Gao Xiaopeng, Pang Yu, Li Shengfeng, Huang Junxiao
(Sekolah Teknik Optoelektronik, Universitas Pos dan Telekomunikasi Chongqing, Chongqing 400065)
Dalam beberapa tahun terakhir, perangkat yang dapat dikenakan secara bertahap mendapat perhatian di bidang medis, dan tugas penyelamatan darurat yang dilakukan oleh pasukan pemadam kebakaran menjadi semakin berat. Ini sangat penting secara praktis untuk memastikan keselamatan pribadi petugas pemadam kebakaran dan tentara dalam operasi pemadam kebakaran dan penyelamatan. Untuk tujuan ini, perangkat ear clip yang dapat dikenakan berdasarkan keselamatan kebakaran dirancang. Sinyal gelombang pulsa dikumpulkan melalui konversi fotolistrik, dan kemudian disaring oleh CC2640 untuk mendapatkan saturasi oksigen darah dan parameter tanda denyut nadi, dan kemudian data dikirim melalui Bluetooth nirkabel. Transmisi, untuk mewujudkan pemantauan real-time kondisi fisik petugas pemadam kebakaran oleh pusat komando kebakaran. Perangkat ini memiliki karakteristik ukuran kecil, ringan, konsumsi daya rendah, dan dapat dikenakan, serta dapat digunakan dalam pemadam kebakaran, keamanan publik, dan departemen lain.
Jenis klip telinga; CC2640; gelombang nadi; saturasi oksigen darah; denyut nadi
TN215; R318.6
Kode identifikasi dokumen: SEBUAH
10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.12.010
Format kutipan berbahasa Mandarin: Gao Xiaopeng, Pang Yu, Li Shengfeng, dkk. Desain perangkat penginderaan parameter tanda fisik jenis klip telinga yang dapat dikenakan. Electronic Technology Application, 2016, 42 (12): 41-44, 47.
Format kutipan bahasa Inggris: Gao Xiaopeng, Pang Yu, Li Shengfeng, dkk. Desain perangkat penginderaan tanda-tanda vital multi-parameter yang dapat dipakai penjepit telinga. Aplikasi Teknik Elektronik, 2016, 42 (12): 41-44, 47.
0 Kata Pengantar
Blood Oxygen Saturation (SpO2) mencirikan kandungan oksigen dalam darah manusia. Ini dapat secara efektif mencerminkan keadaan fisiologis sistem peredaran darah manusia dan sistem pernapasan, dan memainkan peran aktif dalam diagnosis penyakit dan pemantauan kesehatan.
Perancangan ini mengadopsi metode deteksi yang menggunakan prinsip konversi fotolistrik untuk mendapatkan informasi perubahan bentuk gelombang pulsa. Prinsipnya: dengan menggunakan panjang gelombang tertentu cahaya ke permukaan kulit, cahaya akan menembus kulit dan diteruskan ke jaringan, setelah sebagian diserap oleh jaringan, akan diteruskan atau dipantulkan ke detektor intensitas cahaya. Pengukuran saturasi oksigen pulsa mengadopsi hukum Lambert Beer dan prinsip spektroskopi. Kandungan berbagai komponen dalam darah dapat dideteksi dengan perbedaan penyerapan cahaya zat darah.
Oksigen memasuki kapiler paru-paru melalui pertukaran gas, bergabung dengan deoxyhemoglobin (Hb) di arteri untuk menghasilkan oksihemoglobin (HbO2), dan mengalir dengan darah arteri ke berbagai jaringan tubuh. Saturasi oksigen darah adalah proporsi hemoglobin beroksigen dalam semua hemoglobin yang terikat dalam darah, dan hubungannya adalah sebagai berikut:
Denyut nadi adalah jumlah denyut nadi per menit. Denyut nadi orang normal sama dengan denyut jantung, dan denyut jantung orang dewasa yang sehat biasanya dalam kisaran 60-100 denyut / menit.
Saat memproses sinyal gelombang pulsa, temukan titik referensi yang sama dari dua gelombang pulsa.Selama jumlah titik pengambilan sampel m dan laju pengambilan sampel v antara dua titik referensi dihitung, waktu t dan denyut nadi p dari pulsa lengkap dapat dihitung:
Penelitian China tentang teknologi pemantauan tanda-tanda vital dan produk terkait relatif ekstensif di bidang olahraga, perawatan medis, dan bidang lainnya, tetapi penelitian di bidang pemadam kebakaran masih dalam tahap awal. Sebagian besar produk memiliki kekurangan seperti portabilitas yang buruk, kemampuan komunikasi yang lemah, dan alarm yang tidak tepat waktu, yang sangat mengurangi kepraktisannya, dan tidak ada peralatan pemantauan kehidupan yang lebih matang yang banyak digunakan dalam pasukan pemadam kebakaran.
Karena petugas pemadam kebakaran berada dalam status kerja yang sangat lincah dan melakukan pekerjaan penyelamatan mendesak di lokasi pencarian dan penyelamatan kebakaran, ada persyaratan tinggi untuk stabilitas dan kenyamanan perangkat. Pengukur klip jari tradisional akan membawa ketidaknyamanan pada pekerjaan normal petugas pemadam kebakaran. Artikel ini membahas pengembangan perangkat pemantauan parameter fisik yang dapat dikenakan untuk lokasi penyelamatan petugas pemadam kebakaran berdasarkan photoplethysmography, dan parameter fisik dapat diumpankan kembali ke pusat komando. Dan perangkat tersebut memiliki karakteristik ukuran kecil, konsumsi daya yang rendah, dan nyaman dipakai.
1 Desain sistem keseluruhan
Berbeda dari perangkat pemantauan klip jari tradisional, perangkat penginderaan ini memilih daun telinga untuk mengukur sinyal gelombang pulsa setelah mempertimbangkan karakteristik kerja petugas pemadam kebakaran. Sinyal gelombang pulsa dikumpulkan menggunakan metode deteksi photoplethysmographic non-invasif. Setelah parameter tanda fisik dikumpulkan oleh probe transmisi, parameter tersebut dikirim ke chip tunggal CC2640 untuk diproses. Pada saat yang sama, fungsi Bluetooth dari komputer chip tunggal dapat digunakan untuk mengirimkan data ke sekitar Kendaraan komando tembakan dapat berkomunikasi dengan pusat komando ujung belakang jarak jauh melalui transmisi nirkabel. Dengan demikian, status fisik petugas pemadam kebakaran dapat dipantau secara real time, dan pekerjaan normal petugas pemadam kebakaran tidak terpengaruh. Diagram blok desain keseluruhannya ditunjukkan seperti pada Gambar 1.
2 desain perangkat keras
Tujuan penelitian dari makalah ini adalah untuk mengembangkan perangkat penginderaan parameter fisik yang dapat ditanamkan di telinga petugas pemadam kebakaran.Perangkat tersebut dapat dikenakan dengan nyaman di telinga petugas pemadam kebakaran untuk mencapai pengumpulan yang andal dari parameter fisik saturasi oksigen darah dan denyut nadi. Mempertimbangkan portabilitas dan miniaturisasi perangkat dan skenario aplikasi pemadam kebakarannya, rangkaian perangkat keras terutama dibagi menjadi modul akuisisi sinyal gelombang pulsa, modul pemrosesan data, rangkaian alarm, dan deteksi anti-jatuh serta unit pemancar dan penerima nirkabel. Rancangan rangkaian perangkat keras dari sistem ditunjukkan seperti pada Gambar 2. Sirkuit ini mengadopsi modul akuisisi yang terintegrasi dengan fungsi penguatan dan pemfilteran serta chip pemrosesan yang terintegrasi dengan transmisi data nirkabel dan fungsi penerimaan, yang sangat mengurangi area papan sirkuit perangkat keras dan dapat mewujudkan pengoperasian jangka panjang perangkat.
2.1 Modul akuisisi gelombang pulsa
Modul akuisisi gelombang pulsa terutama mencakup sirkuit penggerak dan probe transmisi. Probe transmisif mengintegrasikan LED sumber cahaya ganda dan detektor intensitas cahaya. LED sumber ganda adalah lampu merah dengan panjang gelombang 660 nm dan cahaya inframerah dengan panjang gelombang 905 nm. Detektor LED dan intensitas cahaya dari probe transmisif berada di kedua sisi bagian yang diukur.
Karena arus konduksi LED umumnya sekitar 10 mA, dan pin I / O MCU tidak dapat memberikan keluaran arus yang sesuai, modul menambahkan sirkuit penggerak yang sesuai ke LED. Chip tunggal CC2640 secara berkala mengirimkan pulsa melalui 4 port I / O untuk mengontrol sirkuit penggerak LED sehingga sinar ganda dapat memancarkan cahaya secara bergantian. Saat rangkaian penggerak dibebani tegangan ke arah depan, arus mengalir dari elektroda positif melalui LED ke elektroda negatif, LED merah dinyalakan, LED inframerah dimatikan, dan LED sumber cahaya ganda memancarkan lampu merah 660 nm; ketika voltase dibalik, arus mengalir dari elektroda negatif ke elektroda positif melalui LED. LED merah terputus, LED inframerah dinyalakan, dan LED sumber cahaya ganda memancarkan cahaya inframerah 905 nm. Status LED sumber cahaya ganda dapat dikontrol oleh mikroprosesor yang mengontrol aliran arus di kedua sisi LED.
Karena gelombang pulsa dikumpulkan berdasarkan prinsip transmisi cahaya, maka gelombang ini lebih sensitif terhadap sumber cahaya lingkungan sekitarnya, jadi perlu diperhatikan bahwa probe tidak boleh terkena cahaya yang kuat saat mengukur. Selain itu, probe transmisif harus dipilih di mana arteri dan pembuluh darah kaya selama pengukuran, sehingga cahaya dapat mengembalikan informasi gelombang arteri yang akurat setelah melewati pembuluh darah, sehingga dapat mengurangi dampak luapan cahaya setelah menembus jaringan. Sirkuit penggerak ditunjukkan seperti pada Gbr.3.
2.2 Unit pengolahan data
Memperhatikan bahwa selain pemantauan parameter fisik, petugas pemadam kebakaran juga perlu mendeteksi informasi lokasi dan parameter lingkungan yang kompleks seperti suhu di lapangan.Pengolahan sinyal gelombang pulsa pada artikel ini menggunakan mikrokontroler inti Cortex-M3 CC2640. CC2640 adalah MCU nirkabel untuk aplikasi Bluetooth Smart. Perangkat ini termasuk dalam seri CC26xx dengan konsumsi daya ultra-rendah yang hemat biaya perangkat 2,4 GHz RF, mendukung chip solusi TI terbaru dari Bluetooth 4.1. Konsumsi daya dalam mode aktif adalah 61 A / MHz, arus siaga 1 A, arus RF dan MCU aktif yang sangat rendah dan konsumsi arus mode konsumsi daya rendah dapat memastikan masa pakai baterai yang sangat baik, memungkinkan penggunaan baterai tombol kecil dalam pemanenan energi Digunakan dalam aplikasi tipe.
CC2640 chip tunggal dihubungkan ke sirkuit akuisisi melalui 5 port, di antaranya redon, besi, ledred, dan ledir masing-masing terhubung ke port output I / O dari komputer mikro chip tunggal. Saat pengumpulan data dimulai, komputer mikro chip tunggal mengeluarkan level tinggi dan rendah ke sirkuit drive melalui 4 port ini. Keluaran OUT dari detektor intensitas cahaya dihubungkan dengan port masukan I / O dari komputer mikro chip tunggal. Ketika data informasi gelombang pulsa dikumpulkan, itu dimasukkan ke komputer mikro chip tunggal melalui port OUT, sehingga memicu timer untuk menangkap data. Setelah sinyal frekuensi yang diubah oleh modul akuisisi gelombang pulsa ditangkap oleh timer CC2640, selisih antara nilai hitungan sinyal frekuensi output yang mencerminkan informasi gelombang pulsa dan intensitas cahaya yang ditransmisikan digunakan untuk menyaring sinyal. Algoritma penyaringan dan perhitungan parameter fisik semuanya direalisasikan pada mikrokontroler.
Komputer mikro chip tunggal mengirimkan saturasi oksigen darah yang dihitung dan denyut nadi ke modul Bluetooth nirkabel melalui antarmuka UART, untuk mewujudkan komunikasi antara tanda-tanda fisik dan pusat komando eksternal, dan juga dapat menerima informasi umpan balik yang dianalisis, sehingga dapat memahami kehidupan dan kesehatan petugas pemadam kebakaran secara real time status.
2.3 Deteksi anti-jatuh annular dan sirkuit alarm
Memakai perangkat penginderaan yang dapat dikenakan jenis penjepit telinga dapat menyebabkan daruratnya petugas pemadam kebakaran untuk menyelamatkan jika terjadi kebakaran dimana perangkat tersebut tidak dipakai dengan benar saat mereka bertugas dan jatuh selama pekerjaan normal, yang mengakibatkan fenomena bahwa perangkat penginderaan tidak dapat bekerja dengan baik. Pada saat ini, pendeteksian jatuh secara real-time diperlukan, dan kemudian petugas pemadam kebakaran diberi tahu melalui sirkuit alarm, dan staf latar belakang akan menanganinya.
Bagian tepi dari deteksi cincin adalah lapisan gel silika konduktif, jika perangkat dapat dipakai dengan benar, rangkaian cincin akan disambungkan, dan rangkaian cincin akan diputuskan jika perangkat jatuh atau tidak dipakai dengan benar. Saat terputus, pin yang sesuai dari komputer mikro chip tunggal akan disetel rendah, dan sirkuit alarm dari komputer mikro chip tunggal akan dipicu saat ini. Rangkaian alarm terdiri dari dioda pemancar cahaya dan bel. Ketika pin I / O mikrokontroler berada pada level rendah, bel akan mengeluarkan suara set 100 Hz, dan dioda pemancar cahaya akan menyala pada saat yang bersamaan. Rangkaian pengolahan data dan deteksi alarm ditunjukkan pada Gambar 4.
3 desain perangkat lunak
Desain perangkat lunak dibagi menjadi akuisisi front-end parameter fisik, pemrosesan penyaringan dan pemrosesan abnormal. Yang pertama adalah inisialisasi mikrokontroler, dan kemudian dinilai apakah sudah aus dengan baik. Jika port I / O menerima level rendah, itu berarti perangkat tidak dipakai dengan benar.Pada saat ini, MCU memasuki fungsi pemrosesan interupsi, dan menjalankan alarm dan pemrosesan cahaya hingga petugas pemadam kebakaran memakai perangkat dengan benar. Program kemudian mengontrol hidup dan mati LED melalui output level tinggi dan rendah dari port I / O CC2640, dan waktu hidup dan mati LED dikendalikan oleh timer. Frekuensi sampling dari timer adalah 100 Hz, yaitu, pertama kali ketika waktunya adalah 1 ms. Nyalakan lampu merah probe selama 2 ms, kemudian detektor intensitas cahaya mengukur sinyal gelombang pulsa dalam darah pada saat ini, dan kemudian gunakan fungsi penangkapan timer untuk menangkap tepi yang naik. Perbedaan antara dua hitungan timer yang ditangkap adalah Informasi gelombang pulsa yang dibutuhkan sebanding dengan frekuensi keluaran detektor intensitas cahaya; kemudian LED dimatikan selama 1 ms, ketika timing mencapai 4 ms, lampu infra merah dinyalakan selama 2 ms melalui level tinggi dan rendah, kemudian dimatikan hingga 10 ms. Perbedaan hitungan juga diperoleh, sehingga 2 data gelombang pulsa diperoleh dalam satu siklus akuisisi dan disimpan dalam array.
Ketika penyimpanan data mencapai nilai tertentu (panjang array yang diuji adalah 500), metode penghapusan 5 titik pertama kali digunakan untuk memproses sinyal, yang secara efektif dapat menghilangkan titik mutasi acak, dan kemudian menghaluskan sinyal untuk menyaring sinyal. Setelah penyaringan, prinsip perbedaan digunakan untuk menemukan titik ekstrim masing-masing, dan puncak dan palung dinilai dari ini, dan kemudian amplop atas dan bawah ditarik dengan interpolasi, untuk menemukan komponen DC dan AC dari gelombang pulsa, dan kemudian menggunakan hukum Lamberbeier untuk melakukan Perhitungan data untuk mendapatkan saturasi oksigen darah dan denyut nadi.
Akhirnya, program menilai saturasi oksigen darah akhir dan denyut nadi setelah mendapatkan saturasi oksigen darah akhir dan nilai denyut nadi, dan menanganinya sesuai dengan rencana yang sesuai jika tidak normal. Jika transmisi pertama tidak normal dan tidak normal selama 3 kali berturut-turut, dianggap petugas pemadam kebakaran belum memakainya dengan benar; jika ada data abnormal di tengah, pengumpulan dapat dipercepat, dan jika ada nilai normal selama periode tersebut, itu dinilai sebagai jitter dalam pekerjaan normal; Jika data tidak normal dan tidak normal setelah pengumpulan yang dipercepat, ditentukan bahwa tanda-tanda vital petugas pemadam kebakaran dalam keadaan, dan pusat komando di tempat dapat mengambil tindakan yang sesuai untuk diproses tepat waktu. Data dikirim ke pusat perintah latar belakang melalui modul Bluetooth nirkabel. Diagram alir program ditunjukkan seperti pada Gambar 5.
4 Hasil percobaan dan analisis
Kenakan perangkat di telinga Anda dan pasangkan probe pengumpul di kedua sisi daun telinga. Karena panjang array penyimpanan yang ditetapkan dalam program adalah 500 (laju pengambilan sampel 100 Hz), waktu pengumpulan parameter adalah 5 detik, waktu pemrosesan kalkulasi penyaringan data sekitar 1 detik, dan keseluruhan proses sekitar 6 detik. Eksperimen ini merekrut banyak sukarelawan untuk pengujian, dan hasil pengujian dari salah satu pelaku eksperimen ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7.
Data asli yang dikumpulkan dari komputer chip tunggal disimulasikan pada MATLAB, dan sinyal gelombang pulsa asli yang ditunjukkan pada Gambar 6. Dapat dilihat dengan jelas bahwa ada titik mutasi acak, drift baseline dan interferensi frekuensi tinggi dalam bentuk gelombang. Setelah menghilangkan titik mutasi dan algoritma filter smoothing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, dapat dilihat bahwa titik mutasi secara efektif dihilangkan dan interferensi frekuensi tinggi juga ditekan.
Untuk lebih memverifikasi nilai parameter fisik akhir, bandingkan saturasi oksigen darah dan denyut nadi yang diperoleh melalui port serial komputer induk dengan monitor medis multi-parameter PM-9000A +. Hasil perbandingan ditunjukkan pada Tabel 1 dan Tabel 2.
Perbandingan Tabel 1 dan Tabel 2 menunjukkan bahwa kesalahan saturasi oksigen darah dikendalikan dalam 3%, dan tingkat kesalahan denyut nadi dalam 4%, yang dapat memenuhi persyaratan akurasi data pemantauan tanda-tanda vital petugas pemadam kebakaran.
5. Kesimpulan
Artikel ini memperkenalkan metode deteksi parameter fisik jenis penjepit telinga yang diterapkan pada keselamatan kebakaran, dengan mempertimbangkan lingkungan khusus penyelamatan kebakaran, dan menambahkan sirkuit alarm dan deteksi anti jatuh, yang dapat diterapkan dengan baik di lingkungan kebakaran yang sebenarnya. Karena penggunaan prosesor CPU dengan Bluetooth nirkabel terintegrasi, ukuran papan pengembangan juga dapat dikurangi, sehingga mencapai karakteristik ukuran kecil dan konsumsi daya yang rendah.
referensi
Hu Hongjiao Signifikansi pemantauan saturasi oksigen darah sebelum dan sesudah operasi perut pada pasien usia lanjut Anhui Medicine, 2010, 14 (4): 485-487.
Yang Shufeng, Sui Hulin, Li Zhigang. Desain dan implementasi sistem pemantauan tanda-tanda vital pemadam kebakaran. Ilmu dan Teknologi Kebakaran, 2014, 33 (3): 314-317.
Yu Wei, Gu Qingen, Yao Xiang, dkk.Penelitian eksperimental tentang deteksi non-invasif saturasi oksigen darah reflektif.Peralatan Medis dan Medis, 2007 (2): 204-207.
Wang Guiling. Analisis penyebab yang mempengaruhi hasil oksimetri nadi Peralatan Medis, 2007 (6): 37.
Sun-A Jeong, Young-Dong Lee, Do-Un Jeong, dkk. Penerapan sistem pemantauan gelombang pulsa menggunakan sistem pengukuran PPG yang dapat dikenakan dalam kehidupan sehari-hari.Computing and Convergence Technology (ICCCT), 2012: 309-312.
HE D D, WINOKUR ES, HELDT T, dkk. Telinga sebagai lokasi pemantauan tanda-tanda vital yang dapat dikenakan Konferensi Internasional Tahunan IEEE Teknik dalam Kedokteran dan Biologi 2010: 6389-6392.
Xie Zhengyang. Pengukuran saturasi oksigen darah non-invasif dan pengembangan sistem pemantauan nirkabel. Suzhou: Universitas Soochow, 2009.
Gong Yushun, Wu Baoming, Gao Dandan, dkk.Pengembangan monitor saturasi oksigen darah yang dapat dipakai anti-jamming. Journal of Transducer Technology, 2012, 25 (1): 6-10.
WINOKUR ES, HE D D, SODINI C G. Monitor tanda-tanda vital yang dapat dikenakan di telinga untuk pengukuran detak jantung dan waktu transit denyut nadi secara terus menerus Konferensi Internasional Tahunan IEEE Teknik dalam Kedokteran dan Biologi 2012: 2724-2727.
Wu Xiaoling, Cai Guiyan. Penelitian tentang desain dan metode kalibrasi sensor oksigen darah yang dapat dipakai. Jurnal Teknik Biomedis, 2009, 26 (4): 731-738.
Hu Jing, Wang Cheng, Li Zhangjun, dkk.Penelitian tentang pengukuran beberapa parameter fisiologis berdasarkan metode pelacakan gelombang pulsa fotolistrik Optoelektronik · Laser, 2012 (8): 1631-1634.
Xue Junwei, Huang Yueshan, Du Xin, dkk. Desain peralatan pemantau oksigen darah dpt dipakai energi rendah Bluetooth. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 2015 (6): 701-707.
- Evaluasi komprehensif OPPO R15x: penampilan segar dan konotatif, konfigurasi seimbang dan harga wajar
- Lebih dari sekadar kartu grafis RTX, pengalaman pengambilan gambar nyata, desain sistem pendingin notebook ASUS ROG yang inovatif
- Pengalaman sistem: "Satu langkah lebih cepat" Sistem OPPO R17 Pro menghadirkan pengalaman yang mulus