可監(jiān)測人體脈搏波及心率的健康鼠標設(shè)計

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單、實時的便攜裝置。通過安裝在正常使用鼠標時大拇指觸摸到的鼠標位置的反射式脈搏波光電傳感器采集脈搏波信號，信號經(jīng)過濾波、放大和A/D轉(zhuǎn)換后，利用單片機對脈搏波信號處理并得出心率數(shù)據(jù)，最后通過USB接口連接電腦端軟件顯示。將鼠標和反射式光電傳感器結(jié)合制成成品之后，經(jīng)過實際測試，傳感器能夠很好的測得手指脈搏波并輸出。這種可監(jiān)測人體脈搏波及心率的健康鼠標可以在用戶使用鼠標的不經(jīng)意狀態(tài)時檢測并記錄脈搏波及心率。

人體脈搏波中蘊藏著豐富的生理病理信息，大量的臨床實測結(jié)果證實，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)出來的形態(tài)、強度、速率與節(jié)律等方面的綜合信息的確在相當程度上反映出人體心血管系統(tǒng)的許多生理和病理特征。因此采用簡單易懂的方法獲得人體脈搏波就顯得很重要。

文獻[2]描述的脈搏波計測裝置，具有脈搏波采集功能，但是測量之前需要用戶利用袖帶將壓力傳感器按壓在動脈上，袖帶給用戶帶來較大不便;文獻[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，但是需要使用多個壓力傳感器，儀器較大，不便于用戶測量;文獻[4]描述的脈搏波測定裝置，具有脈搏波采集功能，但是傳感器被按壓到患者的手腕上，同時需要袖帶固定，不便于用戶測量;文獻[5]描述的一種光電檢測頻譜分析高分辨率指端脈搏波檢測系統(tǒng)，具有無創(chuàng)脈搏波檢測功能，但是僅為單一檢測裝置，不能與生活物品結(jié)合方便用戶測量等不足;文獻[6]描述的監(jiān)測使用者生理訊息的鼠標，具有正常鼠標功能及脈搏波采集功能，但是需要用戶將手指移動到特定位置測量，測量的同時無法正常使用鼠標等不足。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文提出了一種可監(jiān)測人體脈搏波及心率的健康鼠標的設(shè)計方法，其系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)共分為九個部分：反射式脈搏波光電傳感器、脈搏波信號濾波電路、脈搏波信號放大模塊、鼠標數(shù)據(jù)采集模塊、鼠標控制模塊、鼠標數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機控制模塊、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，然后由脈搏波信號濾波電路與脈搏波信號放大模塊對信號進行濾波和放大，并和鼠標數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)在鼠標數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機控制模塊匯集，經(jīng)過進一步處理之后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸模塊形成適合傳輸?shù)诫娔X端的信號形式，再經(jīng)由Micro USB接口傳輸?shù)诫娔X端進行進一步的信號處理和顯示。

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時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，傳感器外部覆有直徑1 cm的濾光片，對外部光源進行過濾。

圖2　鼠標整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 信號初步處理電路

本電路由脈搏波信號濾波電路、脈搏波信號放大模塊兩個模塊組成，對信號進行濾波和放大。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50 Hz工頻干擾信號進行濾除，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，對信號進行放大，并將放大后的數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)绞髽藬?shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機控制模塊。

1.3 鼠標數(shù)據(jù)采集模塊與鼠標控制模塊

本部分用于實現(xiàn)鼠標的基本功能，包含鼠標數(shù)據(jù)采集與鼠標控制兩個模塊。

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

圖5　鼠標數(shù)據(jù)采集模塊與鼠標控制模塊

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

上述兩個模塊實現(xiàn)了鼠標的數(shù)據(jù)采集和控制功能。

1.4 單片機控制模塊

鼠標數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機控制模塊，如圖6所示。針對反射式脈搏波光電傳感器所采集的信號特點，設(shè)有脈搏波信號模/數(shù)采集模塊、脈搏波信號平滑濾波模塊、鼠標數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊、信號發(fā)送模塊。

圖6　單片機控制模塊

在本模塊，信號將會依次進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，平滑濾波等處理，同時整合鼠標采集來的數(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

各個模塊的工作電壓，驅(qū)動電壓要求不同，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與鼠標數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用單片機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，輸入端接收來自鼠標數(shù)據(jù)與脈搏波數(shù)據(jù)采集處理共用的單片機控制模塊的數(shù)據(jù)信號，將信號并行輸入轉(zhuǎn)為通用串行總線，通過Micro USB接口與電腦端進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 結(jié) 論

將鼠標和反射式光電傳感器結(jié)合制成成品之后，經(jīng)過實際測試，傳感器能夠很好的測得人體在手指處的脈搏波并輸出。再經(jīng)過計算機端配套軟件對信號的處理，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，將健康監(jiān)測與日常生活融為一體，讓用戶在日常生活中不用刻意去測量自身的生理信號，鼠標即可自動檢測使用者的多項生理參數(shù)信息，從而了解自己的身體狀況。

本鼠標各個模塊中，除了將反射式脈搏波光電傳感器放在正常使用鼠標時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內(nèi)部，集成到鼠標電路板上。無論是外觀還是手感，本鼠標與普通鼠標并無明顯差異，完全融入到了用戶的正常生活之中，在用戶使用鼠標的不經(jīng)意狀態(tài)時檢測并記錄脈搏波及心率。