智能手環(huán)心率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫超，王游司，陳洪燕，盧宇

（內(nèi)江師范學(xué)院，四川 內(nèi)江 641000)）

1 發(fā)展背景

在社會(huì)老齡化日趨嚴(yán)重的時(shí)代，心腦血管疾病成了老年人的隱形殺手。所以，對(duì)于老年人來(lái)說(shuō)，有一款實(shí)時(shí)測(cè)量心率的智能手環(huán)可以幫助老年人隨時(shí)了解自己的健康狀況，對(duì)疾病的及時(shí)預(yù)防和治療意義重大。年輕的用戶可以通過(guò)自己的心率來(lái)設(shè)定自己的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，制定自己的健康鍛煉計(jì)劃。智能手環(huán)體積小，節(jié)能，方便，環(huán)保，價(jià)格相對(duì)較低[1]，已經(jīng)受到越來(lái)越多人們的青睞。但大多智能手環(huán)對(duì)心率監(jiān)測(cè)存在誤差，且準(zhǔn)確測(cè)量的條件比較苛刻，在靜止測(cè)量時(shí)對(duì)心律的監(jiān)測(cè)誤差最小，動(dòng)態(tài)測(cè)量心率誤差太大。對(duì)此本文提出一種智能手環(huán)的檢測(cè)系統(tǒng)，采用光電容積法準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)心率。

1.1 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r

在2014年蘋(píng)果推出一款利用電容積脈搏波描計(jì)法，也是本系統(tǒng)所采用的方法的智能手環(huán)Apple Watch[2]。它利用綠色LED向手腕發(fā)射出可見(jiàn)光，再用光電感應(yīng)器感應(yīng)反射光，根據(jù)脈搏會(huì)使動(dòng)脈、靜脈和毛細(xì)血管產(chǎn)生容積發(fā)生周期性變化，使反射光的強(qiáng)度大小發(fā)生變化來(lái)測(cè)量心率。但是在實(shí)際的使用中發(fā)現(xiàn)設(shè)備的測(cè)量并不精準(zhǔn)，尤其是在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候誤差大的可以忽略不看，而且人的膚質(zhì)以及毛發(fā)密度也會(huì)影響心率測(cè)量精度，只有在靜止測(cè)量時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)較為精確，誤差通常在10%左右。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

在國(guó)外智能手環(huán)蓬勃發(fā)展時(shí)，國(guó)內(nèi)的智能手環(huán)也不甘落后。國(guó)內(nèi)的廠商們紛紛投身于智能手環(huán)的研發(fā)和制作。由于人們的需求不同，手環(huán)發(fā)展呈現(xiàn)差異化，以滿足用戶們的個(gè)性化需求。

ZDC(互聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)調(diào)研中心)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，2015年1-6月中國(guó)智能手環(huán)市場(chǎng)參與競(jìng)爭(zhēng)的廠商數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，從1月的37家增長(zhǎng)到6月的44家，有7家新晉加入。而在售的智能手環(huán)產(chǎn)品也從1月的54款上升至69款，增加了15款之多，用戶的關(guān)注度也隨之水漲船高。

其中市場(chǎng)銷(xiāo)售量在前額的生產(chǎn)廠家如：小米、華為、咕咚等公司設(shè)計(jì)的手環(huán)功能不但有計(jì)步、睡眠分析、運(yùn)動(dòng)追蹤等功能還包括監(jiān)測(cè)心率的功能。

但是相比之下有心率監(jiān)測(cè)的手環(huán)種類(lèi)數(shù)量還是相對(duì)較少。而且測(cè)量的精度比較差，從市場(chǎng)分析和用戶的需求來(lái)看，心率監(jiān)測(cè)將會(huì)普及在各類(lèi)智能手環(huán)中。

2 技術(shù)簡(jiǎn)介

本文采用光電容積法和濾波。

2.1 光電容積法

這種方法是通過(guò)可見(jiàn)光在人體組織的反射，通常是利用兩個(gè)綠色LED向手腕發(fā)射出可見(jiàn)光，再利用光電感應(yīng)器感應(yīng)反射光，得到光信號(hào)。人體的皮膚、骨骼、肉、脂肪等對(duì)光的反射為固定數(shù)值，一般不發(fā)生改變。而人體中毛細(xì)血管、動(dòng)脈和靜脈隨著脈搏跳動(dòng)而發(fā)生容積的變化。當(dāng)心臟收縮時(shí)外周血容量達(dá)到最大數(shù)值，此時(shí)血管容積開(kāi)始擴(kuò)張，其吸收光的能力增強(qiáng)，所以檢測(cè)到光的強(qiáng)度最小。當(dāng)心臟擴(kuò)張時(shí)，外周血容量少，光吸收量少，檢測(cè)到光的強(qiáng)度最大。因此對(duì)光的檢測(cè)是變化的，這個(gè)變化的頻率就是脈搏，再將光強(qiáng)度的變化通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、加工、完善，得到心率。

因?yàn)榫G光對(duì)外界環(huán)境溫度變化造成的信號(hào)漂移數(shù)值最小，故采用綠光，使之測(cè)得的數(shù)值誤差更小，結(jié)果更加精確，更易于后期數(shù)據(jù)處理和分析。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

外圍電路的設(shè)計(jì)：

心率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集基于松恩電子有限公司研發(fā)的son1303心率傳感器完成。芯片采用了光電容積脈搏波描記法，使用發(fā)光波長(zhǎng)為570nm的綠光，與紅外光相比反射率更高，測(cè)量感度更高，綠光對(duì)外界溫度變化照成的信號(hào)漂移最小。在經(jīng)過(guò)電路濾波后，配合son3130四運(yùn)放能直接輸出方波信號(hào)。

開(kāi)發(fā)板電路：

2.2.1 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)與放大電路的IO口連接后，對(duì)單片機(jī)定時(shí)器清零，并設(shè)置中斷，每接收一次脈沖單片機(jī)就計(jì)數(shù)一次，計(jì)夠60s時(shí)中斷計(jì)數(shù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集

son1303仿真如圖

3 結(jié)語(yǔ)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為智能手環(huán)框架的一部分，也是評(píng)價(jià)一款手環(huán)好壞的標(biāo)準(zhǔn)，在未來(lái)智能醫(yī)療中有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)于病人的病情診斷和康復(fù)有著重大的意義。隨著生活水平的不斷提高，以后私人醫(yī)療將會(huì)越來(lái)越普及。雖然傳統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出人體各種生理數(shù)據(jù)，但是傳統(tǒng)的醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備笨重而且價(jià)格昂貴，不能滿足人們對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的需求。在未來(lái)的發(fā)展中此系統(tǒng)不僅可用于智能手環(huán)，也可用于其他需要監(jiān)測(cè)心律的小型化設(shè)備中。