可穿戴式血壓監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

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摘要：高血壓患者需要經(jīng)常測量血壓，而使用水銀血壓計需要專業(yè)人員，電子血壓計功能單一且不方便攜帶，針對上述問題，本文提出了一種可穿戴式測量血壓的手環(huán)，該設(shè)備基于PPG信號測量血壓的方法并結(jié)合了紅外測溫技術(shù)，實現(xiàn)了測量血壓和溫度的功能，結(jié)合藍牙通信功能，實現(xiàn)與手機端通信，為手機端處理數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：可穿戴;血壓測量;低功耗;紅外測溫

中圖分類號：TP31? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）07-0225-03

Abstract： Hypertensive patients need to measure blood pressure frequently， and the use of mercury sphygmomanometers requires professionals. The electronic sphygmomanometer has a single function and is inconvenient to carry. In response to the above problems， this article proposes a wearable blood pressure measurement bracelet based on PPG signal? The method of measuring blood pressure combines infrared temperature measurement technology to realize the function of measuring blood pressure and temperature， combined with the Bluetooth communication function， realizes communication with the mobile phone， and provides a basis for the mobile phone to process data.

Key words： Wearable; blood pressure measurement; low power consumption; infrared temperature measurement

當前人們生活水平不斷提高，但是由于工作壓力增大、飲食不健康等原因?qū)е略絹碓蕉嗟娜嘶忌闲难苡绕涫歉哐獕杭膊。鶕?jù)2018年國家心血管中心組織發(fā)布的中國心血管病報告，我國心血管疾病患病率呈上升趨勢[1]。目前的臨床診斷表明，人們在血壓數(shù)據(jù)變化的前期很難察覺，有些人血壓偏離正常范圍而不自知，此時已經(jīng)發(fā)生了靶器官的不可逆損害，而一旦出現(xiàn)高血壓的相關(guān)癥狀比如頭痛、發(fā)暈、心律失常等，常常需要藥物輔助治療，高血壓患者也需要經(jīng)常測量自己的血壓數(shù)據(jù)來了解自身健康狀況，因此在生活中人們?nèi)粘１O(jiān)測血壓和注重血壓的變化有十分重大的意義。

在現(xiàn)實生活中當人們需要測量血壓時常常需要到附近的醫(yī)院或藥店進行測量，這種方式往往需要花費較多的時間，而且在陌生的環(huán)境中心情的不同會對血壓造成不可預(yù)知的影響。在市面上售賣的腕帶式測量血壓設(shè)備體積較大且功能單一不便于攜帶，因此本文基于以上需求，結(jié)合藍牙通信技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了一種可穿戴式血壓監(jiān)測的智能手環(huán)，在測量血壓的基礎(chǔ)上，添加了測量體溫和藍牙通信的功能，使數(shù)據(jù)直觀地顯示在手環(huán)屏幕和智能手機端。

1相關(guān)理論介紹

本文設(shè)計的硬件系統(tǒng)可以方便快捷的采集人體數(shù)據(jù)信息并直觀的顯示，采集的信息包括血壓數(shù)據(jù)和體溫數(shù)據(jù)。對于可穿戴設(shè)備而言，除了對數(shù)據(jù)的精準度有嚴格的要求，對于硬件的尺寸和功耗也提出了更高的要求。目前測量血壓通常采用非接觸式的方法，其中包括柯氏音聽診法、示波法和PPG（光電容積描記法）信號測量法等，柯氏音聽診法需要水銀血壓計測量，體積較大無法應(yīng)用在該設(shè)備，示波法也需要專門的設(shè)備，所以在綜合考量多方面因素后選擇了PPG信號方法測量血壓。溫度采用了非接觸式紅外測溫法，可以快速讀取數(shù)據(jù)且精度較高。

1.1PPG信號測量血壓

皮膚下面有數(shù)量非常多且復雜的血管分布，人體心臟進行不間斷的收縮和舒張會導致動脈血管有波浪式的彈性形變，當心臟收縮時，心室會被壓縮從而向主動脈壓入血液，導致動脈的血壓升高，引發(fā)動脈血管壁的彈性形變，當心臟舒張時，心室會停止向主動脈壓入血液，動脈內(nèi)壓力減小，心臟會不斷重復該過程導致動脈血管產(chǎn)生形變，從近心臟的主動脈開始傳遞直到毛細血管的末端，這個過程叫作脈搏波信號傳播。

光電容積描記法是一種利用光電傳感器采集脈搏波信息的無創(chuàng)傷測量血壓方法，脈搏波傳感器通常由光電接收器和光源組成，當光源發(fā)射的光照射皮膚時，其中一部分光會透過皮膚照射進血液中，在此過程中，光會在動脈血管中發(fā)生反射和折射，同時血液也會吸收一部分光，光電接收器會把反射的光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺娦盘栐偻ㄟ^降噪濾波處理后提取出脈搏波相關(guān)信息[2]。目前基于PPG信號的血壓算法有ECG與PPG結(jié)合法[3]、多路PPG結(jié)合法[4]和脈搏波特征參數(shù)法[5]，其中更適應(yīng)于該系統(tǒng)的為脈搏波特征參數(shù)法，該方法通過收集脈搏波數(shù)據(jù)的特征參數(shù)構(gòu)建與血壓相關(guān)的函數(shù)關(guān)系。

1.2紅外測溫原理

人體表面皮膚具有恒定的溫度，當物體的溫度高于絕對溫度會發(fā)射出電磁波，物體的溫度越高，發(fā)射的能量也就越大。紅外溫度測溫傳感器能夠?qū)崃堪l(fā)散的紅外波轉(zhuǎn)換成電信號，從而實現(xiàn)體溫的測量[6]。本文采用的MLX90614內(nèi)部有多個熱電偶紅外傳感器，串聯(lián)組成了熱電堆[7]，他們的一端與測量的物體相面對，另一端進行屏蔽設(shè)置。當面向測量物體的一端接收到紅外波時，基于塞貝克效應(yīng)會產(chǎn)生電流，進而產(chǎn)生電動勢，通過對電信號濾波放大，計算出被測物體的溫度。

2系統(tǒng)設(shè)計

可穿戴智能手環(huán)的目的是利用采集的各種人體體征數(shù)據(jù)信息幫助人們對身體狀況有更詳細的了解，而采集的各種人體體征數(shù)據(jù)的顯示又需要以精準安全可靠的硬件電路為基礎(chǔ)。當傳感器的設(shè)計和電路的設(shè)計不合理時就可能導致該智能手環(huán)設(shè)備無法正常使用，進而影響整個系統(tǒng)的性能，所以硬件設(shè)計是該系統(tǒng)重要的組成部分。圖1為該系統(tǒng)的整體框架。

2.1主處理器及藍牙

處理器模塊的作用是通過不同的通信協(xié)議方式與不同的傳感器進行通信，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括血壓模塊傳輸?shù)难獕簲?shù)據(jù)，體溫模塊傳輸?shù)捏w溫數(shù)據(jù)，同時對這些數(shù)據(jù)進行處理，最終通過顯示屏顯示數(shù)據(jù)信息以及通過藍牙通信傳輸信息。該模塊原理圖如圖2所示。

本系統(tǒng)的處理器采用Nordic研發(fā)的nRF51822芯片，該芯片基于Cortex-M0架構(gòu)，擁有32Kb的內(nèi)存和256Kb的flash，同時內(nèi)部嵌入2.4GHz的藍牙通信，支持藍牙低功耗傳輸。該芯片擁有31個GPIO引腳可以靈活配置各個協(xié)議，包括I2C、SPI、串口通信等，方便PCB板的布局，并且功耗較低，非常適合可穿戴設(shè)備。該芯片采用QFN-48封裝，ANT1和ANT2采用了ST公司的BAL-01D3用于阻抗匹配濾波，工作的頻率范圍在2400MHz～2540MHz之間。由于內(nèi)部晶振精準度較低，所以采用了外接晶振的方法。在晶振兩邊需要外接12pF的電容使晶振在有載諧振頻率狀態(tài)下更容易起振，工作更穩(wěn)定。

2.2血壓模塊

本系統(tǒng)的血壓模塊由云電高科的YK1801脈搏波傳感器芯片、MN8802模擬前端脈搏芯片和SFB9712算法芯片組合而成。YK1801把采集的人體血液中反饋的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺缓筮@些數(shù)字波形傳輸給MN8802芯片進行進一步的過濾噪聲和信號放大，最后將完整的數(shù)據(jù)傳輸給SFB9712芯片得出測量者的血壓數(shù)據(jù)。該模塊與處理器P0.23和P0.25引腳相連，通過串口協(xié)議進行通信。該模塊的原理圖如圖3所示。

2.3溫度模塊

溫度傳感器采用TO-39封裝的MLX90614芯片，該芯片測量溫度范圍在-70℃～380℃之間，通過SMBus協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，與處理器的P0.06和P0.07引腳相連。圖4為該模塊原理圖。

2.4顯示模塊

該系統(tǒng)顯示模塊為0.91寸OLED屏幕，采集的數(shù)據(jù)可以數(shù)字化顯示在屏幕上，該模塊通過I2C協(xié)議與處理器相連。其中處理器P0.30引腳為數(shù)據(jù)線，P0.00引腳為時鐘線，如圖5所示為該模塊原理圖。

2.5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)搭建完成后，對佩戴者進行血壓、體溫的測量。將血壓模塊佩戴在手腕上與皮膚接觸，按下按鍵觸發(fā)測量血壓命令，處理器接收到血壓數(shù)據(jù)后發(fā)送到屏幕上顯示。如圖6所示為血壓測量顯示。

根據(jù)私有命令協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)“1”為測量體溫，將溫度傳感器放置距手腕皮膚上方1cm左右的距離，在手機端發(fā)送測量體溫命令，測試結(jié)果如圖7所示。

結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以正常測量血壓、體溫數(shù)據(jù)。

3結(jié)束語

本文針對用戶無法便捷測量血壓等相關(guān)健康數(shù)據(jù)的問題，通過對智能手環(huán)硬件及理論的研究，設(shè)計并實現(xiàn)了可穿戴式測量血壓設(shè)備，利用血壓傳感器、溫度傳感器為用戶提供直觀且數(shù)字化的人體健康信息。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以完成測量血壓、體溫的功能。為進一步提高該設(shè)備的實用化，還需要做以下兩方面工作：1、對PCB板進行合理的設(shè)計，使其能夠合理地布局在手環(huán)內(nèi)部;2、對系統(tǒng)電源模塊進行研究，使其能在聚合物鋰電池供電的情況下工作。

參考文獻：

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[4] 李艷行. 四路反射式光電容積脈搏波信號檢測系統(tǒng)實現(xiàn)[D]. 北京：北京理工大學， 2016.

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【通聯(lián)編輯：梁書】