一種可穿戴多體征參數(shù)采集裝置的設(shè)計(jì)

王亞文 龐宇 李國權(quán) 張誠

摘要??? 本文提出了一種可穿戴的多體征參數(shù)采集裝置的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)血氧飽和度、心率和呼吸率的采集、處理和傳輸。利用MAX30102光電反射式血氧傳感器和ADS1292R分別從頭部和胸部采集得到原始體征信號，然后經(jīng)過nRF52832微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并通過其自帶的低功耗藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)APP。實(shí)驗(yàn)表明，與標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)護(hù)儀相比，各個(gè)參數(shù)的平均誤差都較低，符合相應(yīng)要求，可以用于工人的體征參數(shù)監(jiān)測。

【關(guān)鍵詞】體征參數(shù)采集裝置 血氧飽和度 心率 呼吸率 nRF52832

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，人類的生活節(jié)奏逐漸加快，勞動(dòng)強(qiáng)度和生活壓力也在急劇增大，而由此導(dǎo)致了心血管疾病的發(fā)病率快速上升，很多人都沒來得及醫(yī)治就失去了寶貴的生命，而對于日常在戶外從事大量體力勞動(dòng)的工人來說更是如此，由于工人自身的經(jīng)濟(jì)條件和安全意識所限，每年工人在外工作時(shí)突然發(fā)病的幾率更高。因而對工人進(jìn)行生命體征監(jiān)測非常重要。

而人體的體征參數(shù)諸如血氧飽和度、心率和呼吸率，可以很好地反映一個(gè)人此時(shí)的身體狀況。所以設(shè)計(jì)一種面向工人的可穿戴多體征參數(shù)采集裝置，不僅可以把從工人身上采集到的體征參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)終端，而且可以上傳到云平臺，工地控制中心可以依此來掌握工人身體狀況并且保障其生命安全。

1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的穿戴式生命體征參數(shù)的采集裝置總體框圖如圖1所示。一方面通過傳感器芯片MAX30102在頭部采集到脈搏波信號然后經(jīng)過單片機(jī)處理計(jì)算得到血氧飽和度的數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙無線傳輸至智能手機(jī)終端;另一方面利用導(dǎo)電硅膠和心電呼吸采集芯片ADS1292R在胸部同時(shí)采集心電與呼吸信號，同樣把處理得到的心率和呼吸率等數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳到智能手機(jī)終端。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路包括兩部分，分別是血氧采集電路和心電呼吸采集電路。

2.1 血氧采集電路

血氧采集電路的硬件總體框圖如圖2所示，由電源模塊、主控模塊和脈搏波采集模塊組成。

電源模塊由鋰電池、充電模塊和電源管理模塊組成，采用微型3.7V鋰電池提供初始電源，經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片RT9013-33GB轉(zhuǎn)換成3.3V提供給其它模塊供電。電池可拆卸，也可對其充電。采取TP4057作為充電電路的充電芯片，通過USB外接5V電源為電池充電。

主控模塊為單片機(jī)nRF52832及其外圍電路。nRF52832為Nordic公司在2015年推出的一款面向無線低功耗傳輸領(lǐng)域的微控制器，它既在藍(lán)牙智能單芯上保持了高效能，又具有低功耗的優(yōu)勢。這款芯片支持低功耗藍(lán)牙BLE、ANT和2.4GHz多種無線協(xié)議，內(nèi)部集成了支持浮點(diǎn)運(yùn)算的32位ARMCortex-4FCPU、512kb的閃存和64kbRAM，還有8路ADC、2路SPI和I2C以及一個(gè)串口。nRF52832的SWDIO和SWDCLK為程序的下載接口，同時(shí)留出兩個(gè)I/O口當(dāng)作TX與RX，用于與PC端之間信息的接收發(fā)送試驗(yàn)，nRF52832與采集芯片MAX30102之間通過I2C進(jìn)行信息的傳輸，MAX30102的INT、SCL和SDA分別與主控芯片的三個(gè)I/O口連接。與此同時(shí)，可以利用nRF52832自帶的ADC進(jìn)行電壓的檢測以及利用其支持的低功耗藍(lán)牙傳輸協(xié)議把數(shù)據(jù)無線發(fā)送到手機(jī)終端。

脈搏波采集模塊使用血氧傳感器MAX30102實(shí)現(xiàn)。它是Maxim公司生產(chǎn)的一種高靈敏度的血氧生物傳感器，內(nèi)部含有LED、光電檢測器、1.8V電源以及其他的一些光學(xué)元件，工作溫度為-40°C到+85°C，功耗較低，利用間歇亮滅的紅光和紅外光作為穩(wěn)定的照射光源，通過探測器來捕捉反射光，然后芯片內(nèi)部可以將其處理為數(shù)字信號傳送給單片機(jī)。SCL、SDA和INT與nRF52832的對應(yīng)接口連接，實(shí)現(xiàn)通信。

2.2 心電呼吸采集電路

心電呼吸采集電路的硬件總體框圖如圖3所示，由電源模塊、主控模塊和心電呼吸信號采集模塊組成。電源模塊由鋰電池、充電電路模塊、3.3V直流穩(wěn)壓供電模塊和ADS1292R供電模塊構(gòu)成。同樣使用3.7V鋰電池供給初始電源，采用TP4057充電芯片對其充電。使用TLV70033DDCR穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)，可輸出3.3V電壓為主芯片供電。而又由于ADS1292R需要3V的模擬電壓與3.3V的數(shù)字電壓，所以使用TPS73030DBV5穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)3V模擬電壓輸出。

主控模塊為單片機(jī)nRF52832及其外圍電路。nRF52832的SWDIO和SWDCLK為程序的下載接口，同樣留出兩個(gè)I/O口當(dāng)作TX與RX，用于與PC端之間信息的接收發(fā)送試驗(yàn)。nRF52832與ADS1292R之間通過SPI進(jìn)行信息的傳輸，ADS1292R芯片的CS、START、DIN、SCLK、DOUT、DRDY和RESET七個(gè)端口與nRF52832的7個(gè)I/O口相連接，其中CS端口為片選端，RESET為復(fù)位信號端口，DIN和DOUT端口負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，CLK為時(shí)鐘端，START置高時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，每采到一幀數(shù)據(jù)DRDY拉低，觸發(fā)SPI數(shù)據(jù)傳輸，并且可以利用nRF52832支持的藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)終端。

心電呼吸信號采集模塊主要利用ADS1292R采集芯片來實(shí)現(xiàn)，其電路原理圖如圖4所示，這款芯片可以解決心電呼吸同時(shí)采集的問題。為了消除人體共模干擾將信號屏蔽線引出至COM端，ELA和ERA分別接導(dǎo)電硅膠的左右電極。心電信號通過電極進(jìn)入引腳IN2P和IN2N，從而進(jìn)入ADS1292R內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)處理。從IN3P和IN3N引腳輸出的方波激勵(lì)源對電極中攜帶的呼吸信息調(diào)制，然后從IN1P和IN1N引腳進(jìn)入芯片內(nèi)部，經(jīng)過相應(yīng)的處理之后與心電信號打包等待發(fā)送。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要完成的是生命體征參數(shù)的采集、處理、計(jì)算和發(fā)送。下面分別介紹頭戴血氧采集裝置的軟件設(shè)計(jì)和胸戴心電呼吸采集裝置的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 血氧采集裝置的軟件設(shè)計(jì)

血氧采集裝置的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。首先，程序開始要對整個(gè)系統(tǒng)初始化，包括配置外設(shè)時(shí)鐘、定時(shí)器、中斷模式以及I/O端口的輸入輸出和復(fù)用模式。除此之外也要配置血氧傳感器MAX30102的轉(zhuǎn)換精度、速率和其他一些參數(shù)。然后通過I2C把采集到的信號發(fā)送到微處理器nRF52832進(jìn)行相應(yīng)的處理來去除奇異點(diǎn)、基線漂移和高頻干擾。然后對處理之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征點(diǎn)提取，再代入相應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算出血氧飽和度并通過藍(lán)牙發(fā)送。

3.2 心電呼吸采集裝置的軟件設(shè)計(jì)

心電呼吸采集裝置的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。首先，程序開始時(shí)依然對整個(gè)系統(tǒng)初始化，包括配置時(shí)鐘、SPI端口和定時(shí)器等，然后對ADS1292R進(jìn)行配置，接著開啟SPI傳輸，當(dāng)有一幀數(shù)據(jù)傳輸完成后，將心電呼吸原始數(shù)據(jù)存入數(shù)組并對其解析分離再進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，接著對心電和呼吸信號的波峰峰值進(jìn)行定位，再代入相應(yīng)計(jì)算公式計(jì)算出心率和呼吸率并通過藍(lán)牙發(fā)送。

4 信號處理及參數(shù)計(jì)算

4.1 原始信號預(yù)處理

雖然利用傳感器可以完成對PPG（脈搏波，PhotoPlethysmoGraphy）信號、心電信號和呼吸信號的采集，但是這些原始信號中存在不少干擾，會(huì)影響后續(xù)相應(yīng)體征參數(shù)的計(jì)算。因此必須要對原始信號進(jìn)行相應(yīng)處理。

4.1.1 PPG信號的處理利

用MAX30102從頭部采集到的PPG信號中含有不少干擾，其中包括奇異點(diǎn)、高頻干擾、運(yùn)動(dòng)干擾和基線漂移。奇異點(diǎn)采用均值濾波的方法去除;而高頻干擾會(huì)對極值點(diǎn)的定位和包絡(luò)線的繪制造成干擾，可以采用平滑濾波的方法去除;運(yùn)動(dòng)干擾不可避免，這里使用雙樹復(fù)小波變換濾除;基線漂移主要是由人體的呼吸運(yùn)動(dòng)造成的，這里采用形態(tài)學(xué)濾波抑制。圖7為處理前后的PPG信號波形圖。

4.1.2 心電呼吸信號的處理

心電信號的干擾主要來自高頻噪聲、工頻干擾和基線漂移。高頻噪聲在波形上表現(xiàn)出大量的毛刺，它大多分布于60Hz以上，因此采用FIR低通濾波方法去除;工頻干擾主要是由電磁場干擾引起，具體呈現(xiàn)為50Hz及其各次諧波的干擾，這里采用50Hz陷波器去除;基線漂移依然使用形態(tài)學(xué)濾波去除。呼吸信號的干擾主要來自高頻干擾和基線漂移。這里的高頻干擾是由電磁噪聲、肌電噪聲等引起，可以使用低通濾波的方法去除。基線漂移則采用滑動(dòng)平均濾波的方法去除。圖8和圖9依次為處理前后的心電波形圖和呼吸波形圖。

4.2 體征參數(shù)的計(jì)算

4.2.1 血氧飽和度的計(jì)算

從PPG信號中準(zhǔn)確定位極值點(diǎn)，從而計(jì)算上下包絡(luò)線，準(zhǔn)確提取出交流分量和直流分量，根據(jù)朗伯比爾定律計(jì)算血氧飽和度。利用差分閾值法定位兩路PPG信號的極值點(diǎn)，在極值點(diǎn)的基礎(chǔ)上利用插值法定位信號的上下包絡(luò)線，上下包絡(luò)線的均值為直流分量，差值為交流分量，然后再代入已知具體的血氧飽和度的計(jì)算公式

公式

并進(jìn)行二次函數(shù)擬合即可求得血氧飽和度。

4.2.2 心率和呼吸率的計(jì)算

通過采集到的一段心電信號，采用差分閾值法定位R波峰峰值，求R-R間期的平均值，由?? 公式?? ，可得出心率;通過采集到的呼吸波形，定位呼吸波峰峰值，求相鄰波峰之間的均值T，由?? 公式?? ，可計(jì)算出呼吸頻率。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)裝置在多名被測試者身上進(jìn)行測試，將從單片機(jī)采集到的原始數(shù)據(jù)在軟件MATLAB上仿真得到了原始的脈搏波信號、心電信號和呼吸信號的波形，可以看出波形存在明顯的奇異點(diǎn)、毛刺和基線漂移等，然后對這些原始信號進(jìn)行處理，可以看出波形更加平滑，高頻干擾和基線漂移也得到明顯抑制。

單片機(jī)通過藍(lán)牙把體征參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)終端，手機(jī)終端可以顯示出處于正常范圍的血氧飽和度、心率和呼吸率等數(shù)據(jù)。而為了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這里采用本裝置和監(jiān)護(hù)儀采集同一名被測試者的體征參數(shù)，每個(gè)體征參數(shù)采集六次，最終數(shù)據(jù)的對比結(jié)果如表1、表2和表3所示。

通過表1、表2和表3的對比結(jié)果可知，血氧飽和度的平均誤差為1.73%，心率的平均誤差為2.21%，呼吸率的平均誤差為4.69%，已經(jīng)滿足了本裝置的基本要求。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于工人的可穿戴多體征參數(shù)的采集裝置，通過生理信號采集芯片采集到原始信號，并通過微處理器nRF52832處理和藍(lán)牙發(fā)送，可以在手機(jī)終端顯示出誤差比較小的體征參數(shù)數(shù)據(jù)，也可以上傳到云平臺，工地控制中心可以依此來掌握工人身體狀況并保證生命安全。而且微處理器功耗低、體積小的特點(diǎn)對本套裝置的實(shí)際應(yīng)用有著巨大意義。

參考文獻(xiàn)

[1]?姚震，陳林.我國心血管疾病現(xiàn)狀與展望[J].海南醫(yī)學(xué)，2013（13）：1873-1876.

[2]?張崇.便攜式醫(yī)療電子設(shè)備應(yīng)用及發(fā)展趨勢探討[J].醫(yī)療裝備，2014，27（02）：27-28.

[3]Maxim MAX30102可穿戴血氧和心率生物傳感器解決方案[J].世界電子元器件，2018（04）：45-48.

[4]黎圣峰，龐宇，高小鵬等.便攜式血氧信號檢測裝置設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（03）：110-112.

[5]于博.NordicnRF52系列重新定義單芯片藍(lán)牙智能[J].中國電子商情（基礎(chǔ)電子），2015（08）：20.

[6]陳建鋒，孫朋，林金朝等.一種便攜式心電和呼吸信號采集裝置的設(shè)計(jì)[J].生命科學(xué)儀器，2015，13（06）：31-35.

[7]白鵬飛，劉強(qiáng)，段飛波等.基于MAX30102的穿戴式血氧飽和度檢測系統(tǒng)[J].激光與紅外，2017，47（10）：1276-1280.

[8]劉艷麗，趙為松，李海坤等.基于形態(tài)濾波的脈搏波信號基線漂移消除方法研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（04）：525-528.

[9]龐宇，鄧璐，林金朝等.基于形態(tài)濾波的心電信號去除基線漂移方法[J].物理學(xué)報(bào)，2014，63（9）：428-433.

[10]段力，龐宇，賀焱秋.基于數(shù)字濾波的呼吸信號去噪研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（02）：69-70.