Kulak klipsi tipi giyilebilir fiziksel işaret parametre algılama cihazının tasarımı
Gao Xiaopeng, Pang Yu, Li Shengfeng, Huang Junxiao
(Optoelektronik Mühendisliği Okulu, Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Chongqing 400065)
Son yıllarda, giyilebilir cihazlar tıbbi alanda giderek ilgi görmeye başladı ve itfaiye güçleri tarafından üstlenilen acil kurtarma görevleri giderek daha zahmetli hale geldi.İtfaiye ve kurtarma operasyonlarında itfaiyecilerin ve askerlerin kişisel güvenliğini sağlamak son derece önemli pratik öneme sahiptir. Bu amaçla, fotoelektrik dönüşüm yoluyla nabız dalgası sinyallerini toplayan ve ardından kandaki oksijen satürasyonu ve nabız hızı işaret parametrelerini elde etmek için CC2640 filtrelemesini kullanan ve ardından verileri kablosuz Bluetooth aracılığıyla ileten yangın güvenliğine dayalı bir kulak klipsi takılabilir cihaz tasarlanmıştır. İtfaiyecilerin fiziksel durumunun yangın komuta merkezi tarafından gerçek zamanlı izlenmesini gerçekleştirmek için iletim. Cihaz küçük boyut, hafiflik, düşük güç tüketimi ve giyilebilirlik özelliklerine sahip olup yangınla mücadele, kamu güvenliği ve diğer departmanlarda kullanılabilir.
Kulak klipsi tipi; CC2640; nabız dalgası; kan oksijen satürasyonu; nabız hızı
TN215; R318.6
Belge tanımlama kodu: Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.12.010
Çince alıntı biçimi: Gao Xiaopeng, Pang Yu, Li Shengfeng ve diğerleri.Kulak klipsi tipi giyilebilir fiziksel işaret parametre algılama cihazının tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (12): 41-44, 47.
İngilizce alıntı biçimi: Gao Xiaopeng, Pang Yu, Li Shengfeng, ve diğerleri.Kulağı saran giyilebilir çok parametreli yaşamsal belirti algılama cihazının tasarımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2016, 42 (12): 41-44, 47.
0 Önsöz
Kan Oksijen Doygunluğu (SpO2), insan kanının oksijen içeriğini karakterize eder. İnsan dolaşım sistemi ve solunum sisteminin fizyolojik durumunu etkili bir şekilde yansıtabilir ve hastalık teşhisi ve sağlık izlemede aktif rol oynar.
Bu tasarım, nabız dalgası dalga formu değişim bilgisini elde etmek için fotoelektrik dönüşüm prensibini kullanan bir algılama yöntemini benimser. Prensip şudur: cilt yüzeyine belirli bir dalga boyunda ışık kullanarak, ışık cilde nüfuz edecek ve dokuda iletilecek ve doku tarafından kısmen emilecek ve ardından ışık yoğunluğu detektörüne iletilecek veya yansıtılacaktır. Nabız oksijen satürasyonunun ölçümü, Lambert Beer'in yasasını ve spektroskopi ilkesini benimser. Kandaki farklı bileşenlerin içeriği, kan maddelerinin ışık emilimindeki farklılık ile tespit edilebilir.
Oksijen, akciğerlerin kılcal damarlarına gaz değişimi yoluyla girer, oksihemoglobin (HbO2) üretmek için arterlerdeki deoksihemoglobin (Hb) ile birleşir ve vücudun çeşitli dokularına arteryel kan ile akar. Kan oksijen satürasyonu, kandaki tüm bağlı hemoglobindeki oksijenli hemoglobinin oranıdır ve ilişkisi aşağıdaki gibidir:
Nabız hızı, atardamarların dakikadaki atım sayısıdır Normal bir insanın nabzı, kalp atış hızı ile aynıdır ve sağlıklı bir yetişkinin nabzı genellikle 60-100 atım / dakika aralığındadır.
Nabız dalgası sinyalini işlerken, iki nabız dalgasının aynı referans noktasını bulun.Örnekleme noktalarının sayısı m ve iki referans noktası arasındaki örnekleme hızı v hesaplandığı sürece, tam bir darbenin süresi t ve nabız hızı p hesaplanabilir:
Çin'in yaşamsal belirti izleme teknolojisi ve ilgili ürünlerle ilgili araştırması, spor ve tıbbi tedavi alanlarında nispeten kapsamlıdır, ancak yangınla mücadele yangınla mücadele alanındaki araştırmalar henüz emekleme aşamasındadır. Çoğu ürün, zayıf taşınabilirlik, zayıf iletişim yetenekleri ve zamansız alarmlar gibi uygulanabilirliklerini büyük ölçüde azaltan eksikliklere sahiptir ve yangınla mücadele kuvvetlerinde yaygın olarak kullanılan olgun yaşam izleme ekipmanı artık yoktur.
İtfaiyeciler son derece hareketli bir çalışma durumunda olduklarından ve yangın arama ve kurtarma sahasında acil kurtarma çalışması yaptıklarından, cihazın stabilitesi ve rahatlığı için yüksek gereksinimleri vardır. Geleneksel parmak klipsi oksimetresi itfaiyecilerin normal çalışmalarına rahatsızlık verecektir. Bu yazıda, itfaiyecilerin kurtarma sahnesinde kullanılan fotopletismografi darbe dalgasına dayalı giyilebilir bir fiziksel parametre izleme cihazının geliştirilmesini ele alıyoruz ve fiziksel parametreler komuta merkezine geri gönderilebilir. Cihaz, küçük boyut, düşük güç tüketimi ve rahat kullanım özelliklerine sahiptir.
1 Genel sistem tasarımı
Geleneksel parmak klipsi oksimetre izleme cihazından farklı olarak, bu algılama cihazı, itfaiyecinin çalışma özelliklerini dikkate aldıktan sonra nabız dalgası sinyalini ölçmek için kulak memesini seçer. Nabız dalgası sinyali, invazif olmayan bir fotopletismografik algılama yöntemi kullanılarak toplanır.Fiziksel parametreler iletim probu tarafından toplandıktan sonra, işlem için mikro denetleyiciye CC2640 gönderilir.Aynı zamanda, verileri yakına iletmek için mikro denetleyicinin Bluetooth işlevi kullanılabilir. Yangın komuta aracı, kablosuz iletim yoluyla uzak arka uç komuta merkezi ile iletişim kurabilir. Böylece itfaiyecinin fiziksel durumu gerçek zamanlı olarak izlenebilir ve itfaiyecinin normal çalışması etkilenmez. Genel tasarım blok şeması, Şekil 1'deki gibi gösterilmiştir.
2 donanım tasarımı
Bu makalenin araştırma amacı, itfaiyecilerin kulaklarına gömülebilen fiziksel bir parametre algılama cihazı geliştirmektir Cihaz, kan oksijen satürasyonu ve nabız hızının fiziksel parametrelerinin güvenilir bir şekilde toplanmasını sağlamak için itfaiyecilerin kulaklarına rahatça takılabilir. Cihazın taşınabilirliği ve minyatürleştirilmesi ve yangınla mücadele uygulama senaryoları dikkate alındığında, donanım devresi temel olarak bir nabız dalgası sinyal toplama modülüne, bir veri işleme modülüne, bir alarm devresine ve bir düşme önleyici algılama ve kablosuz iletim ve alma birimine bölünmüştür. Sistemin donanım devre tasarımı Şekil 2'deki gibi gösterilmiştir. Devre, güçlendirme ve filtreleme fonksiyonları ile entegre edilmiş bir toplama modülü ve donanım devre kartının alanını büyük ölçüde azaltan ve cihazın uzun vadeli çalışmasını gerçekleştirebilen bir kablosuz veri iletimi ve alım fonksiyonu ile entegre bir işleme çipi kullanır.
2.1 Darbe dalgası toplama modülü
Nabız dalgası edinim modülü esas olarak bir sürücü devresi ve bir iletim probu içerir. Aktarıcı prob, çift ışık kaynağı LED'i ve ışık yoğunluğu dedektörünü entegre eder. Çift kaynaklı LED'ler, dalga boyu 660 nm olan kırmızı ışık ve 905 nm dalga boyuna sahip kızılötesi ışıktır. İletici probun LED ve ışık yoğunluğu detektörü, ölçülen parçanın her iki tarafındadır.
LED'in iletim akımı genellikle yaklaşık 10 mA olduğundan ve MCU'nun I / O pini karşılık gelen akım çıkışını sağlayamadığından, modül LED'e uygun bir sürüş devresi ekler. Tek çipli CC2640, çift ışınların dönüşümlü olarak ışık yayabilmesi için LED sürücü devresini kontrol etmek için 4 G / Ç bağlantı noktasından periyodik olarak darbeler gönderir. Sürüş devresi ileri yönde voltaj ile yüklendiğinde, akım pozitif elektrottan LED üzerinden negatif elektrota akar, kırmızı LED yanar, kızılötesi LED kapatılır ve çift ışık kaynağı LED 660 nm kırmızı ışık yayar; voltaj tersine çevrildiğinde akım negatif elektrottan pozitif elektrota LED üzerinden akar. Kırmızı ışık LED'i kesilir, kızılötesi ışık LED'i açılır ve çift ışık kaynağı LED'i 905 nm kızılötesi ışık yayar İkili ışık kaynağı LED'inin durumu, LED'in her iki tarafındaki akım akışını kontrol eden mikro işlemci tarafından kontrol edilebilir.
Darbe dalgası, ışık iletimi prensibi ile toplandığından, çevredeki ortamın ışık kaynağına daha duyarlıdır, bu nedenle ölçüm sırasında probun güçlü ışığa maruz kalamayacağı unutulmamalıdır. Ek olarak, aktarıcı prob, ölçüm sırasında arterlerin ve kan damarlarının bol olduğu yerlerde seçilmelidir, böylece ışık, kan damarlarından geçtikten sonra doğru arteriyel dalga bilgisini geri getirebilir, böylece dokuya nüfuz ettikten sonra ışık taşmasının etkisini azaltabilir. Sürüş devresi Şekil 3'teki gibi gösterilmiştir.
2.2 Veri işleme birimi
Fiziksel parametrelerin izlenmesine ek olarak, itfaiyecilerin konum bilgilerini ve saha sıcaklığı gibi karmaşık çevresel parametreleri de tespit etmesi gerektiği düşünüldüğünde, bu makaledeki nabız dalgası sinyal işleme Cortex-M3 çekirdek tek çipli CC2640'ı kullanır. CC2640, Bluetooth Smart uygulamaları için kablosuz bir MCU'dur. Bu cihaz, CC26xx serisi uygun maliyetli ultra düşük güçlü 2,4 GHz RF cihazlara aittir ve Bluetooth 4.1 yongalarının en yeni TI çözümlerini destekler. Aktif modda güç tüketimi 61 A / MHz'dir, bekleme akımı 1 A'dır, son derece düşük aktif RF ve MCU akımı ve düşük güç modundaki akım tüketimi mükemmel pil ömrü sağlar ve enerji hasadında küçük madeni para hücrelerinin kullanımına izin verir Tip uygulamalarında kullanılır.
Tek çipli CC2640, toplama devresine 5 port üzerinden bağlanır, bunların arasında redon, iron, ledred ve ledir, sırasıyla tek çipli mikrobilgisayarın I / O çıkış portlarına bağlanır.Veri toplama başladığında, tek çipli mikrobilgisayar bu 4 port üzerinden sürücü devresine yüksek ve düşük seviyelerde çıktı verir. Işık yoğunluğu detektörünün çıkışı OUT, tek çipli mikrobilgisayarın I / O giriş portuna bağlanır Bir darbe dalgası bilgisi toplandığında, OUT portu üzerinden tek çipli mikro bilgisayara girilir, böylece veriyi yakalamak için zamanlayıcı tetiklenir. Darbe dalgası edinim modülü tarafından dönüştürülen frekans sinyali CC2640'ın zamanlayıcısı tarafından yakalandıktan sonra, darbe dalgası bilgisini yansıtan çıkış frekansı sinyalinin sayım değeri ile iletilen ışık yoğunluğu arasındaki fark sinyali filtrelemek için kullanılır. Filtreleme algoritması ve fiziksel parametrelerin hesaplanması, mikrodenetleyicide gerçekleştirilir.
Tek çipli mikrobilgisayar, fiziksel işaretler ile harici komuta merkezi arasındaki iletişimi gerçekleştirmek için hesaplanan kan oksijen doygunluğunu ve nabız hızını kablosuz Bluetooth modülüne UART arayüzü üzerinden gönderir ve ayrıca itfaiyecinin hayatını ve sağlığını gerçek zamanlı olarak kavramak için analiz edilen geri bildirim bilgilerini alabilir. durum.
2.3 Halka şeklindeki düşme önleyici algılama ve alarm devresi
Kulak klipsi tipi giyilebilir algılama cihazlarının takılması, bir yangın durumunda itfaiyecilerin acil durumlarını, görev başındayken doğru şekilde giyemeyip normal çalışma sırasında düşerek, algılama cihazının düzgün çalışmamasına neden olabilir. Bu sırada gerçek zamanlı düşüş tespiti gereklidir ve ardından itfaiyeci alarm devresi aracılığıyla bilgilendirilir ve arka plan personeli buna göre ilgilenir.
Halka algılamanın çevresi bir iletken silikon tabakasıdır.Cihaz doğru şekilde takılabildiğinde halka devresi bağlanır ve cihaz düştüğünde veya yanlış bir şekilde aşındığında halka devresi kesilir. Bağlantı kesildiğinde, mikro denetleyicinin ilgili pini düşük olacak ve bu sırada mikro denetleyicinin alarm devresi tetiklenecektir. Alarm devresi bir ışık yayan diyot ve bir zilden oluşur Mikrodenetleyicinin I / O pini düşük seviyede olduğunda, zil 100 Hz ayarlanmış bir ses çıkaracak ve ışık yayan diyot aynı anda yanacaktır. Veri işleme ve algılama alarm devresi Şekil 4'te gösterilmektedir.
3 yazılım tasarımı
Yazılımın tasarımı, fiziksel parametrelerin ön uçtan edinilmesi, filtreleme işlemi ve anormal işlemeye bölünmüştür. Birincisi, mikro denetleyicinin başlatılmasıdır ve daha sonra iyi giyilip giyilmediğine karar verilir. I / O portu düşük bir seviye alırsa, bu, cihazın uygun şekilde takılmadığı anlamına gelir.Bu anda, mikro denetleyici, kesinti işleme fonksiyonuna girer ve itfaiyeci cihazı doğru şekilde takana kadar alarm ve ışık işlemi gerçekleştirir. Program daha sonra CC2640'ın I / O portunun yüksek ve düşük seviyeli çıkışı aracılığıyla LED'in açılıp kapanmasını kontrol eder ve LED açma ve kapama zamanlaması zamanlayıcı tarafından kontrol edilir Zamanlayıcının örnekleme frekansı 100 Hz'dir, yani ilk kez 1 ms arttığında Probun kırmızı ışığını 2 ms boyunca açın, ardından ışık yoğunluğu detektörü bu anda kandaki nabız dalgası sinyalini ölçer ve ardından yükselen kenarı yakalamak için zamanlayıcının yakalama işlevini kullanır. Yakalanan iki zamanlayıcı sayısı arasındaki fark şudur: Gerekli nabız dalgası bilgisi, ışık yoğunluğu dedektörünün çıkış frekansı ile orantılıdır; daha sonra LED 1 ms için kapatılır ve zamanlama 4 ms'ye ulaştığında kızılötesi ışık 2 ms boyunca yüksek ve düşük seviyelerde yanar ve ardından 10 ms'ye kadar kapatılır. Bir sayım farkı da elde edilir, böylece bir edinim döngüsünde 2 darbe dalgası verisi elde edilir ve dizide saklanır.
Veri depolama belirli bir değere ulaştığında (test edilen dizinin uzunluğu 500'dür), 5 noktalı çıkarma yöntemi ilk olarak sinyali işlemek için seçilir, bu da rastgele mutasyon noktalarını etkili bir şekilde kaldırabilir ve ardından sinyali filtrelemek için sinyali yumuşatır. Filtrelemeden sonra, fark ilkesi sırasıyla en uç noktaları bulmak için kullanılır ve tepe ve çukurlar değerlendirilir ve ardından üst ve alt zarflar, nabız dalgasının DC ve AC bileşenlerini ve ardından Lambert Beer'in yasasını bulmak için enterpolasyon ile çizilir. Kan oksijen satürasyonu ve nabız hızını elde etmek için verilerin hesaplanması.
Son olarak, program, nihai kan oksijen satürasyonu ve nabız oranını elde ettikten sonra nihai kan oksijen satürasyonunu ve nabız hızını değerlendirir ve anormal olduğunda ilgili plana göre işler. İlk iletim anormal ise ve arka arkaya 3 kez normal değilse, itfaiyecinin onu doğru şekilde giymediği yargısına varılır; ortada anormal veri varsa, toplama hızlandırılabilir ve periyot sırasında normal bir değer varsa, normal çalışma altında seğirme olarak değerlendirilir; Veriler anormalse ve hızlandırılmış toplamadan sonra anormalse, itfaiyecinin hayati belirtilerinin bir durumda olduğu ve yerinde komuta merkezinin zamanında işleme için ilgili önlemleri alabileceği belirlenir. Veriler kablosuz Bluetooth modülü aracılığıyla arka plandaki komuta merkezine iletilir. Program akış şeması Şekil 5'te gösterildiği gibidir.
4 Deneysel sonuçlar ve analiz
Cihazı kulaklarınıza takın ve toplama probunu kulak memesinin her iki tarafına da oturtun. Programda ayarlanan depolama dizisi uzunluğu 500 (örnekleme hızı 100 Hz) olduğundan, parametre toplama süresi 5 sn, verilerin filtreleme hesaplama işlem süresi yaklaşık 1 sn ve tüm süreç yaklaşık 6 sn'dir. Bu deney, test için birden çok gönüllü aldı ve bir deneycinin test sonuçları Şekil 6 ve Şekil 7'de gösterilmektedir.
Tek çipli bilgisayardan toplanan orijinal veriler MATLAB üzerinde simüle edilir ve Şekil 6'da gösterilen orijinal darbe dalgası sinyali elde edilebilir.Dalga formunda rastgele mutasyon noktaları, taban çizgisi kayması ve yüksek frekanslı girişim olduğu açıkça görülebilmektedir. Şekil 7'de görüldüğü gibi mutasyon noktası ve yumuşatma filtre algoritmasının kaldırılmasından sonra, mutasyon noktasının etkili bir şekilde ortadan kaldırıldığı ve yüksek frekans parazitinin de bastırıldığı görülebilir.
Nihai fiziksel parametre değerlerini daha iyi doğrulamak için, ana bilgisayarın seri portundan elde edilen kan oksijen satürasyonu ve nabız hızı, çok parametreli tıbbi monitör PM-9000A + ile karşılaştırılır. Karşılaştırma sonuçları Tablo 1 ve Tablo 2'de gösterilmektedir.
Tablo 1 ve Tablo 2'nin karşılaştırması, kandaki oksijen satürasyonundaki hatanın% 3 içinde kontrol edildiğini ve nabız hızındaki hata oranının% 4 içinde olduğunu göstermektedir ki bu, itfaiyecilerin yaşamsal belirti izleme veri doğruluğu gereksinimlerini karşılayabilir.
5. Sonuç
Bu makale, yangın güvenliğine uygulanan, yangın kurtarmanın özel ortamını dikkate alan ve gerçek yangın ortamında iyi bir şekilde uygulanabilecek bir alarm devresi ve düşme önleyici algılama ekleyen bir kulak klipsi tipi fiziksel parametre algılama yöntemini tanıtmaktadır. Entegre kablosuz Bluetooth ile CPU işlemcisinin kullanılması nedeniyle, geliştirme kartının boyutu da azaltılabilir, böylece küçük boyut ve düşük güç tüketimi özellikleri elde edilebilir.
Referanslar
Hu Hongjiao.Yaşlı hastalarda abdominal cerrahi öncesi ve sonrası kan oksijen satürasyonunun izlenmesinin önemi, Anhui Medicine, 2010, 14 (4): 485-487.
Yang Shufeng, Sui Hulin, Li Zhigang.İtfaiyeci yaşamsal belirti izleme sisteminin tasarımı ve uygulaması Yangın Bilimi ve Teknolojisi, 2014, 33 (3): 314-317.
Yu Wei, Gu Qingen, Yao Xiang, ve diğerleri.Yansıtıcı kan oksijen satürasyonunun invazif olmayan tespiti üzerine deneysel araştırma.Tıbbi ve Tıbbi Ekipman, 2007 (2): 204-207.
Wang Guiling Nabız oksimetresi sonuçlarını etkileyen nedenlerin analizi Tıbbi ekipman, 2007 (6): 37.
Sun-A Jeong, Young-Dong Lee, Do-Un Jeong, vd.Günlük hayatta giyilebilir PPG ölçüm sistemi kullanarak nabız dalgası izleme sisteminin uygulanması. Bilgisayar ve Yakınsama Teknolojisi (ICCCT), 2012: 309-312.
HE D D, WINOKUR ES, HELDT T, et al. Giyilebilir yaşamsal belirtilerin izlenmesi için bir yer olarak kulak. 2010 Yıllık Uluslararası Tıp ve Biyoloji IEEE Mühendisliği Konferansı, 2010: 6389-6392.
Xie Zhengyang. Non-invaziv kan oksijen satürasyonu ölçümü ve kablosuz izleme sistemi geliştirme Suzhou: Soochow Üniversitesi, 2009.
Gong Yushun, Wu Baoming, Gao Dandan ve diğerleri.Karışmayı önleyici giyilebilir kan oksijen satürasyon monitörünün geliştirilmesi.Transducer Technology Dergisi, 2012, 25 (1): 6-10.
WINOKUR ES, HE D D, SODINI C G. Sürekli kalp atış hızı ve nabız geçiş süresi ölçümleri için kulakta bir giyilebilir yaşamsal belirtiler monitörü. 2012 Yıllık Uluslararası IEEE Mühendisliği Tıp ve Biyoloji Konferansı, 2012: 2724-2727.
Wu Xiaoling, Cai Guiyan Giyilebilir kan oksijen sensörünün tasarımı ve kalibrasyon yöntemi üzerine araştırma. Journal of Biomedical Engineering, 2009, 26 (4): 731-738.
Hu Jing, Wang Cheng, Li Zhangjun, ve diğerleri Fotoelektrik nabız dalgası izleme yöntemine dayalı birden çok fizyolojik parametrenin ölçümü üzerine araştırma Optoelektronik · Lazer, 2012 (8): 1631-1634.
Xue Junwei, Huang Yueshan, Du Xin, et al.Bluetooth düşük enerjili giyilebilir kan oksijen izleme ekipmanının tasarımı. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 2015 (6): 701-707.
