《电子技术应用》

耳夹式可穿戴体征参数感测装置的设计

2016年电子技术应用第12期 作者:高小鹏,庞 宇,黎圣峰,黄俊骁
2017/1/11 14:09:00

高小鹏,庞  宇,黎圣峰,黄俊骁

(重庆邮电大学 光电工程学院,重庆400065)


    摘  要: 近年来,可穿戴设备逐步受到医疗领域的关注,而消防部队承担的应急救援工作任务日益繁重,确保消防官兵在灭火救援行动中的人身安全具有极其重要的现实意义。为此设计了一种基于消防安全的耳夹式可穿戴装置,通过光电转换方式采集脉搏波信号,然后采用CC2640滤波处理后得到血氧饱和度脉率的体征参数,再通过无线蓝牙将数据传输,从而实现消防指挥中心对消防员身体状况的实时监测。该装置具有体积小、重量轻、功耗低及可穿戴的特点,可应用于消防、公安等部门。

    关键词: 耳夹式;CC2640;脉搏波;血氧饱和度;脉率

    中图分类号: TN215;R318.6

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.010


    中文引用格式: 高小鹏,庞宇,黎圣峰,等. 耳夹式可穿戴体征参数感测装置的设计[J].电子技术应用,2016,42(12):41-44,47.

    英文引用格式: Gao Xiaopeng,Pang Yu,Li Shengfeng,et al. Design of ear-cliping wearable multi-parameter vital signs sensing device[J].Application of Electronic Technique,2016,42(12):41-44,47.

0 引言

    血氧饱和度(Blood Oxygen Saturation,SpO2)表征了人体血液的含氧量。它能有效地反应人体循环系统和呼吸系统的生理状态,在病情诊断和健康监护方面发挥着积极的作用[1]

    本设计采用的是利用光电转换原理获取脉搏波波形变化信息的检测方式。其原理为:用一定波长的光照向皮肤表面,光会穿透皮肤在组织中传输,经过组织部分吸收后透射或反射传给光强探测器。脉搏式血氧饱和度的测量采用了朗伯比尔定律和光谱学原理。通过血液物质对光吸收的差异可以检测出血液中不同成分的含量。

    氧气经过气体交换进入肺部毛细血管,与动脉中的脱氧血红蛋白(deoxyhemoglobin,Hb)相结合生成氧合血红蛋白(oxyhemoglobin,HbO2),并随动脉血液流向全身各个组织。血氧饱和度是血液中所有可结合血红蛋白中氧合血红蛋白所占比例,其关系如下:

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    脉率是动脉每分钟的搏动次数,正常人的脉率和心率一致,身体健康的成人的心率通常在60~100次/min范围内[4]

    处理脉搏波信号时,找到两个脉搏波的同一参考点,只要计算出两参考点间采样点个数m、采样率v,就可以计算出一个完整脉搏的时间t和脉率p:

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    我国对生命体征监测技术和相关产品的研究在体育、医疗等领域较为广泛,但针对消防员灭火战斗领域的研究尚处于初级阶段。多数产品存在便携性差、通信能力弱、报警不及时等缺点,使其实用性大打折扣,更未有较为成熟的生命监测装备在消防部队广泛使用[3]

    由于消防员处于高度的移动工作状态下,且在消防搜救现场承担着迫切的救援工作,对装置佩戴的稳定性和便利性有很高的要求[2]。传统的指夹血氧仪会给消防员正常工作带来不便。本文考虑以光电容积脉搏波为基础,研制一种使用在消防员施救现场的可穿戴体征参数监测装置,并能将其体征参数反馈给指挥中心。且该装置具有体积小、功耗低、佩戴方便等特点[5-6]

1 总体系统设计

    与传统的指夹血氧仪监测装置不同,本感测装置是在考虑消防员的工作特性后,选择在耳垂处对脉搏波信号进行测量。脉搏波信号的采集采用一种无创的光电容积脉搏波的检测方式,利用透射式探头采集到体征参数后,将其送给单片机CC2640处理[11],同时可用单片机自带的蓝牙功能将数据传输给附近的消防指挥车,并可以通过无线传输的方式和远程的后台指挥中心进行通信。从而可以实时监测消防员的体征状况,而且不影响消防员的正常工作。其总体设计框图如图1所示。

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2 硬件设计

    本文的研究目标是开发一种可嵌入消防员耳部的体征参数感测装置,该装置能够舒适地佩戴在消防员的耳部,实现可靠地采集血氧饱和度、脉率的体征参数。考虑到装置的可携带性和小型化及其消防的应用场景,硬件电路主要分为脉搏波信号采集模块、数据处理模块、报警电路和防脱落检测及无线发送接收单元。系统的硬件电路设计如图2所示。本电路采用集成了放大滤波功能的采集模块和集成了无线收发数据功能的处理芯片,大大减小了硬件电路板的面积,并能够实现装置的长时间工作。

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2.1 脉搏波采集模块

    脉搏波采集模块主要包括驱动电路和透射式探头。该透射式探头集成了双光源LED和光强探测器。双光源LED分别为波长为660 nm的红光以及905 nm的红外光。透射式探头的LED和光强探测器在被测部位两侧。

    由于LED的导通电流一般在10 mA左右,而MCU的I/O管脚不能提供相应的电流输出,所以该模块给LED加了合适的驱动电路。单片机CC2640通过4个I/O口周期性地发送脉冲,控制LED驱动电路,使双束光能够交替发光。当驱动电路正向加载电压时电流由正极经过LED流向负极,红光LED导通,红外光LED截止,双光源LED发出660 nm红光;反向加载电压时,电流由负极经LED流向正极,红光LED截止,红外光LED导通,双光源LED发出905 nm红外光,通过微处理器控制LED两边电流的流向可以控制双光源LED的状态。

    由于脉搏波是由光的透射原理采集的,对周围环境的光源比较敏感,因此在测量时应注意探头不能处于强光照射下。另外,测量时透射式探头应该选择在动脉血管丰富处,便于光经过血管后带回准确的动脉波信息,以减少光穿透组织后溢出的影响。驱动电路如图3所示。

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2.2 数据处理单元

    考虑到消防员除了体征参数的监测外,还需要检测定位信息以及现场的温度等复杂的环境参数,本文脉搏波信号的处理选用的是Cortex-M3内核的单片机CC2640。CC2640是一款面向Bluetooth Smart应用的无线MCU,此器件属于CC26xx系列的经济高效型超低功耗2.4 GHz RF器件,支持蓝牙4.1的TI最新解决方案的芯片。有源模式下功耗为61 μA/MHz,待机电流为1 μA,极低的有源RF和MCU电流以及低功耗模式流耗可确保卓越的电池使用寿命,允许采用小型纽扣电池在能源采集型应用中使用。

    单片机CC2640通过5个端口与采集电路连接,其中redon、iron、ledred、ledir分别与单片机的I/O输出口相连,当采集数据开始时单片机通过这4个端口输出高低电平给驱动电路。光强探测器的输出OUT与单片机的I/O输入口连接,当采集到一个脉搏波信息数据后,通过OUT口输入给单片机,从而触发定时器对数据进行捕获。脉搏波采集模块转化后的频率信号由CC2640的定时器捕获后,利用反映脉搏波信息和透射光强的输出频率信号的计数值差值,再对信号进行滤波处理。滤波算法和体征参数的计算都是在单片机上实现的。

    单片机将计算出的血氧饱和度及脉率通过UART接口发送到无线蓝牙模块,从而实现体征参数与外界指挥中心的通信,还可以接收到分析后的反馈信息,从而实时掌握消防员的生命健康状态[7,12]

2.3 环形防脱落检测及报警电路

    耳夹式可穿戴感测装置的佩戴可能因为消防员在发生火灾时施救的急迫性会出现出勤时装置佩戴不正确,以及正常工作时脱落,导致感测装置不能正常工作的现象。此时需要进行实时的脱落检测,然后通过报警电路对消防员进行通知,并由后台工作人员进行相应的处理[7]

    环形检测外围是一层导电硅胶,当装置能正确佩戴时,环形电路连接上,装置由于脱落或不正确佩戴时会导致环形电路的断开[9]。断开时单片机的相应管脚会置低,此时就会触发单片机的报警电路。报警电路由一个发光二极管和蜂鸣器组成,单片机的I/O管脚为低电平时蜂鸣器会发出设置好的100 Hz响声,同时发光二极管会被点亮。数据处理及检测报警电路如图4所示。

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3 软件设计

    软件的设计分为体征参数的前端采集、滤波处理以及异常处理。首先是单片机的初始化,然后判断是否佩戴完好。若I/O口接收到低电平则表示没有佩戴完好,此时单片机进入中断处理函数,进行报警和亮灯处理,直到消防员将装置正确佩戴。程序再通过CC2640的I/O口高低电平输出来控制LED的亮灭,而LED的亮灭时序是由定时器控制的,定时器的采样频率为100 Hz,即1 ms时间到时先点亮探头的红光2 ms,然后光强探测器测得此时的血液中的脉搏波信号,再利用定时器的捕获功能进行上升沿捕获,两次捕获的定时器计数值的差值即为需要的脉搏波信息,它与光强探测器输出频率成比例;然后关闭LED 1 ms,定时到4 ms时再通过高低电平点亮红外光2 ms,然后一直关闭至10 ms。同样得出一个计数差值,因此一个采集周期内得到2个脉搏波数据,并将其存入到数组中。

    当数据存储到达一定值时(经测试数组长度为500)开始先选用5点去除法对信号进行处理,可有效去除随机出现的突变点,再用平滑滤波对信号进行滤波处理。滤波处理后,采用差分原理分别查找极值点,由此判断出波峰和波谷,再由插值法画出其上下包络线,从而求出脉搏波的直流和交流分量,再由朗伯比尔定律进行数据的计算,得到血氧饱和度和脉率。

    最后,程序在得到最终的血氧饱和度和脉率值后对其进行判断,不正常时根据相应的方案进行处理。如果首次发送不正常,且连续3次不正常,则判定为消防员没有正确佩戴;如果中间有数据不正常,可以加速采集,期间如果有正常值,则判定为正常工作下的抖动;如果中间有数据不正常,且加速采集后一直不正常,则判定为消防员生命体征出现状况,现场指挥中心可采取相应的措施进行及时处理。数据通过无线蓝牙模块传输给后台指挥中心。程序流程图如图5所示。

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4 实验结果与分析

    将装置穿戴在耳朵上,使采集探头贴合于耳垂两侧[4]。由于程序中设置的存储数组长度为500(采样率为100 Hz),所以参数采集的时间为5 s,数据的滤波计算处理时间为1 s左右,整个流程为6 s左右。本实验征集多名志愿者进行测试,其中一名实验者测试结果如图6、图7所示。

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    将从单片机采集到的原始数据在MATLAB上进行仿真,可得到图6所示的脉搏波原始信号,可以明显看出波形中存在随机突变点、基线漂移和高频干扰。经过去突变点和平滑滤波算法后,如图7所示,可以看出突变点得到有效去除,高频干扰也得到抑制。

    为了更好地验证最终的体征参数值,将通过上位机的串口得到的血氧饱和度和脉率与多参数医疗监护仪PM-9000A+比较。对比结果如表1和表2所示。

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    经过表1和表2的对比可知,血氧饱和度的误差控制在了3%以内,而脉率的误差率在4%以内,可以满足消防员的生命体征监测的数据准确性要求。

5 结论

    本文介绍了一种应用于消防安全的耳夹式体征参数检测方法,考虑到了消防救援的特殊环境,并加入了报警电路和防脱落检测,可以很好地应用于实际消防环境下。由于使用了集成无线蓝牙的CPU处理器,还可以减小开发板的大小,从而实现体积小、功耗低的特点。

参考文献

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