尹繼武， 付 奎

(1.陜西理工大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系， 陜西 漢中 723000)

近年來，我國社會老齡化程度越來越高，亞健康人口規(guī)模不斷擴大，心血管疾病人群數(shù)量不斷攀升，人們對心血管疾病的預(yù)防與監(jiān)測越來越重視。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，心電監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)成為醫(yī)生診斷心臟疾病的主要手段[1-5]，在醫(yī)院和家庭中應(yīng)用越來越廣泛。

近年，我國在可穿戴式心電監(jiān)測設(shè)備研究方面取得了很大成就，但現(xiàn)有的生理檢測儀價格比較昂貴，測量數(shù)據(jù)單一，需要專門的醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行操作。所以設(shè)計一款操作比較方便，能及時測量人體各種參量的生理監(jiān)護(hù)設(shè)備顯得尤為重要[6-10]。本文提出了一種基于STM32單片機的生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時記錄患者的脈搏、血壓、血氧等生理參數(shù)，可以在心率、血壓異常時報警，并能在計算機上實時顯示用戶的健康數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成，上位機工作為LabVIEW連接PC機串口，讀取藍(lán)牙發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，提取出各項生理數(shù)據(jù)，以圖形和數(shù)據(jù)的方式直觀地顯示在上位機界面上。同時將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線模塊，由無線模塊將數(shù)據(jù)傳送至PC上位機，可實時顯示脈搏曲線、心率、血壓以及其他生理數(shù)據(jù)，并具有參數(shù)異常時報警指示的功能。下位機包括脈搏檢測、血壓檢測、單片機控制及其他外設(shè)交互部分。無線生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)采用STM32作為核心控制器件，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過STM32進(jìn)行運算分析處理后，轉(zhuǎn)化為心率、血壓值，將各項參數(shù)顯示在LED液晶屏上，并實時檢測各項參數(shù)是否正常，如果不正常則驅(qū)動報警電路進(jìn)行報警指示并驅(qū)動液晶屏顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。STM32對得到的生理數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后通過串口將數(shù)據(jù)包傳輸給無線藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊則將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絇C端。使用SFH7050傳感器采集心臟搏動信號，然后經(jīng)過AD8552運算放大器進(jìn)行濾波放大，并送入單片機進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。血壓檢測是通過單片機控制袖帶充放氣，然后用XGZP101SB1獲取袖帶壓力值，由于壓力傳感器輸出的是差分信號，因此通過差分放大并濾波后，送入單片機的A/D轉(zhuǎn)換模塊。整個系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

1.1 SFH7050的脈搏信號采集電路

系統(tǒng)采用芯片SFH7050來測量脈搏信號，進(jìn)而得出心率、血氧濃度等生理參數(shù)，SFH7050耗能少，適合集成到健身臂帶、智能手表或智能手機中。其測量原理是利用血液對光的吸收導(dǎo)致輸出電壓變化進(jìn)行測量。該傳感器集成了綠光、紅光、紅外LED各一顆，同時集成了一顆光電二極管，檢測器記錄反射回來的光強量轉(zhuǎn)化為電流信號大小的變化，信號的周期可指示出脈率。三種LED用于身體不同部位測量，如果傳感器夾在手指，紅外光和紅光交替變化，通過反射回來不同的光電信號可以計算出血氧的飽和度。傳感器電路在每只發(fā)光二極管串聯(lián)一個510 Ω的電阻用來限流，信號由PC引腳輸出，通過電容耦合到運放的輸入端。SFH7050傳感器電路如圖2所示。

圖2 SFH7050傳感器電路

圖3 血壓信號放大電路

1.2 血壓信號放大電路設(shè)計

血壓信號放大電路是把XGZP101SB1傳感器輸出的微弱差分信號進(jìn)行放大，輸出放大的信號要能滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換使用STM32內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊，所以要求放大器的輸出為0～3.3 V。為了測量的準(zhǔn)確性，放大電路設(shè)計時應(yīng)保證輸入級是高阻抗，輸出級是低阻抗，需要有高的抑制共模干擾的能力，設(shè)計中采用AD620儀表放大器進(jìn)行了有效設(shè)計[11-16]。設(shè)計放大電路如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括單片機下位機程序編寫和上位機LabVIEW程序設(shè)計。下位機部分主要有生理信號的采集處理程序，心率、血氧、血壓等參數(shù)的計算，通信協(xié)議設(shè)計，STM32主控以及相關(guān)外圍設(shè)備的驅(qū)動程序設(shè)計，還包括LED液晶屏顯示模塊、FLASH存儲模塊、藍(lán)牙無線通信模塊等。上位機軟件部分主要是波形顯示、生理參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示等。

生理參數(shù)檢測需要測量多項生理數(shù)據(jù)，針對不同的生理信號，可以采取不同的編程算法。設(shè)計中對脈搏、血氧、血壓3種生理信號進(jìn)行了采集。脈搏、血氧信號采集采用同一個SFH7050光電傳感器，可以滿足脈搏和血氧的同時測量。采集到的信號通過放大電路進(jìn)行放大和濾波電路對噪聲濾除后，送入STM32的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊通道0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，按照相應(yīng)的算法進(jìn)行處理得到相應(yīng)的脈搏值。

血氧飽和度就是氧和血紅蛋白在動脈血液中所占的百分比。血氧信號采集的工作原理是STM32驅(qū)動血氧探頭兩個LED光源交替發(fā)出紅光、紅外光和暗光三種狀態(tài)透過手指，透過手指的光強變化由光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號變化，并將此電信號經(jīng)過運算放大器放大濾波后送到STM32的AD0通道中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)即為血氧脈搏波形數(shù)據(jù)。測量程序采用定時中斷，先點亮紅燈，等其穩(wěn)定后開始采集脈沖，當(dāng)采集完8次后停止采集，然后對這8次數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波處理而得到了原始的紅光信號電壓值vs_heart_signal。為了得到交流信號AC，需要先得到直流信號，這里采用以下算法：

u32 dc_estimator(register u32 *p, register u32 x)

{

*p+=((((u32)x<<16)-*p)>>5);return(*p>>16);

}

對其進(jìn)行數(shù)字跟隨，然后通過vs_heart_signal-dc_estimator，即可得到交流信號分量vs_heart_signal_ac。同理，紅光轉(zhuǎn)換完成后開紅外光LED得到ir_heart_signal_ac，計算這兩個信號的平均功率之比，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合可以得到血氧飽和度的關(guān)系。血氧信號采集的血氧測量程序流程如圖4所示。

對血壓的測量采用經(jīng)典的示波法，就是將充氣袖利用綁帶綁在手臂上進(jìn)行測量，通過程序?qū)獗玫臍忾y控制來對袖帶進(jìn)行充放氣。軟件設(shè)計中采取按鍵中斷的方式進(jìn)行血壓信號的采集處理，軟件流程為檢測血壓測量按鍵是否按下，按下后系統(tǒng)調(diào)用血壓測試程序，測量完成后，將測量好的血壓數(shù)據(jù)打包進(jìn)行傳輸。血壓測量子程序運行流程為：測量開始，首先STM32控制氣泵啟動，給袖帶充氣，加壓到最大值，然后控制電磁閥，慢慢泄放袖帶的壓力并測量監(jiān)視壓力傳感器讀數(shù)，當(dāng)讀數(shù)出現(xiàn)明顯跳動(與心跳同步的波動)時，此時氣囊的壓力平均值就是收縮壓；然后繼續(xù)泄放袖帶壓力并監(jiān)視壓力傳感器,當(dāng)讀數(shù)波動剛剛完全消失的時候,此時袖帶的壓力就是血壓舒張壓。血壓測量程序如圖5所示。

圖4 血氧測量程序流程圖 圖5 血壓測量程序流程圖

3 系統(tǒng)的測試與分析

通過對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，對整個系統(tǒng)以及各個子模塊進(jìn)行功能測試和分析。用串口線連接檢測系統(tǒng)和PC機。使用J-LINK仿真器調(diào)試系統(tǒng)是否能正常運行,測量生理參數(shù)能否正常監(jiān)測。選擇波形選項查看脈搏波形圖可以在發(fā)送終端上看到圖6(a)，如果選擇血壓測試界面則如圖6(b)所示。

(a)脈搏波形圖 (b)血壓測試圖圖6 上位機測試界面

通過上位機可以讀取測試者的血氧、心率及血壓的生理參數(shù)。通過和標(biāo)準(zhǔn)儀器對比可以得到誤差范圍都在2.5%之內(nèi)。經(jīng)數(shù)據(jù)分析證明該系統(tǒng)具有很好的醫(yī)學(xué)儀器的一致性。測試結(jié)果如表1所示。

表1 生理參量數(shù)據(jù)分析

4 結(jié) 論

本文實現(xiàn)了一種基于STM32的生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能測量人體脈搏、心率、血氧濃度及血壓等生理參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，然后顯示、存儲并無線傳輸，傳輸采用藍(lán)牙無線傳輸方式。通過專用醫(yī)學(xué)監(jiān)測儀測量，系統(tǒng)和現(xiàn)有的醫(yī)用設(shè)備具有良好的一致性。該系統(tǒng)具有實時、便攜、性價比高、操作簡單等特點，可以方便監(jiān)測人體各項生理參數(shù)，能夠有效地觀察和預(yù)防疾病。