陳真誠，陳志高,劉善劍,徐北平，朱健銘

(1. 桂林電子科技大學 生命與環(huán)境科學學院, 廣西 桂林　541004;2. 桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院, 廣西 桂林　541004)

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基于ARM11的無創(chuàng)心血管健康評估系統設計

陳真誠1，陳志高2,劉善劍2,徐北平2，朱健銘1

(1. 桂林電子科技大學 生命與環(huán)境科學學院, 廣西 桂林541004;2. 桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院, 廣西 桂林541004)

為了使用低成本、無創(chuàng)傷且易操作的方法評估人體心血管的健康狀況，設計一個基于ARM11(S3C6410)的無創(chuàng)心血管健康評估系統,該系統由無創(chuàng)心血管參數檢測探頭、嵌入式人機交互平臺和內嵌的健康評估模型3個部分組成;基于能量代謝守恒法、指端容積脈搏波檢測等研制出無創(chuàng)檢測探頭,用于測量血壓、血流速度和血糖等人體參數,采用藍牙4.0設備將數據傳輸至嵌入式人機交互平臺,數據經改進后的國人缺血性心血管病(ICVD)10年發(fā)病危險評估模型得出健康評估結果;實驗結果表明該方法所得評估結果和微創(chuàng)真值經原始ICVD評估模型所得評估結果的Pearson相關系數為0.91(Spearman相關系數為0.891)，說明該方法是可行的。

心血管健康評估；人機交互平臺；無創(chuàng)檢測

0　引言

心血管病是當今世界致死率極高的病癥之一，進行心血管健康評估是預防該病的重要手段[1-3]。國家“十五”攻關“冠心病、腦卒中綜合危險度評估及干預方案的研究”[4]采用英國統計學家D.R.Cox[5]提出的Cox比例風險模型, 同時考慮到我國心血管病“冠心病相對低發(fā)、腦卒中相對高發(fā)”[6]的特點,以年齡、收縮壓、體重指數(BMI)、血清總膽固醇(TC)、是否糖尿病和是否吸煙等危險因素為自變量, 以缺血性心血管病事件為因變量,擬合出了較好的適用于中國人的心血管病綜合危險評估工具[5]。目前,獲取上述生理信息的方法主要是問卷調查結合有創(chuàng)抽血化驗[2]。如果基于該心血管病綜合危險評估工具開發(fā)一個便攜式的無創(chuàng)心血管健康評估系統,可以方便國民獲取自身的心血管健康狀況,一方面可以避免抽血帶來的創(chuàng)傷痛苦與感染風險,另一方面無需醫(yī)療化驗，可以降低檢測成本,具有很高的市場應用價值。

Cho ok kyung等人提出了代謝熱整合法，在此基礎上桂林電子科技大學陳真誠等人提出了能量代謝守恒法[7],指出血糖值和指端熱交換代謝率M，血氧飽和度SPO2，血流速度BF和心率HR之間存在如下函數關系(式(1)中的c為常數)：

GLU=F1( M，SPO2，BF，HR，c)

(1)

Hiroshi等人通過對容積脈搏波進行二次、三次微分[8]后得到的加速脈搏波波形進行研究,該研究結果顯示加速脈搏波能比較有效的反映和預測血液循環(huán)系統功能，梁永波等在此基礎上給出了一種無創(chuàng)無袖套連續(xù)血壓測量方法。

根據國民體質與健康數據庫[9]2006年到2011年的數據(樣本1萬例以上)得出,男性BMI和總膽固醇的spearman相關系數為0.443,女性BMI和總膽固醇的spearman相關系數為0.389,人體的BMI和總膽固醇具有中等相關性。在不需要知道總膽固醇具體數值的情況下，可以通過BMI推斷總膽固醇的大致范圍，這樣可能帶來一定誤差，但是能換來便捷性。

1　系統總體設計

無創(chuàng)心血管健康評估系統融合了嵌入式技術、無創(chuàng)血糖檢測技術以及容積脈搏波檢測技術,前端用無創(chuàng)檢測探頭采集人體的血糖、血氧飽和度、血壓及血流速度等心血管參數,通過藍牙4.0模塊將數據傳輸至基于S3C6410的嵌入式人機交互終端,可供輸入性別、年齡、身高、體重、是否吸煙等信息,經內嵌的評估模型運算后給出人體心血管健康評估結果。系統結構圖如圖1所示。

圖1　無創(chuàng)心血管健康評估系統結構圖

2　系統硬件平臺設計

1)嵌入式平臺硬件設計：

該系統的控制核心采用三星公司的S3C6410處理器。外置2 G的SD卡用于存儲大量心血管生理參數數據。外接4.3寸TFT帶觸摸屏液晶,可通過手寫筆進行各項操作。本系統的嵌入式平臺硬件構成如圖2所示。

圖2　嵌入式平臺硬件構成

2)無創(chuàng)檢測探頭硬件設計：

在現有光電容積脈搏波檢測電路[8]的基礎上做出改進，引入自適應光強調節(jié)功能，克服了以往因人體運動、手指抖動和自然光照變化所帶來的環(huán)境影響，并引入多級放大濾波電路，能得到更純凈的前端信號。此外集成了用于無創(chuàng)血糖檢測的傳感器[7]，在其基礎上改用更高精度、更靈敏的溫濕度傳感器SI7005，避免了之前的信號滯后性問題，并引入智能電源管理芯片AXP173，可獨立控制四路電源輸出，解決了因電源熱散失從而影響指端代謝率提取不夠準確的問題。無創(chuàng)檢測探頭硬件構成如圖3所示。

圖3　無創(chuàng)檢測探頭硬件構成

因心臟射血，從而引起血液和血管壁之間振蕩，這一生理現象體現在人體指端處，當手指放入探頭腔體內，單片機通過內部12位DA模塊和外置H橋驅動電路驅動位于手指下表面的光電發(fā)射LED交替發(fā)出660納米紅光和920納米紅外光，因為手指皮肉及血液成分會吸收一部分發(fā)射光，發(fā)射光透過手指后的那部分光被位于手指上表面的光電接收LED捕獲，而所捕獲的信號中0.6～18 Hz的交流信號為有用信號，如脈搏波等，能反應人體的血氧、脈搏和血糖等生理情況，這些信號以電流的方式表現出來。經第一級放大電路后，信號被放大的同時也被轉換成毫伏級電壓信號，反饋給單片機，單片機通過內部的12位AD模塊采集到其中的直流信號，判斷信號的可用性，用于調整發(fā)射LED的光照強度。隨后信號通過截止頻率為0.6 HZ的交流高通濾波，同時隔斷直流信號，再經過18 HZ的低通濾波，得到最終的有用信號，再經放大，有用信號在1～3 V之間，單片機通過另一路AD采集到該有用信號用于數據處理。

基于以上思路每2 ms采集1個數據點，一共采集1 000個數據點，從而得到高分辨率脈搏波形，根據“脈搏波傳導時間(PWTT)和動脈血壓之間呈線性相關”[8]這一原理可以得到收縮壓PS，如式(2)所示，其中PWTT可由波形分析提取可得，C1和C2為常數。

PS=C1-C2* PWTT

(2)

根據無創(chuàng)血糖檢測原理及其傳感器設計[7]，將所采集到的信號綜合處理后還可獲得心率、血氧飽和度、及血流速度等參數。另外通過溫濕度傳感器(SI7005)、輻射傳感器(A2TPMI)等檢測人體手指與環(huán)境之間熱交換的數據，進而得到指端代謝率，最終得到血糖值。

3)藍牙4.0通信模塊硬件設計：

為了使終端和探頭之間進行實時通信，根據CC2540數據手冊自行設計藍牙模塊電路，電路如圖4所示。該模塊對CC2540的模擬電源輸入端和數字電源輸入端進行分離濾波，能有效抑制1 M以下噪聲信號，且實測功耗僅1.2 μA。S3C6410和MSP430單片機可以分別通過UART接口與其連接，實現無線通信，在特定波特率下的通信準確率達99%。

圖4　藍牙4.0模塊電路

3　健康評估模型改進與軟件設計

1)健康評估模型改進：

國家“十五”攻關“冠心病、腦卒中綜合危險度評估及干預方案的研究”課題組[4]開發(fā)的“ICVD事件10年發(fā)病危險預測模型和簡易評估工具”使用評估表方式呈現,結合現有的指端無創(chuàng)技術,并考慮便捷性,對該工具模型進行如下幾點改進：(1)改進后將 “性別”這一危險因素提升至主要因素,將男女兩種評估方式整合成一種；(2) 對于“年齡”這一危險因素,該工具特別適用于年齡段35～59歲人群,參照中國心血管病防治信息網[10]給出的權威做法,對于小于35歲受測人群,相應的打分及結果比對與年齡段“35～39”歲標準一致；(3)將危險因素“體重指數(BMI)”拆分成“身高”和“體重”兩個危險因素,靠系統內部計算出BMI；(4)將“是否糖尿病”替換成“餐后2小時血糖值”,將餐后2小時血糖值≤7.8 mmol/L視為正常,反之視為異常；(5)參照國民體質與健康數據庫數據[9],當BMI≥26，判別個體的總膽固醇值≥5.2 mmol/L，否則<5.2 mmol/L。

2)軟件設計：

嵌入式軟件設計包含啟動程序、Linux內核、文件系統和應用程序4個部分。在PC機ubantu9.10系統下編譯uboot1.1.6版本源代碼,生成u-boot.bin,可供S3C6410嵌入式平臺啟動。內核選用Linux-3.0.1版本,在此內核中進行藍牙設備接口驅動開發(fā)。文件系統選用Yaffs,桌面系統選用QtE4.7.1。按上述方式搭建好嵌入式平臺,在PC上開發(fā)人機交互軟件,而后移植到該嵌入式平臺下。

圖5　人機交互軟件

S3C6410與藍牙模塊之間的默認通信設置為115 200 bps，8 bit數據位，無校驗，1個停止位，代碼如下：

cfsetispeed(&serialAttr,B115200);

cfsetospeed(&serialAttr,B115200);

serialAttr.c_cflag &= ～CSIZE;

serialAttr.c_cflag |= CS8;

serialAttr.c_iflag = IGNPAR;

serialAttr.c_cc[VMIN] = 1;

圖5中,性別、年齡、身高、體重和是否吸煙等項需要使用者用觸摸筆填寫或選擇,然后點擊開始測試項,之后操作無創(chuàng)探頭,等采集完畢后, “收縮壓”、“餐后2小時血糖”及“總膽固醇范圍”等項會顯示相關的結果，“十年ICVD絕對風險”項會顯示最終的評估結果，還可以在右下角輸入相關指令，點擊“發(fā)送”項便將指令傳送至無創(chuàng)檢測探頭，實現主從控制。另外使用者可以點擊“Help”項,之后會給出該平臺的使用方法，對于評估結果的說明以及上位機與下位機進行藍牙通信的指令說明。所涉及功能函數如下所示：

TMainForm::startButtonClicked();

//開始測試

TMainForm::sendButtonClicked();

//發(fā)送指令

TMainForm::helpButtonClicked();

//給出幫助文件

藍牙通信指令見表1。

表1　藍牙通信指令

4　實驗結果

1)實驗準備：

實驗環(huán)境為室內,溫度25±0.5 ℃,相對濕度67±3%。實驗對象分AB兩組,每組10人,每組中男女各5人。要求A組被測人群年齡段為20～34歲,編號為1～10,B組被測人群年齡段為35～59歲,編號為11～20,數據采集及其后期處理都采用此編號。通過調查登記，袖帶式血壓計(歐姆龍血壓計)測血壓、微創(chuàng)方式測血糖(羅氏微創(chuàng)血糖儀)及總膽固醇(臺灣百捷多功能檢測儀)等方式獲得人體相關生理參數真值，經 “ICVD事件10年發(fā)病危險預測模型簡易評估工具”得到相應評估結果，再用自制心血管健康評估系統樣機進行心血管健康評估。

2)結果與分析：

使用袖帶式血壓計所測收縮壓與自制樣機所測收縮壓的結果相關性如表2所示。

表2　兩種方式所測收縮壓之間相關性

使用羅氏微創(chuàng)血糖儀所測血糖值與樣機所測血糖值之間的相關性如表3所示。

表3　兩種方式所測血糖值之間相關性

由以上結果表明，自制無創(chuàng)探頭可以較準確的采集人的收縮壓及血糖情況。

通過“ICVD事件10年發(fā)病危險預測模型簡易評估工具”測試后得到的健康評估結果與無創(chuàng)方式所得人體信息經改進后的評估模型測試后所得健康評估結果如圖6所示。

圖6　兩種方式所得健康評估結果對比圖

由圖6不難得出，通過無創(chuàng)方式所得健康評估結果具有較高的準確性，因判別總膽固醇范圍的方法并不成熟，且系統本身存在一定的誤差，故其中2號、14號和20號的結果不太理想。進一步分析兩種方式所得健康評估結果之間的相關性，見表4、表5和表6。其中表4只涵蓋A組數據，表5只涵蓋B組數據，表6涵蓋AB兩組的數據。

表4　A組兩種方式所得評估結果相關性

表5　B組兩種方式所得評估結果相關性

表6　AB組兩種方式所得評估結果相關性

表4、表5和表6的數據顯示，A組數據所得相關性要比B組數據所得相關性要好，主要是因為年輕人各項相關生理參數大多處于正常范圍，所得結果之間的差距比較小。中年人的各項生理參數之間差異比較大，樣機在采集高血壓及高血糖等項時略顯不足，相關性因此變差，但無創(chuàng)健康評估系統所得結果和真值之間相關性仍然顯著，表明這種方案具備較高的可行性。

5　結束語

該心血管健康評估系統設計具有應用創(chuàng)新性，在“ICVD事件10年發(fā)病危險預測模型和簡易評估工具”的基礎上改進該評估模型,進一步融合嵌入式技術與無創(chuàng)血糖檢測技術并改進容積脈搏波檢測技術，還自行設計了匹配該系統的藍牙4.0通信模塊，從而研制出基于ARM11的無創(chuàng)心血管健康評估系統樣機。該樣機具備相關生理參數檢測及人機交互功能，憑此樣機做了相關的測試工作及其結果分析,相應結果分析顯示出了該系統的可行性。該系統為人體心血管健康評估實現低成本與無創(chuàng)傷提供了技術基礎，具有較好的應用前景。

[1]Nichols M， et al. Cardiovascular disease in Europe:epidemiolgical update[R]. EHJ, Vol. 34, pp.3028-3034.

[2]陳偉偉,高潤霖,劉力生,等.中國心血管病報告2013概要[J].中國循環(huán)雜志,2014(7):487-491.

[3]World Health Organization. Cardiovascular Diseases (CVDs), fact sheetn°317[EB/OL]. http://www.who.int/mediacentre (December 2010).

[4]國家“十五”攻關“冠心病、腦卒中綜合危險度評估及干預方案的研究”課題組.國人缺血性心血管病發(fā)病危險的評估方法及簡易評估工具的開發(fā)研究[J].中華心血管病雜志,2003,12:16-24.

[5]Cox DR.Regression models and life tables[J].JR Stat Soc B,1972,34:187- 220.

[6]趙連成,武陽豐,周北凡,等.體質指數與冠心病、腦卒中發(fā)病的前瞻性研究.中華心血管病雜志,2002,30(7):430-433.

[7]朱健銘,陳真誠.能量代謝守恒法無創(chuàng)血糖檢測算法研究[J].傳感技術學報,2013(7):917-921.

[8]梁永波,陳真誠,朱健銘,等.基于容積脈搏波的無創(chuàng)連續(xù)血壓測量系統[J].航天醫(yī)學與醫(yī)學工程,2013,01:47-50.

[9]國民體質與健康數據庫.生理指標分析[EB/OL]. http://cnphd.bmicc.cn/chs/cn/analysis.phpr1( 2015/7/13).

[10]中國心血管病防治信息網. 危險評估[EB/OL]. http://www.healthyheart-china.com/Website/danger_evaluate/danger_evaluate.aspx( 2015/7/13).

Design of Non-invasive Cardiovascular Health Assessment System Based on ARM11

Chen Zhencheng1, Chen Zhigao2, Liu Shanjian2, Xu Beiping2, Zhu Jianming1

(1. School of Life and Environmental Sciences，Guilin University of Electronic Technology，Guilin541004，China;2. School of Electrical Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin541004, China)

In order to assess cardiovascular health by low-cost, non-invasive and easy-to-handle method, the non-invasive cardiovascular health assessment system based on ARM11(S3C6410) which is composed of non-invasive cardiovascular parameters measurement sensor, embedded GUI platform and embedded health assessment model was designed. According to the method of conservation of energy metabolism and the detection of fingertip volume pulse waves, the sensor for blood pressure, blood flow velocities and non-invasive blood glucose measurement was designed. The embedded GUI platform will display the health assessment results when the body parameters which were measured by the sensor and were transferred to the embedded GUI platform by Bluetooth 4.0 device were operated on the improved evaluation model of the ten years risk of ischemic cardiovascular diseases (ICVD) in Chinese. The experimental results indicated the Pearson correlation coefficient was 0.91(Spearman correlation coefficient was 0.891) between the test values and the true values of the health assessment, which indicated this method is feasible．

non-invasive measurement; GUI platform; cardiovascular health assessment

2015-08-08；

2015-09-17。

廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室主任基金項目(YQ14116); 國家自然科學基金(61271119);國家科技支撐計劃(2013BAI03B01);廣西高等學?？茖W研究項目(KY2015YB096);桂林電子科技大學研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目(GDYCSZ201479)。

陳真誠(1965-),男,湖南永州人，教授，博士研究生導師，主要從事生物傳感與智能儀器方向的研究。

1671-4598(2016)01-0300-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.083

TN929.5

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