多功能心率血氧監(jiān)測系統(tǒng)

摘 要：在后疫情時代，公眾對健康的關(guān)注度有了顯著提升，特別是對于那些疫情后更易患上其他疾病的人群，持續(xù)對心臟功能進行監(jiān)控變得尤為重要。為此，設(shè)計了一款面向心率及血氧的健康監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)核心包括采用血氧采集模塊、血壓采集模塊和溫度感應模塊實時記錄血壓、血氧水平、心跳速率及體溫，并支持波形數(shù)據(jù)的即時采集與分析。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，該系統(tǒng)實現(xiàn)了多功能集成，方便用戶對健康狀況進行全面監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：血氧監(jiān)測；血壓監(jiān)測；可穿戴設(shè)備；MKB0805；STM32；MAX30102

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-0-02

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.032

0 引 言

隨著全球人口老齡化進程的不斷加速，各種慢性疾病和代謝性疾病的高發(fā)問題愈發(fā)嚴重，人們對于自身健康的關(guān)注程度與日俱增。尤其在經(jīng)歷了某些突發(fā)事件后，人們更加意識到自身健康的重要性。因此，越來越多的人們希望能夠?qū)崟r了解自己的身體狀況，及時掌握如血氧、血壓和心率等生命特征數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅可以反映出身體的基本代謝狀態(tài)和心血管方面的健康情況，而且對于發(fā)現(xiàn)疾病的早期征兆、預防疾病的發(fā)生以及尋求醫(yī)療幫助至關(guān)重要[1]。

近年來，隨著人們健康意識的增強以及科學技術(shù)的進步，針對個體健康狀況的實時監(jiān)控需求顯著上升。這促使簡單的生理參數(shù)跟蹤向復雜的多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。基于醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療可穿戴設(shè)備，因其部署迅速、應用多樣以及穩(wěn)定性高等特點，成為了實現(xiàn)人體健康檢測的理想選擇[2]。因此，提供一種集成多種生理參數(shù)檢測功能的可穿戴設(shè)備，用于對個人健康狀況和慢性病進行連續(xù)在線監(jiān)測，已經(jīng)成為當前健康管理領(lǐng)域中的一項緊迫任務。

1 硬件設(shè)計與分析

本系統(tǒng)主要包括血壓檢測模塊、血氧采集模塊、心率測量模塊、體溫檢測模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊。血氧采集模塊檢測人體的PPG（光電容積脈搏波）信號峰值，通過分析峰值和模塊中紅外信號對應的AC（交流成分）/DC（直流成分）來計算血氧飽和度的比例。血壓檢測模塊可以檢測出血壓信息、PPG、ECG（心電圖）波形等。上述模塊采集的數(shù)據(jù)都會被發(fā)送給STM32單片機進行處理、分析，之后單片機將處理過的數(shù)據(jù)輸出到顯示模塊或通過串口發(fā)送給電腦端。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

1.1 控制器模塊

STM32F103ZET6是一款功能強大的單片機，內(nèi)嵌有一個8 MHz的RC振蕩器，具有串行單線調(diào)試和JTAG兩種調(diào)試模式，便于用戶根據(jù)實際需求選擇，但推薦使用SWD模式。該模塊擁有8個定時器，包括3個16位定時器，每個定時器有4個通道，支持精確計時，還有2個I2C接口和3個USART接口，支持各類通信接口和總線協(xié)議?？傮w而言，STM32F103ZET6是一款適用于不同應用領(lǐng)域的性能穩(wěn)定、功能全面的控制器。

1.2 血壓檢測模塊

血壓測量模塊選用高科公司出品的MKB0805，這款傳感器由 YK1801脈搏傳感器芯片、HR6707脈搏芯片、HR6816增益芯片以及SFB9712算法芯片構(gòu)成[3-4]。脈搏傳感器芯片采用光電式容積脈搏波描記（PPG）方式感測并提取人體脈搏信號，經(jīng)過 HR607和HR6816的模擬處理和 SFB9712的算法分析后，輸出血壓、ECG等生理信號。

1.3 血氧檢測模塊

MAX30102是一個集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測儀生物傳感器的模塊。此模塊內(nèi)置有紅光LED、紅外光LED、光電檢測器、光學組件[5-6]，具有擁有環(huán)境光干擾抑制功能的低噪聲電路，該模塊使用反射式LED技術(shù)，可實現(xiàn)快速且可靠的心率和血氧測量[7]。

1.4 溫度模塊及顯示模塊

溫度模塊選用WD3703，這是一款包含PT1000傳感器的高精度溫度測量設(shè)備，能夠快速、精準地測定環(huán)境溫度。其應用范圍廣泛，包括醫(yī)療、建筑、新能源技術(shù)等多個領(lǐng)域。顯示模塊采用的OLED屏幕無背光設(shè)計，利用化學材料發(fā)光，優(yōu)點是畫質(zhì)清晰、反應速度快，且工作電壓要求不高，高效節(jié)能，屏幕小巧輕便，價格低廉，適合攜帶，顯示的信息較為豐富。屏幕陽極為ITO玻璃電極，陰極為金屬。

2 軟件設(shè)計與流程

系統(tǒng)主流程如圖2所示，包括系統(tǒng)的時鐘樹配置、中斷系統(tǒng)設(shè)置、延時程序設(shè)置等，并在主函數(shù)中添加了板級初始化，包括實驗板子模塊的初始化。完成初始化后使用者便可采集體溫值、血氧值、血壓值，系統(tǒng)將傳感器獲得的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并發(fā)送給控制器，經(jīng)控制器傳送至OLED顯示模塊。與此同時，通過串口的協(xié)議處理，數(shù)據(jù)上傳完成后可在電腦端查看其波形。

2.1 血氧、心率檢測流程

血氧檢測由MAX30102傳感器完成，系統(tǒng)首先對傳感器采集的原始信號進行濾波處理，在去除高頻和低頻噪聲后，提取出心跳峰和心跳谷的位置。對于每個心跳谷，通過相鄰波谷的間隔分析得出心率[8-10]，接著計算出在該區(qū)間內(nèi)紅光和紅外線信號的直流分量和交流分量。最后，將紅光和紅外線信號的交流分量比值（R值）映射到一個查找表中，得到相應的血氧飽和度值。如果計算出的R值不在有效范圍內(nèi)，則血氧飽和度值為無效值-999。

2.2 血壓檢測流程

血壓的檢測以及波形的處理由MKB0805傳感器完成，該傳感器能實現(xiàn)對心率的測量，當傳感器放置在手腕處時，動脈血液的流動會影響射向皮膚的LED光的反射。反射的光可被儀器感應并轉(zhuǎn)化為AC信號，該信號為PPG脈搏信號，可反映人體脈搏的基本信息，再經(jīng)過模擬前端芯片和算法芯片對脈搏信號做進一步處理后，輸出最終的PPG、ECG、血壓值等信息。血壓值通過芯片對血液流動時產(chǎn)生的收縮壓和舒張壓進行分析計算后得到。在該過程中，動脈的收縮和擴張就像一臺全自動測量器，通過監(jiān)測可以觀察到心臟每次跳動時動脈血液流動引起的血管體積發(fā)生的周期性變化。

3 實物測試

在進行心率測量時，為確保測量精度，血壓傳感器應放置于手腕處并使用橡皮筋緊固，防止傳感器與皮膚接觸不充分而導致較大的測量誤差。在測量血氧時，需要確保傳感器與手指緊密貼合，以保證測量結(jié)果的準確性。溫度傳感器在未與人體接觸狀態(tài)下顯示的溫度為環(huán)境室溫，當與皮膚接觸后，開始測量體溫。通過圖示3中OLED屏幕可以看到被測者的生理指標：血壓為132/74 mmHg（毫米汞柱），其中被測者的收縮壓（高壓）為132 mmHg，舒張壓（低壓）為74 mmHg，處于正常范圍；心率為76次/min；當前環(huán)境下的室溫為32.9 ℃；血氧飽和度為98%。

此外，利用串口協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳后可在電腦端顯示測試結(jié)果如圖4所示。可以看到電腦端展示了心電圖（ECG）波形和脈搏波（PPG）波形，以及采集的其他生理特征數(shù)據(jù)。這種可視化展示和數(shù)據(jù)采集功能為醫(yī)療工作人員提供了一種直觀且有效的監(jiān)測和評估被測者心血管健康狀況的方式。

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)將多個檢測功能集成到一個平臺上，為用戶提供全面監(jiān)測健康狀況的方案。它能夠準確測量血壓、血氧和體溫等關(guān)鍵生理參數(shù)，并且能持續(xù)輸出穩(wěn)定的波形數(shù)據(jù)。這種技術(shù)的優(yōu)勢在于其非侵入性、便捷性以及能夠?qū)崟r監(jiān)測心率和血壓等重要生命體征的能力。通過對PPG和ECG信號的進一步分析，可以提取出更多有關(guān)心臟健康狀態(tài)的信息，比如心率變異性（HRV）、心跳間期（IBI）等，這些信息對于評估心血管健康狀況、預防心臟疾病具有重要價值。

參考文獻

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作者簡介：徐爭超（1997—），男，在讀碩士研究生，研究方向為計算機視覺、深度學習。

楊 蕾（1979—），女，博士，教授，研究方向為圖像處理、計算機視覺。

徐榕冶（2000—），男，碩士，主要研究方向為深度學習。

王寅卜（1998—），男，碩士，主要研究方向為計算機視覺。

收稿日期：2024-03-20 修回日期：2024-04-26

基金項目：國家自然科學基金項目（62171318）；校內(nèi)重大項目成果培育計劃（K2020ZDPY02）