吳 濤，李里亞

(1.河南工程學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，鄭州 451191；2.東華理工大學(xué)長江學(xué)院 信息工程系，江西 撫州 344000)

我國人口結(jié)構(gòu)正在進(jìn)入老齡化階段，而在老齡人中心血管疾病的發(fā)病率呈明顯上升態(tài)勢(shì)[1].現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，人體的心電(ECG)和脈搏信號(hào)中包含著與病理信息緊密相關(guān)的各類參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地反映出心血管系統(tǒng)的生理變化[2].傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備在對(duì)患者的健康檢查上雖然精準(zhǔn)度高，但是就診繁瑣，不利于個(gè)人化、家庭化和網(wǎng)絡(luò)化.隨著傳感器技術(shù)和集成電路的快速發(fā)展，各種可穿戴的心電檢測裝置接踵而至.其中，用于心電檢測的背心可以將采集到的心電數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器中，然而要對(duì)其進(jìn)行分析就必須再從存儲(chǔ)器中讀取出來，不易實(shí)現(xiàn)信息共享.目前，國內(nèi)外風(fēng)靡的智能手表可在本地顯示和記錄佩戴者的心率和運(yùn)動(dòng)量等信息，但存在檢測精度低，且依然沒有解決健康數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享的問題[3-5].在全球都在實(shí)施大數(shù)據(jù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的背景下，移動(dòng)醫(yī)療的發(fā)展將是解決這一問題的有效途徑.本文借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和OneNET云平臺(tái)，設(shè)計(jì)了心電脈搏信號(hào)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)集定位、脈搏與心電信號(hào)的采集處理、顯示和4G通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸于一體，與云服務(wù)器OneNET進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，聯(lián)動(dòng)醫(yī)療團(tuán)隊(duì)和救援機(jī)構(gòu)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)心腦血管患者的病情，縮短救治時(shí)間.

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的心電脈搏信號(hào)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要由低功耗的監(jiān)控終端、云服務(wù)器、健康數(shù)據(jù)監(jiān)測中心、醫(yī)療救援中心和緊急聯(lián)系人組成[6].為了對(duì)每位佩戴監(jiān)控終端的患者數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，且得到及時(shí)的處理和監(jiān)控，本文系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)開放的OneNET平臺(tái)作為數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控終端實(shí)時(shí)采集佩戴者心電和脈搏信息，并將采集到的數(shù)據(jù)和位置信息通過4G模塊接入到互聯(lián)網(wǎng)，遵循MQTT協(xié)議實(shí)時(shí)上傳到云服務(wù)器OneNET平臺(tái)上，OneNET平臺(tái)為每個(gè)監(jiān)控終端分配專屬的數(shù)據(jù)空間，用來存儲(chǔ)和共享生理特征數(shù)據(jù).健康數(shù)據(jù)監(jiān)測中心通過API接口監(jiān)測用戶上傳的心電和脈搏數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)與該用戶之前的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，確定用戶為突發(fā)疾病后，請(qǐng)求與監(jiān)控終端進(jìn)行通話確認(rèn)，如果呼叫三次沒有應(yīng)答，則獲取監(jiān)控終端的GPS位置，并將相關(guān)信息發(fā)送給醫(yī)療救援機(jī)構(gòu)去現(xiàn)場進(jìn)行救援.另外，如果監(jiān)控終端的佩戴者在有意識(shí)的情況下，也可以主動(dòng)向醫(yī)療救援中心或者緊急聯(lián)系人通過預(yù)置短消息或者電話呼叫的形式發(fā)出求救信號(hào).

2 穿戴式監(jiān)控終端

監(jiān)控終端采用腕帶式設(shè)計(jì)，集脈搏與心電信號(hào)的采集、處理、顯示和4G數(shù)據(jù)傳輸于一體，可以隨時(shí)隨地監(jiān)測心電和脈搏，計(jì)算相關(guān)生理參數(shù)信息，并實(shí)時(shí)顯示.設(shè)計(jì)的監(jiān)控終端主要由微處理器ADuCM350、脈搏采集電路、心電采集電路、華為4G通信模塊、GPS定位模塊，顯示屏、外部存儲(chǔ)、語音通話接口、按鍵和電源等單元組成.監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖2 監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)框圖

采用微處理器ADuCM350芯片作為監(jiān)控終端的核心，主要控制各模塊間的協(xié)調(diào)工作，可方便融合接入包括心電、運(yùn)動(dòng)、生理阻抗測量等多種模擬和數(shù)字輸出的各類傳感器[7].壓電陶瓷感應(yīng)脈搏的振動(dòng)壓力變化，將振動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)輸出；同時(shí)AD8232芯片采集人體的心電信號(hào)并進(jìn)行窄帶濾波，輸出模擬電壓信號(hào)[8]；微處理器ADuCM350通過片內(nèi)集成的AD轉(zhuǎn)換對(duì)經(jīng)過濾波、放大預(yù)處理后的心電和脈搏信號(hào)以500 Hz采樣頻率采樣，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，并實(shí)時(shí)在終端上顯示，供佩戴者了解自己的身體狀態(tài).另外，還會(huì)通過異步串口發(fā)送AT指令控制4G網(wǎng)絡(luò)通信單元建立網(wǎng)絡(luò)連接，并將佩戴者的心電、脈搏和定位等數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器OneNET平臺(tái)上，以便健康數(shù)據(jù)監(jiān)測中心進(jìn)行分析和診斷.

2.1 脈搏處理電路設(shè)計(jì)

通過壓電陶瓷獲取的脈搏信號(hào)屬于微小信號(hào)，電壓通常為毫伏級(jí)，往往還存在干擾信號(hào)，為了獲取高精度的脈搏數(shù)據(jù)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，包括基線保持、低通濾波、放大及分壓調(diào)節(jié)等[9].脈搏信號(hào)處理電路框圖如圖3所示.由于脈搏信號(hào)屬于非平穩(wěn)信號(hào)，所以基線漂移是脈搏信號(hào)采集中最常見的噪聲干擾，使得輸出信號(hào)的波形不在同一基準(zhǔn)線上.消除基線漂移的算法有很多，如小波去噪、中值濾波、卡爾曼濾波等，但對(duì)微處理器的運(yùn)算能力要求較高，本文通過采用串聯(lián)高精密電阻分壓的方式，為脈搏傳感器的輸出提供基準(zhǔn)線壓，解決了基線漂移的問題.

圖3 脈搏信號(hào)處理電路

采用四路運(yùn)算放大器TLC2254A設(shè)計(jì)了二階有源低通濾波，濾除帶外噪聲后，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，大大改善了信噪比.最后，為了便于調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅度，利用數(shù)字電位器X9313進(jìn)行分壓，通過微處理器ADuCM350產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，改變輸出電阻RW，從而改變輸出電壓，即

(1)

式中：Vpout為微處理器ADuCM350可直接采樣的脈搏電壓信號(hào)；RH為數(shù)字電位器的總電阻；VH-VL為輸入電壓脈搏信號(hào)，VL=0；Again為運(yùn)放電路的增益.

2.2 心電信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

相對(duì)于脈搏信號(hào)，原始心電信號(hào)更加微弱，通常在0.5～5 mV之間，為滿足微控制器ADuCM350的采樣要求，需要對(duì)原始心電信號(hào)進(jìn)行放大.本文采用了一款低功耗、單導(dǎo)聯(lián)心率監(jiān)護(hù)儀模擬前端芯片AD8232進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用單導(dǎo)聯(lián)的心電檢測方法，采集雙手間的生物電位差[10].結(jié)合芯片內(nèi)部的儀表放大器，設(shè)置固有增益為A0=100，同時(shí)外接同相比例運(yùn)算放大電路，增益Aecg=11，使得心電信號(hào)總的放大倍數(shù)為A0Aecg=1 100，為了降低干擾，設(shè)置心電信號(hào)的偏置電壓為0.035 V.根據(jù)心電信號(hào)特征，配置雙極點(diǎn)高通濾波器的截止頻率為0.73 Hz，配置雙極點(diǎn)低通濾波器的截止頻率為30.63 Hz，通過窄帶濾波，有效去除了帶外噪聲，從而獲得失真最小的心電信號(hào).

3 監(jiān)控終端軟件及云平臺(tái)

3.1 監(jiān)控終端軟件及節(jié)能控制策略

監(jiān)控終端的程序相對(duì)簡單，采用C語言編寫設(shè)計(jì)，每個(gè)功能模塊編寫?yīng)毩⒌淖雍瘮?shù)，包括數(shù)據(jù)收發(fā)、脈搏采集、心電采集、獲取定位、參數(shù)設(shè)置、緊急呼叫和顯示等，系統(tǒng)采用輪詢的方式選擇相應(yīng)的子功能予以執(zhí)行.在主函數(shù)的while循環(huán)中，通過switch-case語句判斷Function_State的當(dāng)前值，選擇對(duì)應(yīng)的接口函數(shù)響應(yīng)用戶事件.在進(jìn)入子功能前，狀態(tài)變量首先被賦值為1，然后case語句進(jìn)行功能匹配并執(zhí)行功能；當(dāng)退出功能時(shí)，狀態(tài)變量再被賦值為0，繼續(xù)等待用戶的其他操作，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)生觸控事件，系統(tǒng)就進(jìn)入休眠狀態(tài)，需用戶手動(dòng)按鍵喚醒系統(tǒng).

系統(tǒng)耗能主要存在于4G網(wǎng)絡(luò)通信電路、心電和脈搏采集電路以及顯示屏三部分.為延長系統(tǒng)的有效工作時(shí)間，采取以下節(jié)能控制策略：1)通信電路待機(jī)過程中，不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，微處理器ADuCM350發(fā)送AT指令關(guān)閉數(shù)據(jù)通信功能；2)對(duì)心電和脈搏采集電路按需供電，檢測時(shí)開啟供電電源，其他情況關(guān)閉；3)觸摸屏采用定時(shí)10 s自動(dòng)熄屏，需要通過外部按鍵喚醒.

采用按需供電策略，大大節(jié)約了能耗，延長系統(tǒng)的有效工作時(shí)間，從而提升了監(jiān)控終端的待機(jī)能力.

3.2 心電和脈搏數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過處理后的心電和脈搏信號(hào)可以由微處理器ADuCM350直接采樣，再進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào).根據(jù)奈奎斯特采樣定理，奈奎斯特采樣頻率fnayquist≥2fH，其中，fH為帶限信號(hào)的最高頻率.根據(jù)過采樣定理可知，過采樣頻率fOverSamp為4n倍的fnayquist，其中，n為ADC轉(zhuǎn)換分辨率提高的比特?cái)?shù).取脈搏和心率的最大頻率為4 Hz，則fnayquist的值為8 Hz，當(dāng)n取2.5時(shí)，fOverSamp為256 Hz；當(dāng)n取3時(shí)，fOverSamp為512 Hz.該系統(tǒng)采用2 ms定時(shí)中斷查詢ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的方式采樣脈搏和心電信號(hào)，理論采樣頻率為500 Hz，使用過采樣技術(shù)，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，ADC的分辨率至少提高了2.5 bit，進(jìn)一步提高了信噪比.

3.3 云平臺(tái)服務(wù)器OneNET

OneNET是基于云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)打造的專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，主要由設(shè)備域、平臺(tái)域和應(yīng)用域三部分組成，架構(gòu)如圖4所示.

圖4 OneNET平臺(tái)架構(gòu)

云平臺(tái)集成度非常高，為監(jiān)控終端提供了豐富的通信協(xié)議和接口程序，方便監(jiān)控終端的接入，同時(shí)，為應(yīng)用域的健康管理(監(jiān)測中心、救援機(jī)構(gòu)、緊急聯(lián)系人)推送數(shù)據(jù)和API調(diào)用等，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用域和設(shè)備域的互聯(lián)互通[11].另外，OneNET平臺(tái)具有獨(dú)立運(yùn)算能力，根據(jù)每位佩戴者的生理特征，創(chuàng)建獨(dú)立的觸發(fā)器，當(dāng)采集到的心率和脈搏數(shù)據(jù)滿足觸發(fā)條件時(shí)，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)向應(yīng)用域(監(jiān)測中心和緊急聯(lián)系人)發(fā)出即時(shí)消息，爭取更多的寶貴救援時(shí)間.

4 測試結(jié)果

4.1 監(jiān)控終端輸出測試

本文對(duì)監(jiān)控終端的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為了檢驗(yàn)監(jiān)控終端的工作性能進(jìn)行了測試.鑒于實(shí)時(shí)性考慮，軟件濾波采用滑動(dòng)窗口均值濾波.在可接受的失真度范圍內(nèi)，平滑濾波可以有效去除加性噪聲.心電和脈搏信號(hào)屬于周期信號(hào)，對(duì)周期信號(hào)做N點(diǎn)DFT就可得到信號(hào)的頻率值，但DFT的計(jì)算量較大，會(huì)降低微處理器ADuCM350的實(shí)時(shí)性.為了簡化計(jì)算，系統(tǒng)采用滑動(dòng)窗口求極值的方法進(jìn)行脈搏和心率的估計(jì).根據(jù)計(jì)數(shù)信號(hào)中相鄰兩個(gè)最大波峰值之間的時(shí)間間隔，計(jì)算脈搏心率，即

(2)

式中：N為信號(hào)中相鄰兩個(gè)最大波峰之間的采樣點(diǎn)數(shù)；TS為采樣間隔.

讓測試者佩戴設(shè)計(jì)的監(jiān)控終端，在監(jiān)控終端預(yù)留的DAC口接收輸出的心電和脈搏信號(hào)，截取其中的3 s時(shí)長，得到的原始數(shù)據(jù)如圖5所示.

從圖5中的測試結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的穿戴式監(jiān)控終端工作穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)采集到人體的心電和脈搏信號(hào)，并可以持續(xù)穩(wěn)定輸出.

圖5 監(jiān)控終端采集到的心電和脈搏信號(hào)

4.2 誤差測試

心率是人生命體征的重要指標(biāo)，在心電和脈搏信號(hào)中都有體現(xiàn)，為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn).建立了監(jiān)控終端與云服務(wù)器OneNET的網(wǎng)絡(luò)連接，然后在應(yīng)用域的監(jiān)測中心運(yùn)行一個(gè)Labview編寫的程序，并接入云服務(wù)器，接收來自采集終端的心率數(shù)據(jù)HRsys進(jìn)行測試.同時(shí)，使用專業(yè)的測量設(shè)備對(duì)佩戴者的心電和脈搏進(jìn)行測量.采用每3 s作為一個(gè)測量計(jì)算周期，共計(jì)測得8組數(shù)據(jù)，總時(shí)長為24 s，并與專業(yè)的設(shè)備測量的心率HRtrue進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證測量系統(tǒng)的精度，得到的結(jié)果如表1所示.

表1 測試結(jié)果

從表1中的測試結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的監(jiān)控終端能夠?qū)崟r(shí)采集到人體的心電和脈搏信號(hào)，測量平均誤差僅為0.24%，與云服務(wù)器OneNET通信流暢，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)⑴宕髡叩男碾姾兔}搏數(shù)據(jù)通過云服務(wù)器發(fā)送到監(jiān)測中心.

5 結(jié) 論

本文將重要生命體征監(jiān)測與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了心電脈搏信號(hào)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，利用微處理器ADuCM350作為監(jiān)控終端的核心，對(duì)心電和脈搏傳感器信號(hào)處理電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采集的生理數(shù)據(jù)會(huì)同佩戴者的位置等信息一起上傳到云服務(wù)器OneNET，存儲(chǔ)和共享健康數(shù)據(jù).測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的監(jiān)控終端能夠準(zhǔn)確地采集到佩戴者心電和脈搏信號(hào)，與專業(yè)設(shè)備的測量誤差僅為0.24%，當(dāng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)異常時(shí)，會(huì)提醒醫(yī)護(hù)工作者對(duì)患者的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和診斷，并可迅速定位病人的地理位置，聯(lián)動(dòng)救援機(jī)構(gòu)前往救治，為挽救病危人員爭取寶貴的時(shí)間.通常心臟疾病患者的病情都處于隱性狀態(tài)，一般醫(yī)院的檢測可能由于時(shí)間短會(huì)無法監(jiān)測，通過長時(shí)間心電的監(jiān)測，上傳到云服務(wù)器就可以為使用者建立長期的心電等數(shù)據(jù)，捕捉隱性病癥.