可穿戴式血压监测设备的设计与实现

路开放

摘要：高血压患者需要经常测量血压，而使用水银血压计需要专业人员，电子血压计功能单一且不方便携带，针对上述问题，本文提出了一种可穿戴式测量血压的手环，该设备基于PPG信号测量血压的方法并结合了红外测温技术，实现了测量血压和温度的功能，结合蓝牙通信功能，实现与手机端通信，为手机端处理数据提供了基础。

关键词：可穿戴;血压测量;低功耗;红外测温

中图分类号：TP31      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）07-0225-03

Abstract： Hypertensive patients need to measure blood pressure frequently， and the use of mercury sphygmomanometers requires professionals. The electronic sphygmomanometer has a single function and is inconvenient to carry. In response to the above problems， this article proposes a wearable blood pressure measurement bracelet based on PPG signal  The method of measuring blood pressure combines infrared temperature measurement technology to realize the function of measuring blood pressure and temperature， combined with the Bluetooth communication function， realizes communication with the mobile phone， and provides a basis for the mobile phone to process data.

Key words： Wearable; blood pressure measurement; low power consumption; infrared temperature measurement

当前人们生活水平不断提高，但是由于工作压力增大、饮食不健康等原因导致越来越多的人患上心血管尤其是高血压疾病，根据2018年国家心血管中心组织发布的中国心血管病报告，我国心血管疾病患病率呈上升趋势[1]。目前的临床诊断表明，人们在血压数据变化的前期很难察觉，有些人血压偏离正常范围而不自知，此时已经发生了靶器官的不可逆損害，而一旦出现高血压的相关症状比如头痛、发晕、心律失常等，常常需要药物辅助治疗，高血压患者也需要经常测量自己的血压数据来了解自身健康状况，因此在生活中人们日常监测血压和注重血压的变化有十分重大的意义。

在现实生活中当人们需要测量血压时常常需要到附近的医院或药店进行测量，这种方式往往需要花费较多的时间，而且在陌生的环境中心情的不同会对血压造成不可预知的影响。在市面上售卖的腕带式测量血压设备体积较大且功能单一不便于携带，因此本文基于以上需求，结合蓝牙通信技术，设计实现了一种可穿戴式血压监测的智能手环，在测量血压的基础上，添加了测量体温和蓝牙通信的功能，使数据直观地显示在手环屏幕和智能手机端。

1相关理论介绍

本文设计的硬件系统可以方便快捷的采集人体数据信息并直观的显示，采集的信息包括血压数据和体温数据。对于可穿戴设备而言，除了对数据的精准度有严格的要求，对于硬件的尺寸和功耗也提出了更高的要求。目前测量血压通常采用非接触式的方法，其中包括柯氏音听诊法、示波法和PPG（光电容积描记法）信号测量法等，柯氏音听诊法需要水银血压计测量，体积较大无法应用在该设备，示波法也需要专门的设备，所以在综合考量多方面因素后选择了PPG信号方法测量血压。温度采用了非接触式红外测温法，可以快速读取数据且精度较高。

1.1PPG信号测量血压

皮肤下面有数量非常多且复杂的血管分布，人体心脏进行不间断的收缩和舒张会导致动脉血管有波浪式的弹性形变，当心脏收缩时，心室会被压缩从而向主动脉压入血液，导致动脉的血压升高，引发动脉血管壁的弹性形变，当心脏舒张时，心室会停止向主动脉压入血液，动脉内压力减小，心脏会不断重复该过程导致动脉血管产生形变，从近心脏的主动脉开始传递直到毛细血管的末端，这个过程叫作脉搏波信号传播。

光电容积描记法是一种利用光电传感器采集脉搏波信息的无创伤测量血压方法，脉搏波传感器通常由光电接收器和光源组成，当光源发射的光照射皮肤时，其中一部分光会透过皮肤照射进血液中，在此过程中，光会在动脉血管中发生反射和折射，同时血液也会吸收一部分光，光电接收器会把反射的光转变为电信号，电信号再通过降噪滤波处理后提取出脉搏波相关信息[2]。目前基于PPG信号的血压算法有ECG与PPG结合法[3]、多路PPG结合法[4]和脉搏波特征参数法[5]，其中更适应于该系统的为脉搏波特征参数法，该方法通过收集脉搏波数据的特征参数构建与血压相关的函数关系。

1.2红外测温原理

人体表面皮肤具有恒定的温度，当物体的温度高于绝对温度会发射出电磁波，物体的温度越高，发射的能量也就越大。红外温度测温传感器能够将热量发散的红外波转换成电信号，从而实现体温的测量[6]。本文采用的MLX90614内部有多个热电偶红外传感器，串联组成了热电堆[7]，他们的一端与测量的物体相面对，另一端进行屏蔽设置。当面向测量物体的一端接收到红外波时，基于塞贝克效应会产生电流，进而产生电动势，通过对电信号滤波放大，计算出被测物体的温度。

2系统设计

可穿戴智能手环的目的是利用采集的各种人体体征数据信息帮助人们对身体状况有更详细的了解，而采集的各种人体体征数据的显示又需要以精准安全可靠的硬件电路为基础。当传感器的设计和电路的设计不合理时就可能导致该智能手环设备无法正常使用，进而影响整个系统的性能，所以硬件设计是该系统重要的组成部分。图1为该系统的整体框架。

2.1主处理器及蓝牙

处理器模块的作用是通过不同的通信协议方式与不同的传感器进行通信，传输的数据包括血压模块传输的血压数据，体温模块传输的体温数据，同时对这些数据进行处理，最终通过显示屏显示数据信息以及通过蓝牙通信传输信息。该模块原理图如图2所示。

本系统的处理器采用Nordic研发的nRF51822芯片，该芯片基于Cortex-M0架构，拥有32Kb的内存和256Kb的flash，同时内部嵌入2.4GHz的蓝牙通信，支持蓝牙低功耗传输。该芯片拥有31个GPIO引脚可以灵活配置各个协议，包括I2C、SPI、串口通信等，方便PCB板的布局，并且功耗较低，非常适合可穿戴设备。该芯片采用QFN-48封装，ANT1和ANT2采用了ST公司的BAL-01D3用于阻抗匹配滤波，工作的频率范围在2400MHz～2540MHz之间。由于内部晶振精准度较低，所以采用了外接晶振的方法。在晶振两边需要外接12pF的电容使晶振在有载谐振频率状态下更容易起振，工作更稳定。

2.2血压模块

本系统的血压模块由云电高科的YK1801脉搏波传感器芯片、MN8802模拟前端脉搏芯片和SFB9712算法芯片组合而成。YK1801把采集的人体血液中反馈的光信号转变为电信号，然后这些数字波形传输给MN8802芯片进行进一步的过滤噪声和信号放大，最后将完整的数据传输给SFB9712芯片得出测量者的血压数据。该模块与处理器P0.23和P0.25引脚相连，通过串口协议进行通信。该模块的原理图如图3所示。

2.3温度模块

温度传感器采用TO-39封装的MLX90614芯片，该芯片测量温度范围在-70℃～380℃之间，通过SMBus协议进行数据传输，与处理器的P0.06和P0.07引脚相连。图4为该模块原理图。

2.4显示模块

该系统显示模块为0.91寸OLED屏幕，采集的数据可以数字化显示在屏幕上，该模块通过I2C协议与处理器相连。其中处理器P0.30引脚为数据线，P0.00引脚为时钟线，如图5所示为该模块原理图。

2.5 系统测试

系统搭建完成后，对佩戴者进行血压、体温的测量。将血压模块佩戴在手腕上与皮肤接触，按下按键触发测量血压命令，处理器接收到血压数据后发送到屏幕上显示。如图6所示为血压测量显示。

根据私有命令协议，发送数据“1”为测量体温，将温度传感器放置距手腕皮肤上方1cm左右的距离，在手机端发送测量体温命令，测试结果如图7所示。

结果表明，该系统可以正常测量血压、体温数据。

3结束语

本文针对用户无法便捷测量血压等相关健康数据的问题，通过对智能手环硬件及理论的研究，设计并实现了可穿戴式测量血压设备，利用血压传感器、温度传感器为用户提供直观且数字化的人体健康信息。实验结果表明，该系统可以完成测量血压、体温的功能。为进一步提高该设备的实用化，还需要做以下两方面工作：1、对PCB板进行合理的设计，使其能够合理地布局在手环内部;2、对系统电源模块进行研究，使其能在聚合物锂电池供电的情况下工作。

参考文献：

[1] 胡盛寿， 高润霖， 刘力生， 等.《中国心血管病报告2018》概要[J]. 中国循环杂志， 2019，34（3）： 209-220.

[2] 刘乔寿， 王森. 基于单路PPG信号的连续血压检测算法设计[J]. 电子设计工程， 2019， 27（1）： 63-69.

[3] 刘浩楠. 基于ECG，PPG信號的便携式心血管信息检测电路的设计与实现[D]. 西安：西安电子科技大学， 2019.

[4] 李艳行. 四路反射式光电容积脉搏波信号检测系统实现[D]. 北京：北京理工大学， 2016.

[5] 谢寒霜， 王瑞平， 王艳洁， 等. 基于脉搏波特征参数的无创连续血压监测[J]. 中国医疗设备， 2017，32（10）：39-43.

[6] 张妍， 苏煜飞. 温度传感器的研究和应用[J]. 现代制造技术与装备，2016（5）：143-146.

[7] 葛泽勋. 医用红外测温仪及其关键技术研究[D]. 长春：长春理工大学，2019.

【通联编辑：梁书】