。在裝置中傳感器的工作電壓為3.3V，并且接有10K的上拉電阻，通過IIC接口總線與主控芯片連接，如圖6所示。

2.3 液晶顯示電路

Fig.6 Sensor circuit connection diagram圖6 傳感器電路連接圖

屏幕選用0.96寸OLED顯示屏SSD1306.。該屏幕使用3.3V供電，并且采用SPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)與主控芯片之間的通信。液晶顯示的電路如圖7所示。

Fig.7 Liquid crystal display interfacecircuit圖7 液晶顯示接口電路

2.4 無線傳輸模塊

裝置選用型號(hào)為PW02，主控芯片為DA14585的藍(lán)牙模塊。該模塊采用藍(lán)牙5.0協(xié)議，低功耗模式傳輸速度上限為200Mbps，有效工作距離為300m，同時(shí)兼容4.2和4.0協(xié)議，因而能夠很好地應(yīng)對(duì)移動(dòng)端適配問題，滿足低功耗與高速率需求。如圖8所示為藍(lán)牙模塊電路，P01為串口輸出腳，P04為模塊串口接收端，P03為模塊使能及睡眠控制腳，當(dāng)配置為睡眠模式時(shí)，該模塊TX端不可發(fā)送數(shù)據(jù)，而模塊串口RX可以收到藍(lán)牙數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)低功耗工作。

Fig.8 PW02 module circuit圖8 PW02模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 整體軟件流程

脈搏手環(huán)件設(shè)計(jì)主要包括下位機(jī)程序和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。其中，位機(jī)程序的主要功能是采集脈搏信號(hào)、等待傳感器內(nèi)部誤差補(bǔ)償與模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)通過串口以及無線通訊模塊進(jìn)行發(fā)送。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集裝置的啟動(dòng)與關(guān)閉，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)波形進(jìn)行優(yōu)化。

PC端主要借助LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行上位機(jī)開發(fā)，其主要流程如下：初始化串口參數(shù)讀取數(shù)據(jù)，并初始化緩存區(qū)，然后將讀取的數(shù)據(jù)放入緩存區(qū)，判斷緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)是否符合預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)幀格式，如果不相同則繼續(xù)讀取緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)，直到有完整的數(shù)據(jù)進(jìn)入到緩沖區(qū)后就將該數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并清空緩存區(qū)。手機(jī)端程序主要集中于藍(lán)牙端開發(fā)，包含藍(lán)牙適配、藍(lán)牙接受等功能。手機(jī)端主要流程如圖9所示，手機(jī)端界面如圖10所示。

Fig.9 Bluetooth connection process圖9 藍(lán)牙連接流程

Fig.10 Mobile phone interface diagram圖10 手機(jī)端界面

3.2 傳感器采樣流程優(yōu)化

由于本裝置實(shí)現(xiàn)的是三部采脈，對(duì)實(shí)時(shí)性有一定要求，因而裝置同時(shí)開啟3個(gè)傳感器采樣，首先判斷第一個(gè)傳感器是否轉(zhuǎn)換完成。由于第一個(gè)傳感器首先開啟采樣且轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，因而當(dāng)?shù)谝粋€(gè)傳感器未轉(zhuǎn)換完成時(shí)，其余傳感器也依然處于轉(zhuǎn)換中，然后將傳感器1數(shù)據(jù)讀出。然后判斷傳感器3的狀態(tài)，由于在讀出傳感器1的過程中其余傳感器內(nèi)部依然在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，此時(shí)通過讀出傳感器3的狀態(tài)可判斷剩余兩個(gè)傳感器的狀態(tài)標(biāo)志位，以此降低等待時(shí)間所造成的采樣點(diǎn)減少帶來的影響。具體流程如圖11所示。

Fig.11 Data conversion program圖11 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序

3.3 脈搏波特征提取

脈搏波由升支和降支組成，升支降支所組成的主波、潮波和降中波是脈搏波的重要組成，因而其中脈象圖中壓力曲線上的各拐點(diǎn)尤為重要，往往象征著動(dòng)脈血管彈性和外周阻力的關(guān)系，以及心室射血的能力，因而準(zhǔn)確地提取這些特征點(diǎn)有助于醫(yī)生診斷。本裝置處于客戶端的平穩(wěn)快速運(yùn)行中，采用時(shí)域分析提取脈搏時(shí)域信號(hào)，將時(shí)域微分法與閾值法相結(jié)合進(jìn)行特征提取。針對(duì)微分信號(hào)中特征點(diǎn)間距相近的情況，本文通過基于時(shí)域微分周期比的方式，以獲取潮波和重搏波的特征點(diǎn)。首先通過對(duì)提取出來的脈搏波形進(jìn)行一階微分，尋找波形各極值點(diǎn)，在各極值點(diǎn)中尋找最大值，即為脈搏的主波波峰。通過采集的脈搏信號(hào)可以得知，雖然重搏波的波峰有波動(dòng)，但它們的波動(dòng)總在一個(gè)范圍，因而可確定一個(gè)閾值，使得找出來的各極值點(diǎn)符合閾值條件。針對(duì)隱蔽的重搏波和潮波，可對(duì)該部分進(jìn)行時(shí)域微分劃分。該極值點(diǎn)即為重搏波波峰點(diǎn)。

3.4 通訊程序

波形顯示通過LabView和安卓程序?qū)崿F(xiàn)，可以通過藍(lán)牙發(fā)送相應(yīng)指令對(duì)PC或手機(jī)顯示模式進(jìn)行切換。下位機(jī)中由于一直采集脈搏數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送，上位機(jī)端的處理速度往往趕不上上傳速度，因而會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。本程序主要采用生產(chǎn)者和消費(fèi)者模式，通過隊(duì)列開辟一個(gè)緩沖區(qū)，將采集到的數(shù)據(jù)存放到緩沖區(qū)中，通過約定數(shù)據(jù)格式，具體包括一個(gè)字節(jié)的幀頭、18個(gè)字節(jié)的三路傳感數(shù)據(jù)以及一個(gè)字節(jié)的幀尾，以解析采集數(shù)據(jù)。安卓端的部分?jǐn)?shù)據(jù)解析代碼如下：

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 波峰提取測(cè)試

脈搏波的有效信號(hào)絕大部分存在于30HZ以下的低頻段，因而在測(cè)量過程中，患者的呼吸、說話以及可能存在的測(cè)量?jī)x器與皮膚間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的噪聲會(huì)淹沒有效信息。本文設(shè)計(jì)采用0.5～10HZ的帶通濾波器進(jìn)行消噪處理。

為了獲取采樣波形信號(hào)評(píng)價(jià)指標(biāo)，需對(duì)采集到的波形進(jìn)行相應(yīng)的特征提取，獲取關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)。如圖12為對(duì)三部脈象信號(hào)進(jìn)行脈象波峰提取后的效果圖。

4.2 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

在波峰提取實(shí)驗(yàn)中所提取的各波峰波谷的幅值在中醫(yī)脈診上有著重要參考價(jià)值。根據(jù)《現(xiàn)代中醫(yī)脈診學(xué)》所述，h1主要反映左心室的射血能力，h3反映血管壁的順應(yīng)性和外周阻力狀態(tài)，h5主要反映大動(dòng)脈的彈性。因此，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，選取以上指標(biāo)作為比較參數(shù)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)總體流程如圖13所示。

Fig.12 Peak extraction test圖12 波峰提取測(cè)試

Fig.13 Overall flow of experiment圖13 實(shí)驗(yàn)總體流程

為了驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)穩(wěn)定性，對(duì)同一個(gè)人的脈搏進(jìn)行前后測(cè)量，所得的主要指標(biāo)應(yīng)相近。選取上海理工大學(xué)20名20-25歲的學(xué)生，對(duì)前后采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。測(cè)量時(shí)保持被測(cè)者手臂水平，盡量讓橈動(dòng)脈與心臟處于同一水平面。為了避免采集前后手臂移動(dòng)和采集部位不同所帶來的影響，選取一次實(shí)驗(yàn)中間隔時(shí)間為30s的多個(gè)波形作比對(duì)，并進(jìn)行平均數(shù)處理，以減小可能存在的誤差。本實(shí)驗(yàn)以5個(gè)脈搏周期為樣本進(jìn)行對(duì)比，為方便處理，將測(cè)得壓力值作歸一化處理。表1為測(cè)試所采集的主要參數(shù)，對(duì)所獲取的參數(shù)進(jìn)行誤差分析，其結(jié)果如表2所示，可以看出該設(shè)備的前后測(cè)量誤差值小于2%，說明該設(shè)備在測(cè)量前后具有很好的穩(wěn)定性。

4.3 準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該裝置脈率采樣準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中采用上海中醫(yī)藥大學(xué)ZM-III型脈象儀進(jìn)行脈搏數(shù)據(jù)比較，以波峰提取結(jié)果中的h1為標(biāo)準(zhǔn)，每采集到一個(gè)h1信號(hào)標(biāo)志位一個(gè)心跳周期，對(duì)所采集到的100組脈率數(shù)據(jù)進(jìn)行Bland-Altman分析。本實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種設(shè)備采集的數(shù)據(jù)采用相同的濾波和預(yù)處理方法，以防止不同信號(hào)處理方法帶來的誤差，并且取相同的采集應(yīng)力，以避免不同取脈壓力帶來的干擾。由圖14所示，95%的置信區(qū)間為［-2.783，2.803］，由此可以得知該脈診手環(huán)與現(xiàn)有脈象儀在脈率檢測(cè)上具有較好一致性。除對(duì)脈率的檢測(cè)需要可靠外，各脈象復(fù)現(xiàn)程度也是非常重要的指標(biāo)。由于本文設(shè)計(jì)的是三部采脈，在采樣頻率上無法直接跟ZM-III進(jìn)行比較，故對(duì)同一個(gè)人分別采用不同的儀器進(jìn)行10次采樣，比較歸一化后特征點(diǎn)的均值，看同一人在不同裝置上的脈象信息是否一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示，每一路與ZM-III的單數(shù)數(shù)據(jù)方差相差較小，裝置測(cè)量較為準(zhǔn)確。

Table 1 Data collection表1 采集數(shù)據(jù)

Table 2 Relative error表2 相對(duì)誤差

Fig.14 Comparison of pulse rate data by Bland-Altman method圖14 Bland-Altman法比較脈率數(shù)據(jù)

Fig.15 Comparison of parameters of different devices圖15 不同裝置參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于STM32F100的便攜式三部診脈手環(huán)，其相較于目前市面上的診脈裝置具有體積小、可三路測(cè)量、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。本文通過詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)，極大地縮小了脈診裝置的體積，滿足便攜性要求。軟件設(shè)計(jì)在PC和移動(dòng)端均實(shí)現(xiàn)了脈象信息的采集與顯示，并能夠?qū)γ}象信息進(jìn)行初步分析。經(jīng)過多組實(shí)驗(yàn)證明，該裝置可靠性高，在一定程度上能夠取代當(dāng)前流行的單部脈診儀，在醫(yī)院及家用市場(chǎng)的應(yīng)用前景廣闊。但本文為追求客戶端的穩(wěn)定快速運(yùn)行，并未對(duì)濾波算法作深入研究，這是下一步重要研究方向。