文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.010
中文引用格式： 高小鵬，龐宇，黎圣峰，等. 耳夾式可穿戴體征參數感測裝置的設計[J].電子技術應用，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
血氧飽和度（Blood Oxygen Saturation，SpO2）表征了人體血液的含氧量。它能有效地反應人體循環系統和呼吸系統的生理狀態，在病情診斷和健康監護方面發揮著積極的作用[1]。
本設計采用的是利用光電轉換原理獲取脈搏波波形變化信息的檢測方式。其原理為：用一定波長的光照向皮膚表面，光會穿透皮膚在組織中傳輸，經過組織部分吸收后透射或反射傳給光強探測器。脈搏式血氧飽和度的測量采用了朗伯比爾定律和光譜學原理。通過血液物質對光吸收的差異可以檢測出血液中不同成分的含量。
氧氣經過氣體交換進入肺部毛細血管，與動脈中的脫氧血紅蛋白（deoxyhemoglobin，Hb）相結合生成氧合血紅蛋白（oxyhemoglobin，HbO2），并隨動脈血液流向全身各個組織。血氧飽和度是血液中所有可結合血紅蛋白中氧合血紅蛋白所占比例，其關系如下：
脈率是動脈每分鐘的搏動次數，正常人的脈率和心率一致，身體健康的成人的心率通常在60～100次/min范圍內[4]。
處理脈搏波信號時，找到兩個脈搏波的同一參考點，只要計算出兩參考點間采樣點個數m、采樣率v，就可以計算出一個完整脈搏的時間t和脈率p：
我國對生命體征監測技術和相關產品的研究在體育、醫療等領域較為廣泛，但針對消防員滅火戰斗領域的研究尚處于初級階段。多數產品存在便攜性差、通信能力弱、報警不及時等缺點，使其實用性大打折扣，更未有較為成熟的生命監測裝備在消防部隊廣泛使用[3]。
由于消防員處于高度的移動工作狀態下，且在消防搜救現場承擔著迫切的救援工作，對裝置佩戴的穩定性和便利性有很高的要求[2]。傳統的指夾血氧儀會給消防員正常工作帶來不便。本文考慮以光電容積脈搏波為基礎，研制一種使用在消防員施救現場的可穿戴體征參數監測裝置，并能將其體征參數反饋給指揮中心。且該裝置具有體積小、功耗低、佩戴方便等特點[5-6]。
1 總體系統設計
與傳統的指夾血氧儀監測裝置不同，本感測裝置是在考慮消防員的工作特性后，選擇在耳垂處對脈搏波信號進行測量。脈搏波信號的采集采用一種無創的光電容積脈搏波的檢測方式，利用透射式探頭采集到體征參數后，將其送給單片機CC2640處理[11]，同時可用單片機自帶的藍牙功能將數據傳輸給附近的消防指揮車，并可以通過無線傳輸的方式和遠程的后臺指揮中心進行通信。從而可以實時監測消防員的體征狀況，而且不影響消防員的正常工作。其總體設計框圖如圖1所示。
2 硬件設計
本文的研究目標是開發一種可嵌入消防員耳部的體征參數感測裝置，該裝置能夠舒適地佩戴在消防員的耳部，實現可靠地采集血氧飽和度、脈率的體征參數?？紤]到裝置的可攜帶性和小型化及其消防的應用場景，硬件電路主要分為脈搏波信號采集模塊、數據處理模塊、報警電路和防脫落檢測及無線發送接收單元。系統的硬件電路設計如圖2所示。本電路采用集成了放大濾波功能的采集模塊和集成了無線收發數據功能的處理芯片，大大減小了硬件電路板的面積，并能夠實現裝置的長時間工作。
2.1 脈搏波采集模塊
脈搏波采集模塊主要包括驅動電路和透射式探頭。該透射式探頭集成了雙光源LED和光強探測器。雙光源LED分別為波長為660 nm的紅光以及905 nm的紅外光。透射式探頭的LED和光強探測器在被測部位兩側。
由于LED的導通電流一般在10 mA左右，而MCU的I/O管腳不能提供相應的電流輸出，所以該模塊給LED加了合適的驅動電路。單片機CC2640通過4個I/O口周期性地發送脈沖，控制LED驅動電路，使雙束光能夠交替發光。當驅動電路正向加載電壓時電流由正極經過LED流向負極，紅光LED導通，紅外光LED截止，雙光源LED發出660 nm紅光；反向加載電壓時，電流由負極經LED流向正極，紅光LED截止，紅外光LED導通，雙光源LED發出905 nm紅外光，通過微處理器控制LED兩邊電流的流向可以控制雙光源LED的狀態。
由于脈搏波是由光的透射原理采集的，對周圍環境的光源比較敏感，因此在測量時應注意探頭不能處于強光照射下。另外，測量時透射式探頭應該選擇在動脈血管豐富處，便于光經過血管后帶回準確的動脈波信息，以減少光穿透組織后溢出的影響。驅動電路如圖3所示。
2.2 數據處理單元
考慮到消防員除了體征參數的監測外，還需要檢測定位信息以及現場的溫度等復雜的環境參數，本文脈搏波信號的處理選用的是Cortex-M3內核的單片機CC2640。CC2640是一款面向Bluetooth Smart應用的無線MCU，此器件屬于CC26xx系列的經濟高效型超低功耗2.4 GHz RF器件，支持藍牙4.1的TI最新解決方案的芯片。有源模式下功耗為61 μA/MHz，待機電流為1 μA，極低的有源RF和MCU電流以及低功耗模式流耗可確保卓越的電池使用壽命，允許采用小型紐扣電池在能源采集型應用中使用。
單片機CC2640通過5個端口與采集電路連接，其中redon、iron、ledred、ledir分別與單片機的I/O輸出口相連，當采集數據開始時單片機通過這4個端口輸出高低電平給驅動電路。光強探測器的輸出OUT與單片機的I/O輸入口連接，當采集到一個脈搏波信息數據后，通過OUT口輸入給單片機，從而觸發定時器對數據進行捕獲。脈搏波采集模塊轉化后的頻率信號由CC2640的定時器捕獲后，利用反映脈搏波信息和透射光強的輸出頻率信號的計數值差值，再對信號進行濾波處理。濾波算法和體征參數的計算都是在單片機上實現的。
單片機將計算出的血氧飽和度及脈率通過UART接口發送到無線藍牙模塊，從而實現體征參數與外界指揮中心的通信，還可以接收到分析后的反饋信息，從而實時掌握消防員的生命健康狀態[7，12]。
2.3 環形防脫落檢測及報警電路
耳夾式可穿戴感測裝置的佩戴可能因為消防員在發生火災時施救的急迫性會出現出勤時裝置佩戴不正確，以及正常工作時脫落，導致感測裝置不能正常工作的現象。此時需要進行實時的脫落檢測，然后通過報警電路對消防員進行通知，并由后臺工作人員進行相應的處理[7]。
環形檢測外圍是一層導電硅膠，當裝置能正確佩戴時，環形電路連接上，裝置由于脫落或不正確佩戴時會導致環形電路的斷開[9]。斷開時單片機的相應管腳會置低，此時就會觸發單片機的報警電路。報警電路由一個發光二極管和蜂鳴器組成，單片機的I/O管腳為低電平時蜂鳴器會發出設置好的100 Hz響聲，同時發光二極管會被點亮。數據處理及檢測報警電路如圖4所示。
3 軟件設計
軟件的設計分為體征參數的前端采集、濾波處理以及異常處理。首先是單片機的初始化，然后判斷是否佩戴完好。若I/O口接收到低電平則表示沒有佩戴完好，此時單片機進入中斷處理函數，進行報警和亮燈處理，直到消防員將裝置正確佩戴。程序再通過CC2640的I/O口高低電平輸出來控制LED的亮滅，而LED的亮滅時序是由定時器控制的，定時器的采樣頻率為100 Hz，即1 ms時間到時先點亮探頭的紅光2 ms，然后光強探測器測得此時的血液中的脈搏波信號，再利用定時器的捕獲功能進行上升沿捕獲，兩次捕獲的定時器計數值的差值即為需要的脈搏波信息，它與光強探測器輸出頻率成比例；然后關閉LED 1 ms，定時到4 ms時再通過高低電平點亮紅外光2 ms，然后一直關閉至10 ms。同樣得出一個計數差值，因此一個采集周期內得到2個脈搏波數據，并將其存入到數組中。
當數據存儲到達一定值時（經測試數組長度為500）開始先選用5點去除法對信號進行處理，可有效去除隨機出現的突變點，再用平滑濾波對信號進行濾波處理。濾波處理后，采用差分原理分別查找極值點，由此判斷出波峰和波谷，再由插值法畫出其上下包絡線，從而求出脈搏波的直流和交流分量，再由朗伯比爾定律進行數據的計算，得到血氧飽和度和脈率。
最后，程序在得到最終的血氧飽和度和脈率值后對其進行判斷，不正常時根據相應的方案進行處理。如果首次發送不正常，且連續3次不正常，則判定為消防員沒有正確佩戴；如果中間有數據不正常，可以加速采集，期間如果有正常值，則判定為正常工作下的抖動；如果中間有數據不正常，且加速采集后一直不正常，則判定為消防員生命體征出現狀況，現場指揮中心可采取相應的措施進行及時處理。數據通過無線藍牙模塊傳輸給后臺指揮中心。程序流程圖如圖5所示。
4 實驗結果與分析
將裝置穿戴在耳朵上，使采集探頭貼合于耳垂兩側[4]。由于程序中設置的存儲數組長度為500(采樣率為100 Hz)，所以參數采集的時間為5 s，數據的濾波計算處理時間為1 s左右，整個流程為6 s左右。本實驗征集多名志愿者進行測試，其中一名實驗者測試結果如圖6、圖7所示。
將從單片機采集到的原始數據在MATLAB上進行仿真，可得到圖6所示的脈搏波原始信號，可以明顯看出波形中存在隨機突變點、基線漂移和高頻干擾。經過去突變點和平滑濾波算法后，如圖7所示，可以看出突變點得到有效去除，高頻干擾也得到抑制。
為了更好地驗證最終的體征參數值，將通過上位機的串口得到的血氧飽和度和脈率與多參數醫療監護儀PM-9000A+比較。對比結果如表1和表2所示。
經過表1和表2的對比可知，血氧飽和度的誤差控制在了3%以內，而脈率的誤差率在4%以內，可以滿足消防員的生命體征監測的數據準確性要求。
5 結論
本文介紹了一種應用于消防安全的耳夾式體征參數檢測方法，考慮到了消防救援的特殊環境，并加入了報警電路和防脫落檢測，可以很好地應用于實際消防環境下。由于使用了集成無線藍牙的CPU處理器，還可以減小開發板的大小，從而實現體積小、功耗低的特點。
參考文獻
[1] 胡紅姣.老年患者腹部手術前后血氧飽和度監測意義[J].安徽醫藥，2010，14(4)：485-487.
[2] 楊樹峰，隋虎林，李志剛.消防員生命體征監測系統設計與實現[J].消防科學與技術，2014，33(3)：314-317.
[3] 于巍，古慶恩，姚翔，等.反射式血氧飽和度無創檢測的實驗研究[J].醫療衛生裝備，2007(2)：204-207.
[4] 王桂玲.影響脈搏血氧飽和度結果的原因分析[J].醫療裝備，2007(6)：37.
[5] Sun-A Jeong，Young-Dong Lee，Do-Un Jeong，et al.Implementation of pulse wave monitoring system using wearable PPG measurement system in daily life[C].Computing and Convergence Technology(ICCCT)，2012：309-312.
[6] HE D D，WINOKUR E S，HELDT T，et al.The ear as a location for wearable vital signs monitoring[C].2010 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology，2010：6389-6392.
[7] 謝正洋.無創血氧飽和度的測量及無線監測系統的研制[D].蘇州：蘇州大學，2009.
[8] 龔渝順，吳寶明，高丹丹，等.一種抗干擾穿戴式血氧飽和度監測儀的研制[J].傳感技術學報，2012，25(1)：6-10.
[9] WINOKUR E S，HE D D，SODINI C G.A wearable vital signs monitor at the ear for continuous heart rate and pulse transit time measurements[C].2012 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology，2012：2724-2727.
[10] 吳小玲，蔡桂艷.可穿戴式血氧傳感器的設計和定標方法研究[J].生物醫學工程學雜志，2009，26(4)：731-738.
[11] 胡靜，王成，李章俊，等.基于光電脈搏波描記方法的多生理參數測量研究[J].光電子·激光，2012(8)：1631-1634.
[12] 薛俊偉，黃岳山，杜欣，等.藍牙低功耗可穿戴血氧監測設備的設計[J].中國生物醫學工程學報，2015(6)：701-707.