張秀娟，程飛龍

（山東科技大學 信息科學與工程學院，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的預防意識，需要經常對自身的一些生命體征（例如體溫、心電等）進行監(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，因此對此類可疑發(fā)病人群進行實時監(jiān)護的需求也在不斷增加。使用專用的醫(yī)療設備存在成本高、體積大，不便于攜帶等缺點，無法滿足人們對生命體征進行實時測量的需要。

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)和體溫數(shù)據(jù)的檢測和采集，并可以通過藍牙傳輸數(shù)據(jù)，可以成為遠程醫(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的替代品。

1 整體方案設計

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，經過濾波和放大處理后由A/D轉換得到人體心電信號。通過內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)異常突變時產生報警信號。系統(tǒng)中設計有一個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)護儀采集到的生命體征數(shù)據(jù)可以通過藍牙模塊傳輸給手機或Pad等，數(shù)據(jù)在手機或Pad中經處理和分析后可以通過屏幕進行顯示，對異常現(xiàn)象進行報警處理，同時還可以通過無線網絡將數(shù)據(jù)上傳到網絡服務器。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)護工作可以同時進行。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

2 生命體征監(jiān)護儀的硬件設計

2.1 心電采集模塊設計

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，因此在設計電路時需要設計性能優(yōu)良的放大器和濾波器，將有用信號準確地送到A/D轉換引腳。

從心電貼片獲得的差分信號屬于高內阻的微弱信號，前級采樣電路要使用高內阻差分放大器，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格對稱。工頻干擾及通過其他途徑串擾進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轉換器為單極性轉換器。為了更好地滿足A/D轉換的線性規(guī)律，在本系統(tǒng)中設計有一個升壓電路，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)設置為10倍，后級再設計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轉換器采樣，A/D轉換器的采樣頻率大于1 kHz。為濾除干擾信號，在采樣電路中設計有一個帶通濾波器，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 藍牙模塊設計

藍牙技術[4]是當今全球普遍使用的一種短距離無線通信技術，藍牙的工作頻率為2.4 GHz，并采取了跳頻技術，避免與其他無線通信系統(tǒng)出現(xiàn)相互干擾。在藍牙設備的工作范圍內，藍牙設備可以主動監(jiān)測其他藍牙設備，并由用戶決定是否進行連接。根據(jù)發(fā)射功率的不同，藍牙設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，可以工作在點對點或者一點對多點的工作方式。在本系統(tǒng)中使用BC417作為藍牙主控芯片，通過串口與STM32進行通信，藍牙模塊內部具有內嵌的協(xié)議棧，并建立了SPP應用框架允許藍牙設備工作在透傳模式，系統(tǒng)主控芯片與藍牙模塊之間采取AT命令的形式進行協(xié)議通信，允許用戶設定串口發(fā)送的波特率。藍牙模塊電路設計如圖3所示。

2.3 姿態(tài)、溫度采集和存儲模塊設計

溫度是人體生命體征的一項重要數(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轉換引腳的電壓也改變，通過計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)，也可以實時地通過藍牙發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲采用一個8 MB的Flash來實現(xiàn)，當沒有藍牙設備與本儀器進行連接時，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)先會在內部RAM中緩存，存儲到一定量的數(shù)據(jù)后再寫進Flash。

圖3 藍牙模塊電路

人體姿態(tài)采樣主要是針對老年人或者小孩的監(jiān)護，當被監(jiān)護人意外摔倒或者出現(xiàn)異常的姿態(tài)時，系統(tǒng)就會通過上位機軟件進行報警，異常的判斷和處理是通過安裝有分析軟件的手機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現(xiàn)，通過計算重力加速度可以計算出設備與水平面的傾斜角度，并可以通過XYZ三維數(shù)據(jù)的變化計算設備運動的方式。系統(tǒng)溫度、姿態(tài)采集和存儲器電路如圖4所示。

3 軟件設計

本系統(tǒng)使用STM32作為主控制器，系統(tǒng)設計有一個按鍵，當系統(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，此設計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牙設備與其連接，當有外部藍牙設備與其連接時，系統(tǒng)會主動判斷發(fā)送實時數(shù)據(jù)或者歷史記錄數(shù)據(jù)。當發(fā)送完成或者外部藍牙設備斷開連接時，系統(tǒng)仍會繼續(xù)采樣數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲進系統(tǒng)Flash內部。在系統(tǒng)運行中，若按鍵按下超過5 s，則系統(tǒng)會認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配合使用，可以清楚地看到被監(jiān)護人的心跳波形、每分鐘的心跳數(shù)、人體體表溫度信息和被監(jiān)護人的姿態(tài)信息。手機安裝軟件可以分析[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的報警。心電信號經過軟件和硬件兩層濾波設計[6-7]，可以清晰地看到干凈、無毛刺的心電信號。系統(tǒng)界面中實時地顯示人體的溫度數(shù)據(jù)，當溫度過高或者過低時，系統(tǒng)會通過相應的方式進行報警。姿態(tài)界面用一個卡通人物形象表示被監(jiān)護人的實時姿態(tài)。系統(tǒng)還可以為每個監(jiān)護儀設置獨有的編號或者用戶名，方便多個監(jiān)護儀組網使用。

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。通過生命體征監(jiān)護儀可以實時地采集被監(jiān)護人的各項基本生命體征數(shù)據(jù)，也可以通過記錄文件獲取在過去一段時間內被監(jiān)護人的生命體征數(shù)據(jù)。生命體征監(jiān)護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)。經大量樣本采樣實驗證明，本系統(tǒng)完全能夠完成生命體征數(shù)據(jù)的監(jiān)護，為臨床醫(yī)療或者家庭看護提供基礎性的研究。系統(tǒng)的不足之處是還需要提高心電的模/數(shù)轉換速率，缺少對人體呼吸參數(shù)的采集和監(jiān)護。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。

[1]周兵，紀曉亮.基于ARM技術的便攜式心電監(jiān)護儀的設計[J].電子測量技術，2009，32(4)：80-86.

[2]Zou Yongning，Guo Zhenyu.A palm pilot based pocket ECG recorder[C].2000 IEEE MBS International Conference on，2000：110-112.

[3]華成英，童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]陳軼煒，張永紅，白凈.基于藍牙通訊的便攜式心電監(jiān)護儀的研制[J].北京生物醫(yī)學工程，2008，27(2)：173-177.

[5]羅超，景林，易金聰.基于 STM32的便攜式海量溫度記錄儀設計[J].電子技術應用，2012，38(12)：83-86.

[6]王金鳳，李濤，孫漫漫.基于STM32處理的表面肌電無線采集裝置設計[J].電子技術應用，2012，38(7)：78-83.

[7]LAGUNA P.Automatic detection of wave boundaries in multi-lead ECG signal validation with the CSE database[J].Comput&Biomed Res，1994，27(1)：45-60.