何智慧，王錦航，劉易婷，任新成，崔 巍*

(1.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院；2.延安大學(xué) 附屬醫(yī)院，陜西 延安 716000)

2020年，新冠病毒席卷全球，血氧飽和度是此次新冠肺炎治療時(shí)的一個(gè)重要檢測指標(biāo)。當(dāng)血氧飽和度下降時(shí)，往往預(yù)示著病人病情逐漸由輕型轉(zhuǎn)為重癥。在這種情況下急需醫(yī)生的看護(hù)和治療。尤其是在醫(yī)療資源不足的地方或者疫情大規(guī)模發(fā)生的地區(qū)，有疑似癥狀的病人需居家自療，配備一個(gè)便攜式血氧儀，可以時(shí)刻知道自己的病情狀況[1]。血氧飽和度是衡量人體生理健康的重要參數(shù)，包含了豐富的生理或病理信息，所以對血氧的無創(chuàng)、實(shí)時(shí)、便攜式監(jiān)測具有重要意義[2]。血氧儀是監(jiān)測脈搏血氧飽和度的設(shè)備，它根據(jù)朗伯比爾定律[3-4]，對光電容積脈搏波進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對人體脈搏和血氧飽和度參數(shù)的監(jiān)測[5]。

設(shè)計(jì)一種便攜式低功耗血氧監(jiān)測裝置，通過提高傳感器數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度、優(yōu)化數(shù)據(jù)算法以及降低自身的功耗，來監(jiān)測人體中的血氧情況。本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8控制芯片、MAX30101傳感芯片、OLED顯示電路、藍(lán)牙JDY-18模塊來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種高精度低功耗的血氧濃度檢測裝置[6-7]。通過硬件電路模塊的搭建，實(shí)現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、動態(tài)顯示；通過軟件編程控制各個(gè)硬件模塊的工作狀態(tài)以及數(shù)據(jù)算法上的進(jìn)一步優(yōu)化；實(shí)現(xiàn)血氧濃度的便攜式動態(tài)監(jiān)測以及顯示，并通過無線藍(lán)牙模塊將已測量歷史數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芙K端。本設(shè)計(jì)將非介入式生理信號檢測技術(shù)融入日常穿戴中，為推動智能移動醫(yī)療的發(fā)展做出一定的基礎(chǔ)工作。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)原則，硬件與軟件相結(jié)合的方式。傳感器檢測電路模塊采用可穿戴式高靈敏度脈搏血氧儀傳感器MAX30101，它本身集成了完整的發(fā)光LED及驅(qū)動部分、光電探測器、ADC轉(zhuǎn)換部分以及環(huán)境光抑制部分，采集數(shù)據(jù)信號屬于光電容積法[8-9]。光電容積法基本原理是利用人體組織在血管搏動時(shí)造成透光率不同來進(jìn)行脈搏和血氧飽和度的測量[10-11]。通過綁帶固定在手腕或手指上，光源發(fā)出550 nm附近的綠光去探測動脈血中氧合血紅蛋白和血紅蛋白，因?yàn)榫G光比紅光具有更強(qiáng)的抗干擾性[12]。透過皮膚組織反射回的光被光敏傳感器接收并轉(zhuǎn)換成電信號再經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以供控制器對信號進(jìn)行處理。超低功耗單片機(jī)STM32F103C8作為控制器以及數(shù)據(jù)算法處理芯片，顯示電路為0.96寸OLED屏幕，無線傳輸模塊電路使用藍(lán)牙JDY-18。為了更好地進(jìn)行調(diào)試，在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中增加USB上位機(jī)調(diào)試電路，以便對系統(tǒng)整體進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

MAX30101傳感器電路采用I2C傳輸標(biāo)準(zhǔn)與控制器STM32進(jìn)行通信?？梢酝ㄟ^軟件控制來實(shí)現(xiàn)零待機(jī)電流，從而在空閑時(shí)進(jìn)一步減小功耗。其封裝尺寸為5.6 mm×3.3 mm×1.55 mm，內(nèi)部光電探測部分有超凈玻璃進(jìn)行保護(hù)，可以用于設(shè)計(jì)成手環(huán)佩戴式。MAX30101的SCL和SDA引腳與控制器STM32的PB6和PB7相連接，進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)傳輸，使用I2C雙向通信傳輸協(xié)議。INT為MAX30101的中斷輸入引腳與STM32的PB12連接，低電平有效中斷，且需要接上拉電阻。MAX30101的VLED+和VDD引腳使用旁路電容連接到PGND，以便獲得最佳探測性能。

2.2 顯示及無線傳輸模塊

無線傳輸電路采用藍(lán)牙JDY-18模塊，其RX和TX引腳分別與STM32的PA2和PA3引腳進(jìn)行連接，用于控制器STM32使用藍(lán)牙協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至智能終端設(shè)備。顯示電路采用0.96寸OLED屏幕，OLED的D0和D1引腳分別與STM32的PA5和PA7相連接，采用SPI協(xié)議接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)調(diào)試的便利性，加入U(xiǎn)SB-TTL模塊電路。USB-TTL模塊的TXD和RXD分別與STM32的PA9和PA10相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)總體電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是通過上位機(jī)中使用C語言在Keil軟件環(huán)境中進(jìn)行。待程序編寫完畢后，通過編譯器轉(zhuǎn)換為STM32可識別的機(jī)器語言，后下載程序至STM32控制器內(nèi)部的專用存儲器，實(shí)現(xiàn)STM32對整體硬件電路的時(shí)序控制以及對血氧數(shù)字信號進(jìn)行處理。

3.1 血氧數(shù)據(jù)采集

首先，控制器STM32對MAX30101發(fā)送初始化配置指令，MAX30101向待測目標(biāo)發(fā)送綠光信號，MAX30101自帶光敏傳感器檢測反射信號，經(jīng) ADC對接收到的模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以便下一步被STM32處理。當(dāng)STM32檢測到數(shù)據(jù)信號并對其進(jìn)行有效性判斷，如有效則一次信號檢測結(jié)束，若信號無效則返回?zé)o效信號使MAX30101再次發(fā)送綠光信號。血氧數(shù)據(jù)采集軟件部分流程圖如圖3所示。

圖3 血氧數(shù)據(jù)采集軟件部分流程圖

3.2 信號處理及顯示模塊的設(shè)計(jì)

待控制器STM32單片機(jī)接收到有效信號后，對信號進(jìn)行有效提取及數(shù)字算法上的處理，最終得到血氧值。在軟件算法中，每接收到一次有效信號后，STM32繼續(xù)給MAX30101發(fā)送檢測信號指令，重復(fù)10次，求得10次信號的平均值后，即為一次完整的檢測。進(jìn)一步，控制器STM32將血氧值通過SPI協(xié)議接口顯示在OLED顯示器，并存儲數(shù)據(jù)于STM32自帶的寄存器中。信號處理及顯示模塊程序流程圖如圖4所示。待用戶通過智能終端連接藍(lán)牙時(shí)，發(fā)送讀取歷史保存數(shù)據(jù)指令后，藍(lán)牙模塊讀取STM32寄存器中數(shù)據(jù)，并向智能終端發(fā)送。

圖4 信號處理及顯示模塊程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測試

硬軟件調(diào)試完畢之后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)樣機(jī)檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使用醫(yī)院專業(yè)血氧儀測試的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行對比，樣機(jī)測試地點(diǎn)選在延安大學(xué)附屬醫(yī)院進(jìn)行。測試選取男女不同8人作為測試對象，同一時(shí)間分別使用左右手腕進(jìn)行測量。每個(gè)測試者先左手使用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，右手使用醫(yī)院內(nèi)血氧儀，然后左右相互交換取2次測試結(jié)果的均值作為一名測試者的數(shù)據(jù)。測試的血氧飽和度數(shù)據(jù)對比表如表1所示。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)具有良好的精度以及穩(wěn)定性，且與醫(yī)院血氧儀的誤差率最高為2%，平均誤差率為1%。使用手機(jī)藍(lán)牙連接實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，手機(jī)端可以方便地讀取已測歷史數(shù)據(jù)并顯示相應(yīng)的測試時(shí)間。

表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)檢測數(shù)據(jù)與血氧監(jiān)護(hù)儀結(jié)果對比

5 結(jié)語

本文采用硬件電路搭配軟件編程控制與數(shù)據(jù)信號處理，實(shí)現(xiàn)人體血氧濃度檢測、顯示、藍(lán)牙無線傳輸數(shù)據(jù)至智能終端。系統(tǒng)使用超低功耗單片機(jī)STM32為控制器以及數(shù)字信號處理器，整機(jī)可用3.3V電壓供電，實(shí)現(xiàn)超低功耗的同時(shí)且具有很好的便攜性。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可以把系統(tǒng)整體尺寸控制在4 cm×4 cm×1.5 cm，同時(shí)有待進(jìn)一步開發(fā)專用PCB板，把系統(tǒng)整體尺寸控制在2 cm×1 cm×1 cm上。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，樣機(jī)具有良好的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)人體血氧濃度實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測。