可監(jiān)測(cè)人體脈搏波及心率的健康鼠標(biāo)設(shè)計(jì)

脈搏波的波形特征與心血管疾病密切相關(guān)，為此用戶需要一種簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)的便攜裝置。通過安裝在正常使用鼠標(biāo)時(shí)大拇指觸摸到的鼠標(biāo)位置的反射式脈搏波光電傳感器采集脈搏波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過濾波、放大和A/D轉(zhuǎn)換后，利用單片機(jī)對(duì)脈搏波信號(hào)處理并得出心率數(shù)據(jù)，最后通過USB接口連接電腦端軟件顯示。將鼠標(biāo)和反射式光電傳感器結(jié)合制成成品之后，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，傳感器能夠很好的測(cè)得手指脈搏波并輸出。這種可監(jiān)測(cè)人體脈搏波及心率的健康鼠標(biāo)可以在用戶使用鼠標(biāo)的不經(jīng)意狀態(tài)時(shí)檢測(cè)并記錄脈搏波及心率。

人體脈搏波中蘊(yùn)藏著豐富的生理病理信息，大量的臨床實(shí)測(cè)結(jié)果證實(shí)，脈搏波的特征與心血管疾病有著密切的關(guān)系。脈搏波所表現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)、強(qiáng)度、速率與節(jié)律等方面的綜合信息的確在相當(dāng)程度上反映出人體心血管系統(tǒng)的許多生理和病理特征。因此采用簡(jiǎn)單易懂的方法獲得人體脈搏波就顯得很重要。

文獻(xiàn)[2]描述的脈搏波計(jì)測(cè)裝置，具有脈搏波采集功能，但是測(cè)量之前需要用戶利用袖帶將壓力傳感器按壓在動(dòng)脈上，袖帶給用戶帶來(lái)較大不便;文獻(xiàn)[3]描述的脈搏波檢出裝置和脈搏波檢出方法，具有脈搏波采集功能，但是需要使用多個(gè)壓力傳感器，儀器較大，不便于用戶測(cè)量;文獻(xiàn)[4]描述的脈搏波測(cè)定裝置，具有脈搏波采集功能，但是傳感器被按壓到患者的手腕上，同時(shí)需要袖帶固定，不便于用戶測(cè)量;文獻(xiàn)[5]描述的一種光電檢測(cè)頻譜分析高分辨率指端脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)，具有無(wú)創(chuàng)脈搏波檢測(cè)功能，但是僅為單一檢測(cè)裝置，不能與生活物品結(jié)合方便用戶測(cè)量等不足;文獻(xiàn)[6]描述的監(jiān)測(cè)使用者生理訊息的鼠標(biāo)，具有正常鼠標(biāo)功能及脈搏波采集功能，但是需要用戶將手指移動(dòng)到特定位置測(cè)量，測(cè)量的同時(shí)無(wú)法正常使用鼠標(biāo)等不足。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文提出了一種可監(jiān)測(cè)人體脈搏波及心率的健康鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)方法，其系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)共分為九個(gè)部分：反射式脈搏波光電傳感器、脈搏波信號(hào)濾波電路、脈搏波信號(hào)放大模塊、鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊、鼠標(biāo)控制模塊、鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊以及Micro USB接口。如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過反射式脈搏波光電傳感器采集到包含人體多種生理參數(shù)的信號(hào)，然后由脈搏波信號(hào)濾波電路與脈搏波信號(hào)放大模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，并和鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)在鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊匯集，經(jīng)過進(jìn)一步處理之后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊形成適合傳輸?shù)诫娔X端的信號(hào)形式，再經(jīng)由Micro USB接口傳輸?shù)诫娔X端進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理和顯示。

1.1 反射式脈搏波光電傳感器

將反射式脈搏波光電傳感器放在正常使用鼠標(biāo)時(shí)大拇指所處的位置上(見圖2)，采用HG40系列反射式傳感器，紅外發(fā)光二極管作為快速光源，3DU5系列光電三極管作為接收管，組成紅外發(fā)射-接收對(duì)管。光從紅外發(fā)光二極管快速光源發(fā)出后，透過皮膚和組織，除一部分光被皮膚、肌肉、血液和指甲等吸收外，一部分由血液反射回，由3DU5系列光電三極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳感器外部覆有直徑1 cm的濾光片，對(duì)外部光源進(jìn)行過濾。

圖2　鼠標(biāo)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 信號(hào)初步處理電路

本電路由脈搏波信號(hào)濾波電路、脈搏波信號(hào)放大模塊兩個(gè)模塊組成，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。如圖3,圖4所示。

圖4　脈搏波數(shù)據(jù)放大模塊

脈搏波濾波電路輸入端與反射式脈搏波光電傳感器輸出端連接，對(duì)50 Hz工頻干擾信號(hào)進(jìn)行濾除，并傳輸至脈搏波數(shù)據(jù)放大模塊。

由于采集到的信號(hào)微弱，于是設(shè)置脈搏波數(shù)據(jù)放大模塊，接收經(jīng)脈搏波濾波電路濾波后的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并將放大后的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)绞髽?biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊。

1.3 鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊與鼠標(biāo)控制模塊

本部分用于實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的基本功能，包含鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集與鼠標(biāo)控制兩個(gè)模塊。

鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊(見圖5)采用OM02芯片，其中OM02芯片接收來(lái)自LED_XY口與LED發(fā)光管形成的信號(hào)，得到鼠標(biāo)方向數(shù)據(jù)。

圖5　鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊與鼠標(biāo)控制模塊

鼠標(biāo)控制模塊(見圖5)采用eKM8022芯片，鼠標(biāo)控制模塊eKM8022芯片的1管腳L端連接一個(gè)點(diǎn)擊觸發(fā)器SL用于鼠標(biāo)左鍵控制，鼠標(biāo)控制模塊eKM8022芯片的5管腳R端連接一個(gè)點(diǎn)擊觸發(fā)器SR用于鼠標(biāo)右鍵控制，鼠標(biāo)控制模塊eKM8022芯片3管腳Z1與4管腳Z2連接一個(gè)滾輪作為鼠標(biāo)中間滾輪，鼠標(biāo)控制模塊eKM8022芯片12管腳D+端與13管腳D-端作為信號(hào)輸出端，用于信號(hào)輸出。

上述兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)采集和控制功能。

1.4 單片機(jī)控制模塊

鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊，如圖6所示。針對(duì)反射式脈搏波光電傳感器所采集的信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)有脈搏波信號(hào)模/數(shù)采集模塊、脈搏波信號(hào)平滑濾波模塊、鼠標(biāo)數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)發(fā)送模塊。

圖6　單片機(jī)控制模塊

在本模塊，信號(hào)將會(huì)依次進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，平滑濾波等處理，同時(shí)整合鼠標(biāo)采集來(lái)的數(shù)據(jù)，發(fā)送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊。

1.5 電壓轉(zhuǎn)換電路

各個(gè)模塊的工作電壓，驅(qū)動(dòng)電壓要求不同，所以設(shè)置電壓轉(zhuǎn)換電路，將電壓轉(zhuǎn)換成適用于各個(gè)模塊工作的電壓，如圖7所示。

圖7　電壓轉(zhuǎn)換電路

電壓轉(zhuǎn)換模塊通過USB接口連接電腦端供電，電壓轉(zhuǎn)換模塊的OUT口與脈搏波數(shù)據(jù)放大模塊中的MCP6002芯片的VINB+、VINB-連接，脈搏波數(shù)據(jù)放大模塊的輸出端VOUTB與鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用單片機(jī)控制模塊電源端口連接，其他模塊供電與電壓轉(zhuǎn)換模塊的OUT口連接。

1.6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊及Micro USB接口

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊采用CP2102芯片，輸入端接收來(lái)自鼠標(biāo)數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機(jī)控制模塊的數(shù)據(jù)信號(hào)，將信號(hào)并行輸入轉(zhuǎn)為通用串行總線，通過Micro USB接口與電腦端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 結(jié) 論

將鼠標(biāo)和反射式光電傳感器結(jié)合制成成品之后，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，傳感器能夠很好的測(cè)得人體在手指處的脈搏波并輸出。再經(jīng)過計(jì)算機(jī)端配套軟件對(duì)信號(hào)的處理，能夠很好地、直觀地向用戶呈現(xiàn)其身體健康狀況。本方案的理念即為將健康引入鼠標(biāo)，將健康監(jiān)測(cè)與日常生活融為一體，讓用戶在日常生活中不用刻意去測(cè)量自身的生理信號(hào)，鼠標(biāo)即可自動(dòng)檢測(cè)使用者的多項(xiàng)生理參數(shù)信息，從而了解自己的身體狀況。

本鼠標(biāo)各個(gè)模塊中，除了將反射式脈搏波光電傳感器放在正常使用鼠標(biāo)時(shí)大拇指所處的位置上，其他供電模塊，數(shù)據(jù)處理模塊等均置于鼠標(biāo)內(nèi)部，集成到鼠標(biāo)電路板上。無(wú)論是外觀還是手感，本鼠標(biāo)與普通鼠標(biāo)并無(wú)明顯差異，完全融入到了用戶的正常生活之中，在用戶使用鼠標(biāo)的不經(jīng)意狀態(tài)時(shí)檢測(cè)并記錄脈搏波及心率。