具有心率血氧检测功能的智能服装设计

王世豪，臧衍乐，祝双武

(西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安 710048)

我国每年因心脑血管疾病死亡的人数占总死亡人数的40%，因此市场迫切需要可以帮助人们及时了解健康信息的产品。在人体的多项健康指标中，心率和血氧是非常重要的2项指标，心率反应了心脏的健康状况，血氧异常则会影响人体的大部分机能[1]。传统心率血氧检测医疗器械具有检测成本高、使用地点有限等缺点。无创式医疗设备可以实时进行心率血氧检测，了解自身的健康状况。

目前市场上已经出现了对心率血氧等参数进行测量的产品，如智能手环、智能手表等，但是因为穿戴习惯的不同，与手环等产品相比，穿戴式服装设备有着更多的接受人群。国内很多学者也对此做了研究改进，崔腾等[2]通过单片机对采集的心率血氧数据进行处理，并通过LCD屏和手机进行显示。吴绍聪等[3]使用单片机对心率血氧数据进行处理并保存到数据库中，以便于医护人员查看并根据数据制定后续治疗方案。李伟权等[4]认为心率血氧的测量可以在人体其他部位进行，设计了一种在耳部测量心率血氧的设备。这些研究都具有一定的实用价值，但是却不适合日常生活使用。

基于日常生活和健康需要，本文将心率血氧检测和报警定位、智能可穿戴服装相结合，设计一款用于心率血氧检测的智能服装，在穿着舒适的前提下实时测量穿戴者的心率血氧情况，并在此基础上设计安卓系统APP进行数据显示和健康诊断，让穿戴者直观地了解自身的健康状况，改善了传统心率血氧检测设备不易携带、功能不完善的问题。

1 心率血氧检测原理

1.1 心率血氧检测方法概述

现有的心率血氧测量方法主要分成4类[5]： ①心电图(Electrocardio-graphy，ECG)； ②光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy，PPG)； ③生物阻抗； ④摄像头、WiFi等技术。心电图ECG在测量时要在身体多个部位连接传感器电极，同摄像头、WiFi等技术一样，存在无法服用化的问题。生物阻抗技术则容易受到人体其他器官、组织的干扰，准确性较差。而光电容积脉搏波描记法使用的传感器体积小、测量准确度高，所以本文心率血氧测量采用PPG。

1.2 PPG测量原理

即人体的静脉、骨骼、肌肉及其他组织对光的吸收是基本不变的，而动脉中存在血液的流动，对于光的吸收是有变化的。当用一束光照射人体皮肤，将反射回来的光信号转换成电信号时，由于其他组织对光的吸收基本不变而动脉对光的吸收有变化，所以得到的信号就可以分为直流信号和交流信号，直流信号反映了人体组织的信息，交流信号给出了血流脉动的情况。去除直流分量，对交流信号进行处理，就可以获得心率血氧的数值。心率值可以通过对波峰的处理[6]得出，如式(1)所示。

(1)

式中：心率值是计算出来的心脏每分钟博动的次数，次/min；N是波峰的总个数；crest[i]是1次采样数据中的第i个波峰的值。

本文采用MAX30102模块，它是一个集成的脉搏血氧仪和心率检测器模块，该模块使用一路红光和一路红外光测量心率血氧数据，只要分别算出红光的交流分量、红光的直流分量及红外光的交流分量、红外光的直流分量就可以计算得到参数R，然后根据R的值就可以推出血氧饱和度值，R的公式如式(2)所示。

(2)

式中：ACred和DCred是红光的交流分量和直流分量；ACired和DCired是红外光的交流分量和直流分量。得到R后可以通过式(3)计算出血氧饱和度值。

SPO2=-45.060R2+30.354R+94.845 (3)

式中：SPO2为计算出的血氧饱和度值，%。

2 系统硬件设计

心率血氧检测系统主要分成2个部分，即数据采集与处理部分和安卓系统APP。数据采集与处理部分是通过STM32F103C8T6型单片机对MAX30102模块测得的心率血氧数据进行处理，通过串口将数据发送给HC05蓝牙模块，蓝牙模块再通过蓝牙4.0协议将数据发送给安卓手机APP上。手机APP显示测得的心率血氧数据，并通过测得的数据结合穿戴者的年龄、病历等情况进行健康诊断，在数据异常时确定穿戴者的位置并短信提醒其监护人，监护人可以在手机APP上察看穿戴者的具体位置。在设计时将程序下载到单片机中，再将单片机焊接到检测系统上，去除程序下载电路，减少系统体积。心率血氧检测系统结构图见图1，心率血氧检测系统电路图见图2。

图1 心率血氧检测系统结构图

图2 心率血氧检测系统电路图

3 心率血氧数据采集与处理

单片机首先进行初始化，并对MAX30102心率血氧传感器的模式进行配置，然后MAX30102开始采样工作，采样完成后会产生中断，中断信号会将单片机唤醒去读取采样数据。MAX30102有红光LED和红外光LED 2个通道，每个通道每次采样的数据是3个字节，所以1次采样的数据有6个字节，MAX30102数据读取流程图见图3。

图3 MAX30102数据读取流程图

按照上述方式读取到的数据中包含由于身体抖动、外界光照等因素引起的干扰信号[7]，所以对每秒采样得到的100个数据建立了1个长度为500的FIFO队列，以便于滤波处理。此队列对应了原始采样波型，PPG理论波形如图4所示。

图4 PPG理论波形图

PPG的理论波形可分成2部分：直流信号和交流信号，其中波峰对应心脏的收缩，波谷对应心脏舒张。在实际测量中，由于人体的运动和外界因素的干扰，实测波形与理论波形有一定的差异，由于交流信号对于心率和血氧的计算起决定性作用，所以对交流信号进行时域滤波处理，即可计算出心率、血氧值。数据处理波形图如图5所示。

图5 数据处理波形图

首先从图5(a)中去除直流信号，即取所有点的均值，用原始信号减去均值即可得到交流信号。对剩下的交流信号再进行四点平均滤波处理，以消除细小的突变干扰信号，再对平均滤波后的数据按照时间顺序前后时间点取差值，得到图5(b)波形。处理公式如下：

prement[i]=fildata[i+1]-fildata[i]

0≤i≤N-1

(4)

式中：prement[i]是处理后的第i个数据的值；fildata[i]是滤波后第i个数据的值；N是FIFO队列的总长度。

在图5(b)中，波形的波谷点就是原波形的波峰点，所以对波形进行翻转得到图5(c)，相比于原始波形，图5(c)的特征更明显，更利于计算。

在图5(c)波形的上升沿查找峰位置，再根据窗口函数去除2个峰点之间的伪峰，得到图5(d)。最后根据峰的位置和峰点的数据以及式(1)(2)(3)即可得出心率血氧数据。

4 手机APP设计

WxBit是一个安卓系统APP开发工具，它是基于MIT App Inventor 2(简称AI2)源代码优化定制的汉化版软件，其修正了AI2的 一部分缺陷[8],经过汉化后更适合人们学习和使用。WxBit包含组件设计和逻辑设计2个界面。在组件设计界面中，用户可以使用拖拽、放置的方法来设置组件，而逻辑设计界面是编程区，但不需要使用代码进行编程，而是通过拖拽和拼接各种功能语句来完成程序的设计[9]。

手机APP的结构框图见图6。APP的软件设计总共分为2个部分，数据接收与显示部分以及病理推断与危险报警部分。APP中包含登录和注册界面，用户在注册时，应根据自己的身体状况如：性别、年龄、病历等填写相关信息。当APP通过蓝牙接收到心率血氧数据时，会将数据在显示界面显示出来，方便用户查看，并且可以根据用户选择的时间绘制心率血氧曲线图。

图6 手机APP的结构框图

APP可以结合用户填写的因素和测量到的心率血氧数据进行身体健康诊断，并将诊断结果通过对话框弹出。当心率过快或者过慢时，弹出对话框提醒用户注意休息、饮食等。当数据超出健康阈值，弹出危险报警对话框，提醒用户现在身体情况很危险，并预备对其监护人进行短信提醒，若用户点击确定或者10 s内没有点击取消，APP就会自动向其监护人发送短信，以确保用户的安全。当监护人收到报警短信时，可以点击图7(b)中的地图定位按钮进入地图定位界面，在该界面输入短信上的位置信息，就可以查看穿戴者的具体位置，手机APP的功能界面如图7所示。

图7 手机APP功能界面

5 心率血氧检测智能服装设计

5.1 结构设计

通过调研分析发现，相比于紧身的衣物，人们会更偏好穿戴相对宽松的服装，所以选择H型和O型廓形的T恤或内衣进行智能服装的设计，以便于穿戴者的日常生活使用[10]。

5.2 传感器和服装的结合

如图8所示，心率血氧检测智能服装主要由硬件电路和软件APP组成，心率血氧检测模块MAX30102体积较小，所以将其以徽章的形式放置于体外，当用户需要测量时，只需要打开手机APP，点击健康测量，就可以将手指放置到徽章上面进行测量。而心率血氧检测系统的硬件电路板经过密封和防水的处理后，以磁吸和卡扣的方式与衣服结合，使用镀银锦纶作为各个模块和主电路板数据传输的导线[11]，具体数据传输导线结构如图9所示。主电路板通过蓝牙模块将测得的心率血氧数据发送到智能手机APP。

图8 心率血氧检测智能服装设计

图9 柔性导线结构图

6 数据与分析

为了验证智能服装测得的心率血氧数据的准确性，进行了10人规模的测试，针对饭前、饭后、空腹、运动结束等4种情况，分别使用智能服装和YX306指夹式血氧仪(江苏鱼跃科技发展有限公司)测量心率、血氧数据，共测得数据400组。在测量时发现智能服装的使用范围更广，不容易受到环境的限制，加上健康诊断和危险报警功能的存在，智能服装能够更好地保障人体的健康安全，但是智能服装的测量精度却略低于血氧仪，因此以血氧仪测得的数据为基准，求得二者测量的数据之差，对其进行分析比较，智能服装和血氧仪测得的心率血氧数据差异图见图10。

图10 智能服装和血氧仪测得的心率血氧数据差异图

智能服装与血氧仪测得的数据分析结果见表1。对血氧仪和智能服装测得的心率血氧数据进行分析可知，运动结束后测得的心率数据准确性较低，究其原因是运动结束后心率波动较剧烈。而其他情况下测得的心率血氧数据都比较准确。

表1 数据分析表

7 结束语

针对心率血氧数据对人体健康状况的重要性和传统心率血氧检测设备的不足，从日常使用和健康安全2个方面进行了研究，设计了一款具有心率血氧检测功能的智能服装。通过单片机(STM32F103C8T6)对心率血氧检测传感器(MAX30102)测得的心率血氧信号进行时域滤波处理，并将得到的心率血氧数据通过蓝牙发送到智能手机APP上。根据接收到的数据并结合穿戴者的性别、年龄、病历等推断其身体健康情况，在测得数据异常时通过短信向穿戴者的监护人发送其位置信息，使穿戴者在危险时得到第一时间的救助。测试结果表明，该智能服装对于心率血氧数据检测的准确度达到了95.9%以上，对于健康状况的推断有着极高的准确性，能够保障穿戴者的健康安全。