智能手環心率測量系統的設計

孫超，王游司，陳洪燕，盧宇

（內江師范學院，四川 內江 641000)）

1 發展背景

在社會老齡化日趨嚴重的時代，心腦血管疾病成了老年人的隱形殺手。所以，對于老年人來說，有一款實時測量心率的智能手環可以幫助老年人隨時了解自己的健康狀況，對疾病的及時預防和治療意義重大。年輕的用戶可以通過自己的心率來設定自己的運動強度，制定自己的健康鍛煉計劃。智能手環體積小，節能，方便，環保，價格相對較低[1]，已經受到越來越多人們的青睞。但大多智能手環對心率監測存在誤差，且準確測量的條件比較苛刻，在靜止測量時對心律的監測誤差最小，動態測量心率誤差太大。對此本文提出一種智能手環的檢測系統，采用光電容積法準確地監測心率。

1.1 國外發展狀況

在2014年蘋果推出一款利用電容積脈搏波描計法，也是本系統所采用的方法的智能手環Apple Watch[2]。它利用綠色LED向手腕發射出可見光，再用光電感應器感應反射光，根據脈搏會使動脈、靜脈和毛細血管產生容積發生周期性變化，使反射光的強度大小發生變化來測量心率。但是在實際的使用中發現設備的測量并不精準，尤其是在運動的時候誤差大的可以忽略不看，而且人的膚質以及毛發密度也會影響心率測量精度，只有在靜止測量時測量的數據較為精確，誤差通常在10%左右。

1.2 國內發展狀況

在國外智能手環蓬勃發展時，國內的智能手環也不甘落后。國內的廠商們紛紛投身于智能手環的研發和制作。由于人們的需求不同，手環發展呈現差異化，以滿足用戶們的個性化需求。

ZDC(互聯網消費調研中心)統計的數據顯示，2015年1-6月中國智能手環市場參與競爭的廠商數量持續增長，從1月的37家增長到6月的44家，有7家新晉加入。而在售的智能手環產品也從1月的54款上升至69款，增加了15款之多，用戶的關注度也隨之水漲船高。

其中市場銷售量在前額的生產廠家如：小米、華為、咕咚等公司設計的手環功能不但有計步、睡眠分析、運動追蹤等功能還包括監測心率的功能。

但是相比之下有心率監測的手環種類數量還是相對較少。而且測量的精度比較差，從市場分析和用戶的需求來看，心率監測將會普及在各類智能手環中。

2 技術簡介

本文采用光電容積法和濾波。

2.1 光電容積法

這種方法是通過可見光在人體組織的反射，通常是利用兩個綠色LED向手腕發射出可見光，再利用光電感應器感應反射光，得到光信號。人體的皮膚、骨骼、肉、脂肪等對光的反射為固定數值，一般不發生改變。而人體中毛細血管、動脈和靜脈隨著脈搏跳動而發生容積的變化。當心臟收縮時外周血容量達到最大數值，此時血管容積開始擴張，其吸收光的能力增強，所以檢測到光的強度最小。當心臟擴張時，外周血容量少，光吸收量少，檢測到光的強度最大。因此對光的檢測是變化的，這個變化的頻率就是脈搏，再將光強度的變化通過模數轉換器轉換為電信號，再對信號進行處理、加工、完善，得到心率。

因為綠光對外界環境溫度變化造成的信號漂移數值最小，故采用綠光，使之測得的數值誤差更小，結果更加精確，更易于后期數據處理和分析。

2.2 檢測系統的設計

外圍電路的設計：

心率數據實時監測數據采集基于松恩電子有限公司研發的son1303心率傳感器完成。芯片采用了光電容積脈搏波描記法，使用發光波長為570nm的綠光，與紅外光相比反射率更高，測量感度更高，綠光對外界溫度變化照成的信號漂移最小。在經過電路濾波后，配合son3130四運放能直接輸出方波信號。

開發板電路：

2.2.1 軟件設計

單片機與放大電路的IO口連接后，對單片機定時器清零，并設置中斷，每接收一次脈沖單片機就計數一次，計夠60s時中斷計數。

2.2.2 數據采集

son1303仿真如圖

3 結語

監測系統作為智能手環框架的一部分，也是評價一款手環好壞的標準，在未來智能醫療中有著廣泛的應用。對于病人的病情診斷和康復有著重大的意義。隨著生活水平的不斷提高，以后私人醫療將會越來越普及。雖然傳統的醫療設備能夠準確地檢測出人體各種生理數據，但是傳統的醫療檢測設備笨重而且價格昂貴，不能滿足人們對實時測量的需求。在未來的發展中此系統不僅可用于智能手環，也可用于其他需要監測心律的小型化設備中。