具有心率血氧檢測功能的智能服裝設計

王世豪，臧衍樂，祝雙武

(西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048)

我國每年因心腦血管疾病死亡的人數(shù)占總死亡人數(shù)的40%，因此市場迫切需要可以幫助人們及時了解健康信息的產品。在人體的多項健康指標中，心率和血氧是非常重要的2項指標，心率反應了心臟的健康狀況，血氧異常則會影響人體的大部分機能[1]。傳統(tǒng)心率血氧檢測醫(yī)療器械具有檢測成本高、使用地點有限等缺點。無創(chuàng)式醫(yī)療設備可以實時進行心率血氧檢測，了解自身的健康狀況。

目前市場上已經出現(xiàn)了對心率血氧等參數(shù)進行測量的產品，如智能手環(huán)、智能手表等，但是因為穿戴習慣的不同，與手環(huán)等產品相比，穿戴式服裝設備有著更多的接受人群。國內很多學者也對此做了研究改進，崔騰等[2]通過單片機對采集的心率血氧數(shù)據(jù)進行處理，并通過LCD屏和手機進行顯示。吳紹聰?shù)萚3]使用單片機對心率血氧數(shù)據(jù)進行處理并保存到數(shù)據(jù)庫中，以便于醫(yī)護人員查看并根據(jù)數(shù)據(jù)制定后續(xù)治療方案。李偉權等[4]認為心率血氧的測量可以在人體其他部位進行，設計了一種在耳部測量心率血氧的設備。這些研究都具有一定的實用價值，但是卻不適合日常生活使用。

基于日常生活和健康需要，本文將心率血氧檢測和報警定位、智能可穿戴服裝相結合，設計一款用于心率血氧檢測的智能服裝，在穿著舒適的前提下實時測量穿戴者的心率血氧情況，并在此基礎上設計安卓系統(tǒng)APP進行數(shù)據(jù)顯示和健康診斷，讓穿戴者直觀地了解自身的健康狀況，改善了傳統(tǒng)心率血氧檢測設備不易攜帶、功能不完善的問題。

1 心率血氧檢測原理

1.1 心率血氧檢測方法概述

現(xiàn)有的心率血氧測量方法主要分成4類[5]： ①心電圖(Electrocardio-graphy，ECG)； ②光電容積脈搏波描記法(PhotoPlethysmoGraphy，PPG)； ③生物阻抗； ④攝像頭、WiFi等技術。心電圖ECG在測量時要在身體多個部位連接傳感器電極，同攝像頭、WiFi等技術一樣，存在無法服用化的問題。生物阻抗技術則容易受到人體其他器官、組織的干擾，準確性較差。而光電容積脈搏波描記法使用的傳感器體積小、測量準確度高，所以本文心率血氧測量采用PPG。

1.2 PPG測量原理

即人體的靜脈、骨骼、肌肉及其他組織對光的吸收是基本不變的，而動脈中存在血液的流動，對于光的吸收是有變化的。當用一束光照射人體皮膚，將反射回來的光信號轉換成電信號時，由于其他組織對光的吸收基本不變而動脈對光的吸收有變化，所以得到的信號就可以分為直流信號和交流信號，直流信號反映了人體組織的信息，交流信號給出了血流脈動的情況。去除直流分量，對交流信號進行處理，就可以獲得心率血氧的數(shù)值。心率值可以通過對波峰的處理[6]得出，如式(1)所示。

(1)

式中：心率值是計算出來的心臟每分鐘博動的次數(shù)，次/min；N是波峰的總個數(shù)；crest[i]是1次采樣數(shù)據(jù)中的第i個波峰的值。

本文采用MAX30102模塊，它是一個集成的脈搏血氧儀和心率檢測器模塊，該模塊使用一路紅光和一路紅外光測量心率血氧數(shù)據(jù)，只要分別算出紅光的交流分量、紅光的直流分量及紅外光的交流分量、紅外光的直流分量就可以計算得到參數(shù)R，然后根據(jù)R的值就可以推出血氧飽和度值，R的公式如式(2)所示。

(2)

式中：ACred和DCred是紅光的交流分量和直流分量；ACired和DCired是紅外光的交流分量和直流分量。得到R后可以通過式(3)計算出血氧飽和度值。

SPO2=-45.060R2+30.354R+94.845 (3)

式中：SPO2為計算出的血氧飽和度值，%。

2 系統(tǒng)硬件設計

心率血氧檢測系統(tǒng)主要分成2個部分，即數(shù)據(jù)采集與處理部分和安卓系統(tǒng)APP。數(shù)據(jù)采集與處理部分是通過STM32F103C8T6型單片機對MAX30102模塊測得的心率血氧數(shù)據(jù)進行處理，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給HC05藍牙模塊，藍牙模塊再通過藍牙4.0協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給安卓手機APP上。手機APP顯示測得的心率血氧數(shù)據(jù)，并通過測得的數(shù)據(jù)結合穿戴者的年齡、病歷等情況進行健康診斷，在數(shù)據(jù)異常時確定穿戴者的位置并短信提醒其監(jiān)護人，監(jiān)護人可以在手機APP上察看穿戴者的具體位置。在設計時將程序下載到單片機中，再將單片機焊接到檢測系統(tǒng)上，去除程序下載電路，減少系統(tǒng)體積。心率血氧檢測系統(tǒng)結構圖見圖1，心率血氧檢測系統(tǒng)電路圖見圖2。

圖1 心率血氧檢測系統(tǒng)結構圖

圖2 心率血氧檢測系統(tǒng)電路圖

3 心率血氧數(shù)據(jù)采集與處理

單片機首先進行初始化，并對MAX30102心率血氧傳感器的模式進行配置，然后MAX30102開始采樣工作，采樣完成后會產生中斷，中斷信號會將單片機喚醒去讀取采樣數(shù)據(jù)。MAX30102有紅光LED和紅外光LED 2個通道，每個通道每次采樣的數(shù)據(jù)是3個字節(jié)，所以1次采樣的數(shù)據(jù)有6個字節(jié)，MAX30102數(shù)據(jù)讀取流程圖見圖3。

圖3 MAX30102數(shù)據(jù)讀取流程圖

按照上述方式讀取到的數(shù)據(jù)中包含由于身體抖動、外界光照等因素引起的干擾信號[7]，所以對每秒采樣得到的100個數(shù)據(jù)建立了1個長度為500的FIFO隊列，以便于濾波處理。此隊列對應了原始采樣波型，PPG理論波形如圖4所示。

圖4 PPG理論波形圖

PPG的理論波形可分成2部分：直流信號和交流信號，其中波峰對應心臟的收縮，波谷對應心臟舒張。在實際測量中，由于人體的運動和外界因素的干擾，實測波形與理論波形有一定的差異，由于交流信號對于心率和血氧的計算起決定性作用，所以對交流信號進行時域濾波處理，即可計算出心率、血氧值。數(shù)據(jù)處理波形圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理波形圖

首先從圖5(a)中去除直流信號，即取所有點的均值，用原始信號減去均值即可得到交流信號。對剩下的交流信號再進行四點平均濾波處理，以消除細小的突變干擾信號，再對平均濾波后的數(shù)據(jù)按照時間順序前后時間點取差值，得到圖5(b)波形。處理公式如下：

prement[i]=fildata[i+1]-fildata[i]

0≤i≤N-1

(4)

式中：prement[i]是處理后的第i個數(shù)據(jù)的值；fildata[i]是濾波后第i個數(shù)據(jù)的值；N是FIFO隊列的總長度。

在圖5(b)中，波形的波谷點就是原波形的波峰點，所以對波形進行翻轉得到圖5(c)，相比于原始波形，圖5(c)的特征更明顯，更利于計算。

在圖5(c)波形的上升沿查找峰位置，再根據(jù)窗口函數(shù)去除2個峰點之間的偽峰，得到圖5(d)。最后根據(jù)峰的位置和峰點的數(shù)據(jù)以及式(1)(2)(3)即可得出心率血氧數(shù)據(jù)。

4 手機APP設計

WxBit是一個安卓系統(tǒng)APP開發(fā)工具，它是基于MIT App Inventor 2(簡稱AI2)源代碼優(yōu)化定制的漢化版軟件，其修正了AI2的 一部分缺陷[8],經過漢化后更適合人們學習和使用。WxBit包含組件設計和邏輯設計2個界面。在組件設計界面中，用戶可以使用拖拽、放置的方法來設置組件，而邏輯設計界面是編程區(qū)，但不需要使用代碼進行編程，而是通過拖拽和拼接各種功能語句來完成程序的設計[9]。

手機APP的結構框圖見圖6。APP的軟件設計總共分為2個部分，數(shù)據(jù)接收與顯示部分以及病理推斷與危險報警部分。APP中包含登錄和注冊界面，用戶在注冊時，應根據(jù)自己的身體狀況如：性別、年齡、病歷等填寫相關信息。當APP通過藍牙接收到心率血氧數(shù)據(jù)時，會將數(shù)據(jù)在顯示界面顯示出來，方便用戶查看，并且可以根據(jù)用戶選擇的時間繪制心率血氧曲線圖。

圖6 手機APP的結構框圖

APP可以結合用戶填寫的因素和測量到的心率血氧數(shù)據(jù)進行身體健康診斷，并將診斷結果通過對話框彈出。當心率過快或者過慢時，彈出對話框提醒用戶注意休息、飲食等。當數(shù)據(jù)超出健康閾值，彈出危險報警對話框，提醒用戶現(xiàn)在身體情況很危險，并預備對其監(jiān)護人進行短信提醒，若用戶點擊確定或者10 s內沒有點擊取消，APP就會自動向其監(jiān)護人發(fā)送短信，以確保用戶的安全。當監(jiān)護人收到報警短信時，可以點擊圖7(b)中的地圖定位按鈕進入地圖定位界面，在該界面輸入短信上的位置信息，就可以查看穿戴者的具體位置，手機APP的功能界面如圖7所示。

圖7 手機APP功能界面

5 心率血氧檢測智能服裝設計

5.1 結構設計

通過調研分析發(fā)現(xiàn)，相比于緊身的衣物，人們會更偏好穿戴相對寬松的服裝，所以選擇H型和O型廓形的T恤或內衣進行智能服裝的設計，以便于穿戴者的日常生活使用[10]。

5.2 傳感器和服裝的結合

如圖8所示，心率血氧檢測智能服裝主要由硬件電路和軟件APP組成，心率血氧檢測模塊MAX30102體積較小，所以將其以徽章的形式放置于體外，當用戶需要測量時，只需要打開手機APP，點擊健康測量，就可以將手指放置到徽章上面進行測量。而心率血氧檢測系統(tǒng)的硬件電路板經過密封和防水的處理后，以磁吸和卡扣的方式與衣服結合，使用鍍銀錦綸作為各個模塊和主電路板數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ь€[11]，具體數(shù)據(jù)傳輸導線結構如圖9所示。主電路板通過藍牙模塊將測得的心率血氧數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機APP。

圖8 心率血氧檢測智能服裝設計

圖9 柔性導線結構圖

6 數(shù)據(jù)與分析

為了驗證智能服裝測得的心率血氧數(shù)據(jù)的準確性，進行了10人規(guī)模的測試，針對飯前、飯后、空腹、運動結束等4種情況，分別使用智能服裝和YX306指夾式血氧儀(江蘇魚躍科技發(fā)展有限公司)測量心率、血氧數(shù)據(jù)，共測得數(shù)據(jù)400組。在測量時發(fā)現(xiàn)智能服裝的使用范圍更廣，不容易受到環(huán)境的限制，加上健康診斷和危險報警功能的存在，智能服裝能夠更好地保障人體的健康安全，但是智能服裝的測量精度卻略低于血氧儀，因此以血氧儀測得的數(shù)據(jù)為基準，求得二者測量的數(shù)據(jù)之差，對其進行分析比較，智能服裝和血氧儀測得的心率血氧數(shù)據(jù)差異圖見圖10。

圖10 智能服裝和血氧儀測得的心率血氧數(shù)據(jù)差異圖

智能服裝與血氧儀測得的數(shù)據(jù)分析結果見表1。對血氧儀和智能服裝測得的心率血氧數(shù)據(jù)進行分析可知，運動結束后測得的心率數(shù)據(jù)準確性較低，究其原因是運動結束后心率波動較劇烈。而其他情況下測得的心率血氧數(shù)據(jù)都比較準確。

表1 數(shù)據(jù)分析表

7 結束語

針對心率血氧數(shù)據(jù)對人體健康狀況的重要性和傳統(tǒng)心率血氧檢測設備的不足，從日常使用和健康安全2個方面進行了研究，設計了一款具有心率血氧檢測功能的智能服裝。通過單片機(STM32F103C8T6)對心率血氧檢測傳感器(MAX30102)測得的心率血氧信號進行時域濾波處理，并將得到的心率血氧數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送到智能手機APP上。根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)并結合穿戴者的性別、年齡、病歷等推斷其身體健康情況，在測得數(shù)據(jù)異常時通過短信向穿戴者的監(jiān)護人發(fā)送其位置信息，使穿戴者在危險時得到第一時間的救助。測試結果表明，該智能服裝對于心率血氧數(shù)據(jù)檢測的準確度達到了95.9%以上，對于健康狀況的推斷有著極高的準確性，能夠保障穿戴者的健康安全。