吳江 秦鳳 李昱 潘明明 王愿

西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，中國·陜西 西安 710000

針對(duì)嬰兒這一類特殊的人群，他們無法表達(dá)自己身體的健康狀況。因此，論文設(shè)計(jì)一套可以持續(xù)監(jiān)測(cè)嬰兒心率和血氧飽和度，并且可以通過藍(lán)牙傳輸在智能手機(jī)上顯示心率和血氧的可穿戴式母嬰智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MAX30102集成傳感器實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的采集、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等前期處理，通過單片機(jī)STM32F103C8T6計(jì)算出心率值和血氧飽和度，然后通過串口通訊與JDY-18藍(lán)牙4.2模塊實(shí)現(xiàn)前端模塊和智能手機(jī)的無線通信，最后基于安卓手機(jī)設(shè)計(jì)心率和血氧飽和度的顯示軟件。

心率；血氧飽和度；藍(lán)牙；無線通訊

1 引言

隨著生活節(jié)奏加快，以及生活質(zhì)量提高的今天，健康問題越來越為人們所關(guān)注?，F(xiàn)如今，醫(yī)院的大型醫(yī)療設(shè)備顯然無法滿足日常的體征監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)護(hù)儀對(duì)母嬰的健康進(jìn)行監(jiān)護(hù)是保證母嬰身體健康狀況的有效手段之一，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)母嬰在健康上可能存在的問題。而心率和血氧飽和度是反映人體生理狀態(tài)的兩個(gè)重要參數(shù)，也成為此次可穿戴生理參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備希望反映的兩個(gè)重要指標(biāo)。通過對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在一定的程度上可以對(duì)孕婦和嬰兒起到保護(hù)作用[1-2]。

2 可穿戴式母嬰智能監(jiān)護(hù)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.1 單片機(jī)控制模塊

本系統(tǒng)采用STM32F103 作為系統(tǒng)的核心MCU，它是STM32f101的增強(qiáng)型單片機(jī)，在32位的MCU中性能最強(qiáng)。具有出眾的控制和通訊，非常適合低電壓/低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。

另外，STM32103基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz；內(nèi)置32K到128K的閃存，功耗為36mA，具有多接口、實(shí)時(shí)功能、數(shù)字信號(hào)處理，和低電壓操作等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 心率血氧采集模塊

MAX30102是一個(gè)集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)儀生物傳感器的模塊。它集成了一個(gè)紅光LED和一個(gè)紅外光LED、光電檢測(cè)器、光器件以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。其原理圖如圖2所示。

圖2 MAX30102模塊原理圖

MAX30102 采用一個(gè)1.8V電源和一個(gè)獨(dú)立用于內(nèi)部LED的5.0V電源，應(yīng)用于可穿戴設(shè)備進(jìn)行心率和血氧采集檢測(cè)，佩戴于手指、耳垂和手腕等處。該模塊可以通過標(biāo)準(zhǔn)的12C 兼容通信接口可以將采集到的數(shù)值傳輸給STM32單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)的心率和血氧計(jì)算。

2.3 OLED 液晶顯示模塊

采用帶字庫的12864 黃藍(lán)屏幕做為顯示屏，分辨率為128*64點(diǎn)的OLED顯示屏，顯示屏為0.97英寸。由于STM32 本身有較大的Flash和RAM，不需要外置字庫的支持。因此，本設(shè)計(jì)采用串行接口驅(qū)動(dòng)OLED模塊，GPIO 口模擬顯示屏接口時(shí)序。OLED顯示電路如圖3所示。

圖3 OLED顯示電路電路圖

2.4 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊

藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊選用了JDY-18藍(lán)牙4.2模塊[3]。JDY-18藍(lán)牙模塊是基于藍(lán)牙4.2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工作頻段為2.4GHZ范圍，調(diào)制方式為GFSK，最大發(fā)射功率為0db，最大發(fā)射距離60m。該模塊具有支持用戶通過AT命令修改設(shè)備名、服務(wù)UUID、發(fā)射功率、配對(duì)密碼等指令，方便快捷使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。

3 可穿戴式母嬰智能監(jiān)護(hù)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件功能主要為：數(shù)據(jù)采集、心率和血氧飽和度計(jì)算、刷新顯示內(nèi)容等。這三個(gè)過程在時(shí)間上是連續(xù)的，所以軟件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，在主循環(huán)中按照順序重復(fù)以上三個(gè)模塊即可。整個(gè)系統(tǒng)的流程圖如圖4所示。

圖4 可穿戴式母嬰智能監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計(jì)流程圖

心率即心臟在每min 搏動(dòng)的次數(shù)，用來表示人的心臟搏動(dòng)節(jié)奏的快與慢。安靜非運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下正常人的心跳速度通常為60次/min到100次/min，大多數(shù)人為60～80次/min。通常小孩的心率比大人的要快。論文采用光電容積脈搏波中提取心率，其原理為：當(dāng)特定波長的光照射到活體組織，由于心臟的舒張與收縮，導(dǎo)致血管中血流量呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，血流量的變化使光在血液中的吸收量也呈現(xiàn)周期性的變化，因此通過傳感器采集得到的脈搏信號(hào)能反應(yīng)心臟的搏動(dòng)情況，因而可以從脈搏信號(hào)中提取心率[4-5]。

血氧飽和度（SpO2）是指氧合血紅蛋白含量占血紅蛋白總量的百分比[2-3]。成人的血液中通常含有4種類型的血紅蛋白，即氧合血紅蛋白（HbO2）、還原血紅蛋白（Hb）、正鐵血紅蛋白(MetHb)和碳氧血紅蛋白（COHb）。正常情況下，后兩種血紅蛋白的濃度很低，血氧飽和度的測(cè)量只測(cè)定氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白，正鐵血紅蛋白和碳氧血紅蛋白不包括在內(nèi)[6-7]。因此，血氧飽和度可由如下公式（1）表示：

論文對(duì)心率以及血氧飽和度程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 心率血氧飽和度程序流程圖

最后，論文對(duì)應(yīng)用界面的設(shè)計(jì)圖如圖6所示，圖中包括搜索藍(lán)牙設(shè)備、顯示心率和血氧飽和度等功能。

圖6 應(yīng)用軟件界面

4 系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

圖7 脈搏信號(hào)波形圖（50Hz）

如圖7所示，是脈搏波信號(hào)的波形圖，圖中顯示的是50Hz的頻率下，每采集一次數(shù)據(jù)集時(shí)間0.02s，共采集500次，用時(shí)10s，脈搏每跳動(dòng)一次對(duì)應(yīng)一個(gè)波形的峰值，上圖共有12處峰值。通過計(jì)算：

由式（2）計(jì)算可知心率值為72次/min。

4.2 數(shù)據(jù)分析

本次課題選用華為榮耀智能手環(huán)進(jìn)行心率血氧檢測(cè)對(duì)比。選擇8名測(cè)試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每名測(cè)試者在靜止的狀態(tài)下測(cè)試5次，每次測(cè)試間隔5min。本系統(tǒng)的測(cè)試位置為測(cè)試者的左手食指，智能手環(huán)測(cè)試的位置為測(cè)試者的右手腕處。如表1、表2所示，表1是本系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，表2為智能手環(huán)的測(cè)試結(jié)果。

表1 本系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果

表2 智能手環(huán)的測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)比表1和表2可算出5次心率測(cè)量的平均誤差最大為2.2次/min，5次血氧測(cè)量平均誤差最大為0.8%。

因此，誤差分析包括以下內(nèi)容：

（1）對(duì)于心率測(cè)量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，因?yàn)橥粋€(gè)人在不同的時(shí)間心率值會(huì)有所變化，而且測(cè)量位置不同也會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響，所以心率測(cè)量的誤差較大。

（2）對(duì)于血氧測(cè)量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，因?yàn)闇y(cè)量者都屬于健康人群，且測(cè)量的位置對(duì)血氧值的測(cè)量基本不會(huì)產(chǎn)生影響，所以血氧測(cè)量的誤差較小。

4.3 運(yùn)行結(jié)果展示

如圖8、圖9所示，圖8為本設(shè)計(jì)OLED顯示屏顯示測(cè)得的心率和血氧飽和度的兩組數(shù)值，心率分別為69次/min和74次/min，血氧飽和度均為98%，圖9是通過藍(lán)牙傳輸?shù)紸ndroid軟件顯示圖。該軟件對(duì)本設(shè)計(jì)測(cè)得的心率和血氧飽和度對(duì)用戶進(jìn)行一個(gè)反饋。結(jié)果表明兩個(gè)測(cè)試者的心率值和血氧值都在正常范圍之內(nèi)。

圖8 OLED顯示圖

圖9 Android軟件顯示圖

5 結(jié)語

本次課題的目的就是設(shè)計(jì)一個(gè)可穿戴式母嬰智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)控制的單片機(jī)選用了STM32系列的STM-32F103C8T6單片機(jī)，系統(tǒng)的心率、血氧傳感器模塊選用MAX30102，數(shù)據(jù)傳輸模塊選用了JDY-18藍(lán)牙4.2模塊，顯示模塊為OLED顯示屏和Android應(yīng)用軟件顯示，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)母嬰心率及血氧飽和度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。