呼吸道病毒疾病的早期檢測(cè)

描述

介紹

COVID-19 對(duì)全球造成了毀滅性的影響。它之所以迅速傳播，很大程度上是因?yàn)樵S多患有這種疾病的人不知道自己被感染了。他們不知道自己可以通過(guò)擁抱、親吻甚至只是坐下來(lái)互相交談將疾病傳染給親人（Pollock 等人，2020 年）。事實(shí)上，多達(dá) 20% 的 COVID-19 患者可能沒(méi)有癥狀，甚至更多是出現(xiàn)癥狀前的。這一事實(shí)的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致公共衛(wèi)生官員建議采取封鎖措施，導(dǎo)致我們中的許多人被隔離在家中。識(shí)別無(wú)癥狀和有癥狀的個(gè)體可能有助于針對(duì)公共衛(wèi)生干預(yù)措施并限制疾病的傳播。

體溫篩查已成為檢測(cè)無(wú)癥狀和癥狀前個(gè)體的常用方法，允許進(jìn)入餐館、酒吧和機(jī)場(chǎng)。然而，在單個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)量體溫作為一種篩查方法不夠靈敏，檢測(cè)到的 COVID-19 病例中只有不到五分之一（Mitra 等人，2020 年）。此外，已知體溫會(huì)根據(jù)記錄位置（口腔、腋窩、皮膚、顳葉）、一天中的時(shí)間和年齡而變化（Levander 等人 2017）。

可穿戴傳感器提供了通過(guò)在一天中的多個(gè)點(diǎn)測(cè)量生物標(biāo)志物來(lái)檢測(cè)感染的早期生理跡象的機(jī)會(huì)。這允許對(duì)生理變化進(jìn)行個(gè)性化檢測(cè)（檢測(cè)與個(gè)體基線相比的異常與基于“一刀切”閾值的異常定義）。事實(shí)上，一些團(tuán)體發(fā)現(xiàn)智能手表上可用的數(shù)據(jù)，如心率 (HR)、與活動(dòng)相關(guān)的心率、心率變異性 (HRV)、靜息心率 (RHR) 和呼吸頻率 (RR) 可以提供幫助在癥狀出現(xiàn)之前檢測(cè)可能的感染（Seshadri 等人，2020 年；Mishra 等人，2020 年）。然而，雖然這些算法顯示出了希望，但它們受到商業(yè)可穿戴設(shè)備從手腕或指尖收集的數(shù)據(jù)質(zhì)量的限制。

另一方面，耳朵提供了豐富的毛細(xì)血管床，用于監(jiān)測(cè)耳垂的脈搏血氧飽和度，并更接近內(nèi)耳的核心溫度。此外，可聽設(shè)備市場(chǎng)正在增長(zhǎng)（Hunn 2020）。在這里，我們重點(diǎn)介紹了可穿戴設(shè)備原型的創(chuàng)建，該設(shè)備利用理想的解剖位置來(lái)收集這些額外的數(shù)據(jù)類型，以更高的敏感性和特異性預(yù)測(cè)早發(fā)性或無(wú)癥狀的病毒性疾病。

示例用例

1) COVID-19 和其他病毒性疾病不成比例地影響弱勢(shì)人群，例如熟練護(hù)理機(jī)構(gòu)中的人群。這些居民中的許多人即使沒(méi)有被 COVID-19 感染，也會(huì)在一個(gè)房間里獨(dú)自度過(guò)幾天到幾周的時(shí)間。為了保護(hù)這些經(jīng)?；加信c COVID-19 死亡率增加相關(guān)的慢性病并居住在近距離的居民，需要廣泛的隔離協(xié)議和禁止訪客進(jìn)入（Gonzalez de Villaumbrosia 等人 2020）。然而，隔離本身也可能是有害的，特別是對(duì)于那些患有癡呆癥或需要密切關(guān)注的高級(jí)需求的人。通過(guò)非侵入式可穿戴設(shè)備在專業(yè)護(hù)理機(jī)構(gòu)的居民、工作人員和訪客中檢測(cè)無(wú)癥狀或早期病毒性疾病可能有助于確定隔離方案的目標(biāo)。

2) 隨著疫苗為人們聚集和旅行提供更多自由，一種暫時(shí)緩解的氣氛正在浮現(xiàn)。然而，大型、擁擠的事件仍然構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)，特別是當(dāng)變異體出現(xiàn)并威脅疫苗效力時(shí)。建議使用我們?cè)O(shè)備的病毒性疾病可能性較低的用戶可以通過(guò)獲準(zhǔn)參加音樂(lè)會(huì)、體育賽事、婚禮、會(huì)議等來(lái)輕松呼吸。

發(fā)展

nRF 連接 SDK

我們修改了示例項(xiàng)目按鈕以開發(fā)讀取傳感器的代碼。

要在 nRF Connect 中創(chuàng)建新項(xiàng)目，請(qǐng)單擊 Toolchain Manager 行中的 Open（參見下圖）。

在打開的窗口中，單擊 nRF Connect SDK v1.5.1（見下圖）。

在 nRF Connect Options 窗口中，選擇如下圖所示的選項(xiàng)。

在 nRF Connect Options 窗口中，選擇如下圖所示的選項(xiàng)。

現(xiàn)在將附加的代碼復(fù)制到 main.c 文件并編譯項(xiàng)目。

啟用 I2C 設(shè)備，然后通過(guò)右鍵單擊解決方案“按鈕”打開項(xiàng)目中的文件夾。點(diǎn)擊“在文件資源管理器中選擇”，如下圖所示。

從打開的文件夾中，移至按鈕文件夾（參見下圖）。

在按鈕文件夾中打開 prj.conf 文件并插入以下代碼行：

CONFIG_I2C=y

在以下視頻中，您可以看到設(shè)備的啟動(dòng)階段。顯示的值是在空中讀取的。

在下圖中，您可以通過(guò)將手指放在 HR/SpO2 傳感器上來(lái)查看讀取的值。

不幸的是，用于將 MAX30102 模塊傳感器上的電線保持在一起的熱膠會(huì)產(chǎn)生皮膚接觸問(wèn)題，因此下一步將為此傳感器創(chuàng)建一個(gè)定制板。

MAXREFDES117 | 心率和脈搏血氧監(jiān)測(cè)儀

MAXREFDES117# 參考設(shè)計(jì)是一款低功耗、光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器和脈搏血氧飽和度解決方案，配有集成紅色和紅外 LED 以及電源。

MAXREFDES117集成了一個(gè)MAX30102心率監(jiān)測(cè)器和脈搏血氧儀、一個(gè)轉(zhuǎn)換I2C電平的MAX14595和一個(gè)將輸入電壓轉(zhuǎn)換為1.8V的MAX1921。

筆記。我們繞過(guò)了 MAX14595，因?yàn)樗c nRF5340DK 的 I2C 總線存在信號(hào)問(wèn)題。

MAXREFDES117 與 nRF5340DK 的連接

我們已將 MAXREFDES117 模塊連接到 nRF4340DK 以讀取心率和脈搏血氧飽和度值：

• MAXREFDES117傳感器模塊的VIN焊盤連接到nRF5340DK的VDD引腳；
• MAXREFDES117 傳感器模塊的 GND 焊盤連接到 nRF5340DK 的 GND 引腳和 SparkFun 邏輯電平轉(zhuǎn)換器 - 雙向的 GND 引腳；
• MAX30102 傳感器的 SDA 引腳連接到 SparkFun 邏輯電平轉(zhuǎn)換器 - 雙向的 LV2 引腳；
• MAX30102 傳感器模塊的 SCL 引腳連接到 SparkFun 邏輯電平轉(zhuǎn)換器 - 雙向的 LV1 引腳；
• MAX30102傳感器模塊的INT管腳接nRF5340DK的P0.09管腳；
• 來(lái)自 MAX1921 的 1.8V 連接到 SparkFun 邏輯電平轉(zhuǎn)換器 - 雙向的 LV 引腳。

固件&流程圖

我們已經(jīng)導(dǎo)入并修改了隨 MAXREFDES117 模塊提供的庫(kù)。

附件是模塊設(shè)置的流程圖。

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MLX90632 | 微型數(shù)字紅外溫度計(jì)

MLX90632 是一款采用表面貼裝技術(shù) (SMT) 的微型紅外 (IR) 溫度計(jì) IC，尺寸僅為 3x3mm。醫(yī)療級(jí)版本。

為了使用傳感器測(cè)量?jī)?nèi)耳溫度，我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了一個(gè)傳感器模塊原型。我們附上了模塊的示意圖。

MLX90632 模塊與 nRF5340DK 的連接

我們已將 MLX90632 傳感器模塊連接到 nRF4340DK 以讀取內(nèi)耳的溫度：

• MLX90632傳感器模塊的3V3焊盤接nRF5340DK的VDD管腳；
• MLX90632 傳感器模塊的 GND 焊盤連接到 nRF5340DK 的 GND 引腳（和 SparkFun 邏輯電平轉(zhuǎn)換器的 GND 引腳 - 雙向）；
• MLX90632 傳感器模塊的 SDA 焊盤連接到 SparkFun 邏輯電平轉(zhuǎn)換器的 LV2 引腳 - 雙向；
• MLX90632 傳感器模塊的 SCL 焊盤連接到 SparkFun 邏輯電平轉(zhuǎn)換器 - 雙向的 LV1 引腳。

固件流程圖

附件是模塊設(shè)置的流程圖。

主循環(huán)

初始化板和傳感器后，將執(zhí)行無(wú)限 while (1) 循環(huán)，在此循環(huán)中讀取 HR/SpO2 傳感器，然后讀取溫度和按鈕 1 的狀態(tài)。

如果按下按鈕 1，則 LED 1 亮起，松開時(shí) LED 1 熄滅。

以下是我們系統(tǒng)的一些簡(jiǎn)短視頻。

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開發(fā)套件連接

我們已將 SparkFun 邏輯電平轉(zhuǎn)換器 - 雙向連接到 nRF4340DK 以轉(zhuǎn)換 I2C 電平：

• SparkFun Logic Level Converter - Bi-Directional 的 HV 焊盤連接到 nRF5340DK 的 5V 引腳；
• SparkFun 邏輯電平轉(zhuǎn)換器的 GND 焊盤 - 雙向連接到 nRF5340DK 的 GND 引腳；
• SparkFun Logic Level Converter - Bi-Directional 的 HV1 焊盤連接到 nRF5340DK 的 P1.03 (SCL) 引腳；
• SparkFun 邏輯電平轉(zhuǎn)換器的 HV2 焊盤 - 雙向連接到 nRF5340DK 的 P1.02 (SDA) 引腳。

案子

未來(lái)發(fā)展

定義 GATT 和通過(guò)藍(lán)牙交換數(shù)據(jù)的功能。

開發(fā)一個(gè)應(yīng)用程序以通過(guò)藍(lán)牙從設(shè)備收集數(shù)據(jù)。

為 nrf5340 設(shè)計(jì)一個(gè)定制板，可以集成耳機(jī)內(nèi)部的所有東西。

制作用于容納傳感器和控制硬件的外殼原型。改善人體工程學(xué)和可用性。

建立在為預(yù)測(cè)疾?。ɡ?COVID-19）而開發(fā)的算法之上

如果我們贏得現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)，我們會(huì)將這些資金用于上述一項(xiàng)或多項(xiàng)活動(dòng)。

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