多傳感節(jié)點(diǎn)生理信息檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王玉宇，姜偵，山敏江，劉近貞

(天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387)

多傳感節(jié)點(diǎn)生理信息檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王玉宇，姜偵，山敏江，劉近貞

(天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387)

本設(shè)計(jì)主要對人體體溫、心率和血氧值進(jìn)行提取分析，對系統(tǒng)組成中的電源模塊、光源驅(qū)動(dòng)模塊和光電接收模塊、紅外溫度模塊、心電信號提取模塊和無線傳輸模塊進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)。采用過采樣技術(shù)對心電信號進(jìn)行提取，提高了信號的穩(wěn)定性和連續(xù)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，測量精度高，功耗低，能夠滿足日常監(jiān)測要求。

體溫;心率;血氧飽和度;朗伯-比爾定律;過采樣

引 言

物聯(lián)網(wǎng)、體域網(wǎng)、醫(yī)聯(lián)網(wǎng)以及遠(yuǎn)程醫(yī)療的研究和應(yīng)用方興未艾，并可望在對個(gè)人健康信息的檢測中發(fā)揮超出想象的作用。人體體溫、心率和血氧值能直觀地反映出人的身體狀況。相比較于傳統(tǒng)的心電血氧采集方式，光學(xué)無創(chuàng)檢測憑借實(shí)時(shí)性、便攜性、準(zhǔn)確性方面的優(yōu)勢更受人們青睞。最近幾年，國外涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的可穿戴醫(yī)療設(shè)備的企業(yè)[1]，在去年，芬蘭Oura公司研制出了一種戒指式的檢測人體睡眠時(shí)生理情況的醫(yī)療設(shè)備[2]，該設(shè)備所占空間小、便于攜帶，且兼容無線傳輸功能。除此之外，在運(yùn)動(dòng)偽差方面也研究出了一些成果，使得檢測方法的研究到達(dá)了新的高度。國內(nèi)對可穿戴醫(yī)療設(shè)備的研究起步較晚，不過現(xiàn)在很多科研院所對生理系統(tǒng)監(jiān)測方法也有所研究，如東南大學(xué)研制了無創(chuàng)血氧飽和度傳感系統(tǒng)[3]，基本分析了影響測量精度的各個(gè)因素，并進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。但國內(nèi)生產(chǎn)的溫度、血氧監(jiān)測儀選用的仍然是傳統(tǒng)的監(jiān)測儀器，在測量精度、抗干擾、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性等方面和國外相比還有很大差距，有待于進(jìn)一步改良和完善。

本文主要設(shè)計(jì)一種以MK60作為主控芯片，檢測人體心電、血氧以及體溫的微小體積和功耗的傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備。該設(shè)備以指尖脈搏波與手腕作為檢測對象，通過連續(xù)光雙波長提取脈搏波，根據(jù)朗伯-比爾定律對脈搏波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到血氧量，通過MLX90614提取人體體溫信息，通過電極貼及放大濾波電路提取心電信號，并通過nRF24L01無線模塊將相關(guān)參數(shù)發(fā)送至PC端，進(jìn)行進(jìn)一步的存儲(chǔ)分析。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用32位高速微控制器MK60DN512VLL10作為主控芯片，主要分為電源模塊、光源驅(qū)動(dòng)模塊和信號接收模塊、紅外溫度模塊、心電提取模塊、無線傳輸模塊和顯示模塊。紅外溫度模塊部分采用Melexis公司的MLX90614非接觸式紅外溫度傳感器心電提取電路，通過低功耗AD8236精密儀表放大器放大心電信號，利用過采樣技術(shù)提高信號精度。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

在進(jìn)行血氧信號的提取時(shí)，首先通過MCU時(shí)序驅(qū)動(dòng)雙波長二極管，透射過手指后，通過光電接收模塊，經(jīng)MCU內(nèi)部A/D模塊將光信號轉(zhuǎn)換為16位電信號，然后通過朗伯-比爾定律對采集數(shù)據(jù)計(jì)算出血氧值，最后在OLED顯示屏中顯示相關(guān)參數(shù)與波形，并通過無線模塊與網(wǎng)口模塊上傳至PC機(jī)，通過LabView上位機(jī)軟件顯示。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源管理模塊

整個(gè)系統(tǒng)的電源由一節(jié)16850鋰電池提供，首先要通過DC-DC穩(wěn)壓芯片TPS76833把4 V電壓降至3.3 V，為MCU、光源驅(qū)動(dòng)模塊、OLED顯示屏供電。TPS76833輸入電壓范圍是2.7～20 V，輸出電壓為3.3 V，靜態(tài)電流只有80 μA，滿足系統(tǒng)供電與低功耗的需求。

2.2 微控制器最小系統(tǒng)模塊

考慮到對時(shí)序控制以及A/D采樣頻率的要求，選擇了飛思卡爾(Freescale)公司生產(chǎn)的一款基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的K60系列微控制器，型號是MK60DN512ZVLL10。MCU最小系統(tǒng)是指能夠讓內(nèi)部程序正常運(yùn)行工作對外圍電路的一個(gè)最低要求，包括電源及其復(fù)位電路、濾波電路、晶振電路和寫入器相連的SWD接口電路等部分。

2.3 光源驅(qū)動(dòng)模塊

2.3.1 光源的選擇

研究表明血液的吸光度主要和血紅蛋白含量有關(guān)，血液對紅光吸收量的主要影響因素是血液中血紅蛋白的含量，而紅外光吸收量主要與血液中氧合血紅蛋白的含量有關(guān)。

在選取光源的波長時(shí)，需要選擇氧合血紅蛋白吸光系數(shù)較大的波長，這樣在光電接收模塊上得到的信號才是有效信號，但不能選取吸收度過大的波長，避免導(dǎo)致的有效信號過小。

根據(jù)朗伯-比爾定律可知，計(jì)算血氧飽和度至少需兩個(gè)光源，除660 nm波長光源，還需一個(gè)對氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白的吸收程度相似的光源。根據(jù)圖2可知，該光源的波長應(yīng)選取在805 nm左右，而在該波長處的吸光系數(shù)在波長發(fā)生變化時(shí)，吸光系數(shù)改變較大。為了避免由光源器件誤差導(dǎo)致的波長變化，所以應(yīng)選取波長小幅波動(dòng)時(shí)，將吸光系數(shù)變化較小的波長作為光源，如900 nm波長處。最后選取吸收程度差值最大處的660 nm紅光LED，和吸收程度幾乎相等波長處的900 nm紅外光LED。

2.3.2 光源驅(qū)動(dòng)電路

在測量過程中，必須要保證光源的穩(wěn)定性，因?yàn)楣鈴?qiáng)與流過發(fā)光二極管的電流值線性相關(guān)，所以為保證光源的穩(wěn)定性就是要確保流過發(fā)光二極管的電流為恒定值，所以必須讓三極管工作在截止、飽和區(qū)。

圖2 氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白的吸收光度與波長之間的關(guān)系

圖3為本文設(shè)計(jì)的光源驅(qū)動(dòng)模塊,通過K60的I/O口PTE30和PTE31控制RLED和IRLED的點(diǎn)亮和熄滅。

圖3 光源驅(qū)動(dòng)模塊

為讓發(fā)光二極管光源穩(wěn)定，需要Q1、Q2工作于飽和狀態(tài)，在本電路中選擇的三極管型號是8050與8550，β都是100，當(dāng)其工作在飽和狀態(tài)時(shí)IC<βIB；而紅光發(fā)光二極管正向偏置電壓是1.80 V、紅外光發(fā)光二極管正向偏置電壓是 1.29 V，另外發(fā)光二極管工作電流IC為20 mA。因此可通過式(1)、(2)計(jì)算電路所需電阻。

(1)

(2)

同理，可得出R6≈130 Ω，R1≈8 kΩ,R3≈8 kΩ,R4≈10 kΩ。

2.4 光電接收模塊

光源驅(qū)動(dòng)電路按一定的時(shí)序點(diǎn)亮雙波長二極管，發(fā)出的光通過手指指尖被吸收一部分后，光敏二極管再把透射過來的兩種光信號轉(zhuǎn)化成電流信號，然后經(jīng)過電流轉(zhuǎn)電壓電路，再把電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，經(jīng)過低通濾波，與跟隨器進(jìn)行緩沖，最終使輸出的電壓信號在K60的A/D范圍之內(nèi)。

圖4 光電接收電路圖

2.5 心電提取電路

心電信號是一種低頻率、低幅值的微弱人體信號。在提取心電信號時(shí)，外界環(huán)境會(huì)對信號產(chǎn)生一定的干擾，主要干擾為極化電壓、50 Hz工頻、肌電等。這些干擾不僅給心電波形帶來影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞檢測裝置。因此，信號提取電路部分，尤其是前級放大電路部分的設(shè)計(jì)要滿足：較高的增益、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移以及合適的通頻帶寬度和動(dòng)態(tài)范圍。在這里選用儀表放大器AD8236。

AD8236是一種功耗非常低的儀表放大器,最大電源電流為40 μA,它具有高的輸入阻抗、低輸入偏置電流、高共模抑制比(CMRR，G=100)等特點(diǎn)。其輸出計(jì)算公式如下：

VOUT=G×(VINP-VINN)+VREF

(3)

電阻值計(jì)算可以利用增益公式：

RG=420 kΩ/(G-5)

(4)

選擇RG=4.7 kΩ，得到下式：

G=(420/4.7)+5=94

(5)

因此增益設(shè)置為94。

圖5 心電信號提取電路

心電信號提取電路如圖5所示，心電信號提取電路還包括右腿驅(qū)動(dòng)電路和電平抬升電路，右腿驅(qū)動(dòng)電路通常用來減少共模干擾。由于心電圖(生物信號放大器等心電圖)發(fā)出的信號十分微小，只有mV級別，而由于人的身體也可以作為天線能受到電磁干擾，特別是50 Hz的工頻，50 Hz工頻干擾是心電測量中最重要的干擾量，一個(gè)性能優(yōu)良的儀表放大器不足以消除這些干擾。右腿驅(qū)動(dòng)電路是抑制工頻干擾的很有效的方法。良好的右腿驅(qū)動(dòng)電路可以有效提高電路抗工頻干擾的能力，而且與人體和放大電路共同形成閉合回路，保證心電放大電路可以正常工作。在共模驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上很容易實(shí)現(xiàn)右腿驅(qū)動(dòng)電路。

為了保證放大后的心電信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍之內(nèi)，必須把心電信號經(jīng)過一個(gè)電位抬高電路。同時(shí)電壓的抬升提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采集精度，使得心電信號電平值均為正值。

2.6 人體溫度信號的提取

紅外溫度模塊部分采用Melexis公司的MLX90614非接觸式紅外溫度傳感器,通過SMBUS協(xié)議與MCU通信，測量精度可達(dá)±0.1 ℃。

2.7 無線通信與網(wǎng)口模塊

nRF24L01是世界通用 ISM 頻段的無線收發(fā)器。自身具備極低的電流損耗，發(fā)射模式和接收模式下電流為9 mA和12.3 mA。如果工作在掉電模式和待機(jī)模式下能量消耗將會(huì)更低,nRF24L01可以通過SPI對其進(jìn)行頻道選擇和協(xié)議設(shè)置，選擇多對一的工作模式，將多個(gè)生理傳感節(jié)點(diǎn)所得的數(shù)據(jù)發(fā)送至接收端的nRF24L01上進(jìn)行匯總。

接收端將多個(gè)生理傳感節(jié)點(diǎn)的信息匯總打包后，通過ZNE-100TA網(wǎng)口模塊，將數(shù)據(jù)傳輸至PC端上位機(jī)，ZNE-100TA是廣州致遠(yuǎn)電子有限公司開發(fā)的一款多功能型嵌入式以太網(wǎng)串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，ZNE-100TA模塊集成10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口,串口通信最高波特率高達(dá)921.6 kbps。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 血氧飽和度提取計(jì)算方法

3.1.1 朗伯比爾定律

3.1.2 脈搏波的提取原理

研究表明，人體各組織對光的吸收程度不同，可將被測部位(如指尖)的結(jié)構(gòu)與組織特性分為四層，分別為血液以外的其他組織層(皮膚、肌肉、脂肪、骨骼等)、靜脈血液、脈動(dòng)動(dòng)脈血液以及非脈動(dòng)動(dòng)脈血液，如圖6所示。

圖6 光電脈搏波原理圖

IO為照射在被測部位的入射光強(qiáng)；當(dāng)動(dòng)脈血管收縮至最小時(shí)，入射光強(qiáng)不受脈動(dòng)血液衰減，出射光強(qiáng)達(dá)到最大值Imax；當(dāng)動(dòng)脈血管舒張至最大時(shí)，脈動(dòng)動(dòng)脈血液容量最大，對入射光衰減作用最大，出射光強(qiáng)達(dá)到最小值Imin。圖7、圖8為上位機(jī)中顯示的脈搏波形。

圖7 紅外光下脈搏波信號波峰波谷的提取

圖8 紅光下脈搏波波峰波谷的提取

假設(shè)兩個(gè)波長為λ1、λ2，則根據(jù)血氧飽和度的經(jīng)驗(yàn)公式為：

(6)

(7)

將采集到的波峰波谷點(diǎn)帶入經(jīng)驗(yàn)公式中,便可得到人體血氧飽和度。

3.2 過采樣技術(shù)

在心電信號的提取過程中，通過過采樣技術(shù)能夠有效地提高心電信號信噪比、穩(wěn)定性和連續(xù)性。過采樣是指以實(shí)際所需采樣頻率的K倍行采樣；再通過“抽取”，即對采樣結(jié)果每K點(diǎn)做累加平均，使等效轉(zhuǎn)換速率仍還原為原頻率的一種方法。過采樣的實(shí)質(zhì)是用速度換取系統(tǒng)精度的提高。相較于普通的采樣過程，過采樣以K個(gè)采樣值的均值來替代原來的單一采樣值。所以當(dāng)K足夠大時(shí)，所得的均值為該段時(shí)間內(nèi)信號值數(shù)學(xué)期望的無偏估計(jì)。因此，利用過采樣進(jìn)行求和平均的方法要比傳統(tǒng)取單個(gè)采樣值的方法更合理。另外，由于在采集過程中引入的干擾，以及系統(tǒng)在低頻段產(chǎn)生的熱噪聲等大多為均值近似為0的白噪聲，所以求和平均的方法具有極強(qiáng)的去噪效果，可使系統(tǒng)的信噪比得到顯著提高，進(jìn)而折合為ADC有效位數(shù)的增加。圖9是在200Hz采樣頻率與16位采集精度的情況下采集的心電圖，可以看出信號毛刺較多。

圖9 200 Hz采樣頻率下的心電信號

圖10是在1 kHz采集頻率與16位采集精度的情況下采集的心電圖，通過過采樣技術(shù)每5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行一次滑動(dòng)濾波，等效的采集頻率為200 Hz。

圖10 過采樣后(1 kHz)的心電信號

對比心電信號圖9與圖10，可以看出，過采樣時(shí)信號信噪比明顯提升。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

使用設(shè)計(jì)的生理信息檢測系統(tǒng)對5名受試者進(jìn)行試驗(yàn)，得到的血氧飽和度、心率和體溫，結(jié)果如表1所列。檢測結(jié)果表明，生理信息檢測系統(tǒng)測量得到了可用的信號，血氧飽和度、心率和體溫值都在正常范圍內(nèi)。

表1 測試者心率血樣體溫值

結(jié) 語

[1] Yes ky 數(shù)字家庭頻道.飛利浦：可穿戴醫(yī)療設(shè)備助力醫(yī)療模

式轉(zhuǎn)型[EB/OL][2017-01].http://dh.yesky.com/428/104579428.shtml.

[2] 新浪識趣.陶瓷戒指可知身體機(jī)能心率脈搏隨時(shí)監(jiān)測[EB/OL].[2017-01].http://tech.sina.com.cn/q/tech/2015-09-10/doc-ifxhqtsx3687032.shtml.

[3] 常昌遠(yuǎn), 魏同立. 無創(chuàng)血氧飽和度傳感系統(tǒng)的研究[J]. 應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 17(4): 433-439.

[4] 李剛，李尚穎，林凌，等.基于動(dòng)態(tài)光譜的脈搏血氧測量精度分析[J].光譜學(xué)與光譜分析，2006，26(10)：1822-1824.

[5] 張日欣.基于MLX90614的非接觸式體溫測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件導(dǎo)刊, 2009, 8(3): 105-107.

[6] 李剛，賀建滿，劉洋，等.腕帶式阻抗脈搏波檢測方法,中國，0705009[P]. 2015-12-30.

[7] 王曉飛，趙文俊.基于動(dòng)態(tài)光譜法的多波長脈搏血氧飽和度測量[J].光譜學(xué)與光譜分析，2014(5).

[8] 金海龍，王作軍，鄭成博，等.無線傳輸在脈搏血氧飽和度無創(chuàng)檢測中的應(yīng)用[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版，2005(2).

[9] 李剛，張麗君，林凌,等.利用過采樣技術(shù)提高ADC測量微弱信號時(shí)的分辨率[J].納米技術(shù)與精密工程，2009,7(1)：71-75.

[10] 蘆亞靜. 紅外額式體溫計(jì)(非接觸式額溫槍)與普通玻璃體 溫計(jì)測量體溫效果對比研究[J]. 醫(yī)療裝備, 2010(10): 35-35.

[11] 劉俊微, 龐春穎, 徐伯鸞.光電脈搏血氧儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 激光與紅外, 2014, 44(1): 50-55.

[12] Audrey Huong, Xavier Ngu．Noninvasive Diagnosis of Carbon Monoxide Poisoning Using Extended Modified Lambert Beer Model [J]．International Conference on Electronic Design, 2014:265-269.

[13] 賈萍，張寶菊，張志勇，等．動(dòng)態(tài)光譜和PLS在人體血液紅細(xì)胞無創(chuàng)測量中的應(yīng)用[J]．紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2010，29(2):133-135．

[14] 陳斌．光電容積脈搏波描記法原理、應(yīng)用及其電路設(shè)計(jì)[J]．電子技術(shù)與軟件工程，2014(18):132-133．

[15] 宋濤，張斌，羅倩倩．光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]．光電技術(shù)應(yīng)用，2010，25(6):47-48 .

王玉宇、姜偵、山敏江(本科生),劉近貞(講師)：主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信息檢測與處理、嵌入式開發(fā)應(yīng)用。

NVIDIA Jetson TX2賦能終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)人工智能

NVIDIA公司推出NVIDIA Jetson TX2，這一僅有信用卡大小的平臺可為終端應(yīng)用提供人工智能計(jì)算支持，助力打造高度智能化的工廠機(jī)器人、商用無人機(jī)和智能攝像頭等，全面開啟人工智能城市的大門。

Jetson TX2所提供的性能為早前版本的兩倍，即能夠以兩倍以上的功效運(yùn)行，且功率低于7.5瓦。這使得Jetson TX2能夠在終端應(yīng)用上運(yùn)行更龐大、更深度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，讓設(shè)備更加智能，具有更高的精度和更快的響應(yīng)時(shí)間，以執(zhí)行如圖像分類、導(dǎo)航和語音識別等任務(wù)。Jetson TX2是NVIDIA嵌入式計(jì)算系列產(chǎn)品繼Jetson TK1和TX1之后的又一突破。Jetson是一款開放式平臺，無論是企業(yè)、初創(chuàng)公司、研究人員或高中生，任何人都能夠訪問并借助其為終端應(yīng)用開發(fā)高級人工智能解決方案。

Multi-sensor Nodes Physical Information Detection System

Wang Yuyu,Jiang Zhen,Shan Minjiang,Liu Jinzhen

(School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

In the paper,the human body temperature,the heart rate and the blood oxygen value are analyzed.The system components in the power module, the light source driver module,the infrared temperature module,the ECG signal extraction module,the optical receiver module and the wireless transmission module are designed.The signal is extracted using the over-sampling technique,that improves the stability and continuity of the signal.The experiment results show that the design is stable and the result has high precision,which can meet the daily monitoring requirements and has a good market value.

body temperature;heart rate variability;blood oxygen saturation;Beer-Lambert law;over-sampling technique

TP23

A

迪娜

2017-01-02)