基于物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴式心率、血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

何媛媛，余迪，何佳衡，阿羅星行，余小敏

（1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.成都信息工程大學(xué) 物理場(chǎng)生物效應(yīng)及儀器四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225）

0 引 言

心率 、血氧飽和度，簡(jiǎn)稱血氧（SpO2）是反映人體生命體征的重要指標(biāo)，血氧是衡量人體血液攜帶氧能力的重要參數(shù)，監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血可以對(duì)肺的氧合血紅蛋白攜帶能力進(jìn)行估計(jì)，在臨床上具有重要意義[1-2]。心率不但能夠反映心臟的工作狀態(tài)是否正常，也可以用來衡量腦力勞動(dòng)和體力勞動(dòng)的強(qiáng)度，心率的檢測(cè)對(duì)于心臟臨床研究具有重大意義。心率、血氧可以在醫(yī)院采用專業(yè)的監(jiān)護(hù)設(shè)備檢測(cè)，但是費(fèi)用昂貴，設(shè)備需要專業(yè)操作，而且不方便個(gè)人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前市場(chǎng)上有很多智能手環(huán)，可以實(shí)時(shí)采集心率、血氧等生理體征參數(shù)，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送至手機(jī)端應(yīng)用程序顯示，方便用戶對(duì)個(gè)人生理數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)了解[3-4]，但是普通人由于缺乏專業(yè)醫(yī)療知識(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)反映的身體異常無法進(jìn)行早期的識(shí)別或干預(yù)。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴式設(shè)備利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[5]，不僅可以對(duì)多終端用戶的生理數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，還可以通過平臺(tái)算法對(duì)個(gè)人的身體異常做出提前預(yù)警，可以廣泛用于社區(qū)[6]、養(yǎng)老院等場(chǎng)所。本文設(shè)計(jì)了一種基于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的穿戴式系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過一定算法可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血氧、動(dòng)態(tài)心率，并通過通信網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺(tái)、手機(jī)應(yīng)用程序或網(wǎng)頁端。實(shí)現(xiàn)24 h動(dòng)態(tài)心率和血氧的實(shí)時(shí)采集、處理、無線通信、顯示與存儲(chǔ)等功能。

1 測(cè)試原理

血紅蛋白（Hb）是紅細(xì)胞中一種能運(yùn)輸氧的蛋白質(zhì)，在血液中主要由含氧血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（RHb）組成。血氧是毛細(xì)血管中含氧量的估計(jì)值，用含氧血紅蛋白量占總血紅蛋白量的百分比表示：

1.1 光電容積脈搏波描記法信號(hào)采集

光電容積脈搏波描記法（Photo Pletysmo Graphy, PPG）是以LED光源和探測(cè)器為基礎(chǔ)，在活體組織中檢測(cè)血液容積變化的一種成熟的無創(chuàng)檢測(cè)方法。當(dāng)光照射在人體皮膚時(shí)，入射光強(qiáng)度衰減與介質(zhì)的厚度和濃度成正比，根據(jù)朗伯-比爾定律，衰減后出射光強(qiáng)度為：

式中：I0為入射光強(qiáng)度；I為出射光強(qiáng)度；ε(λ)為摩爾消光系數(shù)，與入射光的波長(zhǎng)相關(guān)；C為入射介質(zhì)濃度；d為光程。

人體皮膚、肌肉組織等對(duì)入射光的吸收和衰減是相對(duì)固定的，而心臟周期性收縮、舒張?jiān)斐裳軘U(kuò)張和收縮形變，血管內(nèi)部的血液容積呈現(xiàn)周期性變化，搏動(dòng)的動(dòng)脈血吸收和調(diào)節(jié)通過組織的入射光，導(dǎo)致入射光強(qiáng)度也呈現(xiàn)周期性變化，被光電探測(cè)器檢測(cè)到后轉(zhuǎn)換成PPG信號(hào)[7]。PPG信號(hào)中交流分量代表脈動(dòng)動(dòng)脈血液吸收光后產(chǎn)生的電信號(hào)，疊加在一個(gè)被其他血液和組織吸收光后產(chǎn)生的直流電信號(hào)上，原理如圖1所示。

圖1 PGG測(cè)量人體血氧原理

1.2 血氧、心率算法

當(dāng)動(dòng)脈血管脈動(dòng)時(shí)，會(huì)引起光程變化，假設(shè)為Δd，相應(yīng)光強(qiáng)度的變化為ΔI，代表電信號(hào)中的交流部分，I代表直流部分。則交流信號(hào)與直流信號(hào)的比值如式（3）：

由于動(dòng)脈搏動(dòng)引起的光程差Δd未知，常采用雙波長(zhǎng)血氧測(cè)量法求解，為了盡可能區(qū)分不同波段對(duì)含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白吸收的差異，采用660 nm的LED紅光和940 nm的LED紅外光譜[8]。兩束不同波長(zhǎng)光的交流成分和直流成分的比值為：

可以得到SpO2的公式：

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過比對(duì)校準(zhǔn)，可以擬合得到a、b、c的值。在PPG穩(wěn)定信號(hào)中，相鄰峰值之間的間隔頻率即心率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主要功能如圖2所示，包括心率、血氧檢測(cè)、位置定位、4G通信、平臺(tái)數(shù)據(jù)管理和手機(jī)應(yīng)用程序等功能。硬件設(shè)計(jì)分為幾個(gè)主要功能，包括單片機(jī)控制系統(tǒng)、心率、血氧檢測(cè)系統(tǒng)、4G無線通信、GPS定位以及電源管理模塊的硬件設(shè)計(jì)。軟件部分包括：云平臺(tái)搭建、后端數(shù)據(jù)庫、軟件網(wǎng)頁前端和微信小程序。硬件終端設(shè)計(jì)為手環(huán)，通過4G網(wǎng)絡(luò)將檢測(cè)到的心率、血氧及定位信息發(fā)送到云平臺(tái)，數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析、管理，將數(shù)據(jù)在前端顯示。無異常情況時(shí)也可以獲取佩戴者的實(shí)時(shí)心率、血氧、地理位置等信息。當(dāng)數(shù)據(jù)指標(biāo)不在正常健康范圍內(nèi)時(shí)，在手環(huán)和手機(jī)端發(fā)送提示或預(yù)警。

圖2 總體設(shè)計(jì)

2.2 硬件設(shè)計(jì)方案

2.2.1 心率血氧電路與算法

光學(xué)傳感器采集到的心率、血氧PPG信號(hào)一般為mV級(jí)的微弱信號(hào)，容易受環(huán)境噪聲以及運(yùn)動(dòng)信號(hào)的干擾。本系統(tǒng)硬件終端手環(huán)內(nèi)部采用MAXIM公司出品的集成芯片MAX30102，該芯片是高靈敏度血氧和心率生物傳感器，內(nèi)部集成了對(duì)環(huán)境光抑制的補(bǔ)償電路。該芯片由1.8 V電壓供電，通過I2C通信，電路連接如圖3所示。單片機(jī)通過I2C接口讀寫芯片寄存器，以100 Hz的采樣率讀取PPG原始數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)過五階平滑、歸一化預(yù)處理后，再采用低通濾波濾除高于5 Hz的高頻干擾。單片機(jī)同時(shí)讀取三軸加速度傳感器LIS2DH12的三軸加速度，經(jīng)過算法處理修正人體正常活動(dòng)造成的動(dòng)態(tài)干擾[9-10]，獲得高質(zhì)量PPG信號(hào)，計(jì)算出準(zhǔn)確的血氧和心率值。PPG信號(hào)處理流程如圖4所示。

圖3 心率血氧電路

圖4 PPG信號(hào)處理流程

2.2.2 無線通信模塊

本系統(tǒng)采用移遠(yuǎn)無線通信模塊EC600S-CN將采集的心率、血氧數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺(tái)，該模塊是一款LTE-FDD/LTETDD/GSM無線通信模塊，支持LTE-FDD、LTE-TDD、EDGE和GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接，支持移動(dòng)、電信、聯(lián)通等運(yùn)營(yíng)商。模塊的基帶和射頻電源由3.8 V電壓供電，串口通信接口為1.8 V電平，單片機(jī)與通信芯片的串口連接需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片將3.3 V電壓轉(zhuǎn)換成1.8 V。系統(tǒng)設(shè)計(jì)SIM卡接口電路，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要在SIM卡接口處插上SIM卡，單片機(jī)通過UART串口下發(fā)AT指令，初始化、連接通信芯片，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺(tái)端。待機(jī)電流低于1 mA，最大工作電流為60 mA。無線通信模塊如圖5所示。

圖5 無線通信模塊

2.2.3 定位模塊

定位模塊能夠?qū)崿F(xiàn)終端的定位功能，由泰斗N303芯片、天線、電容、電阻等原件組成，電路設(shè)計(jì)如圖6所示。N303芯片是泰斗微電子推出的一款內(nèi)部集成天線檢測(cè)電路、電源管理模塊的高靈敏度、低功耗、低成本、體積小的定位模塊，支持GPS、北斗等工作模式。當(dāng)檢測(cè)裝置發(fā)出警報(bào)時(shí)，定位模塊天線接收信號(hào)發(fā)送給射頻芯片，射頻芯片內(nèi)部將經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號(hào)發(fā)送給基帶芯片?；鶐酒邮盏降臄?shù)字中頻信號(hào)經(jīng)過捕獲、跟蹤、定位解算等一系列算法處理后，通過串口輸出數(shù)據(jù)并發(fā)送至終端。然后終端將位置信息通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)送到云平臺(tái)，再由云平臺(tái)發(fā)送到小程序進(jìn)行定位，達(dá)到實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位的目的。

圖6 定位模塊電路

2.2.4 電源模塊

為滿足穿戴式手環(huán)設(shè)計(jì)的要求，終端設(shè)備供電采用可充電聚合物鋰電池，電池容量為800 mA·h，電池模塊具有過充、過放和過溫保護(hù)功能。充電管理芯片采用TP4054電源管理芯片進(jìn)行電源管理給鋰電池充電，TP4054是一個(gè)單片鋰離子電池恒流/恒壓線形電源管理芯片，其精度達(dá)到±1%的4.2 V預(yù)設(shè)充電電壓，適用于USB供電。鋰電池的正極連接線性穩(wěn)壓器TLV70033DSER，輸出3.3 V電壓供系統(tǒng)單片機(jī)工作。電源模塊管理電路如圖7所示。

圖7 電源模塊管理電路

2.3 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要由后端服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、后端接收以及前端接入組成。手環(huán)采集的數(shù)據(jù)通過4G模塊上傳至平臺(tái)并存儲(chǔ)到后端服務(wù)器，后端接收獲取原始數(shù)據(jù)并同步上傳至數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)管理佩戴者的所有數(shù)據(jù)，前端接入分為移動(dòng)端與PC端，將佩戴者的接收數(shù)據(jù)顯示在對(duì)應(yīng)的客戶端。數(shù)據(jù)庫采用IntelliJ IDEA軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)增加、刪除、修改和查詢等管理功能。PC端和移動(dòng)端分別基于Visual Studio Code軟件和微信開發(fā)者工具設(shè)計(jì)。軟件流程如圖8所示。

圖8 軟件流程

2.3.1 后端接收

本系統(tǒng)采用的后端服務(wù)器為阿里云服務(wù)器，基于Linux操作系統(tǒng)，通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)登錄云服務(wù)器的給定賬號(hào)和密碼來實(shí)現(xiàn)后臺(tái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫與服務(wù)器的連接，從而實(shí)現(xiàn)后端平臺(tái)的搭建。用戶通過4G網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器連接，向服務(wù)器申請(qǐng)獲取數(shù)據(jù)，服務(wù)器將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶并顯示在客戶端。

2.3.2 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)是本設(shè)計(jì)中最重要的元素，是判斷衡量佩戴者是否健康的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的獲取、傳送、分析極其重要。如果檢測(cè)到的心率血氧等健康指標(biāo)不在正常健康范圍內(nèi)，需要及時(shí)提醒使用者。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫是基于Java語言的MySQL數(shù)據(jù)庫，包括對(duì)數(shù)據(jù)庫按照數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行獨(dú)立查找、按照分頁式查詢以發(fā)送內(nèi)容等功能，從而滿足用戶在前端查詢特定測(cè)量指標(biāo)、客戶端的正常顯示等功能要求。

2.3.3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

PC端采用漸進(jìn)式JavaScript框架VUE 2.0構(gòu)建用戶界面。用戶通過主機(jī)的瀏覽器輸入IP，通過域名系統(tǒng)（Domain Name System, DNS）和傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol, TCP）與服務(wù)器建立連接，使用超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol, HTTP）訪問網(wǎng)頁端頁面。不同用戶的賬號(hào)唯一，且不同類型的賬號(hào)對(duì)應(yīng)不同的權(quán)限。游客登錄賬號(hào)后可以了解到自己的實(shí)時(shí)心率、血氧，同時(shí)可以和自己的主治醫(yī)生進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。管理員類型賬號(hào)登錄后分配管理員權(quán)限，可以查看單獨(dú)某個(gè)設(shè)備采集的實(shí)時(shí)心率、血氧、定位。PC端顯示如圖9所示。

圖9 PC端顯示

2.3.4 移動(dòng)端

移動(dòng)端平臺(tái)選擇微信小程序。使用者在綁定設(shè)備后，由平臺(tái)后端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)佩戴者的心率、血氧并傳輸數(shù)據(jù)，在小程序上顯示。使用者在小程序交互面操作，軟件邏輯層調(diào)用相應(yīng)應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface,API），后端返回對(duì)應(yīng)的值在邏輯層進(jìn)行處理，接著返回給交互面相應(yīng)的參數(shù)并渲染，最終顯示給使用者。移動(dòng)端時(shí)序圖如圖10所示，移動(dòng)端頁面如圖11所示。

圖10 移動(dòng)端時(shí)序圖

圖11 移動(dòng)端頁面

3 測(cè)試與分析

本實(shí)驗(yàn)以5名在校大學(xué)生（3名男生，2名女生）作為測(cè)試對(duì)象，分別在靜止?fàn)顟B(tài)，以及在跑步機(jī)上以接近10 km/h的速度勻速慢跑狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，分別佩戴本系統(tǒng)的手環(huán)和市場(chǎng)上某手環(huán)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，如圖12所示。每次測(cè)試隔10 s讀取一次數(shù)據(jù)，連續(xù)讀取6個(gè)數(shù)據(jù)，取平均值，測(cè)試結(jié)果見表1所列。

圖12 手環(huán)對(duì)比圖

表1 靜止?fàn)顟B(tài)下心率檢測(cè)數(shù)據(jù)

從表1～表3的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)在靜止時(shí)測(cè)試的心率、血氧，以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心率檢測(cè)是有效的，與市場(chǎng)上同類型手環(huán)的數(shù)據(jù)相比，誤差在2%之內(nèi)。

表2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下心率檢測(cè)數(shù)據(jù)

表3 靜止?fàn)顟B(tài)下血氧檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴心率、血氧監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，以單片機(jī)STM32F103C8T6作為控制核心，具有心率血氧數(shù)據(jù)采集與處理、位置信息定位、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸、心率血氧失常報(bào)警、無線通信等功能，并具有可充電、可穿戴、體積小、功耗低等特性。經(jīng)過一系列測(cè)試表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴心率血氧檢測(cè)智能手環(huán)符合醫(yī)用電子設(shè)備要求，可用于家庭、醫(yī)院、養(yǎng)老院等地，檢測(cè)基本的健康指標(biāo)[9-10]。