Liu Yanping, Jin Fei, Li Jie, Hu Dongyang, Liu Zeyu
(Universitas Teknologi Hebei, Tianjin 300401)
Merancang sistem earphone pemantauan kesehatan oksigen darah denyut jantung yang dapat dikenakan, melengkapi desain perangkat keras dan desain perangkat lunak, dan mewujudkan tiga fungsi utama: akuisisi sinyal; perhitungan data bentuk gelombang keluaran gelombang nadi dan detak jantung waktu nyata serta nilai oksigen darah; dan data Ini dikirim ke komputer host melalui modul Bluetooth. Penguji menyadari pemantauan kesehatannya secara real-time melalui hasil yang dikeluarkan oleh perangkat lunak komputer host. Membandingkan hasil tes headset pemantauan kesehatan yang dapat dikenakan yang dirancang dengan detak jantung standar dan monitor oksigen darah, kesalahan berada dalam kisaran yang diizinkan, yang memverifikasi keakuratan desain.
Dapat dikenakan; headset pemantauan; detak jantung; oksigen darah
Nomor Klasifikasi Perpustakaan Cina: TN6
Kode identifikasi dokumen: SEBUAH
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.172487
Format kutipan berbahasa Mandarin: Liu Yanping, Jin Fei, Li Jie, dll. Desain headset pemantau detak jantung dan oksigen darah yang dapat dikenakan. Aplikasi teknologi elektronik, 2017, 43 (9): 4-7, 12.
Format kutipan bahasa Inggris: Liu Yanping, Jin Fei, Li Jie, dkk. Desain sistem headset yang dapat dikenakan yang memantau detak jantung dan oksigen darah. Penerapan Electronic Technique, 2017, 43 (9): 4-7, 12.
0 Kata Pengantar
Pada 25 Oktober 2016, Komite Sentral Partai Komunis China dan Dewan Negara mengeluarkan Rencana "China Sehat 2030", yang merupakan rencana aksi untuk mempromosikan pembangunan China yang sehat dalam 15 tahun ke depan. Dalam Outline tersebut, untuk pertama kalinya di tingkat nasional, diusulkan rencana strategis jangka menengah dan panjang di bidang kesehatan, dan juga ditekankan pencegahan penyakit. Karena kesadaran individu tentang pemantauan waktu nyata tentang kondisi kesehatan mereka sendiri telah meningkat secara signifikan, kombinasi perangkat yang dapat dikenakan dan perangkat medis rumah akan menjadi sangat penting dalam kehidupan masa depan. Tren ini secara bertahap merambah ke dalam kehidupan masyarakat. Namun, untuk sebagian besar peralatan yang ada di pasaran, ketidaknyamanan untuk dibawa atau kurangnya akurasi menjadi masalah yang mendesak untuk diselesaikan.
Dalam makalah ini, photoplethysmography digunakan untuk mendeteksi karakteristik perubahan volume darah melalui sarana fotolistrik untuk mendapatkan parameter kesehatan yang relevan. Ketika sinar dengan panjang gelombang tertentu melewati kulit manusia, intensitas cahaya yang dipantulkan berkurang. Efek melemahnya karena penyerapan stabil, sedangkan penyerapan volume darah berubah karena kontraksi jantung bersifat dinamis dan tidak stabil. Perubahan dinamis yang dipantulkan dari intensitas cahaya melewati sensor fotolistrik untuk mengubah sinyal biologis menjadi sinyal listrik.
Ada banyak kapiler di daun telinga tubuh manusia Sistem arteri karotis internal berjalan secara vertikal di sepanjang daerah saluran telinga, dan sistem kapiler berjalan melalui tragus dan daun telinga. Selain itu, karena kulit telinga relatif tipis, penyerapan stabil berkas cahaya oleh jaringan non-darah pada kulit berkurang, kehilangan intensitas cahaya lebih rendah, dan rasio signal-to-noise dari sinyal yang dikumpulkan meningkat.
Selain itu, setelah memakai headset, sensor fotolistrik akan pas dengan daun telinga. Bahkan saat orang melakukan berbagai olahraga, posisi telinga tetap relatif stabil. Oleh karena itu, sinyal yang dikumpulkan di lokasi ini memiliki kinerja anti-interferensi yang kuat, stabilitas tinggi, dan nyaman untuk dibawa.
1 Prinsip dasar
Denyut jantung mengacu pada jumlah kontraksi jantung dalam satu menit dari tubuh manusia, dan berisi informasi parameter penting untuk kesehatan fisik seseorang. Pemantauan oksigen darah adalah kejenuhan oksigen dalam darah Saat ini, sebagian besar perhitungan oksigen darah menggunakan hukum Lambert-Beer, yang diperoleh sesuai dengan karakteristik koefisien absorpsi cahaya hemoglobin.
1.1 Prinsip perhitungan detak jantung
Perhitungan nilai detak jantung waktu nyata dalam desain ini melalui langkah-langkah berikut: (1) Filter sinyal asli yang dikumpulkan terlebih dahulu, dan sinyal setelah penyaringan rata-rata tertimbang menghilangkan sebagian besar gerinda dan noise; (2) Untuk menghilangkan penyimpangan baseline, filter Penurunan sinyal yang terakhir; (3) Setelah dua langkah pertama memproses sinyal asli, bentuk gelombang yang ditunjukkan pada Gambar 1 diperoleh, dan nilai maksimum bentuk gelombang diekstraksi; (4) Kondusif untuk penyaringan ambang batas dan akan lebih rendah dari maksimum Titik ekstrim 0,8 kali disaring, dan nilai detak jantung waktu nyata dihitung melalui jarak RR antara dua puncak gelombang utama, seperti yang ditunjukkan dalam rumus (1):
Diantaranya, jam adalah nilai detak jantung (waktu / menit), RR adalah jarak puncak gelombang utama, dan f adalah frekuensi sampling 200 Hz.
1.2 Prinsip perhitungan oksigen darah
Artikel ini didasarkan pada perbedaan absorpsi hemoglobin beroksigen dan hemoglobin tereduksi pada panjang gelombang cahaya yang berbeda sebagai dasar teori. LED merah umumnya pada pita 660 nm, sedangkan LED inframerah dibagi menjadi pita 905 nm dan 940 nm. Desain ini mengadopsi prinsip refleksi dan memilih lampu merah 660 nm dan cahaya inframerah 905 nm, yang merupakan panjang gelombang paling sensitif untuk perubahan saturasi oksigen darah. Menurut rumus perhitungan oksigen darah refleksi:
Diantaranya, 660 / 905 mengacu pada pantulan darah di dekat bentuk gelombang yang dipilih, yang dapat mencerminkan perubahan sensitif saturasi oksigen darah. A, B, C, dan D dalam rumus memerlukan sejumlah besar data untuk memverifikasi kalibrasi dan merupakan konstanta eksperimental.
2 Desain struktur perangkat keras sistem
Desain ini adalah sistem earphone pemantauan kesehatan yang dapat dipakai yang mengukur detak jantung waktu nyata dan nilai oksigen darah. Sistem ini terutama mencakup modul akuisisi sinyal, modul pemrosesan sinyal, modul transmisi sinyal, dan modul tampilan komputer bagian atas. Diagram struktur sistem pemantauan oksigen darah detak jantung ditunjukkan pada Gambar 2.
Headset yang sudah jadi ditunjukkan pada Gambar 3.
2.1 Modul akuisisi sinyal
Dua sumber cahaya digunakan untuk pengumpulan sinyal, LED merah dan LED inframerah. Konfigurasikan register drive LED dari modul pra-pemrosesan AFE440x melalui mikrokontroler untuk mencapai kedipan alternatif LED merah dan LED inframerah. Sinyal cahaya yang dipantulkan dari berkas cahaya yang diradiasi ke kulit telinga diterima oleh sensor fotolistrik, diubah menjadi sinyal listrik, dan dikirim ke modul preprocessing AFE440x.
2.2 Modul pemrosesan sinyal
Modul pemrosesan sinyal terdiri dari modul preprocessing dan modul kontrol MCU (mikrokontroler). Sinyal yang diperoleh oleh sensor fotolistrik dari modul akuisisi perlu menjalani konversi analog-ke-digital melalui modul preprocessing, kemudian dikirimkan ke mikrokontroler MSP430 melalui antarmuka SPI AFE440x untuk analisis dan pemrosesan, dan penghitungan data bentuk gelombang keluaran gelombang pulsa dan detak jantung real-time serta nilai oksigen darah.
2.3 Modul transmisi sinyal
Chip bluetooth yang dipilih dalam artikel ini adalah NRF51822, yang merupakan chip tingkat sistem multi-protokol yang sangat fleksibel dengan fungsi yang kuat dan sangat cocok untuk aplikasi Bluetooth hemat energi. Modul Bluetooth terutama bertanggung jawab untuk berkomunikasi dengan komputer bagian atas, mengirim data modul kontrol master MCU ke komputer bagian atas, dan menerima instruksi dari komputer bagian atas.
3 Desain perangkat lunak sistem
Desain perangkat lunak sistem terdiri dari tiga bagian: desain perangkat lunak kontrol, desain perangkat lunak transmisi Bluetooth, dan desain antarmuka komputer host, yang terutama menyelesaikan akuisisi dan pemrosesan sinyal serta transmisi data.
3.1 Desain perangkat lunak kontrol
Modul kontrol MCU dinyalakan, dan menginisialisasi AFE440x terlebih dahulu, dan menunggu komputer host mengirimkan perintah akuisisi. Setelah mulai mengumpulkan data, AFE440x bekerja pada sampling rate 200 Hz dan mengumpulkan data setiap 5 ms (termasuk nilai LED merah dan saluran LED infra merah). Saat pengumpulan mencapai 256 data, paket data selesai Penyimpanan. Mikrokontroler MSP430 melakukan pemrosesan untuk menghilangkan penyimpangan baseline dan menyaring sinyal asli yang disimpan dalam buffer yang sesuai, sehingga memperoleh data bentuk gelombang pulsa keluaran, dan menghitung detak jantung waktu nyata dan nilai oksigen darah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
3.2 Desain perangkat lunak transmisi Bluetooth
NRF51822 perlu menginisialisasi tumpukan protokol Bluetooth terlebih dahulu, lalu mengaktifkan siaran Bluetooth untuk dipasangkan dengan komputer host. Pengguna mengirimkan instruksi pengumpulan melalui komputer induk, dan data yang dikumpulkan setiap 1,28 detik dianalisis dan dihitung untuk mendapatkan sekumpulan denyut jantung, nilai oksigen darah, dan data bentuk gelombang keluaran gelombang nadi, yang dikirim ke komputer induk. Ketika pengguna menghentikan pengumpulan, komputer host mengirimkan perintah untuk menghentikan pengumpulan ke Bluetooth untuk mengakhiri operasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
3.3 Desain antarmuka komputer tingkat atas
Tampilan klien komputer host mencakup tiga bagian: (1) nilai detak jantung waktu nyata; (2) nilai oksigen darah waktu nyata; (3) tampilan bentuk gelombang. Pada antarmuka aplikasi komputer bagian atas, klik bola biru untuk mulai mengumpulkan data, menampilkan detak jantung yang dihitung dan nilai oksigen darah dari setiap paket data dan gambar bentuk gelombang yang sesuai. Setel rentang normal detak jantung ke 50 hingga 120 kali, dan patokan saturasi oksigen darah ke 94% hingga 99%. Saat detak jantung atau oksigen darah melebihi rentang yang disetel, tampilan akan memberi peringatan dan berubah menjadi merah. Tampilan antarmuka komputer bagian atas ditunjukkan pada Gambar 6.
4 Hasil percobaan
4.1 Hasil percobaan gelombang pulsa
Sistem pemantauan earphone memperoleh sinyal gelombang pulsa dengan rasio signal-to-noise yang lebih tinggi dengan menyesuaikan kecerahan LED dan mengurangi hilangnya penerimaan cahaya oleh sensor fotolistrik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.
Sinyal asli yang diperoleh dengan noise disaring untuk menyaring sebagian besar gangguan noise yang tidak berguna untuk mendapatkan sinyal gelombang pulsa manusia Perbandingan bentuk gelombang pulsa asli dan bentuk gelombang yang disaring ditunjukkan pada Gambar 8 dan Gambar 9.
4.2 Hasil tes detak jantung dan oksigen darah
Untuk memverifikasi rasionalitas desain, dipilih 50 orang dengan usia berbeda (20-70 tahun) sebagai sampel tes, dan setiap orang dikumpulkan selama 1 menit setiap kali, dan hasilnya dikumpulkan beberapa kali, hasilnya dibandingkan dengan monitor yang sesuai dengan standar nasional. Sampel yang representatif berjumlah 12 kelompok, seperti terlihat pada Tabel 1 dan Tabel 2.
Membandingkan hasil tes sistem earphone monitor wearable dengan standar detak jantung dan monitor oksigen darah, rata-rata kesalahan hasil pengukuran detak jantung keduanya adalah 0,08 t / menit, dan kesalahan rata-rata hasil pengukuran saturasi oksigen darah adalah 0,33%, karena adanya perbedaan tanda fisik tubuh per satuan waktu. , Kesalahan berada dalam kisaran fluktuasi yang wajar.
Eksperimen menunjukkan bahwa hasil desain ini tidak hanya memenuhi portabilitas perangkat yang dapat dikenakan, tetapi juga memastikan keakuratan pemantauan parameter kesehatan manusia, detak jantung, dan oksigen darah.
5. Kesimpulan
Sistem earphone pemantauan menggunakan photoplethysmography untuk menghitung detak jantung dan nilai oksigen darah, yang dipantau secara real time oleh komputer host dan menyediakan tampilan bentuk gelombang waktu nyata. Sistem ini memiliki karakteristik biaya rendah, konsumsi daya rendah, pengoperasian mudah, membawa nyaman, pengukuran nyaman, dll., Dan dapat memperoleh sinyal berkualitas tinggi, akurasi kesalahan yang relatif tinggi, dan stabilitas yang baik.
referensi
Zhang Yongguang, Wang Xiaofeng. Beberapa perubahan konseptual dalam garis besar perencanaan "China Sehat 2030". Soft Science of Health, 2017 (2): 3-5.
Pang Yu, Huang Junxiao, Lin Jinchao, dkk.Penelitian tentang metode yang disempurnakan untuk pengukuran tekanan darah yang dipasang di kepala. Aplikasi Teknologi Elektronik, 2016, 42 (11): 52-55.
Guo Yanwei, Wang Xinling. Desain sistem pemantauan detak jantung berdasarkan transmisi Bluetooth. Electronic Testing, 2011 (8): 84-87.
Li Jingwen, Long Cun, Zhang Baozhou, dkk Desain dan aplikasi monitor saturasi oksigen darah reflektif.Teknik dan Klinik Biomedis, 2003 (1): 3-6.
Chen Ni, Zhang Guodong, Yan Huanhuan. Desain sistem akuisisi photoplethysmography nirkabel portabel.Teknologi pengukuran elektronik, 2017 (1): 101-104.
Zhou Congcong, Tu Chunlong, Gao Yun, dkk. Pengembangan perangkat pemantau detak jantung nirkabel berdaya rendah yang dikenakan di pergelangan tangan. Journal of Zhejiang University (Engineering Science Edition), 2015 (4): 798-805.
ZHU J, WU S, GUO W, dkk. Desain pengukuran oksigen darah non-invasif berdasarkan AFE4490>. Chinese Journal of Medical Instrumentation, 2015, 39 (5): 341.
Bi Haitao. Desain koleksi pintar detak jantung chip tunggal dan oksigen darah yang dapat dikenakan. Changchun: Northeastern University, 2014.
Lu Linsong. Penelitian dan implementasi analisis variabilitas detak jantung dan sistem tampilan berbasis BLE dan Android. Chengdu: Universitas Teknologi Chengdu, 2015.
TAHIR S.A protokol pengoptimalan rute scatternet bluetooth. Prosiding Konferensi AASRI 2012 tentang Sistem Daya dan Energi (PES 2012 V2), AASRI :, 2012: 7.
LIU Y L, JING Y, QIAO L, dkk.Sistem kontrol suhu yang cerdas berdasarkan komputer mikro chip tunggal MSP430F149. Kontrol dan Otomasi, 2005.
Li Shengfeng, Pang Yu, Gao Xiaopeng, dkk. Desain perangkat pendeteksi sinyal oksigen darah portabel. Sensor dan Sistem Mikro, 2017 (3): 1-4.
- Performa luar biasa dan masa pakai baterai yang baik. Pengujian singkat mouse tiga mode Pennefather M300
- Setelah konser Grup Pria Korea, staf membangunkan penggemar: kembali ke kenyataan, raung! Pergi kerja dan kelas, ayo!
- Pengumuman resmi ponsel layar ganda unggulan masa depan Vivo radikal: layar ganda depan dan belakang + tiga kamera, dan versi 10GB
- Sebuah keajaiban yang bahkan lebih baik dari ibu baptis tua, saya tidak bisa membuka mata saya dengan senyuman