呼吸道病毒疾病的早期检测

描述

介绍

COVID-19 对全球造成了毁灭性的影响。它之所以迅速传播，很大程度上是因为许多患有这种疾病的人不知道自己被感染了。他们不知道自己可以通过拥抱、亲吻甚至只是坐下来互相交谈将疾病传染给亲人（Pollock 等人，2020 年）。事实上，多达 20% 的 COVID-19 患者可能没有症状，甚至更多是出现症状前的。这一事实的发现导致公共卫生官员建议采取封锁措施，导致我们中的许多人被隔离在家中。识别无症状和有症状的个体可能有助于针对公共卫生干预措施并限制疾病的传播。

体温筛查已成为检测无症状和症状前个体的常用方法，允许进入餐馆、酒吧和机场。然而，在单个时间点测量体温作为一种筛查方法不够灵敏，检测到的 COVID-19 病例中只有不到五分之一（Mitra 等人，2020 年）。此外，已知体温会根据记录位置（口腔、腋窝、皮肤、颞叶）、一天中的时间和年龄而变化（Levander 等人 2017）。

可穿戴传感器提供了通过在一天中的多个点测量生物标志物来检测感染的早期生理迹象的机会。这允许对生理变化进行个性化检测（检测与个体基线相比的异常与基于“一刀切”阈值的异常定义）。事实上，一些团体发现智能手表上可用的数据，如心率 (HR)、与活动相关的心率、心率变异性 (HRV)、静息心率 (RHR) 和呼吸频率 (RR) 可以提供帮助在症状出现之前检测可能的感染（Seshadri 等人，2020 年；Mishra 等人，2020 年）。然而，虽然这些算法显示出了希望，但它们受到商业可穿戴设备从手腕或指尖收集的数据质量的限制。

另一方面，耳朵提供了丰富的毛细血管床，用于监测耳垂的脉搏血氧饱和度，并更接近内耳的核心温度。此外，可听设备市场正在增长（Hunn 2020）。在这里，我们重点介绍了可穿戴设备原型的创建，该设备利用理想的解剖位置来收集这些额外的数据类型，以更高的敏感性和特异性预测早发性或无症状的病毒性疾病。

示例用例

1) COVID-19 和其他病毒性疾病不成比例地影响弱势人群，例如熟练护理机构中的人群。这些居民中的许多人即使没有被 COVID-19 感染，也会在一个房间里独自度过几天到几周的时间。为了保护这些经常患有与 COVID-19 死亡率增加相关的慢性病并居住在近距离的居民，需要广泛的隔离协议和禁止访客进入（Gonzalez de Villaumbrosia 等人 2020）。然而，隔离本身也可能是有害的，特别是对于那些患有痴呆症或需要密切关注的高级需求的人。通过非侵入式可穿戴设备在专业护理机构的居民、工作人员和访客中检测无症状或早期病毒性疾病可能有助于确定隔离方案的目标。

2) 随着疫苗为人们聚集和旅行提供更多自由，一种暂时缓解的气氛正在浮现。然而，大型、拥挤的事件仍然构成风险，特别是当变异体出现并威胁疫苗效力时。建议使用我们设备的病毒性疾病可能性较低的用户可以通过获准参加音乐会、体育赛事、婚礼、会议等来轻松呼吸。

发展

nRF 连接 SDK

我们修改了示例项目按钮以开发读取传感器的代码。

要在 nRF Connect 中创建新项目，请单击 Toolchain Manager 行中的 Open（参见下图）。

在打开的窗口中，单击 nRF Connect SDK v1.5.1（见下图）。

在 nRF Connect Options 窗口中，选择如下图所示的选项。

在 nRF Connect Options 窗口中，选择如下图所示的选项。

现在将附加的代码复制到 main.c 文件并编译项目。

启用 I2C 设备，然后通过右键单击解决方案“按钮”打开项目中的文件夹。点击“在文件资源管理器中选择”，如下图所示。

从打开的文件夹中，移至按钮文件夹（参见下图）。

在按钮文件夹中打开 prj.conf 文件并插入以下代码行：

CONFIG_I2C=y

在以下视频中，您可以看到设备的启动阶段。显示的值是在空中读取的。

在下图中，您可以通过将手指放在 HR/SpO2 传感器上来查看读取的值。

不幸的是，用于将 MAX30102 模块传感器上的电线保持在一起的热胶会产生皮肤接触问题，因此下一步将为此传感器创建一个定制板。

MAXREFDES117 | 心率和脉搏血氧监测仪

MAXREFDES117# 参考设计是一款低功耗、光学心率监测器和脉搏血氧饱和度解决方案，配有集成红色和红外 LED 以及电源。

MAXREFDES117集成了一个MAX30102心率监测器和脉搏血氧仪、一个转换I2C电平的MAX14595和一个将输入电压转换为1.8V的MAX1921。

笔记。我们绕过了 MAX14595，因为它与 nRF5340DK 的 I2C 总线存在信号问题。

MAXREFDES117 与 nRF5340DK 的连接

我们已将 MAXREFDES117 模块连接到 nRF4340DK 以读取心率和脉搏血氧饱和度值：

• MAXREFDES117传感器模块的VIN焊盘连接到nRF5340DK的VDD引脚；
• MAXREFDES117 传感器模块的 GND 焊盘连接到 nRF5340DK 的 GND 引脚和 SparkFun 逻辑电平转换器 - 双向的 GND 引脚；
• MAX30102 传感器的 SDA 引脚连接到 SparkFun 逻辑电平转换器 - 双向的 LV2 引脚；
• MAX30102 传感器模块的 SCL 引脚连接到 SparkFun 逻辑电平转换器 - 双向的 LV1 引脚；
• MAX30102传感器模块的INT管脚接nRF5340DK的P0.09管脚；
• 来自 MAX1921 的 1.8V 连接到 SparkFun 逻辑电平转换器 - 双向的 LV 引脚。

固件&流程图

我们已经导入并修改了随 MAXREFDES117 模块提供的库。

附件是模块设置的流程图。

 

MLX90632 | 微型数字红外温度计

MLX90632 是一款采用表面贴装技术 (SMT) 的微型红外 (IR) 温度计 IC，尺寸仅为 3x3mm。医疗级版本。

为了使用传感器测量内耳温度，我们设计并制作了一个传感器模块原型。我们附上了模块的示意图。

MLX90632 模块与 nRF5340DK 的连接

我们已将 MLX90632 传感器模块连接到 nRF4340DK 以读取内耳的温度：

• MLX90632传感器模块的3V3焊盘接nRF5340DK的VDD管脚；
• MLX90632 传感器模块的 GND 焊盘连接到 nRF5340DK 的 GND 引脚（和 SparkFun 逻辑电平转换器的 GND 引脚 - 双向）；
• MLX90632 传感器模块的 SDA 焊盘连接到 SparkFun 逻辑电平转换器的 LV2 引脚 - 双向；
• MLX90632 传感器模块的 SCL 焊盘连接到 SparkFun 逻辑电平转换器 - 双向的 LV1 引脚。

固件流程图

附件是模块设置的流程图。

主循环

初始化板和传感器后，将执行无限 while (1) 循环，在此循环中读取 HR/SpO2 传感器，然后读取温度和按钮 1 的状态。

如果按下按钮 1，则 LED 1 亮起，松开时 LED 1 熄灭。

以下是我们系统的一些简短视频。

 

开发套件连接

我们已将 SparkFun 逻辑电平转换器 - 双向连接到 nRF4340DK 以转换 I2C 电平：

• SparkFun Logic Level Converter - Bi-Directional 的 HV 焊盘连接到 nRF5340DK 的 5V 引脚；
• SparkFun 逻辑电平转换器的 GND 焊盘 - 双向连接到 nRF5340DK 的 GND 引脚；
• SparkFun Logic Level Converter - Bi-Directional 的 HV1 焊盘连接到 nRF5340DK 的 P1.03 (SCL) 引脚；
• SparkFun 逻辑电平转换器的 HV2 焊盘 - 双向连接到 nRF5340DK 的 P1.02 (SDA) 引脚。

案子

未来发展

定义 GATT 和通过蓝牙交换数据的功能。

开发一个应用程序以通过蓝牙从设备收集数据。

为 nrf5340 设计一个定制板，可以集成耳机内部的所有东西。

制作用于容纳传感器和控制硬件的外壳原型。改善人体工程学和可用性。

建立在为预测疾病（例如 COVID-19）而开发的算法之上

如果我们赢得现金奖励，我们会将这些资金用于上述一项或多项活动。