可测心率的智能T恤设计探讨

2019-07-15蔡众旺班兴达何乃磊刁鹏飞

绿色科技 2019年12期

蔡众旺，班兴达，何乃磊，陈路，刁鹏飞

(东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨 150040)

1 引言

目前，心血管疾病成为全球威胁人类健康的主要病因。根据世界卫生组织统计，心血管病死亡率居首位，明显高于肿瘤及其他疾病。心血管疾病在2012年使全球近1750万人丧命，占全球死亡总数的31%，也就是每10名死者中就有3名是死于心血管疾病。

据统计，截至2015年，心血管病死亡率居我国因病致死率的首位[1]。从图1中可以看出，从2009年起，农村因心血管病的死亡率高于城市水平。这与农村医疗条件差，患者得不到有效预防与救治有着直接的关系。因此，亟待设计出能随时随地监测人类心脏健康状况的设备。

图1 1990～2015年中国城乡居民心血管病死亡率变化

目前，医院最普遍的检查方法是采用心电图机(ECG)[2]检查患者的心脏功能，但监测较为麻烦且不能做到实时监测。国内市场的一些持续监测心率的设备(如运动手环)等产品也存在一些问题：手环仅仅根据脉搏检测心率往往导致监测不够准确。

综上所述，针对国内心脏监测产品开发的空缺，需要开发出一套更完善的装置，提升心率信息采集和远程测定心率的效率，同时更具准确性及便捷性。本文拟采用基于Arduino Uno微控制器和心率传感器 Pulse sensor设计了一种能够远程实时测定心率的心率数据信息采集装置[3]。传感器收集到的信息并通过蓝牙通信回传，实现心率数据信息的采集。最终研制出一种能够远程实时测定使用者心率的低功耗的智能T恤。

2 心率传感器

2.1 心率

心率是指正常人安静状态下每分钟心跳的次数，也称安静心率，一般为60～100次/min，影响因素有年龄、性别或其他生理因素等。心率变化与心脏疾病密切相关。如果心率超过160次/min，或低于40次/min，大多见于心脏病患者，如常伴有心悸、胸闷等不适感，应及早进行详细检查，以便针对病因进行治疗。

2.2 心率监测系统概述

随着近年来企业加大对智能穿戴市场的投入，涌现出如百度Boom Band智能手环，果壳电子的 REAK watch等一系列产品[4]。这些产品基于心率以及一些位移传感器已经能做到步数记录，简单的心率测定。但对测定的精确性，手环囿于测定手部的脉搏并不能得到保证。

心率信号采集应用两种方法:一种是有创法, 将传感器插入血管中, 另一种是无创法。常用的无创方法有3种:一是压力传感器采集, 需要将传感器与使用者身体紧紧固定住, 影响舒适度;二是ECG采集, 通过12联导可以准确地采集到心率, 信号波形丰富, 但成本过高, 不适于可穿戴设备;三是光电采集法, 又叫做PPG法[5], 是将特定波长的光从人体血管丰富的地方 (如腕部或指部) 一端照射, 在另一端用光敏元件接收, 心脏收缩的时候会在血管里产生波动, 流过血管内的容积大小产生变化, 对于光的吸收度也跟随变化, 光敏元件中的电流会随之变化电流通过电路转化为电压。[6]T恤采用光电采集法来采集心率信号, 由于采集后的电压值较小, 需要经过放大器和低通滤波器后再进行A/D采集[7]。

由于传统测心率方法的不精确性，我们使用了基于Arduino Uno微控制器的心率数据信息采集装置，其组成包括：信息采集装置，其特征是：所述的信息采集装置包括电源供电模块、Arduino Uno 微控制器系统模块、心率传感器 Pulse sensor、蓝牙通信模块XM-15B[8]。总体设计如图2所示。

图2 总体设计

2.3 系统模块功能设计

电源模块是为信息采集装置提供稳定的工作电压，使得其它电路模块能够正常工作，本产品中电源模块的VCC分别与信息采集装置的Arduino Uno微控制器系统模块的VCC、蓝牙通信模块XM-15B的VCC和心率传感器Pulse sensor的VCC连接;所述的电源模块的GND分别与信息采集装置的Arduino Uno微控制器系统模块的GND、蓝牙通信模块XM-15B的GND和心率传感器Pulse sensor的GND连接，并且带有太阳能充电功能使人们每天不用自主充电体现出了便利性，也不会出现忘记充电从而监测不准的事情[9]。

心率检测模块对心率进行检测并进行数据采集，将实时监测的信息整合。而后使用Arduino Uno 微控制器系统模块用来实现数据的获取、处理与传送，其中Arduino Uno 微控制器通过TXD与XM-15B的RXD相连接；Arduino Uno 微控制器通过RXD与XM-15B的TXD相连接；心率检测模块 Pulse sensor通过OUT端口与Arduino Uno微控制器系统模块的P2端口相连接[10]。

蓝牙通信模块用来实现对所收集的心率数据与智能收集的传送。将之前整合的信息发送至智能手机上从而实现实时监控。

传输系统基于Arduino Uno微控制器的心率数据信息采集装置，其蓝牙通信模块XM-15B由蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group)管理，使用无线电(广播)通讯系统，能够大大提高通讯信息的传递效率。其技术路线见图3。