可穿戴式血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

路開放

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

關(guān)鍵詞：可穿戴;血壓測(cè)量;低功耗;紅外測(cè)溫

中圖分類號(hào)：TP31? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(dāng)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?，根?jù)2018年國(guó)家心血管中心組織發(fā)布的中國(guó)心血管病報(bào)告，我國(guó)心血管疾病患病率呈上升趨勢(shì)[1]。目前的臨床診斷表明，人們?cè)谘獕簲?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(shí)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(cè)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(cè)血壓和注重血壓的變化有十分重大的意義。

在現(xiàn)實(shí)生活中當(dāng)人們需要測(cè)量血壓時(shí)常常需要到附近的醫(yī)院或藥店進(jìn)行測(cè)量，這種方式往往需要花費(fèi)較多的時(shí)間，而且在陌生的環(huán)境中心情的不同會(huì)對(duì)血壓造成不可預(yù)知的影響。在市面上售賣的腕帶式測(cè)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(lán)牙通信技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種可穿戴式血壓監(jiān)測(cè)的智能手環(huán)，在測(cè)量血壓的基礎(chǔ)上，添加了測(cè)量體溫和藍(lán)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(jī)端。

1相關(guān)理論介紹

本文設(shè)計(jì)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?cái)?shù)據(jù)。對(duì)于可穿戴設(shè)備而言，除了對(duì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度有嚴(yán)格的要求，對(duì)于硬件的尺寸和功耗也提出了更高的要求。目前測(cè)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(hào)測(cè)量法等，柯氏音聽診法需要水銀血壓計(jì)測(cè)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(hào)方法測(cè)量血壓。溫度采用了非接觸式紅外測(cè)溫法，可以快速讀取數(shù)據(jù)且精度較高。

1.1PPG信號(hào)測(cè)量血壓

皮膚下面有數(shù)量非常多且復(fù)雜的血管分布，人體心臟進(jìn)行不間斷的收縮和舒張會(huì)導(dǎo)致動(dòng)脈血管有波浪式的彈性形變，當(dāng)心臟收縮時(shí)，心室會(huì)被壓縮從而向主動(dòng)脈壓入血液，導(dǎo)致動(dòng)脈的血壓升高，引發(fā)動(dòng)脈血管壁的彈性形變，當(dāng)心臟舒張時(shí)，心室會(huì)停止向主動(dòng)脈壓入血液，動(dòng)脈內(nèi)壓力減小，心臟會(huì)不斷重復(fù)該過程導(dǎo)致動(dòng)脈血管產(chǎn)生形變，從近心臟的主動(dòng)脈開始傳遞直到毛細(xì)血管的末端，這個(gè)過程叫作脈搏波信號(hào)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(cè)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(dāng)光源發(fā)射的光照射皮膚時(shí)，其中一部分光會(huì)透過皮膚照射進(jìn)血液中，在此過程中，光會(huì)在動(dòng)脈血管中發(fā)生反射和折射，同時(shí)血液也會(huì)吸收一部分光，光電接收器會(huì)把反射的光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，電信號(hào)再通過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(hào)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(cè)溫原理

人體表面皮膚具有恒定的溫度，當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)溫度會(huì)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(cè)溫傳感器能夠?qū)崃堪l(fā)散的紅外波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)體溫的測(cè)量[6]。本文采用的MLX90614內(nèi)部有多個(gè)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(cè)量的物體相面對(duì)，另一端進(jìn)行屏蔽設(shè)置。當(dāng)面向測(cè)量物體的一端接收到紅外波時(shí)，基于塞貝克效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，通過對(duì)電信號(hào)濾波放大，計(jì)算出被測(cè)物體的溫度。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)身體狀況有更詳細(xì)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(zhǔn)安全可靠的硬件電路為基礎(chǔ)。當(dāng)傳感器的設(shè)計(jì)和電路的設(shè)計(jì)不合理時(shí)就可能導(dǎo)致該智能手環(huán)設(shè)備無法正常使用，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，所以硬件設(shè)計(jì)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(lán)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(jìn)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?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終通過顯示屏顯示數(shù)據(jù)信息以及通過藍(lán)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(shí)內(nèi)部嵌入2.4GHz的藍(lán)牙通信，支持藍(lán)牙低功耗傳輸。該芯片擁有31個(gè)GPIO引腳可以靈活配置各個(gè)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(zhǔn)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后這些數(shù)字波形傳輸給MN8802芯片進(jìn)行進(jìn)一步的過濾噪聲和信號(hào)放大，最后將完整的數(shù)據(jù)傳輸給SFB9712芯片得出測(cè)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(jìn)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(cè)量溫度范圍在-70℃～380℃之間，通過SMBus協(xié)議進(jìn)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(shí)鐘線，如圖5所示為該模塊原理圖。

2.5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)搭建完成后，對(duì)佩戴者進(jìn)行血壓、體溫的測(cè)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(cè)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(cè)量顯示。

根據(jù)私有命令協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)“1”為測(cè)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(jī)端發(fā)送測(cè)量體溫命令，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

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

3結(jié)束語

本文針對(duì)用戶無法便捷測(cè)量血壓等相關(guān)健康數(shù)據(jù)的問題，通過對(duì)智能手環(huán)硬件及理論的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可穿戴式測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以完成測(cè)量血壓、體溫的功能。為進(jìn)一步提高該設(shè)備的實(shí)用化，還需要做以下兩方面工作：1、對(duì)PCB板進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使其能夠合理地布局在手環(huán)內(nèi)部;2、對(duì)系統(tǒng)電源模塊進(jìn)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(xiàn)：

[1] 胡盛壽， 高潤(rùn)霖， 劉力生， 等.《中國(guó)心血管病報(bào)告2018》概要[J]. 中國(guó)循環(huán)雜志， 2019，34（3）： 209-220.

[2] 劉喬壽， 王森. 基于單路PPG信號(hào)的連續(xù)血壓檢測(cè)算法設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程， 2019， 27（1）： 63-69.

[3] 劉浩楠. 基于ECG，PPG信號(hào)的便攜式心血管信息檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)， 2019.

[4] 李艷行. 四路反射式光電容積脈搏波信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：北京理工大學(xué)， 2016.

[5] 謝寒霜， 王瑞平， 王艷潔， 等. 基于脈搏波特征參數(shù)的無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)[J]. 中國(guó)醫(yī)療設(shè)備， 2017，32（10）：39-43.

[6] 張妍， 蘇煜飛. 溫度傳感器的研究和應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（5）：143-146.

[7] 葛澤勛. 醫(yī)用紅外測(cè)溫儀及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2019.

【通聯(lián)編輯：梁書】