張秀娟，程飛龍

（山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510）

隨著生活節(jié)奏的加快，人們面臨著各個方面的壓力，體質(zhì)普遍變差，各種疾病的發(fā)病率都呈現(xiàn)上升的趨勢[1]。與此同時，由于生活水平和健康意識的提高，人們對自身的健康問題有了更強(qiáng)的預(yù)防意識，需要經(jīng)常對自身的一些生命體征（例如體溫、心電等）進(jìn)行監(jiān)測，以防患于未然。此外，對于某些心血管疾病，由于其發(fā)病具有隱匿性的特點(diǎn)，因此對此類可疑發(fā)病人群進(jìn)行實(shí)時監(jiān)護(hù)的需求也在不斷增加。使用專用的醫(yī)療設(shè)備存在成本高、體積大，不便于攜帶等缺點(diǎn)，無法滿足人們對生命體征進(jìn)行實(shí)時測量的需要。

本儀器攜帶方便，僅需一個心電貼片就可以完成對人體心電信號、人體姿態(tài)和體溫?cái)?shù)據(jù)的檢測和采集，并可以通過藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)，可以成為遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的一個重要組成部分。同時本裝置體積小巧，使用鋰聚合物電池供電，能夠連續(xù)使用12 h以上，可以作為夜間無人看護(hù)的替代品。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本裝置是根據(jù)市場需求而研發(fā)的一款便攜式生命體征監(jiān)護(hù)儀，使用STM32為核心芯片，通過貼在人體表面的心電貼片上的兩個金屬電極采集人體表面的電信號，經(jīng)過濾波和放大處理后由A/D轉(zhuǎn)換得到人體心電信號。通過內(nèi)置的溫度傳感器和溫敏電阻來檢測人體體表溫度，通過加速度傳感器檢測人體姿態(tài)變化，可以在人體生命體征數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常突變時產(chǎn)生報警信號。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有一個8 MB的Flash，可以連續(xù)存儲超過12 h的生命體征數(shù)據(jù)，監(jiān)護(hù)儀采集到的生命體征數(shù)據(jù)可以通過藍(lán)牙模塊傳輸給手機(jī)或Pad等，數(shù)據(jù)在手機(jī)或Pad中經(jīng)處理和分析后可以通過屏幕進(jìn)行顯示，對異?，F(xiàn)象進(jìn)行報警處理，同時還可以通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。本裝置采用可充電的鋰聚合物電池供電，系統(tǒng)功耗較少，一次充電可以連續(xù)工作12 h以上，充電和監(jiān)護(hù)工作可以同時進(jìn)行。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 生命體征監(jiān)護(hù)儀的硬件設(shè)計(jì)

2.1 心電采集模塊設(shè)計(jì)

心電采集模塊主要采集人體體表的模擬電信號，并從中濾出人體心電信號。心電貼片上有2個金屬電極，通過采集兩電極之間的差分電壓，從而獲得心電信號。心電信號一般情況下非常微弱[2]，差分電壓的幅值約為10 μV～3 mV，典型值在 1 mV左右，信號的頻率主要集中在0.05 Hz～100 Hz之間。人體體表的電信號中通常還會伴隨有很多干擾信號，這些干擾信號主要是由電極與皮膚之間的接觸干擾、50 Hz工頻干擾和其他高頻干擾等組成，因此在設(shè)計(jì)電路時需要設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的放大器和濾波器，將有用信號準(zhǔn)確地送到A/D轉(zhuǎn)換引腳。

從心電貼片獲得的差分信號屬于高內(nèi)阻的微弱信號，前級采樣電路要使用高內(nèi)阻差分放大器，同時為了匹配兩個差分信號源的阻抗，兩個信號源的輸入電路要嚴(yán)格對稱。工頻干擾及通過其他途徑串?dāng)_進(jìn)來的干擾同屬于共模干擾，因此前級的差分放大器要具有較高的共模抑制比CMRR。本系統(tǒng)中使用AD623作為前級差分放大器。心電信號為雙極性信號，而使用的A/D轉(zhuǎn)換器為單極性轉(zhuǎn)換器。為了更好地滿足A/D轉(zhuǎn)換的線性規(guī)律，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有一個升壓電路，將靜態(tài)電壓抬升到VCC/3，以確保心電信號全部在0.2 V以上。AD623的放大倍數(shù)過大時會影響共模抑制比，因此通過配置外圍電路，將AD623的放大倍數(shù)設(shè)置為10倍，后級再設(shè)計(jì)100倍放大電路，系統(tǒng)心電采樣電路總放大倍數(shù)為1 000倍，可以將心電信號的幅值放大到1 V左右，方便A/D轉(zhuǎn)換器采樣，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率大于1 kHz。為濾除干擾信號，在采樣電路中設(shè)計(jì)有一個帶通濾波器，通帶頻率為0.05 Hz～100 Hz，此濾波器主要濾除高頻和低頻干擾。50 Hz工頻干擾屬于共模干擾，在系統(tǒng)中對心電信號的干擾比較大。本系統(tǒng)中使用50 Hz帶阻電路濾除，帶阻電路的傳遞函數(shù)[3]為，中心頻率，Q值為，Q值越大，帶阻效果越好。心電采樣電路如圖2所示。

2.2 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

藍(lán)牙技術(shù)[4]是當(dāng)今全球普遍使用的一種短距離無線通信技術(shù)，藍(lán)牙的工作頻率為2.4 GHz，并采取了跳頻技術(shù)，避免與其他無線通信系統(tǒng)出現(xiàn)相互干擾。在藍(lán)牙設(shè)備的工作范圍內(nèi)，藍(lán)牙設(shè)備可以主動監(jiān)測其他藍(lán)牙設(shè)備，并由用戶決定是否進(jìn)行連接。根據(jù)發(fā)射功率的不同，藍(lán)牙設(shè)備又可以分為不同的等級，由大到小分別為class1～class4，本系統(tǒng)中使用的功率等級為class2，最大傳輸距離為10 m，可以工作在點(diǎn)對點(diǎn)或者一點(diǎn)對多點(diǎn)的工作方式。在本系統(tǒng)中使用BC417作為藍(lán)牙主控芯片，通過串口與STM32進(jìn)行通信，藍(lán)牙模塊內(nèi)部具有內(nèi)嵌的協(xié)議棧，并建立了SPP應(yīng)用框架允許藍(lán)牙設(shè)備工作在透傳模式，系統(tǒng)主控芯片與藍(lán)牙模塊之間采取AT命令的形式進(jìn)行協(xié)議通信，允許用戶設(shè)定串口發(fā)送的波特率。藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3 姿態(tài)、溫度采集和存儲模塊設(shè)計(jì)

溫度是人體生命體征的一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中使用溫度傳感器和溫敏電阻兩種方式來檢測體溫，溫度傳感器選用12 bit模式，可以精確到0.1℃。溫度傳感器與系統(tǒng)主控制器之間采用I2C總線進(jìn)行通信。溫敏電阻采樣是通過電阻分壓的形式，溫度改變時輸送到主控制器A/D轉(zhuǎn)換引腳的電壓也改變，通過計(jì)算可以得到被測溫度。系統(tǒng)可以存儲采集到的溫度數(shù)據(jù)，也可以實(shí)時地通過藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲采用一個8 MB的Flash來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)沒有藍(lán)牙設(shè)備與本儀器進(jìn)行連接時，系統(tǒng)會自動地將采集到的數(shù)據(jù)按照一定的編碼順序進(jìn)行存儲。Flash存儲器的讀寫次數(shù)一般為10萬次，為了延長Flash存儲器的使用壽命，系統(tǒng)主控制器采集到的數(shù)據(jù)先會在內(nèi)部RAM中緩存，存儲到一定量的數(shù)據(jù)后再寫進(jìn)Flash。

圖3 藍(lán)牙模塊電路

人體姿態(tài)采樣主要是針對老年人或者小孩的監(jiān)護(hù)，當(dāng)被監(jiān)護(hù)人意外摔倒或者出現(xiàn)異常的姿態(tài)時，系統(tǒng)就會通過上位機(jī)軟件進(jìn)行報警，異常的判斷和處理是通過安裝有分析軟件的手機(jī)或者平板電腦來完成。姿態(tài)的采樣是通過加速度傳感器來實(shí)現(xiàn)，通過計(jì)算重力加速度可以計(jì)算出設(shè)備與水平面的傾斜角度，并可以通過XYZ三維數(shù)據(jù)的變化計(jì)算設(shè)備運(yùn)動的方式。系統(tǒng)溫度、姿態(tài)采集和存儲器電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用STM32作為主控制器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一個按鍵，當(dāng)系統(tǒng)不工作時，系統(tǒng)中所有器件處于斷電狀態(tài)，電池停止向外供電。系統(tǒng)按鍵按下超過3 s，CPU使能系統(tǒng)供電使能引腳，此時松開按鍵，系統(tǒng)開始正常工作。若按鍵按下時間小于3 s，則系統(tǒng)供電使能信號沒有觸發(fā)，無法完成上電工作，此設(shè)計(jì)是用來防止用戶誤操作。系統(tǒng)上電初始化完成后即開始采樣心電、溫度和姿態(tài)數(shù)據(jù)，并判斷是否有外部藍(lán)牙設(shè)備與其連接，當(dāng)有外部藍(lán)牙設(shè)備與其連接時，系統(tǒng)會主動判斷發(fā)送實(shí)時數(shù)據(jù)或者歷史記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送完成或者外部藍(lán)牙設(shè)備斷開連接時，系統(tǒng)仍會繼續(xù)采樣數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲進(jìn)系統(tǒng)Flash內(nèi)部。在系統(tǒng)運(yùn)行中，若按鍵按下超過5 s，則系統(tǒng)會認(rèn)為用戶是需要停止使用，便會保存必須的數(shù)據(jù)，并禁止電池繼續(xù)為系統(tǒng)器件供電。系統(tǒng)主流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主流程圖

4 測試結(jié)果

圖4 溫度、姿態(tài)和存儲電路

本系統(tǒng)與安裝有分析軟件程序的手機(jī)配合使用，可以清楚地看到被監(jiān)護(hù)人的心跳波形、每分鐘的心跳數(shù)、人體體表溫度信息和被監(jiān)護(hù)人的姿態(tài)信息。手機(jī)安裝軟件可以分析[5]心跳波形的特征，對于心跳漏搏和心臟二連跳等異常信號能及時做出相應(yīng)的報警。心電信號經(jīng)過軟件和硬件兩層濾波設(shè)計(jì)[6-7]，可以清晰地看到干凈、無毛刺的心電信號。系統(tǒng)界面中實(shí)時地顯示人體的溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度過高或者過低時，系統(tǒng)會通過相應(yīng)的方式進(jìn)行報警。姿態(tài)界面用一個卡通人物形象表示被監(jiān)護(hù)人的實(shí)時姿態(tài)。系統(tǒng)還可以為每個監(jiān)護(hù)儀設(shè)置獨(dú)有的編號或者用戶名，方便多個監(jiān)護(hù)儀組網(wǎng)使用。

本系統(tǒng)具有使用方便、操作簡單、低功耗和體積較小等特點(diǎn)。通過生命體征監(jiān)護(hù)儀可以實(shí)時地采集被監(jiān)護(hù)人的各項(xiàng)基本生命體征數(shù)據(jù)，也可以通過記錄文件獲取在過去一段時間內(nèi)被監(jiān)護(hù)人的生命體征數(shù)據(jù)。生命體征監(jiān)護(hù)儀充電一次可以連續(xù)使用12 h以上，并能夠連續(xù)存儲超過12 h的記錄文件。通過安裝軟件可以形象地顯示采集到的生命體征數(shù)據(jù)。經(jīng)大量樣本采樣實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)完全能夠完成生命體征數(shù)據(jù)的監(jiān)護(hù)，為臨床醫(yī)療或者家庭看護(hù)提供基礎(chǔ)性的研究。系統(tǒng)的不足之處是還需要提高心電的模/數(shù)轉(zhuǎn)換速率，缺少對人體呼吸參數(shù)的采集和監(jiān)護(hù)。在后期研究中還可以集成更多的通信方式，使系統(tǒng)更加靈活。

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