基于MAX30102的血氧心跳监测系统

2018-12-20 14:44:38 来源： 您是第位浏览者

         上海市进才中学    金乐薇    诸葛臻优

【摘要】

       我国已经进入了老龄化社会，随着中老年人的不断增加，中老人健康的监护得到了空前的重视。由于环境污染、工作压力、年龄增长、缺乏锻炼等原因，大多数中老年人的身体长期处于缺氧的状态，头晕、头痛、耳鸣等症状时有发生。从理论上说，缺氧是指因机体组织供氧不足或用氧障碍而导致人体新陈代谢和器官功能发生变化的病理过程。缺氧是诱发各种疾病的因素之一，肺、脑、心脏等重要器官缺氧更是会直接导致死亡。

       本文针对已有中老年人心跳血氧检测设备中存在的问题开展研究，设计一种可穿戴式心跳血氧识别、报警系统。系统采用心率、血氧饱和度等传感器感受中老年人身体状况，通过蓝牙传输到手机APP。如果测得数据超出阈值，系统装置会使手机APP发出警报，同时通过短信将危险状况传出到其家人的手机，将信息告知家人，使家人可以对中老年人的生活状态有一个全面的掌握和照顾，减少突发状况的风险。

         【关键词】MAX30102 血氧饱和度 心率监测

研究背景及意义

      中老年一般是指人类生命历程中青年之后的阶段，包括中年和老年。世界卫生组织将45到59岁的人群称为中年人，60岁以上的才称为老年人。

      2017年10月18日，习近平同志在十九大报告中指出，实施健康中国战略，积极应对 人口老龄化，构建养老、孝老、敬老政策体系和社会环境，推进医养结合，加快老龄事业和产业发展。

       由于多方面因素，中老年人的身体时常会有缺氧状况。科学研究证明，缺氧会加速老年人心血管、呼吸系统和中枢系统的衰老，人体老化通常先从心血管系统开始。

    本文基于嵌入式和各个功能模块的综合运用、设计了一款易于操作，智能化水平高，小型的综合监护系统。利用心率分析模块、血氧饱和度模块对中老年人的状态进行分析，确定中老年人不同的身体状态。把不同模块综合分析和确定的阈值嵌入到系统中，设计成一个便携的中老年人血氧心跳状况检测系统，从而形成一套智能的中老年人监护系统。为了更好地显示中老年人具体的身体状况数值，还设计了一个基于蓝牙传输协议的软件，将实时检测的结果传输到手机APP，并加入危险报警模块。在不影响中老年人正常生活的前提下，以科学的手段检测中老年人实时的身体状况，并且及时预警和通知家人，可以有效地帮助中老年人处理突发情况。

发展现状

（1）行业状况

      由于医疗领域传感器经常被用于造价高昂的医疗器械，因此医疗电子传感器是具有高价值的一类传感器。智能医疗器械行业已被公认为是最有前景的医疗发展领域，整体行业属于快速发展的阶段。2016 年中国医疗器械市场销售规模约为 3700 亿元，相较 2015 年度增长率达到 20.1%。其中医用医疗器械市场规模约为 2690 亿元，约占 72.70%；家用医疗器械市场规模约为 1010 亿元，约占 27.30%。中国医药工业信息中心预计到 2019 年市场规模将达到 6003 亿元，2016-2019 年的复合增长率约为 17.5%。在医疗器械行业带动下，智能传感器的需求将会扩大。现在，我国在此领域的布局很少，大部分依赖进口，处于起步阶段，但是未来随着技术不断成熟，市场将迎来爆发式增长。

（2）医疗智能设备的普及

      智能设备的普及，可以实现大规模、实时、持续收集患者数据，从而助力医疗大数据的发展。2010年我国医疗智能设备的市场规模仅为0.9亿元，到2015年市场规模就迅速增加到了107.9亿元，由此可见医疗智能设备的普及速度极为惊人。

      目前的智能医疗设备具有可移动性、可简单操作性、可持续性、可交互性等优点，但也具有以下的发展空间：

（1）数据准确性

        如何确保监测数据的准确性和数据分析的可靠性，是智能医疗设备面临的技术难题。目前智能医疗设备以及智能手机、手环等主要通过传感器获取人体相关信息，而传感技术整体有待提高，标准有待统一。尤其是针对中老年人的血氧心跳指标，更是缺乏相应的严格标准。此外，智能设备虽能提供便利，但监测信息有限，目前尚难代替医用级设备。还有业内专家指出，如何在保证数据可靠的基础上，把产品做得更小、更轻、更便捷，也是需要解决的难题。

（2）局限性强

       当前的智能医疗设备以及智能手机、手环等，较多是对于使用者的心率进行实时监测，却少有综合中老年人的血氧饱和度和心率两方面来判断中老年人的身体状况。尤其是对于相应的数种没有确定的阈值，难以对中老年人的实时身体状况进行准确的分析判断。

       鉴于同类设备的研究现状和其他设备的局限性，本文选用Genuino101作为嵌入式硬件平台作为载体，通过血氧饱和度、心率、蓝牙传输等模块，组成监测可靠的智能监护系统，而采用的红外光谱法能够更精确地提取组织的血氧信息。基于系统的可扩展性,未来的研究中还可以丰富监控的生理参数种类和系统功能,该系统具有积极的实用价值和社会意义。

MAX30102原理图

整体软件设计

血氧心跳监测整体软件设计流程图

系统3D打印成品图

       系统通过蓝牙传输将采集到的数据传送到手机APP，APP会分别显示饱和度和心率的数据，并且根据阈值进行判断。如果测得数据超出阈值，手机APP会发出警报，通过短信收发器将危险状况传出到其以及其家人的手机，让使用的中老年人自己知晓，并且将信息告知家人，使家人可以对中老年人的生活状态有一个全面的掌握和照顾。

总结和展望

       本文依据穿戴式设备的便携性、实用性、低功耗等特点设计了一款以Genuino101开发板、MAX30102传感器为核心的血氧心跳监测系统，设计过程中通过研究系统硬件电路设计和信号处理算法较好地消除了混合到血氧心跳信号中的多种干扰，并对设计的系统进行了测试，测得的结果与市场中相对成熟的产品相近，同时系统还有一些它们所不具有的优点，提高了系统的应用范围，具有很高的实用价值。

参考文献

[1] 白鹏飞, 刘强, 段飞波,等. 基于MAX30102的穿戴式血氧饱和度检测系统[J]. 激光与红外, 2017(10).

[2]马银童, 黎海涛. 基于低功耗蓝牙的脉搏波监测仪设计[J]. 国外电子测量技术, 2017, 36(7):55-57.

[3]郑莲秀. 疾病从缺氧开始——补氧 对中老年人尤为重要[J]. 大家健康旬刊, 2013(8):54-54.