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基于蓝牙的心率监护仪无线数据传输设计
摘 要
随着科技的进步和人们对自身健康的日益重视，医学领域的技术进步在所难免。人们正转向可穿戴设备，以跟踪他们的健康和健身相关数据。这个项目着眼于开发一个心率监测仪来跟踪用户的心率。该报告介绍了一种与蓝牙模块接口的心率监护仪的开发，该监护仪可在智能手机或任何其他蓝牙兼容设备上无线查看相关数据。开发的心率监护仪使用光容积描记法（PPG）原理来计算每分钟的心跳。开发的PPG模块与Arduino Uno板连接，负责计算每分钟的节拍。然后，它将串行数据传输到蓝牙模块，该模块将数据传输到另一个与蓝牙兼容的设备。结果表明，通过蓝牙可以成功地传输心率，在紧急情况或监护情况下可以提供帮助。
目录
第1章
1.1 导言
本章定义了光体积描记术（PPG）、蓝牙、Arduino-Uno以及它们在本项目中的实现方式。光体积描记术（PPG）是一种低成本的光学技术，能够检测从皮肤表面流过毛细血管的血液的体积变化。光体积描记术是在19世纪末发展起来的，科学家们用灯泡实时观察血液流动。
在20世纪30年代末“光体积描记术”是由科学家发明的[1]。随着技术的进步，PPG的发展现在主要集中在使用可穿戴设备的消费者应用上。这些可穿戴设备通常连接到外围设备以解释获得的结果。如今，这些外围设备已被智能手机取代，以用户友好的方式向消费者传送数据。与智能手机的接口使用蓝牙技术。蓝牙是一种低功耗的无线通信技术，使用户能够在两个兼容设备之间通过空中连接、传输和接收数据。
1.2 光体积描记术
光体积描记术是体积描记术的一种衍生技术，其中一个简单的光学装置可以帮助检测外周血循环中的体积变化。John Allen将此技术描述为一种非侵入性方法，因为它在皮肤表面进行测量[1]。这项技术使用光电元件，例如红色或近红外光源，照亮皮肤，并使用光电探测器观察观察区域内的光强度变化。通常，一个红色或近红外光源是用来照亮皮肤。然后这些光穿过组织，被色素、骨骼和血液吸收。PPG传感器通过检测组织毛细血管和微血管床内的光强度变化，光学观察血流体积的变化[2]。图1显示了在PPG测量中LED和光电二极管的不同位置。
图1 PPG位置。用于基于透射和反射的光体积描记术的LED和光电二极管放置[2]
1.3 蓝牙低能量
蓝牙是一种无线标准，用于通过超宽带短距离传输数据在2.4千兆赫至2.485千兆赫带宽内的短波长的高频无线电波。蓝牙是爱立信在1994年发明的，被认为是RS232电缆的无线替代品[3]。IEEE将蓝牙标准化为802.15.1，这是一个基于蓝牙的任务组，定义了与其他兼容设备无线连接的物理和媒体访问控制（MAC）层规范。蓝牙由特殊利益集团（SIG）管理，该集团在网络、消费电子和计算领域拥有多个成员。Bluetooth Low Energy（BLE）也被称为Bluetooth Smart或Bluetooth规范的4.0 版本，是为物联网（IoT）构建的低功耗、应用友好型Bluetooth版本。蓝牙网络或微微网使用主/从模式来传输和接收数据。图2显示了一个基本的微微网配置，其中一个主设备连接到其他从设备。主设备一次最多可以连接七个从设备，从设备只能从主设备发送或接收数据。两个设备之间的蓝牙连接是一个涉及查询、寻呼和连接状态的多步骤过程。在查询状态下，两个蓝牙设备尝试发现对方，然后在寻呼阶段交换地址，最终进入连接阶段，在此阶段，设备可以处于活动状态，也可以进入低能耗睡眠模式。
图2 蓝牙主/从微微网
1.4 Arduino
Arduino是一个开源平台，它创建了基于微控制器的工具包，可用于构建能够感知和控制物理设备的项目。Arduino Uno是一种基于可移动双列直插式封装ATmega328微控制器的电路板。该板有20个数字输入和输出引脚，其中6个可用作模拟输入，6个可用作PWM输出。它还包括一个在线系统编程（ICSP）头、一个16mhz谐振器、一个电源插座和一个USB连接。表1列出了Arduino Uno板的技术规范清单。Arduino板在这里用作递增计数器，与PPG模块接口。该电路板被编程为每次有来自PPG传感器的低信号时计数。然后将该值除以记录数据的时间间隔，以获得患者或用户的心率。
表1 Arduino Uno技术规范
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微控制器 |
ATmega328 |
|
工作电压 |
5V |
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输入电压 |
7–12V |
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数字I/O引脚 |
14 |
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模拟输入引脚 |
6 |
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每个I/O引脚的直流电流 |
40毫安 |
|
3.3 V引脚的直流电流 |
50毫安 |
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闪存 |
32KB（引导加载程序为0.5 KB） |
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存储器 |
2 KB |
|
电可擦可编程只读存储器 |
1 KB |
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时钟速度 |
16兆赫 |
第2章
2.1 光体积描记术
光体积描记术是一种无创的光学测量技术，可用于测量组织微血管床的体积变化。这项技术在临床上有着广泛的应用，并被用于多种医疗器械和可穿戴设备中。PPG通常在红色或近红外波长下工作，产生与用户心跳同步的外围脉冲。
2.2 光体积描记术原理
假设人体对光是不透明的，但软组织在一定程度上传输可见光和红外辐射。在黑暗的房间里用手握着手电筒就是一个例子，另一端看到的光由于血液的选择性吸收而明显呈红色。如果光探测器观察到与光源相反一端的光，则会记录不同的脉冲。1937年，Hertzman创造了“体积描记器”一词，但由于“体积描记器”在词源上的意思是记录体积的变化，因此关于这个名称的准确性一直存在一些争论。1948年Hertzman和Randall，1967年Damp;apos;Agrosa和Hertzman，1979年Challoner，1980年Ochoa和Ohara研究了PPG测量的光学过程。安德森和帕里什研究了光在人体皮肤中的光学和穿透深度[2]。在他们的研究中，他们得出结论，在可见光区域，光谱中的蓝色区域是最高吸收峰，其次是绿色和黄色区域。较短的波长被黑色素吸收，紫外线和较长的红外波长被水吸收。只有红光和近红外光能够通过，因此我们在PPG传感器中使用相同的波长。血液比组织吸收更多的光，血容量的减少被检测为检测到的光强度的增加。
2.3 反射和反射信号
透射光穿过皮肤，被组织和血液反射、散射和吸收。通常使用波长约为800 nm至960 nm的光源直接照亮手部，并使用光电探测器测量在另一端接收的光。图3显示了所讨论的封装在探针中的设置，其中光电二极管和光源相对放置。这种方法被称为测量的传输模式，仅限于手指、耳垂和脚趾等身体部位。
图3 PPG处于传输模式[2]
当光线被传输到皮肤中时，一些光线被反射回表面，并从靠近光源的皮肤中出现。这种测量方法也称为反射模式，允许在任何皮肤区域进行测量。图4显示了一个PPG传感器，光源和光电探测器相邻放置在一个探头内。
图4 反射模式下的PPG[2]
2.4 光体积描记信号的起源
在上一节中，我们讨论了测量光体积描记信号的不同模式。在传输模式下，PPG信号的变化是由光源和光电探测器之间较高体积的血液引起的吸收变化引起的。Panayiotis公司。Kyriacou在他的论文中谈到了这种衰减现象，并指出假设这种变化与该区域的血液体积成正比[4]。然而，达格拉萨和赫茨曼在1967年得出结论，不是体积变化被测量为脉冲[4]。正是红细胞的取向导致血液的透光率交替变化，产生PPG信号。红细胞定向在产生PPG信号中的作用至今尚未得到很好的解释。根据血液的流体力学，假设在心动周期的舒张期，红细胞的直径与血流方向平行，与收缩时的血流方向垂直。这种交替导致可变的衰减，在舒张期由于较高的吸收面积而更大，在收缩期由于较低的吸收面积而更低。
为了证实Damp;apos;Agrosa和Hertzman的假设，1971年Challoner进行了一个简单的实验，通过蠕动泵以1hz的速率循环的玻璃毛细血管泵血[1]。然后他用透射式光容积描记探头记录正常清晰的光容积描记信号。由于玻璃毛细血管内的体积不可能有任何变化，Challoner得出结论，红细胞在心动周期中的方向是获得信号的原因。从那时起，人们假设红细胞的取向和体积变化是导致读数的原因，但其中哪一个更重要的因素尚不清楚，这种方法的机理仍不清楚。这种脉动实际上是由于红细胞方向和血容量变化引起的光衰减变化而引起的光电探测器电流的变化。光体积描记信号分为两部分：
1. 直流分量：这是一个恒定的电压偏移量，其大小是根据光通过的材料类型计算的，例如在这种情况下的组织和血液。直流分量可以用低通滤波器提取。
2. 交流分量：交流分量与心率同步。所获得的脉搏形状表明了心动周期的收缩和舒张期。交流分量具有低振幅，并使用带通滤波器和放大电路提取。
图5显示了光体积描记信号的直流分量和交流分量，如上所述，使用吸收与时间标度。
图5 光体积描记术波形。通过组织传输测量的光体积描记波形[4]
2.5 光容积描记术和脉搏血氧饱和度
脉搏血氧仪是利用红光和红外光通过组织的微血管床来测定动脉血氧饱和度的仪器。与心脏收缩有关的AC信号主要是由动脉血引起的。红光和红外光的振幅对血液中氧饱和度的变化很敏感，因为含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白对这两种波长的吸收不同。根据振幅与直流分量的比值，可以确定血氧饱和度。光通过组织时的吸收可以用比尔-朗伯定律来解释。尽管人体组织是一种光散射介质，但按照惯例，散射现象是通过相应地校准传感器来补偿的。
2.6 比尔-朗伯定律
比尔
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