陳 妮， 黃代政， 張國(guó)棟

(廣西醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，廣西 南寧530021)

人體生理參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳 妮， 黃代政， 張國(guó)棟

(廣西醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，廣西 南寧530021)

為解決無(wú)市電情況下人體生理參數(shù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)問(wèn)題，采用近年新推出的光反射器NJL5501R和心電監(jiān)護(hù)模擬前端芯片AD8232，利用動(dòng)態(tài)電源管理、動(dòng)態(tài)時(shí)鐘頻率控制等低功耗技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種以STM32L152微處理器為核心的人體生理參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠完成人體血氧、心電、溫度等參數(shù)的測(cè)量，具有低功耗、小體積的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。

NJL5501R； AD8232； 低功耗； STM32L152； 人體生理參數(shù)

0 引 言

血氧飽和度、脈搏、心電和體溫等是反映人體生理健康狀態(tài)的常用參數(shù)，集成以上參數(shù)檢測(cè)功能的測(cè)量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)院監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、家庭保健。目前，人體參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)從實(shí)現(xiàn)架構(gòu)上主要分為兩種類型：第一類是以計(jì)算機(jī)平臺(tái)為核心，結(jié)合數(shù)據(jù)采集前端形成的監(jiān)護(hù)設(shè)備。數(shù)據(jù)采集前端將采集到的人體生理參數(shù)上傳到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理[1,2]。這類設(shè)備功能強(qiáng)大，精度高，價(jià)格昂貴，主要用于醫(yī)院的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。第二類是以嵌入式系統(tǒng)為核心的便攜式設(shè)備。數(shù)據(jù)的采集、分析和處理由微處理器完成[3～5]。這類設(shè)備只能測(cè)量一項(xiàng)或兩項(xiàng)人體生理參數(shù)，功能單一，但使用簡(jiǎn)便，多用于社區(qū)醫(yī)院和家庭保健。能夠測(cè)量人體多項(xiàng)生理參數(shù)的低功耗、便攜式產(chǎn)品比較少見(jiàn)。

針對(duì)上述情況，本文以低功耗技術(shù)為核心，從器件選型、電源的動(dòng)態(tài)管理、系統(tǒng)工作模式設(shè)置等方面進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計(jì)了一種低功耗、便攜式的人體生理參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 人體參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)框圖

以STM32L152微處理器為系統(tǒng)核心，微處理器通過(guò)內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)血氧信號(hào)、心電信號(hào)進(jìn)行采樣；通過(guò)通用輸入/輸出端口(GPIO)模擬SMBus總線來(lái)采集溫度信息。數(shù)據(jù)信息可以暫存在SPI接口的存儲(chǔ)器模塊，或者通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)上傳到計(jì)算機(jī)。按鍵用于各生理信號(hào)采集模塊間的功能切換。測(cè)量結(jié)果可以在低功耗的液晶屏上顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用一個(gè)方形3.7 V鋰聚合物電池，電池經(jīng)電源穩(wěn)壓芯片TPS78230DDCR穩(wěn)壓后為各模塊供電。TPS78230是一種低功耗、單路固定輸出型穩(wěn)壓芯片，其最大輸出電流為150 mA。該芯片具有電壓關(guān)斷功能，可實(shí)現(xiàn)微處理器對(duì)各模塊的動(dòng)態(tài)電源管理。當(dāng)某個(gè)模塊處于非工作狀態(tài)時(shí)，微處理器將穩(wěn)壓芯片使能端EN置為低電平,即可關(guān)斷電路模塊的供電回路。此時(shí)，TPS78230芯片僅消耗0.5 μA的電流。

2.2 血氧脈搏采集模塊設(shè)計(jì)

近幾年，日本新開(kāi)發(fā)出一種光反射器NJL5501R。該傳感器集成了波長(zhǎng)660 nm的紅光LED、波長(zhǎng)940 nm的紅外線LED以及一個(gè)光電晶體管，是業(yè)界內(nèi)首次將2個(gè)LED和光電晶體管集成為單片的，體積僅為1.9 mm×2.6 mm×0.8 mm。該光反射器測(cè)量簡(jiǎn)單，精度高，尤其適用于低功耗便攜設(shè)備的開(kāi)發(fā)中。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。

圖2 血氧采集電路

血氧電路的工作原理就是利用人體血液對(duì)兩種不同波長(zhǎng)光線吸收率的差異性，將兩種光線分別照射指尖動(dòng)脈血管，通過(guò)反射光強(qiáng)度來(lái)計(jì)算血氧飽和度[6]。計(jì)算公式如式(1)

(1)

式中 Iac1為紅光LED在光電二極管上形成的交流電流分量，Iac2為紅外線LED在光電二極管上形成的交流電流分量。血氧飽和度SaO2與R形成一種非線性函數(shù)關(guān)系，通常需要標(biāo)定得到正確的數(shù)值。

電路的工作過(guò)程如下：微處理器通過(guò)IO1和IO2控制三極管交替工作，將不同波長(zhǎng)的光線投射到指尖上；利用自帶的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出DACOUT1控制BG3自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射光的強(qiáng)度。經(jīng)手指反射回來(lái)的光由LTC6244的U4A部分構(gòu)成的跨阻抗放大器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。LTC6244的U4B部分為后級(jí)放大器提供了約300mV的偏置電壓，以避免單電源工作的運(yùn)算放大器在地電位附近造成信號(hào)失真。檢測(cè)到的微弱電流信號(hào)從LTC6244的1腳輸出后進(jìn)入OPA2244的6腳。OPA2244的U5B部分實(shí)現(xiàn)截止頻率為10Hz的二階巴特沃斯低通濾波器，用于濾除采集信號(hào)的50Hz工頻干擾。信號(hào)經(jīng)濾波后輸入到OPA2244的U5A。該部分電路為信號(hào)提供偏置，并放大，最后通過(guò)OPA2244的1腳與微處理器相連。DACOUT2是微處理器為U5A提供的可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的偏置電壓。

2.3 心電采集模塊設(shè)計(jì)

心電采集模塊采用ADI公司的單導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護(hù)模擬前端芯片AD8232。AD8232集成了高精度儀表放大器、右腿驅(qū)動(dòng)電路、有源濾波器等電路單元；具備導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)，心電信號(hào)快速恢復(fù)，低功耗待機(jī)模式等功能。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

圖3 心電采集電路

將兩金屬電極片安放在雙手采集心電信號(hào)，經(jīng)AD8232引腳2，3輸入。引腳5為右腿驅(qū)動(dòng)輸入口。內(nèi)部?jī)x表放大器固定放大倍數(shù)為100倍，第二級(jí)放大器增益由(1+R26/R25)設(shè)定。根據(jù)圖3中電阻取值，第二級(jí)放大器的放大倍數(shù)為11倍。電路設(shè)置了一個(gè)7 Hz的二階高通濾波器和一個(gè)24 Hz的二階低通濾波器，用于消除運(yùn)動(dòng)偽像和外部噪聲干擾。

當(dāng)導(dǎo)聯(lián)脫落時(shí)，AD8232引腳11和12輸出高電平，STM32L152的GPIO4，GPIO5端口檢測(cè)到高電平時(shí)，通過(guò)GPIO3口輸出低電平使得AD8232進(jìn)入低功耗關(guān)斷模式。此模式下芯片的靜態(tài)電流小于 200 nA。

2.4 體溫采集模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MLX90615高精度、非接觸式紅外溫度傳感器進(jìn)行人體溫度測(cè)量。MLX90615在小型TO—46封裝中，集成了紅外探測(cè)芯片、低噪聲運(yùn)算放大器和高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)運(yùn)算單元，輸出溫度分辨率可達(dá)0.02 ℃。

傳感器在SMBus工作方式下[8]，微處理器可以通過(guò)發(fā)送休眠指令，讓MLX90615進(jìn)入休眠模式。此時(shí)，傳感器消耗的電流僅為1.1 μA。

2.5 存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)芯片采用容量達(dá)128 Mbit的M25P128。芯片M25P128引腳1為芯片使能端，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，芯片進(jìn)入低功耗模式，此時(shí)芯片消耗的電流為100 μA。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上分為中斷服務(wù)程序和主程序。中斷程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理與存儲(chǔ)，主程序負(fù)責(zé)計(jì)算數(shù)據(jù)的最終結(jié)果，并輸出顯示。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

在軟件設(shè)計(jì)上采取多種處理方式以降低系統(tǒng)功耗：1)主程序中一旦沒(méi)有數(shù)據(jù)需要處理，系統(tǒng)立即進(jìn)入休眠模式，避免能源消耗。2)軟件根據(jù)不同時(shí)間段的不同功能，動(dòng)態(tài)關(guān)斷不需要工作的電路模塊，實(shí)現(xiàn)電源的優(yōu)化配置。3)軟件根據(jù)用戶選擇功能的運(yùn)算量大小，合理設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘。當(dāng)用戶選擇單一的體溫連續(xù)監(jiān)測(cè)，軟件則將系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置在較低的頻率，這樣可以減少微處理器的功耗。軟件也可根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)鐘，以達(dá)到較優(yōu)化的配置。

數(shù)據(jù)的采集通常由定時(shí)器中斷程序完成，其中血氧和脈搏測(cè)量的中斷程序框圖如圖5所示。

圖5 血氧采集中斷程序流程圖

程序設(shè)定定時(shí)器中斷周期為1 ms，控制2只LED交替工作。第n次定時(shí)器中斷紅光LED工作時(shí)，需要等待一小段時(shí)間，以便跨阻抗放大器完成電荷的積聚。微處理器利用等待時(shí)間，將第(n-1)次中斷紅外線LED工作時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并為第(n+1)次中斷做好準(zhǔn)備。這種工作方式減少了微處理器等待時(shí)間，降低了電路功耗。最后根據(jù)式(1)計(jì)算血氧飽和度，為減少微處理器的計(jì)算量，將R和SaO2的關(guān)系列成表格存儲(chǔ)在Flash中，得到R值后，通過(guò)查表得到SaO2。減少微處理器的運(yùn)算量也是本系統(tǒng)降低系統(tǒng)功耗的有效手段之一。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)測(cè)試包括模塊的功能測(cè)試和功耗測(cè)試。

4.1 心電采集測(cè)試

采用模擬心電信號(hào)產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)生器作為心電模塊的輸入，圖6(a)為AD8232輸出的原始心電信號(hào)波形，該信號(hào)包含較大的噪聲。經(jīng)過(guò)STM32L152處理器的數(shù)字帶通濾波器后，得到的心電波形如圖6(b)所示。

圖6 原始心電信號(hào)和數(shù)字濾波后心電信號(hào)

從圖6(b)的測(cè)試波形可以看出，AD8232結(jié)合數(shù)字濾波能夠得到質(zhì)量較高的心電波形。

4.2 血氧測(cè)量測(cè)試

系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定后，對(duì)5名身體狀況正常的志愿者進(jìn)行血氧飽和度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。將測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)的測(cè)量結(jié)果對(duì)比，如表1所示。

表1 血氧飽和度測(cè)量結(jié)果

對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)能完成SaO2測(cè)量功能。

4.3 紅外體溫測(cè)試

測(cè)量1名志愿者4個(gè)部位的體溫,將測(cè)試結(jié)果與格朗W—3電子體溫計(jì)的測(cè)量結(jié)果對(duì)比，如表2所示。

從表2看到：兩種測(cè)試方法的測(cè)量結(jié)果比較相近。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的紅外溫度采集模塊可以滿足人體溫度測(cè)量要求，且采用MLX90615的測(cè)溫速度要比格朗W—3電子體溫計(jì)快得多。

表2 紅外測(cè)溫結(jié)果 ℃

4.4 系統(tǒng)功耗測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊在工作和休眠時(shí)的電流進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

序號(hào)1～5依次代表：微處理器模塊、血氧模塊、心電模塊、紅外測(cè)溫模塊、存儲(chǔ)模塊。由于各模塊有多種工作方式，表格中所測(cè)數(shù)據(jù)為模塊最大功耗時(shí)的電流值。血氧模塊中LED工作時(shí)消耗電流最大，但是在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中LED的工作時(shí)間只占總測(cè)量時(shí)間的1/2，該模塊工作的平均電流不到20 mA。由數(shù)據(jù)可知，即使在最大負(fù)荷的情況下，一顆1 800 mAh的電池也能維持系統(tǒng)工作24 h以上，滿足了人體生理參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)監(jiān)測(cè)的需求。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的人體生理參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，采用光反射器NJL5501R、心電監(jiān)護(hù)模擬前端芯片AD8232和MLX90615紅外溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)各信號(hào)采集模塊，并充分利用動(dòng)態(tài)電源管理，動(dòng)態(tài)時(shí)鐘頻率控制等低功耗技術(shù)，優(yōu)化軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了人體生理參數(shù)的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。

[1] 韓 泊,苗長(zhǎng)云.基于ZigBee的人體心電信號(hào)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014,22(7):2067-2069.

[2] 張愛(ài)華,趙治月.基于心電脈搏特征的視覺(jué)疲勞狀態(tài)識(shí)別[J].計(jì)算機(jī)工程,2011,37(7):279-281.

[3] 孫旭東,張 躍.基于AD8232和MLX90615的心電與體溫測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(9):81-84.

[4] 劉俊微,龐春穎.光電脈搏血氧儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].激光與紅外,2014,44(1):50-55.

[5] 郭 濤,曹征濤.基于MSP430的遠(yuǎn)程無(wú)線體溫測(cè)量系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,21(16):30-35.

[6] 楊 博,冒曉莉.反射式小魚(yú)際脈搏血氧計(jì)的研制及人體實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2014,35(1):69-75.

[7] 鐘 君,蔡黎明,于 涌.基于MLX90614的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(3):87-93.

Low power consumption design and realization of human physiological parameters measurement system*

CHEN Ni, HUANG Dai-zheng, ZHANG Guo-dong

(Department of Biomedical Engineering,College of Basic Medicine,Guangxi Medical University,Nanning 530021,China)

In order to solve the problem of long-term monitoring on human physiological parameters in the absence of city electricity,adopt new light reflector NJL5501R and analog front-end chip for ECG monitoring AD8232 at present,design a measurement system of human physiological parameters based on STM32L152,using low power consumption technology,such as dynamic power management,dynamic clock frequency control.The experimental results show that the system can complete the measurement of human blood oxygen,ECG and temperature parameters,features with low power consumption,small volume,it can monitor the physiological parameters long-term.

NJL5501R; AD8232; low power consumption; STM32L152; human physiological parameters

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0080—04

2016—03—24

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAH08F03)

R 318.6

A

1000—9787(2017)03—0080—04

陳 妮(1982-),女，碩士，講師,從事生物醫(yī)學(xué)工程(醫(yī)療儀器方向)研究工作。

張國(guó)棟(1977-)，男，通訊作者，博士，從事生物醫(yī)學(xué)工程(醫(yī)療儀器方向)研究工作，E—mail:gzhang2009@gmail.com。