一种可监测人体脉搏波及心率的健康鼠标

        脉搏波的波形特征与心血管疾病密切相关，为此用户需要一种简单、实时的便携装置。通过安装在正常使用鼠标时大拇指触摸到的鼠标位置的反射式脉搏波光电传感器采集脉搏波信号，信号经过滤波、放大和A/D转换后，利用单片机对脉搏波信号处理并得出心率数据，最后通过USB接口连接电脑端软件显示。将鼠标和反射式光电传感器结合制成成品之后，经过实际测试，传感器能够很好的测得手指脉搏波并输出。这种可监测人体脉搏波及心率的健康鼠标可以在用户使用鼠标的不经意状态时检测并记录脉搏波及心率。
人体脉搏波中蕴藏着丰富的生理病理信息，大量的临床实测结果证实，脉搏波的特征与心血管疾病有着密切的关系。脉搏波所表现出来的形态、强度、速率与节律等方面的综合信息的确在相当程度上反映出人体心血管系统的许多生理和病理特征。因此采用简单易懂的方法获得人体脉搏波就显得很重要。
文献[2]描述的脉搏波计测装置，具有脉搏波采集功能，但是测量之前需要用户利用袖带将压力传感器按压在动脉上，袖带给用户带来较大不便；文献[3]描述的脉搏波检出装置和脉搏波检出方法，具有脉搏波采集功能，但是需要使用多个压力传感器，仪器较大，不便于用户测量；文献[4]描述的脉搏波测定装置，具有脉搏波采集功能，但是传感器被按压到患者的手腕上，同时需要袖带固定，不便于用户测量；文献[5]描述的一种光电检测频谱分析高分辨率指端脉搏波检测系统，具有无创脉搏波检测功能，但是仅为单一检测装置，不能与生活物品结合方便用户测量等不足；文献[6]描述的监测使用者生理讯息的鼠标，具有正常鼠标功能及脉搏波采集功能，但是需要用户将手指移动到特定位置测量，测量的同时无法正常使用鼠标等不足。
1 系统结构图
本文提出了一种可监测人体脉搏波及心率的健康鼠标的设计方法，其系统内部结构共分为九个部分：反射式脉搏波光电传感器、脉搏波信号滤波电路、脉搏波信号放大模块、鼠标数据采集模块、鼠标控制模块、鼠标数据与脉搏波数据采集处理共用的单片机控制模块、数据转换传输模块、电压转换模块以及Micro USB接口。如图1所示。


图1　系统结构图

通过反射式脉搏波光电传感器采集到包含人体多种生理参数的信号，然后由脉搏波信号滤波电路与脉搏波信号放大模块对信号进行滤波和放大，并和鼠标数据采集模块采集的数据在鼠标数据与脉搏波数据采集处理共用的单片机控制模块汇集，经过进一步处理之后传输到数据转换传输模块形成适合传输到电脑端的信号形式，再经由Micro USB接口传输到电脑端进行进一步的信号处理和显示。
1.1 反射式脉搏波光电传感器
将反射式脉搏波光电传感器放在正常使用鼠标时大拇指所处的位置上（见图2），采用HG40系列反射式传感器，红外发光二极管作为快速光源，3DU5系列光电三极管作为接收管，组成红外发射-接收对管。光从红外发光二极管快速光源发出后，透过皮肤和组织，除一部分光被皮肤、肌肉、血液和指甲等吸收外，一部分由血液反射回，由3DU5系列光电三极管转换为电信号，传感器外部覆有直径1 cm的滤光片，对外部光源进行过滤。


图2　鼠标整体结构图

1.2 信号初步处理电路
本电路由脉搏波信号滤波电路、脉搏波信号放大模块两个模块组成，对信号进行滤波和放大。如图3,图4所示。


图4　脉搏波数据放大模块

脉搏波滤波电路输入端与反射式脉搏波光电传感器输出端连接，对50 Hz工频干扰信号进行滤除，并传输至脉搏波数据放大模块。
由于采集到的信号微弱，于是设置脉搏波数据放大模块，接收经脉搏波滤波电路滤波后的信号，对信号进行放大，并将放大后的数据信号传输到鼠标数据与脉搏波数据采集处理共用的单片机控制模块。
1.3 鼠标数据采集模块与鼠标控制模块
本部分用于实现鼠标的基本功能，包含鼠标数据采集与鼠标控制两个模块。
鼠标数据采集模块（见图5）采用OM02芯片，其中OM02芯片接收来自LED_XY口与LED发光管形成的信号，得到鼠标方向数据。


图5　鼠标数据采集模块与鼠标控制模块

鼠标控制模块（见图5）采用eKM8022芯片，鼠标控制模块eKM8022芯片的1管脚L端连接一个点击触发器SL用于鼠标左键控制，鼠标控制模块eKM8022芯片的5管脚R端连接一个点击触发器SR用于鼠标右键控制，鼠标控制模块eKM8022芯片3管脚Z1与?4管?脚Z2连接一个滚轮作为鼠标中间滚轮，鼠标控制模块eKM8022芯片12管脚D+端与13管脚D-端作为信号输出端，用于信号输出。
上述两个模块实现了鼠标的数据采集和控制功能。


       
1.4 单片机控制模块
鼠标数据与脉搏波数据采集处理共用的单片机控制模块，如图6所示。针对反射式脉搏波光电传感器所采集的信号特点，设有脉搏波信号模/数采集模块、脉搏波信号平滑滤波模块、鼠标数据采集模块、信号处理模块、信号发送模块。


图6　单片机控制模块

在本模块，信号将会依次进行数模转换，平滑滤波等处理，同时整合鼠标采集来的数据，发送到数据转换传输模块。
1.5 电压转换电路
各个模块的工作电压，驱动电压要求不同，所以设置电压转换电路，将电压转换成适用于各个模块工作的电压，如图7所示。


图7　电压转换电路

电压转换模块通过USB接口连接电脑端供电，电压转换模块的OUT口与脉搏波数据放大模块中的MCP6002芯片的VINB+、VINB-连接，脉搏波数据放大模块的输出端VOUTB与鼠标数据与脉搏波数据采集处理共用单片机控制模块电源端口连接，其他模块供电与电压转换模块的OUT口连接。
1.6 数据转换传输模块及Micro USB接口
数据转换传输模块采用CP2102芯片，输入端接收来自鼠标数据与脉搏波数据采集处理共用的单片机控制模块的数据信号，将信号并行输入转为通用串行总线，通过Micro USB接口与电脑端进行数据传输。
2 结 论
将鼠标和反射式光电传感器结合制成成品之后，经过实际测试，传感器能够很好的测得人体在手指处的脉搏波并输出。再经过计算机端配套软件对信号的处理，能够很好地、直观地向用户呈现其身体健康状况。本方案的理念即为将健康引入鼠标，将健康监测与日常生活融为一体，让用户在日常生活中不用刻意去测量自身的生理信号，鼠标即可自动检测使用者的多项生理参数信息，从而了解自己的身体状况。
本鼠标各个模块中，除了将反射式脉搏波光电传感器放在正常使用鼠标时大拇指所处的位置上，其他供电模块，数据处理模块等均置于鼠标内部，集成到鼠标电路板上。无论是外观还是手感，本鼠标与普通鼠标并无明显差异，完全融入到了用户的正常生活之中，在用户使用鼠标的不经意状态时检测并记录脉搏波及心率。