0 引言

    2016年10月25日，中共中央、国务院发布了《“健康中国2030”规划纲要》^[1]，这是今后15年推进健康中国建设的行动纲领。在《纲要》中，首次在国家层面上提出关于健康领域的中长期战略规划，同时也着重提出了对疾病的预防。由于个人对自身健康状况的实时监测意识显著提高，可穿戴设备与家庭医疗器械的结合，将会在未来的生活中变得尤为重要。这种潮流已经逐渐渗入人们的生活。但是对于市面上现有的大多数设备，不方便携带或者精准度的欠缺成为目前急需解决的问题。

    本文采用光电容积描记法，通过光电手段检测血液容积变化所呈现的特性，从而得到相关的健康参数^[2]。当一定波长的光束通过人体皮肤后，反射回来的光强减弱。影响减弱的因吸收是稳定的，而由于心脏收缩引起血液容积变化的吸收是动态非稳定的。反射回来的动态变化光强通过光电传感器，将生物信号转变为电信号^[3]。

    人体耳廓内部有着丰富的毛细血管，由颈内动脉系统垂直沿着耳道区域运行，毛细血管系统贯穿耳屏和耳垂。而且由于耳部的皮肤相对比较薄，减少了皮肤非血液组织对光束的稳定吸收^[4]，使光强度损失较低，提高了采集信号的信噪比。

    另外，佩戴耳机后，光电传感器会与耳廓紧密贴合。即使人们从事各种运动时，耳朵位置也保持相对稳定。因此在这个位置采集信号抗干扰性能强，稳定度高，并且方便携带。

1 基本原理

    心率是指人体一分钟内心脏的收缩次数，包含了一个人生理健康的重要参数信息。血氧监测的是血液中氧气的饱和度，目前血氧的计算大都采用Lambert-Beer定律，根据血红蛋白对光吸收系数的特性得到^[5]。

1.1 心率计算原理

    本设计中计算实时心率值经过如下几个步骤：(1)将采集的原始信号先做滤波处理，经过加权平均滤波的信号消除了大部分毛刺和噪声；(2)为了消除基线漂移，对滤波后的信号进行求导；(3)经过前两个步骤对原始信号的处理，得到如图1所示的波形图，提取波形的极大值；(4)利于阈值滤波，将低于最大值0.8倍^[6]的极值点滤除，通过两个主波波峰的间距RR，计算实时心率值，如式(1)所示：

    其中，hr为心率值(次/分钟)，RR为主波波峰间距，f为采样频率200 Hz。

1.2 血氧计算原理

    本文根据氧合血红蛋白和还原血红蛋白在光波长不同时的吸收差异性作为理论基础^[7]。红光LED一般为660 nm波段，而红外的LED分为905 nm和940 nm两种波段。本设计采用反射性原理，选择血液在对血氧饱和度的变化最为敏感的波长红光660 nm和红外光905 nm。根据反射式血氧计算公式如下：

    其中ρ_660/905是指血液在选取波形附近的反射比，此反射比能够反映出血氧饱和度的敏感变化。公式中的A、B、C、D需要用大量的数据去验证标定，是实验常数。

2 系统硬件结构设计

    本设计是一款穿戴式测量实时心率和血氧值的健康监测耳机系统。该系统主要包括信号采集模块、信号处理模块、信号传输模块和上位机显示模块^[8]。心率血氧监测的系统结构框图如图2所示。

    完成的耳机实物如图3所示。

2.1 信号采集模块

    信号采集采用两种光源，红光LED和红外LED。通过微控制器对预处理模块AFE440x的LED驱动寄存器进行配置，实现红光LED和红外LED交替闪烁。照射到耳朵皮肤的光束经过反射后的光信号被光电传感器接收，转换为电信号，并传输给预处理模块AFE440x。

2.2 信号处理模块

    信号处理模块由预处理模块、MCU（微控制器）控制模块组成。通过采集模块光电传感器得到的信号，需要经过预处理模块进行模数转换，然后通过AFE440x的SPI接口传输至微控器MSP430^[9]，进行分析处理，计算脉搏波输出波形数据以及实时心率和血氧值。

2.3 信号传输模块

    本文选用的蓝牙芯片为NRF51822，是一款具有高灵活性的多协议系统级芯片，功能强大，非常适用于蓝牙低功耗的应用。蓝牙模块主要负责与上位机通信，将MCU主控模块的数据发送到上位机^[10-11]，并接收上位机发出的指令。

3 系统软件设计

    系统软件设计由控制软件设计、蓝牙传输软件设计和上位机界面设计三部分组成，主要完成信号的采集和处理以及数据的传输。

3.1 控制软件设计

    MCU控制模块上电工作，先初始化AFE440x，等待上位机发送采集指令。开始采集数据后， AFE440x以200 Hz的采样率进行工作，每5 ms采集一次数据（包含红光LED和红外LED两个通道的值），当采集累计到达256个数据，便完成了一个数据包的存储。微控制器MSP430对存入相应的缓冲区中的原始信号进行去除基线漂移以及滤波等处理，从而得到输出的脉搏波波形数据，并且计算出实时心率值和血氧值。如图4所示。

3.2 蓝牙传输软件设计

    NRF51822需要先初始化蓝牙协议栈，然后打开蓝牙广播与上位机进行配对连接^[12]。用户通过上位机发出采集指令，每1.28秒采集到的数据经过分析计算，得到一组心率、血氧值以及脉搏波输出波形数据，发送至上位机。当用户停止采集，上位机就向蓝牙发送停止采集的指令，结束操作，如图5所示。

3.3 上位机界面设计

    上位机客户端显示包含三部分：(1)实时心率值；(2)实时血氧值；(3)波形显示。在上位机应用界面，点击蓝色球开始采集数据，显示每一个数据包计算的心率和血氧值并画出相应波形。设置心率正常范围为50～120次，血氧饱和度基准为94%～99%，当心率或血氧超出设定范围，显示会提出预警，变为红色。上位机界面显示如图6所示。

4 实验结果

4.1 脉博波实验结果

    耳机监测系统通过调节LED的亮度、减少光电传感器对光接收的损失等操作，得到具有较高信噪比的脉搏波信号，如图7所示。

    将采集的带有噪声的原始信号进行滤波，滤除大部分无用的噪声干扰，得到人体脉搏波信号，原始脉搏波波形和滤波后的波形对比如图8、图9所示。

4.2 心率和血氧实验结果

    为验证设计的合理性，挑选出年龄不同(20岁-70岁)的50人作为测试样本，每次每人采集1 min，进行多次采集，结果与符合国家标准的监测仪对比，挑选其中代表样本12组，如表1和表2所示。

    对比穿戴式监测耳机系统与标准的心率血氧监测仪测试结果，两者心率测量结果平均误差为0.08 t/min，血氧饱和度测量结果平均误差为0.33%，由于人体单位时间内的体征差异，误差在合理的波动范围。

    实验证明：本设计的结果不仅满足可穿戴设备的便携性，并保证了对人体健康参数心率和血氧监测的精准度。

5 结论

    监测耳机系统采用光电容积描记法计算出心率与血氧值，通过上位机实时监测，并且提供实时波形显示。本系统具有成本低、功耗低、易操作、方便携带，便于测量等特点，而且能够获取较高质量的信号，误差精准度相对较高，稳定性好。

参考文献

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作者信息：

刘艳萍，金  菲，李  杰，胡东阳，刘泽宇

（河北工业大学，天津300401）