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可穿戴式健康参数监测方法与系统设计

随着生活质量的提高,人们越来越重视对疾病的早期检测,这使得可穿戴健康设备迅速得到了关注。对人体健康体征参数进行连续测量,实时反映人体的生理状态,这对人们的身体健康具有重要意义。心率、血氧饱和度和血压是人体的三大重要健康参数,对其进行连续准确的测量可以有效判断人体的健康状况,预防疾病。本文以桡动脉和肱动脉两处的光电容积脉搏波为对象,以检测心率、血氧饱和度和血压三个健康参数为目标,设计一个可穿戴式多健康参数监测系统,论文的主要工作有:首先阐述了光电容积脉搏波的原理以及基于容积脉搏波的各健康参数检测方法,确定检测位置,提出了基于双光电脉搏波传感器的多参数监测系统方案。

设计并搭建了基于STM32的健康参数监测硬件系统。采用美信公司MAX30102集成芯片,驱动其内部LED双光源交替发光,以内部的光电检测器作为传感器,将光强信号转换为电压信号,集成有18位A/D模数转换、数字滤波以及环境光滤除,大大缩减了采集端的体积,STM32F103C8T6微控制器以I2C总线方式访问其内部FIFO来获取采集到的脉搏波数据。在微控制器中处理波形数据并提取计算获得各健康参数,将健康参数结果通过OLED实时显示,通过低功耗蓝牙4.0以实现系统和智能手机的无线数据通信。完成了基于STM32的健康参数监测系统软件设计。

对采集到的脉搏波原始数据进行去噪处理,通过38点移动平均算法来消除肌肉抖动带来的高频毛刺,之后利用传统的差分阈值法来提取脉搏波特征参数。通过脉搏波特征参数计算脉搏波传导时间和R值,对血氧饱和度计算公式进行了标定,利用标定后的计算公式,实现血氧测量;建立了收缩压和舒张压与脉搏波传导时间的数学模型,利用该模型实现了血压测量。最后,完成了系统测试,对各健康参数进行了对比实验。通过初步实验得出以下结论,心率测量实验结果表明:心率测量误差在±4BPM之间,96%以上的心率数据误差在±3BPM以内;动脉血氧饱和度测量实验结果表明:动脉血氧饱和度误差在±2%以内;动脉血压测量实验结果表明:收缩压平均绝对误差为5.7mmHg,标准差为6.41mmHg,舒张压平均绝对误差为8.0mmHg,标准差为8.85mmHg,收缩压符合AAMI标准差不大于8mmHg的标准,而舒张压略微超过该标准。