劉曉樑 董月廣 林志義 劉恬 韋小霞

【摘 要】對傳統(tǒng)的多參數(shù)監(jiān)護儀功能進行改進和創(chuàng)新，設(shè)計了多參數(shù)家庭監(jiān)護終端系統(tǒng)，系統(tǒng)包含有三個模塊：生理信號測量單元，數(shù)據(jù)傳輸單元，終端操控與交互單元。其中傳感單元又分為心電、血氧飽和度、脈搏波、呼吸速率、體溫和血壓數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)采集到生理信號無線傳輸;終端操控與交互單元存儲采集到的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器，用戶可以通過觸摸屏查看患者的各種生理參數(shù)，管理用戶信息。本設(shè)計能真實有效的監(jiān)護到人體各種參數(shù)，非常適合在家庭環(huán)境中使用。

【關(guān)鍵詞】 多參數(shù)監(jiān)護;ZigBee;嵌入式;QT

1 引言

在經(jīng)濟發(fā)展迅速、人口基數(shù)持續(xù)增大和人類老齡化程度漸漸變重的今天，人們對身體健康的意識也在不斷的增強，人們試圖尋找更好的、更智能化的醫(yī)療設(shè)備，來保障生理和心理的健康，甚至越來越多的人希望擁有家庭自助醫(yī)療設(shè)備，來監(jiān)護健康[1]。多參數(shù)監(jiān)護儀是對患者體征監(jiān)護有及其重要意義的、普遍被使用的醫(yī)療智能設(shè)備。它可以監(jiān)護的體征參數(shù)有：呼吸頻率、血氧飽和度、心率值、血壓值、脈搏，并且還能從這些參數(shù)中做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析。多參數(shù)監(jiān)護儀大大的提高了醫(yī)對人體生命體征監(jiān)護的質(zhì)量，被廣泛地使用在醫(yī)院的重癥增強治療病房（ICU）里。目前，多參數(shù)監(jiān)護儀慢慢向著智能化、便攜化、精簡化的方向發(fā)展，逐步適應(yīng)家用、低功耗、低成本的商業(yè)需求，使得它更加適用于普通醫(yī)療機構(gòu)和普通的家庭用戶。設(shè)計出一臺能有效監(jiān)護生理信息的適用于普通家庭的多參數(shù)監(jiān)護儀有很大的市場市場需求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，利用各種可穿戴式傳感器采集用戶的實時生理參數(shù)，使用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的實時傳輸，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一聚合到監(jiān)護控制終端上做解析、處理、存儲，數(shù)據(jù)再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至云端服務(wù)器上，再由云端的數(shù)據(jù)庫來存儲。使用web后臺管理系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)護功能。

2.2 各模塊功能

2.2.1采集模塊

心電、血氧二合一模塊的功能用于采集心電信號，放大、濾波之后，解析出心電圖和心率值，并且還能夠采集脈搏信號，提供血氧參數(shù)。另外從呼吸速率也是從本模塊中提取。

2.2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

使用ZigBee模塊是來完成患者體征參數(shù)采集，通過無線傳輸?shù)接袇f(xié)調(diào)器的監(jiān)護終端上，監(jiān)護終端通過WIFI無線模塊用戶的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器中，并且把數(shù)據(jù)存儲至云數(shù)據(jù)庫中。

2.2.3終端控制顯示模塊

終端控制顯示模塊對各種生理信號進行數(shù)據(jù)分析處理，通過圖形界面，顯示實時波形、各項身體指標(biāo)，存儲相關(guān)數(shù)和管理病例資料等。

2.2.4服務(wù)器

服務(wù)器為移動監(jiān)護端（手機APP、公眾號）提供遠程監(jiān)護查詢、用戶信息文件的創(chuàng)建和管理和預(yù)警的功能。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

用戶登錄信息和用戶監(jiān)護數(shù)據(jù)統(tǒng)一由監(jiān)護終端發(fā)送至服務(wù)器上，然后經(jīng)過服務(wù)器的管理，存儲到數(shù)據(jù)庫中。其中用戶登錄信息表由5個字段組成。分別是usr_id（登錄名）、usr_pwd（用戶密碼）、usr_addr（用戶地址）、usr_tel（用戶聯(lián)系方式）、usr_mail（郵箱）。

用戶監(jiān)護數(shù)據(jù)表設(shè)計，每個用戶對應(yīng)一張用戶數(shù)據(jù)表，表名根據(jù)用戶名usr_id決定。每個用戶有六個字段的數(shù)據(jù)，分別是time（時間）、xinlv（心率）、xueyang（血氧）、tiwen（體溫）、huxi（呼吸）和xueya（血壓）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 硬件部分

3.1.1無線采集模塊

采用CC2530微處理器實現(xiàn)無線采集模塊和協(xié)調(diào)器模塊。

3.1.2監(jiān)護終端

采用ARM Cortex-A8作為無線多參數(shù)監(jiān)護儀的主控芯片，與CC2530協(xié)調(diào)器模塊采用串口通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。

3.1.3傳感器模塊

體溫測量使用的是DS18B20溫度傳感器;HKB-08B測量血壓，心電血氧二合一模塊測量心電和血氧。

3.2 軟件部分

3.2.1登錄與注冊模塊設(shè)計

用戶登錄的目的是讓多參數(shù)監(jiān)護儀能夠遠程監(jiān)護用戶身體狀況，并且簡化終端的數(shù)據(jù)存儲，將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端對應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)表中，節(jié)省本地存儲空間和成本。用戶可以在一臺終端注冊多個用戶，當(dāng)?shù)卿洸煌脩魰r，監(jiān)護不同用戶的生理狀況。實現(xiàn)一機多用。

3.2.2主界面設(shè)計

用戶在主界面可以看到各種參數(shù)的值，及其動態(tài)波形，不同的波形圖，由不同顏色的線條構(gòu)成，方便用戶觀察，由于血壓不需要24小時監(jiān)護，設(shè)計了血壓采集控制的控件（Qpushbutton），用戶可按需使用，還能通過菜單欄做其他簡單的操作。

3.2.3歷史數(shù)據(jù)存儲設(shè)計

歷史數(shù)據(jù)是醫(yī)生診斷的重要依據(jù)，所以，本設(shè)計對其設(shè)計如下，用戶點擊打開歷史數(shù)據(jù)，便可以找到相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)，再選擇相應(yīng)時間段的數(shù)據(jù)。

3.3 核心算法

3.3.1心率檢測算法

（1）從心電數(shù)據(jù)中提取心率數(shù)據(jù)，心率提取的算法如下：

（2）設(shè)置電壓閾值;

（3）設(shè)置定時器（1ms），和計數(shù)變量count;

（4）時間到了，觸發(fā)信號，計數(shù)變量加1;

（5）判斷心電數(shù)據(jù)是否超過閾值，若超過了，保存count到temp變量中，count清零;否則count直到觸發(fā)信號重復(fù)本步驟。

（6）最后，計算心率值。

3.3.2呼吸頻率算法

健康的人，呼吸（X）與脈搏（Y）之間存在一定的比例關(guān)系，滿足函數(shù)Y=4X，基本滿足也就是說呼吸頻率與心跳頻率之間存在線性關(guān)系，根據(jù)這個線性關(guān)系即可推算出呼吸頻率。

4 系統(tǒng)測試

4.1 硬件測試

采集的參數(shù)正常，心電圖正常，脈搏波顯示正常，系統(tǒng)符合預(yù)期設(shè)想。

4.2 軟件測試

通過測試，如圖2所示，可以通過他查看患者信息、登錄、注冊、查看歷史數(shù)據(jù)顯示參數(shù)和波形圖表等，得知顯示結(jié)果正確，數(shù)據(jù)傳輸正確，登錄注冊正常。

5 結(jié)論

設(shè)計出的多參數(shù)家庭監(jiān)護終端具有智能化、便攜化、精簡化的特點，滿足低功耗、低成本的商業(yè)需求，使得它特別適用于普通醫(yī)療機構(gòu)和普通的家庭用戶，具有廣闊的市場前景。

基金項目：

本項目得到2020省級年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助（項目編號：S202010576022）

（作者單位：韶關(guān)學(xué)院（信息工程學(xué)院））