深究和康iwatch技术原理

尤子铭 吴怡伸

摘 要 本实用新型的目的在于提供一种能够实现血压、血氧、心率三合一测量并利用APP实时传输数据到子女手机中的智能腕表，可以让子女快捷了解到老年人身体状况，并可以根据需要增加私人定制和天气提醒系统，使设备更加人性化。

关键词 物理学专业;项目创新;技术原理

引言

我国正加速步入老龄化社会。据统计，我国目前60岁及以上老年人口有2.42亿人，占总人口17.9%，在我国老龄化的趋势下，随着人口出生率的下降，人口老龄化程度日益加剧，老年人对健康的需求将不断增加。因此，给老年人健康监测提供有关科技支持已迫在眉睫。2019年我国智慧健康养老产业规模近3.2万亿元，近三年复合增长率超过18%。随着工业4.0时代的到来，全球工业制造行业迎来了智能制造时代，而智能可穿戴设备研发将成为智能制造中一股热潮，其中又以智能腕表的流行为盛。我国虽然智能腕表尚未普及，未来将是我国大力培养的新兴产业，具有很大的发展潜力和实用价值。因此，我们将研发一款老年人智能腕表上的健康测量设备。

1相关研究

（1）心率测量：心脏搏动引起的毛细血管和动脉静脉容积呈规律性改变，对可见光的反射呈波动性，而这波动的频率可记录为心率信号。光电体积法是由特定绿色波长的发光LED和一个波长与之对应的 光敏传感器组成，光敏传感器接受手臂皮肤的反射光并感测到光场强度的变化，换算为心率[1]。

（2）血氧测量：通过依次驱动一个红光LED（660nm）和一个红外光LED（910nm），蓝色线条表示血红蛋白不带氧分子的时候接收管对还原血红蛋白感应曲线，从曲线图中可以看下还原血红蛋白对660nm红光的吸收比较强，而对910nm红外光的吸收长度比较弱。红色线条表示血红蛋白并带有氧分子的血红细胞时接收管对氧合血红蛋白感应曲线。在血氧测量时，还原血红蛋白和有氧合血红蛋白，通过检测两种对不同波长的光吸收的区别，所测出来的数据差就是测量血氧饱和度最基本的数据。

（3）血压测量：测量血压时先用气球向缠缚于上臂的袖带内充气加压，压力经软组织作用于肱动脉。当所加压力高于心收缩压力时，由气球慢慢向外放气，袖带内的压力即随之下降，当袖带内的压力等于或稍低于心缩压时，随着心缩射血，血液即可冲开被阻断的血管形成涡流，用听诊器便开始听到搏动的声音，此时检压计所指示的压力值即相当于收缩压。继续缓慢放气，使袖带内压力逐渐降低，当袖带内压力低于心收缩压，但高于心舒张压这一段时间内，心脏每收缩一次，均可听到一次声音。当袖带压力降低到等于或稍低于舒张压时，血流复又畅通，伴随心跳所发出的声音便突然变弱或消失，此时检压计所指示的压力值即相当于舒张压。

2深究技术

2.1 研究过程

在研究过程中，我们查找了许多在医学上广泛使用的心率、血氧、血压的仪器的资料及他们使用的效果及优缺点，对他们的外部结构和内部结构进行分析，并结合智能手表的功能特性进行合理利用与改动。同时，为了更好的实现我们预期的效果，我们对医学仪器和智能手表的使用说明书进行了深入的研究，然后画出了简单的设计图。后期为了更方便人们使用，我们又为它设计了许多具有特定功能的配件。

2.2 主要涉及的科学原理

光电体积法、型光学测量法、示波法。

2.3 主要创新

（1）将血压、血氧、心率结合，可以随时随地监护使用者的身体状况，排除了一些仅在诊室才存在的白大褂效应。

（2）操作简单，不需家人为其担心。

（3）结合大气系统，及时提醒使用者该做的事。

（4）手表材料采用最新型合成橡胶，佩戴舒适，且小巧，不影响正常生活。

（5）内设电池相比其他产品更为环保，容易被降解。

（6）可以与手机蓝牙连接，如果丢失也可找回。

2.4 未来改进

目前設计出的作品还很粗糙，有些地方的技术处理还不是很科学，需要进一步完善。由于知识和专业的局限性，有很多东西不是很了解，希望能得到有关专家的帮助与指导。如果有条件的话，希望我们的iWatch可以加入电脑芯片，通过人工智能的方式来更好地服务于使用者，更好地让使用者享受生活。通过电脑芯片，我们的产品可以更多地完成一些看似不可能的事情，使它可以紧跟世界科技的潮流，成为一项高新技术的发明。

上图是我们iWatch主体的剖面（由于空间有限并不是很全面），这个部分是手表的核心部分，这个核心部分可以被分成两大层，这两层都有其特定的作用，且且这两层之间有橡胶隔绝漏电及固定内部结构稳定的模块[2]。

这幅图为手表主体部分的第一层，具有常见智能手表的基本功能，但不同的是，我们有警报系统，根据下面结构测量的数据反馈，主控板控制手表发出声音，并且亮起sos的灯光，这样可以提醒使用者该服用药物了，并且声音及灯光可以吸引旁边的人注意力，让使用者得到他人的帮助。在发出警报的同时，手表同样会发出信息，让使用者的家人也知道这个情况，并通过手表的定位及时把使用者送入医院。

这幅图则是手表主体部分的第二层，这一层的主要作用是测量使用者的血氧及心率，并把数据反馈到上层的主控板上。

根据氧合血红蛋白和非氧合血红蛋白对不同波长入射光有着不同的吸收率。当单色光垂直照射人体时，动脉血液对光的吸收量将随透光区域动脉血管搏动而变化，而皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等其他组织对光的吸收是恒定不变的。由于生物组织是一个各向异性、强散射、弱吸收的复杂光学介质，因此在实际测量中无法用一个严格的公式来描述，所以我们是利用上述规律通过测量双光束（红光和红外光来实现）吸光度变化之比，然后通过经验定标曲线最终获取氧饱和度。

对于心率的测量我们的产品与皮肤接触的传感器会发出一束光打在皮肤上，测量反射和透射的光。因为血液对特定波长的光有吸收作用，每次心脏泵血时，该波长都会被大量吸收，以此就可以确定心跳。

而对于传输数据这一步骤是根据图中的电子电路来实现的，电路中的电流变化间接反映出前面所测量的数据，然后上层的主控板进行下一步的活动。

这幅图主要是画出手表的表带部分，该部分的作用主要是测量使用者的血压，并把测量的数据反馈到上层的主控板上。

表带部分是利用现代电子技术与血压间接测量相结合而研制出的一种方便可行的设备其原理是用示波法间接测量血压，在放气的过程中，手腕处动脉血流从完全阻断到逐渐恢复正常，脉冲信号从无到有，并且呈先增后减的趋势。这种脉冲信号的振幅很微弱，但可被血压计的压力传感器感知、放大，并依据袖带压力变化及脉搏振幅的变化，得出一条包络线。表带上的气泵和放气阀配合工作在充气或放气的过程中，电容式压力传感器可以感知脉搏波信息，然后在振荡器中留存，并开始对血压波形的摆动进行分析和一系列复杂的转换和计算得到收缩压和舒张压的数据，并把数据传送到上层的主控板上[3]。

3结束语

我们说明了和康iWatch是如何在老年人的日常生活中起到作用的，尽管有部分的缺漏，不能完全像医学临床的精密仪器那样精准，但是我们的产品测量的数据的同时会给定一个较小的测量者的数据区间，从而判断是否需要就医或者服用药物。虽然在精确度比不上高精度仪器，但是我们的iWatch比那些仪器的价钱要少得多。

参考文献

[1] 刘永宣，刘丙杰. 指夹式血氧饱和度探头的维修保养[J]. 中国医疗设备，2002，17（11）：67-67，69.

[2] 陈红友，郭禧斌. 护腕式心电监控器的设计[J]. 科技创新与应用，2017，（5）：85.

[3] 刘莎，李玉霞.智能通信腕式血压计监测系统设计[J].中国科技信息，2016，（Z1）：62-64.

作者简介

尤子铭（2000-），男，江苏南京人;现就读学校：南京信息工程大学，专业：数学与统计学院应用统计学。

2018年8月曾在《百科论坛》理论研究杂志上发表论文1篇;2020年4月，参加学院首届“互联网+”大学生创新创业竞赛《和康iwatch》项目荣获二等奖，现任班长、团支部书记、校组织部成员。