基于藍牙技術(shù)的便攜式心率數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計

馮衛(wèi)忠，邵洪芳，張玉琴，范詠燕

基于藍牙技術(shù)的便攜式心率數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計

馮衛(wèi)忠，邵洪芳，張玉琴，范詠燕

目的：及時、準確、方便地顯示心率。方法：采用內(nèi)嵌藍牙模塊的心率采集裝置采集心率，并使用無線方式傳送至智能手持終端，智能手持終端接收、保存、判斷并在顯示屏上顯示心率數(shù)值。結(jié)果：佩戴心率采集儀的使用者可以隨時知道自己的心率數(shù)值，同時，在心率數(shù)據(jù)不正常情況下能夠及時發(fā)出報警求救短信。結(jié)論：基于藍牙技術(shù)的便攜式心率采集儀能夠及時發(fā)現(xiàn)持有者的心率不正?，F(xiàn)象，為挽救生命提供了寶貴時間，在心血管疾病患者以及獨居老人等人群中具有廣闊的應用前景。

心率監(jiān)測；藍牙；智能手持終端

0　引言

心率作為自主神經(jīng)在竇房結(jié)水平相互作用的反映，與人體心臟功能和健康狀況密切相關(guān)。心率的快慢反映了人體在心血管、代謝及精神等方面的健康狀況，是人體最重要的生理參數(shù)之一。隨著人們生活水平的提高，心血管疾病的發(fā)病率也逐年上升，并已成為我國城鄉(xiāng)居民病死的第二大原因[1]。因此，近年來心率在醫(yī)學領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。

隨著科技的發(fā)展，特別是信號檢測處理技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，人們對心率信號的檢測分析進行了廣泛而有意義的研究[2]。傳統(tǒng)的心電監(jiān)測儀中，各硬件裝置之間通過通信線纜連接，操作平臺也基于通信線纜與各監(jiān)測裝置間交換數(shù)據(jù)。采用這種儀器檢測，人們需要到醫(yī)院等特定場合佩戴一定的儀器才能實現(xiàn)心率信號的采集，大大約束了人們的行為[3-4]。所以，傳統(tǒng)的心電監(jiān)測儀雖然在一定場合有其適用性，但不能隨時隨地檢測心率信號，無法實現(xiàn)被測者的隨意移動。還有一些心率采集儀能夠通過無線方式將心率數(shù)據(jù)傳送到使用者的智能終端上（如心率表等），方便使用者實時觀察心率數(shù)據(jù)，但心率表在使用者出現(xiàn)心率危險時不能自動通知他人[5-7]。為解決心率數(shù)據(jù)的自動傳送，特別是在出現(xiàn)危急情況時能夠自動及時將心率儀使用者的危急情況告訴他人，本文設(shè)計一種使用者隨身攜帶的心率采集儀。該儀器采集心率數(shù)據(jù)，并通過藍牙近距離無線發(fā)送到使用者的智能手持終端（或智能手機，以下簡稱手持終端），進而在手持終端的屏幕上顯示該心率數(shù)據(jù)；在心率出現(xiàn)危急情況時，手持終端還可以向使用者本人及其監(jiān)護人（使用前設(shè)定）發(fā)送報警提示短信。本系統(tǒng)中的手持終端可以是人們目前通用的智能手機，通過運行特定程序，實現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)接收、心率數(shù)據(jù)的保存?zhèn)洳?、心率?shù)據(jù)顯示和發(fā)生心率危急時自動發(fā)送報警短信，突破了有線的牽絆，實現(xiàn)了使用者的隨意移動。因此，本系統(tǒng)具有一定的應用前景。

1　心率采集儀的結(jié)構(gòu)

便攜式心率采集儀由信號采集、信號傳送、信號接收和信號處理與顯示4部分組成。

（1）信號采集。動脈血管在收縮和舒張時透射光的強度不同，所以，可以通過光敏元件將這些強弱不等的光信號轉(zhuǎn)換成幅度不同的電信號，從而實現(xiàn)心率數(shù)據(jù)的采集。

（2）信號傳送。將采集來的信號進行放大、濾波、整形、模數(shù)轉(zhuǎn)換與計數(shù)，并將計數(shù)所得數(shù)據(jù)送到藍牙模塊進行近程無線數(shù)據(jù)的傳送。

（3）信號接收。具有藍牙模塊的手持終端，通過藍牙接收心率采集裝置無線傳送的心率數(shù)據(jù)。

（4）信號處理與顯示。將藍牙設(shè)備接收到的心率數(shù)據(jù)進行存儲，同時顯示在顯示屏上。

1.1信號采集

心率信號的采集由心率傳感器、信號放大器、信號濾波器、A/D轉(zhuǎn)換和信號處理器組成。便攜式心率數(shù)據(jù)采集儀將采集到的人體的心率信號進行放大、濾波、整形，經(jīng)過微處理單元（MCU）的計數(shù)后將數(shù)值送到藍牙模塊，進行近程無線數(shù)據(jù)的傳送。

心率信號的獲取，可以通過在胸部采集心臟跳動幅度，也可以在腕部采集腕動脈舒張與收縮的幅度，還可以采集指尖處脈搏搏動的幅度，通常采集心率信號多采用壓電振動傳感器和混合光學傳感器。如：在胸部或腕部采集心率信號一般采用壓電振動傳感器；而在指尖部采集心率信號多采用混合光學傳感器[8]。下面以混合光學傳感器為例來說明心率信號的提取。

在人體的指尖處，組織厚度薄，動脈成分含量高，透過手指的光強跟隨脈搏搏動而變化[9]。夾指傳感器是由紅色發(fā)光二極管、近紅外發(fā)光二極管和高性能光敏二極管組成的混合光學傳感器。通過光敏元件將強弱不等的光信號轉(zhuǎn)換成幅度不同的電信號。

根據(jù)郎伯特—比爾（Lamber-Beer）定律[9]，混合光電傳感器輸出的電流為式中：I0為入射光的強度；C為溶液的濃度；D為溶液的厚度，即光程；λ為吸收系數(shù)，是常數(shù)。

郎伯特—比爾定律表明，當I0、C和D不變時，λ越大，則I越小，透射光越弱，光被吸收得越多。這樣就可以根據(jù)指尖透過的光強不同使得傳感器輸出電流的大小不同，進而得到脈搏舒張收縮的規(guī)律，從而得到心率信號。

由于從混合光學傳感器輸出的心率信號幅度較小（僅為0～4 mV），為不失真地檢測出心率信號，要求心率采集裝置具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強抗干擾能力等性能，因此，前置放大電路是心率數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本設(shè)計中采用的前置信號放大電路如圖1所示，該放大器是差動輸入、單端輸出。電壓增益可由一個電阻Rg來確定，且增益連續(xù)可調(diào)，放大器的放大增益G為

則

圖1　信號放大器的原理

通過心率信號幅度為0～4 mV，信號的頻率范圍為0.05～30 Hz，是一種弱的機械振動，其噪聲背景較強，故檢測條件比較復雜，很容易受到干擾，主要干擾包括工頻干擾、肌電干擾、基線漂移、電磁場干擾和電極接觸噪聲。工頻干擾主要來源生活、工業(yè)用電的50 Hz干擾及其諧波干擾；肌電是人體肌肉收縮產(chǎn)生的電信號，幅度范圍為0.1～5 mV，頻率范圍為5～2 000 Hz，主要肌電干擾集中在35～45 Hz[8，10]；基線漂移是由人體的移動、呼吸以及電極接觸不良等情況造成的心電信號偏離原來的基線水平而發(fā)生的漂移，這種噪聲的頻率一般在0.3 Hz以下[10]；電磁場干擾主要來源各類無線電發(fā)射裝置、各種工業(yè)干擾、無電干擾和設(shè)備內(nèi)部的高頻電磁場干擾，其特點是頻率范圍較寬、作用距離遠、幅值不穩(wěn)定[10]；電極接觸噪聲主要是由于電極和皮膚接觸不良引起的瞬態(tài)干擾，它可以看作是一個隨機發(fā)生的快速基線改變[8]。

為減小心率信號在采集過程中受這些干擾的影響，將心率傳感器輸出的心臟跳動信號經(jīng)過一個截止頻率為30 Hz的低通濾波器。采用低噪聲雙運算放大器NE5532構(gòu)成低通濾波器，通過調(diào)節(jié)NE5532外圍電路中電阻的阻值減半使低通濾波器的截止頻率為30 Hz。低通濾波原理如圖2所示，實驗測得濾波后的心率信號波形如圖3所示。

心率傳感器采集的心率信號是一個模擬信號，無法直接計數(shù)，需要將該信號進行數(shù)字化處理，然后計算心率脈沖的重復周期，心率脈沖重復周期的倒數(shù)就是心率跳動的頻率，該頻率乘以60就可得到每分鐘的心率數(shù)。由于微處理器的時鐘與模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，在計算心率時通常計算5～7個脈沖所占用的時間來得到心率脈沖的平均周期，進而得到心率，心率的計算公式為60/T（次/min）。

圖2　低通濾波器原理示意圖

圖3　心率傳感器輸出的心率信號波形

使用微處理單元計算得到心率數(shù)值是二進制的，將該二進制數(shù)值轉(zhuǎn)換成十進制后存儲到微處理單元的內(nèi)部寄存器中，以備近程通信單元讀取并發(fā)送。

1.2心率信號的近程發(fā)送與接收

經(jīng)過采集、放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換和計數(shù)后得到的心率數(shù)值，需要通過近程通信方式傳送到智能終端（或手持終端）。數(shù)據(jù)的近程通信可以采用近程射頻通信模塊、藍牙通信技術(shù)和ZigBee通信技術(shù)。由于藍牙是一種短距離無線通信協(xié)議，具有很強的移植性，可應用于多種通信場合，成本低廉，功耗低，對人體危害小，采用擴頻跳頻技術(shù)后其抗干擾能力強，增加了信息傳輸?shù)陌踩?，因此，心率儀采用藍牙技術(shù)進行近程數(shù)據(jù)傳送。

在心率采集儀中，藍牙模塊設(shè)置為從模式（簡稱從藍牙），手持終端中的藍牙模塊設(shè)置為主模式（簡稱主藍牙）。主藍牙是數(shù)據(jù)通信的發(fā)起者，主動與其他藍牙設(shè)備建立鏈接，從藍牙用于響應主藍牙建立鏈接的要求。在手持終端開機時，主藍牙首先發(fā)出查詢從藍牙的指令，若從藍牙也處于加電工作狀態(tài)則響應主藍牙“我已準備好可以開始發(fā)送”，主藍牙接收到這個響應后，就讓自己處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，隨時準備接收從藍牙發(fā)送的數(shù)據(jù)。若從藍牙未加電工作，則主藍牙發(fā)出“未找到心率采集儀”的提示信息。在主、從藍牙初始化信息交換成功后，心率采集儀則處于工作狀態(tài)。當從藍牙得到一個心率數(shù)據(jù)時，添加上主藍牙的識別碼并發(fā)送到無線信道，在從藍牙附近的主藍牙接收到這個數(shù)據(jù)時先判斷其中的識別碼是否是自己的號碼，若不是則不予理睬；若是則剝除主藍牙的識別碼，將這個數(shù)據(jù)接收下來。藍牙的工作流程如圖4所示。

圖4　藍牙工作流程

1.3信號處理與顯示

手持終端的藍牙接收了心率采集儀裝置的藍牙發(fā)來的數(shù)據(jù)后，這個數(shù)據(jù)是無法自動在手持終端屏幕上顯示的，需要在手持終端上加載一個程序，使之能夠從藍牙數(shù)據(jù)流中找出心率數(shù)據(jù)并添加上時間，顯示在手持終端屏幕上。同時，對這個心率數(shù)據(jù)還要進行處理，如果心率數(shù)據(jù)正常，則存儲到手持終端的固定文件中，然后手持終端處理器繼續(xù)偵聽藍牙端口，接收新的心率數(shù)據(jù)，開始下一個循環(huán)；如果心率數(shù)據(jù)超過正常范圍，達到危險值時，或者出現(xiàn)心率變化較大、心律不齊等癥狀時，手持終端處理器會自動發(fā)出報警，并且使用移動通信系統(tǒng)向監(jiān)護人（系統(tǒng)啟用時設(shè)置的）的號碼發(fā)送警示求救短信。自動顯示及心率監(jiān)測程序流程如圖5所示。

圖5　自動顯示及心率監(jiān)測程序流程圖

2　心率采集儀的應用

心率是指心臟每分鐘跳動的次數(shù)，與人安靜/運動、心血管疾病、年齡大小等因素有關(guān)。如美國心臟病協(xié)會制定的標準規(guī)定，正常成年人的靜息心率為60～80次/min；靜息心率超過100次/min，醫(yī)學上則為“心動過速”；少于60次/min，則是“心動過緩”；如果靜息心率經(jīng)常超過80～85次/min，則應該引起警惕。因為靜息心率過快，增加心臟耗氧量，使心臟應激性增強，會引起小血管病變并促進心肌細胞凋亡，導致心肌廣泛纖維化，心肌廣泛纖維化是惡性心律失常和猝死的主要原因。

人在運動時，心跳會加快，心率可達170次/min甚至200次/min，通常最大心率為210次/min，超過最大心率值也會發(fā)生猝死。因此，合理的有氧運動心率范圍為（最大心率-靜息心率-年齡）×Q+靜息心率，其中：最大心率≈210次/min；靜息心率指運動前相對安靜狀態(tài)下的心率；Q代表運動量，50%以下為小運動量，50%～75%為中運動量，75%以上為大運動量。如某人50歲，靜息心率76次/min，希望進行小運動量有氧運動，確定有氧心率=（210-76-50）×50%+ 76=118次/min。智能終端進行心率數(shù)據(jù)的分析判定時，要遵循上述心率范圍的規(guī)定。

基于上述原理和心率判斷準則，在實驗室制作了心率采集儀，并對其性能進行了測試，結(jié)果如圖6所示。其中，圖6（a）是采用光敏三極管制作的心率采集裝置，為提高采集效果用膠帶包住接收管，以達到蔽光的目的；圖6（b）是使用示波器對輸出電壓進行測量的結(jié)果；圖6（c）是對其進行整形后得到的心率波形；圖6（d）是藍牙模塊接收到的心率數(shù)據(jù)；圖6（e）是系統(tǒng)判斷出不正常心率數(shù)據(jù)后發(fā)出的警示信息在手持終端上的顯示。

圖6（d）中顯示的心率數(shù)值是心率儀佩戴者靜坐聊天時監(jiān)測的，從中可以看出，心率處于正常數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，因而智能終端僅在藍牙接收的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上添加了接收時間就在顯示屏上顯示心率值；圖6（e）中顯示的數(shù)值是佩戴者慢跑后打開心率儀所測得的數(shù)值，由于省略了從靜息心率到走路再到慢跑的心率逐漸增加的過程，心率儀認為該數(shù)值是佩戴者靜息心率，因而發(fā)出了報警提示短信。由于數(shù)值較大屬于二級警告，所以智能終端每隔1 min就發(fā)出1次提示短信，直到佩戴者作出干預。

通過圖6所示實驗測試結(jié)果可以看出，該心率采集儀能夠?qū)崿F(xiàn)心率數(shù)據(jù)的采集、整形、計數(shù)、無線發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)判斷與存儲、數(shù)據(jù)顯示、發(fā)出警示信息等，基本滿足設(shè)計要求。

圖6　心率采集儀的實驗室制作與測試

3　結(jié)語

本文提出的基于藍牙技術(shù)的便攜式心率采集儀，用藍牙模塊的無線傳輸取代傳統(tǒng)心率采集儀的有線傳輸，使心率監(jiān)測非常方便靈活，中老年人可以隨時隨地檢測自己的心率，了解自己的健康狀況，當心率出現(xiàn)危險情況時可以及時采取措施。同時，本產(chǎn)品還可以應用于心血管疾病患者、亞健康人群、肥胖人群、運動員和特殊需要人群，對提高全民的身體素質(zhì)、健康水平和生活質(zhì)量具有重要作用。

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（收稿：2014-04-17修回：2014-08-30）

Design of portable heart rate acquisition instrument based on bluetooth

FENG Wei-zhong1,SHAO Hong-fang2,ZHANG Yu-qin3,FAN Yong-yan2
（1.Department of Hospital Administration，the 454th Hospital of the PLA,Nanjing 210002, China;2.Yixing People's Hospital,Yixing 214200,Jiangsu Province,China; 3.The 359th Hospital of the PLA,Zhenjiang 212001,Jiangsu Province,China）

To display heart rate timely,accurately and conveniently.The heart rate signals were collected with the instrument with embedded Bluetooth module,and transmitted to the smart handheld terminal to receive, store and judge heart rate signals and then to display the values.The holder catching the apparatus could know the heart rate value,and send SOS message timely in case of irregular values.The apparatus based on Bluetooth can detect the abnormal heart rate,and is worth popularizing for cardiovascular disease patients and old solitary person.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（12）：7-10]

heart rate monitoring;Bluetooth;smart handheld terminal

R318.6；TH772+.2；TN92

A

1003-8868（2014）12-0007-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.007

南京軍區(qū)重點課題（102013）

馮衛(wèi)忠（1972—），男，主任，主管技師，主要從事醫(yī)院管理、衛(wèi)生經(jīng)濟方面的研究工作，E-mail：FWZ9408@sina.com。

210002南京，解放軍454醫(yī)院醫(yī)務處（馮衛(wèi)忠）；214200江蘇宜興，宜興市人民醫(yī)院（邵洪芳，范詠燕）；212001江蘇鎮(zhèn)江，解放軍359醫(yī)院（張玉琴）

邵洪芳，E-mail：153989319@qq.com