一種可監(jiān)測人體脈搏波及心率的健康鼠標(biāo)

摘 要：脈搏波的波形特征與心血管疾病密切相關(guān)，為此用戶需要一種簡單、實(shí)時的便攜裝置。通過安裝在正常使用鼠標(biāo)時大拇指觸摸到的鼠標(biāo)位置的反射式脈搏波光電傳感器采集脈搏波信號，信號經(jīng)過濾波、放大和A/D轉(zhuǎn)換后，利用單片機(jī)對脈搏波信號處理并得出心率數(shù)據(jù)，最后通過USB接口連接電腦端軟件顯示。將鼠標(biāo)和反射式光電傳感器結(jié)合制成成品之后，經(jīng)過實(shí)際測試，傳感器能夠很好的測得手指脈搏波并輸出。這種可監(jiān)測人體脈搏波及心率的健康鼠標(biāo)可以在用戶使用鼠標(biāo)的不經(jīng)意狀態(tài)時檢測并記錄脈搏波及心率。

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關(guān)鍵詞：脈搏波； 心率； 反射式脈搏波光電傳感器； 鼠標(biāo)

中圖分類號：

TN911.7-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)05

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A healthy mouse for monitoring human pulse wave and heart rate

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CHAI Bo， SHAO Chang-zhe， HUANG Miao， YANG Lin， ZHANG Song， YANG Yi-min

(College of Life Science and Bio-engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China)

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Abstract：

Cardiovascular disease is closely linked to pulse waveform， so a simple and real-time portable pulse waveform detecting device is necessary for users. To collect PPG signals， a reflective PPG sensor is placed on the mouse where the thumb touching during mouse using.， Through filtering， enlarging and A / D converting the pulse signal， it was transformed into SCM and computed heart rate， and then data was transferred into computer to display by USB connector. The mouse and reflective PPG sensor were combined into finished products， the sensor measured the PPG signals well and outputted after the actual test. The healthy mouse monitoring PPG and heart rate can affect the user inadvertently using the mouse to detect and record the pulse and heart rate.

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Keywords： pulse wave; heart rate; reflective PPG sensor; mouse

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收稿日期：2011-10-25

基金項(xiàng)目：國家大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(101000533);北京市博士后工作經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2011ZZ-17)資助

0 引 言

人體脈搏波中蘊(yùn)藏著豐富的生理病理信息，大量的臨床實(shí)測結(jié)果證實(shí)，脈搏波的特征與心血管疾病有著密切的關(guān)系。脈搏波所表現(xiàn)出來的形態(tài)、強(qiáng)度、速率與節(jié)律等方面的綜合信息的確在相當(dāng)程度上反映出人體心血管系統(tǒng)的許多生理和病理特征［1］。因此采用簡單易懂的方法獲得人體脈搏波就顯得很重要。

文獻(xiàn)［2］描述的脈搏波計(jì)測裝置，具有脈搏波采集功能，但是測量之前需要用戶利用袖帶將壓力傳感器按壓在動脈上，袖帶給用戶帶來較大不便；文獻(xiàn)\\[3\\]描述的脈搏波檢出裝置和脈搏波檢出方法，具有脈搏波采集功能，但是需要使用多個壓力傳感器，儀器較大，不便于用戶測量；文獻(xiàn)\\[4\\]描述的脈搏波測定裝置，具有脈搏波采集功能，但是傳感器被按壓到患者的手腕上，同時需要袖帶固定，不便于用戶測量；文獻(xiàn)\\[5\\]描述的一種光電檢測頻譜分析高分辨率指端脈搏波檢測系統(tǒng)，具有無創(chuàng)脈搏波檢測功能，但是僅為單一檢測裝置，不能與生活物品結(jié)合方便用戶測量等不足；文獻(xiàn)\\[6\\]描述的監(jiān)測使用者生理訊息的鼠標(biāo)，具有正常鼠標(biāo)功能及脈搏波采集功能，但是需要用戶將手指移動到特定位置測量，測量的同時無法正常使用鼠標(biāo)等不足。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的一種可監(jiān)測人體脈搏波及心率的健康鼠標(biāo)，其系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)共分為九個部分：反射式脈搏波光電傳感器、脈搏波信號濾波電路、脈搏波信號放大模塊、鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊、鼠標(biāo)控制模塊、鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊以及Micro USB接口。如圖1所示。

通過反射式脈搏波光電傳感器采集到包含人體多種生理參數(shù)的信號，然后由脈搏波信號濾波電路與脈搏波信號放大模塊對信號進(jìn)行濾波和放大，并和鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)在鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊匯集，經(jīng)過進(jìn)一步處理之后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊形成適合傳輸?shù)诫娔X端的信號形式，再經(jīng)由Micro USB接口傳輸?shù)诫娔X端進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理和顯示。

1.1 反射式脈搏波光電傳感器

將反射式脈搏波光電傳感器放在正常使用鼠標(biāo)時大拇指所處的位置上(見圖2)，采用HG40系列反射式傳感器，紅外發(fā)光二極管作為快速光源，3DU5系列光電三極管作為接收管，組成紅外發(fā)射－接收對管。光從紅外發(fā)光二極管快速光源發(fā)出后，透過皮膚和組織，除一部分光被皮膚、肌肉、血液和指甲等吸收外，一部分由血液反射回，由3DU5系列光電三極管轉(zhuǎn)換為電信號，傳感器外部覆有直徑1 cm的濾光片，對外部光源進(jìn)行過濾。

1.2 信號初步處理電路

本電路由脈搏波信號濾波電路、脈搏波信號放大模塊兩個模塊組成，對信號進(jìn)行濾波和放大。如圖3，圖4所示。

脈搏波濾波電路輸入端與反射式脈搏波光電傳感器輸出端連接，對50 Hz工頻干擾信號進(jìn)行濾除，并傳輸至脈搏波數(shù)據(jù)放大模塊。

由于采集到的信號微弱，于是設(shè)置脈搏波數(shù)據(jù)放大模塊，接收經(jīng)脈搏波濾波電路濾波后的信號，對信號進(jìn)行放大，并將放大后的數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)绞髽?biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊。

1.3 鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊與鼠標(biāo)控制模塊

本部分用于實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的基本功能，包含鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集與鼠標(biāo)控制兩個模塊。

鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊(見圖5)采用OM02芯片，其中OM02芯片接收來自LED_XY口與LED發(fā)光管形成的信號，得到鼠標(biāo)方向數(shù)據(jù)。

鼠標(biāo)控制模塊(見圖5)采用eKM8022芯片，鼠標(biāo)控制模塊eKM8022芯片的1管腳L端連接一個點(diǎn)擊觸發(fā)器SL用于鼠標(biāo)左鍵控制，鼠標(biāo)控制模塊eKM8022芯片的5管腳R端連接一個點(diǎn)擊觸發(fā)器SR用于鼠標(biāo)右鍵控制，鼠標(biāo)控制模塊eKM8022芯片3管腳Z1與4管腳Z2連接一個滾輪作為鼠標(biāo)中間滾輪，鼠標(biāo)控制模塊eKM8022芯片12管腳D+端與13管腳D-端作為信號輸出端，用于信號輸出。

上述兩個模塊實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)采集和控制功能。

1.4 單片機(jī)控制模塊

鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊，如圖6所示。針對反射式脈搏波光電傳感器所采集的信號特點(diǎn)，設(shè)有脈搏波信號模/數(shù)采集模塊、脈搏波信號平滑濾波模塊、鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊、信號發(fā)送模塊。

在本模塊，信號將會依次進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，平滑濾波等處理，同時整合鼠標(biāo)采集來的數(shù)據(jù)，發(fā)送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊。

1.5 電壓轉(zhuǎn)換電路

各個模塊的工作電壓，驅(qū)動電壓要求不同，所以設(shè)置電壓轉(zhuǎn)換電路，將電壓轉(zhuǎn)換成適用于各個模塊工作的電壓，如圖7所示。

電壓轉(zhuǎn)換模塊通過USB接口連接電腦端供電，電壓轉(zhuǎn)換模塊的OUT口與脈搏波數(shù)據(jù)放大模塊中的MCP6002芯片的VINB+、VINB-連接，脈搏波數(shù)據(jù)

放大模塊的輸出端VOUTB與鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采

集處理共用單片機(jī)控制模塊電源端口連接，其他模塊供電與電壓轉(zhuǎn)換模塊的OUT口連接。

1.6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊及Micro USB接口

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊采用CP2102芯片，輸入端接收來自鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊的數(shù)據(jù)信號，將信號并行輸入轉(zhuǎn)為通用串行總線，通過Micro USB接口與電腦端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 結(jié) 論

將鼠標(biāo)和反射式光電傳感器結(jié)合制成成品之后，經(jīng)過實(shí)際測試，傳感器能夠很好的測得人體在手指處的脈搏波并輸出。再經(jīng)過計(jì)算機(jī)端配套軟件對信號的處理，能夠很好地、直觀地向用戶呈現(xiàn)其身體健康狀況。本課題的理念即為將健康引入鼠標(biāo)，將健康監(jiān)測與日常生活融為一體，讓用戶在日常生活中不用刻意去測量自身的生理信號，鼠標(biāo)即可自動檢測使用者的多項(xiàng)生理參數(shù)信息，從而了解自己的身體狀況。

本鼠標(biāo)各個模塊中，除了將反射式脈搏波光電傳感器放在正常使用鼠標(biāo)時大拇指所處的位置上，其他供電模塊，數(shù)據(jù)處理模塊等均置于鼠標(biāo)內(nèi)部，集成到鼠標(biāo)電路板上。無論是外觀還是手感，本鼠標(biāo)與普通鼠標(biāo)并無明顯差異，完全融入到了用戶的正常生活之中，在用戶使用鼠標(biāo)的不經(jīng)意狀態(tài)時檢測并記錄脈搏波及心率。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］王東明，張松，楊益民，等.脈搏波的無創(chuàng)檢測方式［J］.北京生物醫(yī)學(xué)工程，2010，29(4)：436-439.

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［2］橋本正夫，田部一久，佐藤博則，等.脈搏波計(jì)測裝置:中國，200410079797.5［P］.2005-03-30.

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［3］佐藤博則，稻垣孝，福井亮.脈搏波檢出裝置和脈搏波檢出方法:中國，200510074353.7［P］.2005-12-07.

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［4］田部一久，北脅知已，糸永和延，等.脈搏波測定裝置:中國，200310119892.9［P］.2004-06-16.

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［5］張潔天，呂瑩，張?zhí)剑?一種光電檢測頻譜分析高分辨率指端脈搏波檢測系統(tǒng):中國，03119646.2［P］.2003-09-17.

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［6］藍(lán)治能.監(jiān)測使用者生理訊息的鼠標(biāo):中國，200310119954.6［P］.2005-06-01.