呼吸道病毒疾病的早期檢測

描述

介紹

COVID-19 對全球造成了毀滅性的影響。它之所以迅速傳播，很大程度上是因為許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擁抱、親吻甚至只是坐下來互相交談將疾病傳染給親人（Pollock 等人，2020 年）。事實上，多達 20% 的 COVID-19 患者可能沒有癥狀，甚至更多是出現(xiàn)癥狀前的。這一事實的發(fā)現(xiàn)導致公共衛(wèi)生官員建議采取封鎖措施，導致我們中的許多人被隔離在家中。識別無癥狀和有癥狀的個體可能有助于針對公共衛(wèi)生干預措施并限制疾病的傳播。

體溫篩查已成為檢測無癥狀和癥狀前個體的常用方法，允許進入餐館、酒吧和機場。然而，在單個時間點測量體溫作為一種篩查方法不夠靈敏，檢測到的 COVID-19 病例中只有不到五分之一（Mitra 等人，2020 年）。此外，已知體溫會根據(jù)記錄位置（口腔、腋窩、皮膚、顳葉）、一天中的時間和年齡而變化（Levander 等人 2017）。

可穿戴傳感器提供了通過在一天中的多個點測量生物標志物來檢測感染的早期生理跡象的機會。這允許對生理變化進行個性化檢測（檢測與個體基線相比的異常與基于“一刀切”閾值的異常定義）。事實上，一些團體發(fā)現(xiàn)智能手表上可用的數(shù)據(jù)，如心率 (HR)、與活動相關的心率、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血管床，用于監(jiān)測耳垂的脈搏血氧飽和度，并更接近內(nèi)耳的核心溫度。此外，可聽設備市場正在增長（Hunn 2020）。在這里，我們重點介紹了可穿戴設備原型的創(chuàng)建，該設備利用理想的解剖位置來收集這些額外的數(shù)據(jù)類型，以更高的敏感性和特異性預測早發(fā)性或無癥狀的病毒性疾病。

示例用例

1) COVID-19 和其他病毒性疾病不成比例地影響弱勢人群，例如熟練護理機構中的人群。這些居民中的許多人即使沒有被 COVID-19 感染，也會在一個房間里獨自度過幾天到幾周的時間。為了保護這些經(jīng)常患有與 COVID-19 死亡率增加相關的慢性病并居住在近距離的居民，需要廣泛的隔離協(xié)議和禁止訪客進入（Gonzalez de Villaumbrosia 等人 2020）。然而，隔離本身也可能是有害的，特別是對于那些患有癡呆癥或需要密切關注的高級需求的人。通過非侵入式可穿戴設備在專業(yè)護理機構的居民、工作人員和訪客中檢測無癥狀或早期病毒性疾病可能有助于確定隔離方案的目標。

2) 隨著疫苗為人們聚集和旅行提供更多自由，一種暫時緩解的氣氛正在浮現(xiàn)。然而，大型、擁擠的事件仍然構成風險，特別是當變異體出現(xiàn)并威脅疫苗效力時。建議使用我們設備的病毒性疾病可能性較低的用戶可以通過獲準參加音樂會、體育賽事、婚禮、會議等來輕松呼吸。

發(fā)展

nRF 連接 SDK

我們修改了示例項目按鈕以開發(fā)讀取傳感器的代碼。

要在 nRF Connect 中創(chuàng)建新項目，請單擊 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。

在 nRF Connect Options 窗口中，選擇如下圖所示的選項。

現(xiàn)在將附加的代碼復制到 main.c 文件并編譯項目。

啟用 I2C 設備，然后通過右鍵單擊解決方案“按鈕”打開項目中的文件夾。點擊“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，您可以看到設備的啟動階段。顯示的值是在空中讀取的。

在下圖中，您可以通過將手指放在 HR/SpO2 傳感器上來查看讀取的值。

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產(chǎn)生皮膚接觸問題，因此下一步將為此傳感器創(chuàng)建一個定制板。

MAXREFDES117 | 心率和脈搏血氧監(jiān)測儀

MAXREFDES117# 參考設計是一款低功耗、光學心率監(jiān)測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MAX30102心率監(jiān)測器和脈搏血氧儀、一個轉(zhuǎn)換I2C電平的MAX14595和一個將輸入電壓轉(zhuǎn)換為1.8V的MAX1921。

筆記。我們繞過了 MAX14595，因為它與 nRF5340DK 的 I2C 總線存在信號問題。

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)導入并修改了隨 MAXREFDES117 模塊提供的庫。

附件是模塊設置的流程圖。

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MLX90632 | 微型數(shù)字紅外溫度計

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

為了使用傳感器測量內(nèi)耳溫度，我們設計并制作了一個傳感器模塊原型。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

附件是模塊設置的流程圖。

主循環(huán)

初始化板和傳感器后，將執(zhí)行無限 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 LED 1 熄滅。

以下是我們系統(tǒng)的一些簡短視頻。

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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

未來發(fā)展

定義 GATT 和通過藍牙交換數(shù)據(jù)的功能。

開發(fā)一個應用程序以通過藍牙從設備收集數(shù)據(jù)。

為 nrf5340 設計一個定制板，可以集成耳機內(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。改善人體工程學和可用性。

建立在為預測疾?。ɡ?COVID-19）而開發(fā)的算法之上

如果我們贏得現(xiàn)金獎勵，我們會將這些資金用于上述一項或多項活動。

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