文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172487
中文引用格式： 劉艷萍，金菲，李杰，等. 可穿戴的心率和血氧監測耳機設計[J].電子技術應用，2017，43(9)：4-7，12.
英文引用格式： Liu Yanping，Jin Fei，Li Jie，et al. Design of wearable headset system monitoring heart rate and blood oxygen[J].Application of Electronic Technique，2017，43(9)：4-7，12.
0 引言
2016年10月25日，中共中央、國務院發布了《“健康中國2030”規劃綱要》[1]，這是今后15年推進健康中國建設的行動綱領。在《綱要》中，首次在國家層面上提出關于健康領域的中長期戰略規劃，同時也著重提出了對疾病的預防。由于個人對自身健康狀況的實時監測意識顯著提高，可穿戴設備與家庭醫療器械的結合，將會在未來的生活中變得尤為重要。這種潮流已經逐漸滲入人們的生活。但是對于市面上現有的大多數設備，不方便攜帶或者精準度的欠缺成為目前急需解決的問題。
本文采用光電容積描記法，通過光電手段檢測血液容積變化所呈現的特性，從而得到相關的健康參數[2]。當一定波長的光束通過人體皮膚后，反射回來的光強減弱。影響減弱的因吸收是穩定的，而由于心臟收縮引起血液容積變化的吸收是動態非穩定的。反射回來的動態變化光強通過光電傳感器，將生物信號轉變為電信號[3]。
人體耳廓內部有著豐富的毛細血管，由頸內動脈系統垂直沿著耳道區域運行，毛細血管系統貫穿耳屏和耳垂。而且由于耳部的皮膚相對比較薄，減少了皮膚非血液組織對光束的穩定吸收[4]，使光強度損失較低，提高了采集信號的信噪比。
另外，佩戴耳機后，光電傳感器會與耳廓緊密貼合。即使人們從事各種運動時，耳朵位置也保持相對穩定。因此在這個位置采集信號抗干擾性能強，穩定度高，并且方便攜帶。
1 基本原理
心率是指人體一分鐘內心臟的收縮次數，包含了一個人生理健康的重要參數信息。血氧監測的是血液中氧氣的飽和度，目前血氧的計算大都采用Lambert-Beer定律，根據血紅蛋白對光吸收系數的特性得到[5]。
1.1 心率計算原理
本設計中計算實時心率值經過如下幾個步驟：(1)將采集的原始信號先做濾波處理，經過加權平均濾波的信號消除了大部分毛刺和噪聲；(2)為了消除基線漂移，對濾波后的信號進行求導；(3)經過前兩個步驟對原始信號的處理，得到如圖1所示的波形圖，提取波形的極大值；(4)利于閾值濾波，將低于最大值0.8倍[6]的極值點濾除，通過兩個主波波峰的間距RR，計算實時心率值，如式(1)所示：
其中，hr為心率值(次/分鐘)，RR為主波波峰間距，f為采樣頻率200 Hz。
1.2 血氧計算原理
本文根據氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白在光波長不同時的吸收差異性作為理論基礎[7]。紅光LED一般為660 nm波段，而紅外的LED分為905 nm和940 nm兩種波段。本設計采用反射性原理，選擇血液在對血氧飽和度的變化最為敏感的波長紅光660 nm和紅外光905 nm。根據反射式血氧計算公式如下：
其中ρ660/905是指血液在選取波形附近的反射比，此反射比能夠反映出血氧飽和度的敏感變化。公式中的A、B、C、D需要用大量的數據去驗證標定，是實驗常數。
2 系統硬件結構設計
本設計是一款穿戴式測量實時心率和血氧值的健康監測耳機系統。該系統主要包括信號采集模塊、信號處理模塊、信號傳輸模塊和上位機顯示模塊[8]。心率血氧監測的系統結構框圖如圖2所示。
完成的耳機實物如圖3所示。
2.1 信號采集模塊
信號采集采用兩種光源，紅光LED和紅外LED。通過微控制器對預處理模塊AFE440x的LED驅動寄存器進行配置，實現紅光LED和紅外LED交替閃爍。照射到耳朵皮膚的光束經過反射后的光信號被光電傳感器接收，轉換為電信號，并傳輸給預處理模塊AFE440x。
2.2 信號處理模塊
信號處理模塊由預處理模塊、MCU（微控制器）控制模塊組成。通過采集模塊光電傳感器得到的信號，需要經過預處理模塊進行模數轉換，然后通過AFE440x的SPI接口傳輸至微控器MSP430[9]，進行分析處理，計算脈搏波輸出波形數據以及實時心率和血氧值。
2.3 信號傳輸模塊
本文選用的藍牙芯片為NRF51822，是一款具有高靈活性的多協議系統級芯片，功能強大，非常適用于藍牙低功耗的應用。藍牙模塊主要負責與上位機通信，將MCU主控模塊的數據發送到上位機[10-11]，并接收上位機發出的指令。
3 系統軟件設計
系統軟件設計由控制軟件設計、藍牙傳輸軟件設計和上位機界面設計三部分組成，主要完成信號的采集和處理以及數據的傳輸。
3.1 控制軟件設計
MCU控制模塊上電工作，先初始化AFE440x，等待上位機發送采集指令。開始采集數據后， AFE440x以200 Hz的采樣率進行工作，每5 ms采集一次數據（包含紅光LED和紅外LED兩個通道的值），當采集累計到達256個數據，便完成了一個數據包的存儲。微控制器MSP430對存入相應的緩沖區中的原始信號進行去除基線漂移以及濾波等處理，從而得到輸出的脈搏波波形數據，并且計算出實時心率值和血氧值。如圖4所示。
3.2 藍牙傳輸軟件設計
NRF51822需要先初始化藍牙協議棧，然后打開藍牙廣播與上位機進行配對連接[12]。用戶通過上位機發出采集指令，每1.28秒采集到的數據經過分析計算，得到一組心率、血氧值以及脈搏波輸出波形數據，發送至上位機。當用戶停止采集，上位機就向藍牙發送停止采集的指令，結束操作，如圖5所示。
3.3 上位機界面設計
上位機客戶端顯示包含三部分：(1)實時心率值；(2)實時血氧值；(3)波形顯示。在上位機應用界面，點擊藍色球開始采集數據，顯示每一個數據包計算的心率和血氧值并畫出相應波形。設置心率正常范圍為50～120次，血氧飽和度基準為94%～99%，當心率或血氧超出設定范圍，顯示會提出預警，變為紅色。上位機界面顯示如圖6所示。
4 實驗結果
4.1 脈博波實驗結果
耳機監測系統通過調節LED的亮度、減少光電傳感器對光接收的損失等操作，得到具有較高信噪比的脈搏波信號，如圖7所示。
將采集的帶有噪聲的原始信號進行濾波，濾除大部分無用的噪聲干擾，得到人體脈搏波信號，原始脈搏波波形和濾波后的波形對比如圖8、圖9所示。
4.2 心率和血氧實驗結果
為驗證設計的合理性，挑選出年齡不同(20歲-70歲)的50人作為測試樣本，每次每人采集1 min，進行多次采集，結果與符合國家標準的監測儀對比，挑選其中代表樣本12組，如表1和表2所示。
對比穿戴式監測耳機系統與標準的心率血氧監測儀測試結果，兩者心率測量結果平均誤差為0.08 t/min，血氧飽和度測量結果平均誤差為0.33%，由于人體單位時間內的體征差異，誤差在合理的波動范圍。
實驗證明：本設計的結果不僅滿足可穿戴設備的便攜性，并保證了對人體健康參數心率和血氧監測的精準度。
5 結論
監測耳機系統采用光電容積描記法計算出心率與血氧值，通過上位機實時監測，并且提供實時波形顯示。本系統具有成本低、功耗低、易操作、方便攜帶，便于測量等特點，而且能夠獲取較高質量的信號，誤差精準度相對較高，穩定性好。
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作者信息：
劉艷萍，金 菲，李 杰，胡東陽，劉澤宇
（河北工業大學，天津300401）