孫超，王游司，陳洪燕，盧宇

（內(nèi)江師范學(xué)院，四川 內(nèi)江 641000)）

1 發(fā)展背景

在社會老齡化日趨嚴(yán)重的時代，心腦血管疾病成了老年人的隱形殺手。所以，對于老年人來說，有一款實時測量心率的智能手環(huán)可以幫助老年人隨時了解自己的健康狀況，對疾病的及時預(yù)防和治療意義重大。年輕的用戶可以通過自己的心率來設(shè)定自己的運動強度，制定自己的健康鍛煉計劃。智能手環(huán)體積小，節(jié)能，方便，環(huán)保，價格相對較低[1]，已經(jīng)受到越來越多人們的青睞。但大多智能手環(huán)對心率監(jiān)測存在誤差，且準(zhǔn)確測量的條件比較苛刻，在靜止測量時對心律的監(jiān)測誤差最小，動態(tài)測量心率誤差太大。對此本文提出一種智能手環(huán)的檢測系統(tǒng)，采用光電容積法準(zhǔn)確地監(jiān)測心率。

1.1 國外發(fā)展?fàn)顩r

在2014年蘋果推出一款利用電容積脈搏波描計法，也是本系統(tǒng)所采用的方法的智能手環(huán)Apple Watch[2]。它利用綠色LED向手腕發(fā)射出可見光，再用光電感應(yīng)器感應(yīng)反射光，根據(jù)脈搏會使動脈、靜脈和毛細(xì)血管產(chǎn)生容積發(fā)生周期性變化，使反射光的強度大小發(fā)生變化來測量心率。但是在實際的使用中發(fā)現(xiàn)設(shè)備的測量并不精準(zhǔn)，尤其是在運動的時候誤差大的可以忽略不看，而且人的膚質(zhì)以及毛發(fā)密度也會影響心率測量精度，只有在靜止測量時測量的數(shù)據(jù)較為精確，誤差通常在10%左右。

1.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

在國外智能手環(huán)蓬勃發(fā)展時，國內(nèi)的智能手環(huán)也不甘落后。國內(nèi)的廠商們紛紛投身于智能手環(huán)的研發(fā)和制作。由于人們的需求不同，手環(huán)發(fā)展呈現(xiàn)差異化，以滿足用戶們的個性化需求。

ZDC(互聯(lián)網(wǎng)消費調(diào)研中心)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，2015年1-6月中國智能手環(huán)市場參與競爭的廠商數(shù)量持續(xù)增長，從1月的37家增長到6月的44家，有7家新晉加入。而在售的智能手環(huán)產(chǎn)品也從1月的54款上升至69款，增加了15款之多，用戶的關(guān)注度也隨之水漲船高。

其中市場銷售量在前額的生產(chǎn)廠家如：小米、華為、咕咚等公司設(shè)計的手環(huán)功能不但有計步、睡眠分析、運動追蹤等功能還包括監(jiān)測心率的功能。

但是相比之下有心率監(jiān)測的手環(huán)種類數(shù)量還是相對較少。而且測量的精度比較差，從市場分析和用戶的需求來看，心率監(jiān)測將會普及在各類智能手環(huán)中。

2 技術(shù)簡介

本文采用光電容積法和濾波。

2.1 光電容積法

這種方法是通過可見光在人體組織的反射，通常是利用兩個綠色LED向手腕發(fā)射出可見光，再利用光電感應(yīng)器感應(yīng)反射光，得到光信號。人體的皮膚、骨骼、肉、脂肪等對光的反射為固定數(shù)值，一般不發(fā)生改變。而人體中毛細(xì)血管、動脈和靜脈隨著脈搏跳動而發(fā)生容積的變化。當(dāng)心臟收縮時外周血容量達(dá)到最大數(shù)值，此時血管容積開始擴張，其吸收光的能力增強，所以檢測到光的強度最小。當(dāng)心臟擴張時，外周血容量少，光吸收量少，檢測到光的強度最大。因此對光的檢測是變化的，這個變化的頻率就是脈搏，再將光強度的變化通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，再對信號進(jìn)行處理、加工、完善，得到心率。

因為綠光對外界環(huán)境溫度變化造成的信號漂移數(shù)值最小，故采用綠光，使之測得的數(shù)值誤差更小，結(jié)果更加精確，更易于后期數(shù)據(jù)處理和分析。

2.2 檢測系統(tǒng)的設(shè)計

外圍電路的設(shè)計：

心率數(shù)據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集基于松恩電子有限公司研發(fā)的son1303心率傳感器完成。芯片采用了光電容積脈搏波描記法，使用發(fā)光波長為570nm的綠光，與紅外光相比反射率更高，測量感度更高，綠光對外界溫度變化照成的信號漂移最小。在經(jīng)過電路濾波后，配合son3130四運放能直接輸出方波信號。

開發(fā)板電路：

2.2.1 軟件設(shè)計

單片機與放大電路的IO口連接后，對單片機定時器清零，并設(shè)置中斷，每接收一次脈沖單片機就計數(shù)一次，計夠60s時中斷計數(shù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集

son1303仿真如圖

3 結(jié)語

監(jiān)測系統(tǒng)作為智能手環(huán)框架的一部分，也是評價一款手環(huán)好壞的標(biāo)準(zhǔn)，在未來智能醫(yī)療中有著廣泛的應(yīng)用。對于病人的病情診斷和康復(fù)有著重大的意義。隨著生活水平的不斷提高，以后私人醫(yī)療將會越來越普及。雖然傳統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備能夠準(zhǔn)確地檢測出人體各種生理數(shù)據(jù)，但是傳統(tǒng)的醫(yī)療檢測設(shè)備笨重而且價格昂貴，不能滿足人們對實時測量的需求。在未來的發(fā)展中此系統(tǒng)不僅可用于智能手環(huán)，也可用于其他需要監(jiān)測心律的小型化設(shè)備中。