基于蓝牙技术的便携式心率数据采集仪的设计

冯卫忠，邵洪芳，张玉琴，范咏燕

基于蓝牙技术的便携式心率数据采集仪的设计

冯卫忠，邵洪芳，张玉琴，范咏燕

目的：及时、准确、方便地显示心率。方法：采用内嵌蓝牙模块的心率采集装置采集心率，并使用无线方式传送至智能手持终端，智能手持终端接收、保存、判断并在显示屏上显示心率数值。结果：佩戴心率采集仪的使用者可以随时知道自己的心率数值，同时，在心率数据不正常情况下能够及时发出报警求救短信。结论：基于蓝牙技术的便携式心率采集仪能够及时发现持有者的心率不正常现象，为挽救生命提供了宝贵时间，在心血管疾病患者以及独居老人等人群中具有广阔的应用前景。

心率监测；蓝牙；智能手持终端

0　引言

心率作为自主神经在窦房结水平相互作用的反映，与人体心脏功能和健康状况密切相关。心率的快慢反映了人体在心血管、代谢及精神等方面的健康状况，是人体最重要的生理参数之一。随着人们生活水平的提高，心血管疾病的发病率也逐年上升，并已成为我国城乡居民病死的第二大原因[1]。因此，近年来心率在医学领域受到了广泛关注。

随着科技的发展，特别是信号检测处理技术及计算机技术的发展，人们对心率信号的检测分析进行了广泛而有意义的研究[2]。传统的心电监测仪中，各硬件装置之间通过通信线缆连接，操作平台也基于通信线缆与各监测装置间交换数据。采用这种仪器检测，人们需要到医院等特定场合佩戴一定的仪器才能实现心率信号的采集，大大约束了人们的行为[3-4]。所以，传统的心电监测仪虽然在一定场合有其适用性，但不能随时随地检测心率信号，无法实现被测者的随意移动。还有一些心率采集仪能够通过无线方式将心率数据传送到使用者的智能终端上（如心率表等），方便使用者实时观察心率数据，但心率表在使用者出现心率危险时不能自动通知他人[5-7]。为解决心率数据的自动传送，特别是在出现危急情况时能够自动及时将心率仪使用者的危急情况告诉他人，本文设计一种使用者随身携带的心率采集仪。该仪器采集心率数据，并通过蓝牙近距离无线发送到使用者的智能手持终端（或智能手机，以下简称手持终端），进而在手持终端的屏幕上显示该心率数据；在心率出现危急情况时，手持终端还可以向使用者本人及其监护人（使用前设定）发送报警提示短信。本系统中的手持终端可以是人们目前通用的智能手机，通过运行特定程序，实现蓝牙数据接收、心率数据的保存备查、心率数据显示和发生心率危急时自动发送报警短信，突破了有线的牵绊，实现了使用者的随意移动。因此，本系统具有一定的应用前景。

1　心率采集仪的结构

便携式心率采集仪由信号采集、信号传送、信号接收和信号处理与显示4部分组成。

（1）信号采集。动脉血管在收缩和舒张时透射光的强度不同，所以，可以通过光敏元件将这些强弱不等的光信号转换成幅度不同的电信号，从而实现心率数据的采集。

（2）信号传送。将采集来的信号进行放大、滤波、整形、模数转换与计数，并将计数所得数据送到蓝牙模块进行近程无线数据的传送。

（3）信号接收。具有蓝牙模块的手持终端，通过蓝牙接收心率采集装置无线传送的心率数据。

（4）信号处理与显示。将蓝牙设备接收到的心率数据进行存储，同时显示在显示屏上。

1.1信号采集

心率信号的采集由心率传感器、信号放大器、信号滤波器、A/D转换和信号处理器组成。便携式心率数据采集仪将采集到的人体的心率信号进行放大、滤波、整形，经过微处理单元（MCU）的计数后将数值送到蓝牙模块，进行近程无线数据的传送。

心率信号的获取，可以通过在胸部采集心脏跳动幅度，也可以在腕部采集腕动脉舒张与收缩的幅度，还可以采集指尖处脉搏搏动的幅度，通常采集心率信号多采用压电振动传感器和混合光学传感器。如：在胸部或腕部采集心率信号一般采用压电振动传感器；而在指尖部采集心率信号多采用混合光学传感器[8]。下面以混合光学传感器为例来说明心率信号的提取。

在人体的指尖处，组织厚度薄，动脉成分含量高，透过手指的光强跟随脉搏搏动而变化[9]。夹指传感器是由红色发光二极管、近红外发光二极管和高性能光敏二极管组成的混合光学传感器。通过光敏元件将强弱不等的光信号转换成幅度不同的电信号。

根据郎伯特—比尔（Lamber-Beer）定律[9]，混合光电传感器输出的电流为式中：I0为入射光的强度；C为溶液的浓度；D为溶液的厚度，即光程；λ为吸收系数，是常数。

郎伯特—比尔定律表明，当I0、C和D不变时，λ越大，则I越小，透射光越弱，光被吸收得越多。这样就可以根据指尖透过的光强不同使得传感器输出电流的大小不同，进而得到脉搏舒张收缩的规律，从而得到心率信号。

由于从混合光学传感器输出的心率信号幅度较小（仅为0～4 mV），为不失真地检测出心率信号，要求心率采集装置具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干扰能力等性能，因此，前置放大电路是心率数据采集的关键环节。

本设计中采用的前置信号放大电路如图1所示，该放大器是差动输入、单端输出。电压增益可由一个电阻Rg来确定，且增益连续可调，放大器的放大增益G为

则

图1　信号放大器的原理

通过心率信号幅度为0～4 mV，信号的频率范围为0.05～30 Hz，是一种弱的机械振动，其噪声背景较强，故检测条件比较复杂，很容易受到干扰，主要干扰包括工频干扰、肌电干扰、基线漂移、电磁场干扰和电极接触噪声。工频干扰主要来源生活、工业用电的50 Hz干扰及其谐波干扰；肌电是人体肌肉收缩产生的电信号，幅度范围为0.1～5 mV，频率范围为5～2 000 Hz，主要肌电干扰集中在35～45 Hz[8，10]；基线漂移是由人体的移动、呼吸以及电极接触不良等情况造成的心电信号偏离原来的基线水平而发生的漂移，这种噪声的频率一般在0.3 Hz以下[10]；电磁场干扰主要来源各类无线电发射装置、各种工业干扰、无电干扰和设备内部的高频电磁场干扰，其特点是频率范围较宽、作用距离远、幅值不稳定[10]；电极接触噪声主要是由于电极和皮肤接触不良引起的瞬态干扰，它可以看作是一个随机发生的快速基线改变[8]。

为减小心率信号在采集过程中受这些干扰的影响，将心率传感器输出的心脏跳动信号经过一个截止频率为30 Hz的低通滤波器。采用低噪声双运算放大器NE5532构成低通滤波器，通过调节NE5532外围电路中电阻的阻值减半使低通滤波器的截止频率为30 Hz。低通滤波原理如图2所示，实验测得滤波后的心率信号波形如图3所示。

心率传感器采集的心率信号是一个模拟信号，无法直接计数，需要将该信号进行数字化处理，然后计算心率脉冲的重复周期，心率脉冲重复周期的倒数就是心率跳动的频率，该频率乘以60就可得到每分钟的心率数。由于微处理器的时钟与模数转换的精度，在计算心率时通常计算5～7个脉冲所占用的时间来得到心率脉冲的平均周期，进而得到心率，心率的计算公式为60/T（次/min）。

图2　低通滤波器原理示意图

图3　心率传感器输出的心率信号波形

使用微处理单元计算得到心率数值是二进制的，将该二进制数值转换成十进制后存储到微处理单元的内部寄存器中，以备近程通信单元读取并发送。

1.2心率信号的近程发送与接收

经过采集、放大、滤波、A/D转换和计数后得到的心率数值，需要通过近程通信方式传送到智能终端（或手持终端）。数据的近程通信可以采用近程射频通信模块、蓝牙通信技术和ZigBee通信技术。由于蓝牙是一种短距离无线通信协议，具有很强的移植性，可应用于多种通信场合，成本低廉，功耗低，对人体危害小，采用扩频跳频技术后其抗干扰能力强，增加了信息传输的安全性，因此，心率仪采用蓝牙技术进行近程数据传送。

在心率采集仪中，蓝牙模块设置为从模式（简称从蓝牙），手持终端中的蓝牙模块设置为主模式（简称主蓝牙）。主蓝牙是数据通信的发起者，主动与其他蓝牙设备建立链接，从蓝牙用于响应主蓝牙建立链接的要求。在手持终端开机时，主蓝牙首先发出查询从蓝牙的指令，若从蓝牙也处于加电工作状态则响应主蓝牙“我已准备好可以开始发送”，主蓝牙接收到这个响应后，就让自己处于接收数据状态，随时准备接收从蓝牙发送的数据。若从蓝牙未加电工作，则主蓝牙发出“未找到心率采集仪”的提示信息。在主、从蓝牙初始化信息交换成功后，心率采集仪则处于工作状态。当从蓝牙得到一个心率数据时，添加上主蓝牙的识别码并发送到无线信道，在从蓝牙附近的主蓝牙接收到这个数据时先判断其中的识别码是否是自己的号码，若不是则不予理睬；若是则剥除主蓝牙的识别码，将这个数据接收下来。蓝牙的工作流程如图4所示。

图4　蓝牙工作流程

1.3信号处理与显示

手持终端的蓝牙接收了心率采集仪装置的蓝牙发来的数据后，这个数据是无法自动在手持终端屏幕上显示的，需要在手持终端上加载一个程序，使之能够从蓝牙数据流中找出心率数据并添加上时间，显示在手持终端屏幕上。同时，对这个心率数据还要进行处理，如果心率数据正常，则存储到手持终端的固定文件中，然后手持终端处理器继续侦听蓝牙端口，接收新的心率数据，开始下一个循环；如果心率数据超过正常范围，达到危险值时，或者出现心率变化较大、心律不齐等症状时，手持终端处理器会自动发出报警，并且使用移动通信系统向监护人（系统启用时设置的）的号码发送警示求救短信。自动显示及心率监测程序流程如图5所示。

图5　自动显示及心率监测程序流程图

2　心率采集仪的应用

心率是指心脏每分钟跳动的次数，与人安静/运动、心血管疾病、年龄大小等因素有关。如美国心脏病协会制定的标准规定，正常成年人的静息心率为60～80次/min；静息心率超过100次/min，医学上则为“心动过速”；少于60次/min，则是“心动过缓”；如果静息心率经常超过80～85次/min，则应该引起警惕。因为静息心率过快，增加心脏耗氧量，使心脏应激性增强，会引起小血管病变并促进心肌细胞凋亡，导致心肌广泛纤维化，心肌广泛纤维化是恶性心律失常和猝死的主要原因。

人在运动时，心跳会加快，心率可达170次/min甚至200次/min，通常最大心率为210次/min，超过最大心率值也会发生猝死。因此，合理的有氧运动心率范围为（最大心率-静息心率-年龄）×Q+静息心率，其中：最大心率≈210次/min；静息心率指运动前相对安静状态下的心率；Q代表运动量，50%以下为小运动量，50%～75%为中运动量，75%以上为大运动量。如某人50岁，静息心率76次/min，希望进行小运动量有氧运动，确定有氧心率=（210-76-50）×50%+ 76=118次/min。智能终端进行心率数据的分析判定时，要遵循上述心率范围的规定。

基于上述原理和心率判断准则，在实验室制作了心率采集仪，并对其性能进行了测试，结果如图6所示。其中，图6（a）是采用光敏三极管制作的心率采集装置，为提高采集效果用胶带包住接收管，以达到蔽光的目的；图6（b）是使用示波器对输出电压进行测量的结果；图6（c）是对其进行整形后得到的心率波形；图6（d）是蓝牙模块接收到的心率数据；图6（e）是系统判断出不正常心率数据后发出的警示信息在手持终端上的显示。

图6（d）中显示的心率数值是心率仪佩戴者静坐聊天时监测的，从中可以看出，心率处于正常数据范围内，因而智能终端仅在蓝牙接收的数据基础上添加了接收时间就在显示屏上显示心率值；图6（e）中显示的数值是佩戴者慢跑后打开心率仪所测得的数值，由于省略了从静息心率到走路再到慢跑的心率逐渐增加的过程，心率仪认为该数值是佩戴者静息心率，因而发出了报警提示短信。由于数值较大属于二级警告，所以智能终端每隔1 min就发出1次提示短信，直到佩戴者作出干预。

通过图6所示实验测试结果可以看出，该心率采集仪能够实现心率数据的采集、整形、计数、无线发送与接收、数据判断与存储、数据显示、发出警示信息等，基本满足设计要求。

图6　心率采集仪的实验室制作与测试

3　结语

本文提出的基于蓝牙技术的便携式心率采集仪，用蓝牙模块的无线传输取代传统心率采集仪的有线传输，使心率监测非常方便灵活，中老年人可以随时随地检测自己的心率，了解自己的健康状况，当心率出现危险情况时可以及时采取措施。同时，本产品还可以应用于心血管疾病患者、亚健康人群、肥胖人群、运动员和特殊需要人群，对提高全民的身体素质、健康水平和生活质量具有重要作用。

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（收稿：2014-04-17修回：2014-08-30）

Design of portable heart rate acquisition instrument based on bluetooth

FENG Wei-zhong1,SHAO Hong-fang2,ZHANG Yu-qin3,FAN Yong-yan2
（1.Department of Hospital Administration，the 454th Hospital of the PLA,Nanjing 210002, China;2.Yixing People's Hospital,Yixing 214200,Jiangsu Province,China; 3.The 359th Hospital of the PLA,Zhenjiang 212001,Jiangsu Province,China）

To display heart rate timely,accurately and conveniently.The heart rate signals were collected with the instrument with embedded Bluetooth module,and transmitted to the smart handheld terminal to receive, store and judge heart rate signals and then to display the values.The holder catching the apparatus could know the heart rate value,and send SOS message timely in case of irregular values.The apparatus based on Bluetooth can detect the abnormal heart rate,and is worth popularizing for cardiovascular disease patients and old solitary person.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（12）：7-10]

heart rate monitoring;Bluetooth;smart handheld terminal

R318.6；TH772+.2；TN92

A

1003-8868（2014）12-0007-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.007

南京军区重点课题（102013）

冯卫忠（1972—），男，主任，主管技师，主要从事医院管理、卫生经济方面的研究工作，E-mail：FWZ9408@sina.com。

210002南京，解放军454医院医务处（冯卫忠）；214200江苏宜兴，宜兴市人民医院（邵洪芳，范咏燕）；212001江苏镇江，解放军359医院（张玉琴）

邵洪芳，E-mail：153989319@qq.com