基於PixArt PAH8011ES+nrf52832實現穿戴設備SDNN檢測方案

SDNN英文全稱為standard diviation of NN intervals,中文稱為全部竇性心搏RR的標準偏差(也稱RR間期),單位為ms。
SDNN為評估心率變異性程度HRV的重要指標,同時也是HRV的一個重要應用方向。


越健康的人,其HRV 信號越不規則,越複雜。即, HRV 信號簡單的人,說明其健康狀態不佳。
SDNN 值大,說明心率變化信號的複雜程度高;
SDNN 值小,說明心率變化信號較簡單。
SDNN的減少代表心搏活動的變異性、複雜性減少,說明人體對於不斷發生變化的周圍環境適應能力低下。心搏間這些微小的變化當中,可以得知自主神經系統自動動態平衡機制。身體健康、調節能力較突出的人,對體內隨時發生變化的血氧濃度、體溫、血壓等因素很快適應過來,維持一定的動態平衡,而患病的機體因各項機能衰退,調節能力下降,無法維持平衡

目前醫學上對SDNN的看法,基本上醫學研究是保守的,醫學上通常都會認為SDNN低於30ms代表身體有些不好的狀況,所以應用建議會是量測多天去觀察SDNN的變化趨勢,若持續下降及數值低於30ms就需要引起注意。
目前醫學研究已知通過呼吸訓練(深呼吸放慢呼吸速度)可以提升SDNN數值,另外許多研究證明通過運動(甚至在參加心臟康復計劃的患者)也可改善SDNN。
由於每個人的身體狀況(個體差異)不同,相對的每個人的身體狀況不同可以使用方式也不同,總的來說SDNN數值有提升代表身體健康狀態在改善。
 
本方案使用原相PAH8011ES傳感器+nordic的nRF52832 MCU主控,選用的為目前成熟穩定可靠器件,通過高精度的算法,輸出高可信度靜態心率與SDNN數值,以用戶更容易了解自身的身體狀態的心率與SDNN數值情況
 

參考線路




關於算法

算法通過對原始數據PPG採樣率為20HZ進行採樣,然後通過計算PPG信號上解析出心率相關特徵信號,計算出心率beat to beat上之間在測試時間內的標準偏差,即算出SDNN,另外會同時算出這個測試期間的平均心率。

算法占用:Code size 約23K, RAM size 約13K

算法初始化代碼

編譯環境配置注意
IAR的編譯環境,project->options->linker->libray
請依照下面截圖所示增加設定欄位
--redirect __iar_FLog=logf
--redirect __iar_FSin=sinf
否則編譯時會出面Error報錯問題

 

軟體驅動代碼調試


根據通信方式與平台接口的讀、與及 連讀接口代碼



紋波測試
參考測試方法及注意事項如下:

1.需在8011工作在“LED綠燈打最亮時”測量各電壓紋波是否小於100mV

2.測試時,需用黑色不透光的材料(如:吸光泡棉/黑色rubber/黑布)把sensor區貼住,不漏光串光,讓sensor接收不到光線,

此時LED綠燈會自動打到最亮狀態(此時LED綠燈打光強亮度會變得很耀眼),測量此時各路電壓紋波。

(測試前注意確認一下黑色材料是否會透光,簡便方法是用手機的閃光燈強光先確認一下。)

3.如果已啟用touch檢測功能,需要暫時把此功能先關掉(否則檢測到皮膚/物體離開或接受不到紅外光線時,LED綠燈會自動關掉,綠燈會達不到最亮狀態)。

方法:修改FW設定,在pah8series_config.h文件中把#define PPG_MODE_ONLY的宏打開,即可關掉touch mode



調試Log信息


APP參考界面
 
1.為了保證測試效果,SDNN測試時間會建議至少3分鐘,建議測試180秒
2.提示用戶在測試過程保持全程靜止。
應用建議:
  如果用戶的SDNN結果總是低於醫學研究30ms警示值時間超過3天,應用上應給予用戶提醒,建議用戶及時調整生活方式、放鬆訓練及適當運動等。大多數人可以通過鍛煉和放鬆 (例如呼吸訓練) 恢復到健康的狀態。

►場景應用圖

►展示板照片

►方案方塊圖

►核心技術優勢

1.本方案使用的是原相PAH8011ES,此晶片集成的DSP獲得 處理過的PPG數據,驅動一個紅外燈、2個綠燈,低功耗、高性能、高品質的PPG數據輸出。主控部分基於 noidic nRF52832 低功耗藍牙晶片開發,具有超低功耗及極高的設計靈活性。 2.成熟穩定可靠模塊電路設計,器件集成度高,可實際較小的體積,有利於穿戴產品的集成 3.可提供現成算法且可靠成熟 4.可通過藍牙與智能移動終端連接,數據可以在 APP 上顯示和記錄

►方案規格

1.帶有浮點運算單元的ARM® Cortex®-M4 32位處理器,工作頻率64MHz 2.具有512kB flash 及64kB RAM 3.系統集成的2.4GHz 無線收發器支持藍牙低功耗(BLE),ANT及2.4 GHz 私有協議棧。 4.支持串行線調試(SWD) 5.靈活的電源管理,支持電池應用的超低功耗,3.0 V–4.2 V 供電電壓 -使用64 MHz內部振盪器快速喚醒 -系統關閉模式下,平均電流小於1.5uA -系統工作模式下,平均電流小於1.2mA 6.心率輸出精度:Arms ≤ ±3BPM 7.SDNN輸出精度:Arms ≤ ±10ms