劉彥偉，孟慶琰，張?zhí)m芹

1. 泰安市中心醫(yī)院 設(shè)備科，山東 泰安 271000；2. 山東第一醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)裝備部，山東 泰安 271000

引言

人體生理多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人的血壓、血氧飽和度、心率和體溫等人體生命體征[1-2]，對(duì)實(shí)時(shí)了解病人的狀況具有很大的意義，隨著Android手機(jī)的普及和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使通過手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)病人的生理參數(shù)信息成為可能[3-4]。本文設(shè)計(jì)了一款多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該監(jiān)護(hù)儀可以準(zhǔn)確測(cè)出人體的生理參數(shù)信息并將信息通過Wi-Fi上傳到服務(wù)器。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過Android手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)多個(gè)病人的生理參數(shù)信息的查詢、顯示、保存本地手機(jī)SD卡及語(yǔ)音播報(bào)功能，方便及時(shí)了解病人的身體狀況。

1 人體生理多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)儀主要測(cè)量人體的血壓、血氧飽和度、心率和體溫四項(xiàng)生理參數(shù)信息，監(jiān)護(hù)儀采用STM32F103作為系統(tǒng)的控制芯片，其主要功能是利用人體生理參數(shù)各部分的傳感器及檢測(cè)處理電路準(zhǔn)確、快速測(cè)出人體的生理參數(shù)信息，STM32F103內(nèi)部程序檢測(cè)到生理參數(shù)信息采集完成后，將生理參數(shù)信息通過監(jiān)護(hù)儀內(nèi)部的Wi-Fi模塊實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器。本文設(shè)計(jì)的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀硬件主要包括血壓、血氧飽和度、心率和體溫的檢測(cè)及處理電路、Wi-Fi模塊電路，監(jiān)護(hù)儀硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)護(hù)儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀血壓模塊硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的人體血壓測(cè)量是通過示波法的方法來(lái)檢測(cè)的，該部分主要由電源電路、氣泵和電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、血壓檢測(cè)及轉(zhuǎn)換電路并配合外部袖帶組成。該部分電路框圖如圖2所示。

圖2 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀血壓測(cè)量電路框圖

預(yù)先在控制芯片STM32F103程序中設(shè)置充氣的最大壓力值（本文設(shè)定220 mmHg），當(dāng)STM32F103內(nèi)部程序檢測(cè)到血壓測(cè)量按鈕按下時(shí)，會(huì)通過控制氣泵驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)氣泵給袖帶充氣，當(dāng)檢測(cè)到壓力達(dá)到220 mmHg時(shí)，停止給袖帶充氣，并開始控制放氣電磁閥給袖帶放氣。當(dāng)袖帶開始放氣時(shí)，血壓檢測(cè)電路內(nèi)部的壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力值，當(dāng)檢測(cè)到脈搏波跳動(dòng)強(qiáng)度隨著血壓袖帶內(nèi)部氣體壓力的減小而增強(qiáng)時(shí)，這個(gè)拐點(diǎn)測(cè)到的血壓值為收縮壓，當(dāng)袖帶繼續(xù)放氣達(dá)到某一點(diǎn)時(shí)，脈搏波跳動(dòng)強(qiáng)度會(huì)隨著袖帶內(nèi)氣壓得較小而減弱，這個(gè)拐點(diǎn)測(cè)到的血壓值為平均壓值，利用測(cè)出的收縮壓和平均壓可以計(jì)算出舒張壓[5-6]。

1.2 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀血氧飽和度硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的血氧檢測(cè)探頭由發(fā)紅光和紅外光的兩個(gè)不同波長(zhǎng)的二極管反向并聯(lián)構(gòu)成，紅光和紅外光的波長(zhǎng)分別為660 nm和940 nm[7-8]。血氧檢測(cè)探頭的紅光驅(qū)動(dòng)電路由2個(gè)MMBT05L三極管和相應(yīng)的電路組成，紅外光的驅(qū)動(dòng)電路由2個(gè)MMBT55LT1三極管和相應(yīng)電路組成，利用控制芯片STM32F103的4個(gè)端口分別控制輸出電壓和二極管的發(fā)光強(qiáng)度。

當(dāng)血氧傳感器探頭夾上手指后， STM32F103會(huì)產(chǎn)生兩路時(shí)序脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)血氧探頭內(nèi)的兩個(gè)不同波長(zhǎng)的二極管交替發(fā)光[9]，發(fā)光二極管發(fā)出的光通過人體指端后由光電三極管接收并通過前置差分濾波及轉(zhuǎn)換電路濾波放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給STM32F103芯片，由控制芯片STM32F103根據(jù)血氧飽和度的計(jì)算公式測(cè)量出人體的血氧飽和度值。本文設(shè)計(jì)的血氧飽和度的電路框圖如3所示。

圖3 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀血氧飽和度電路框圖

1.3 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀心率硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的血氧飽和度采集電路可以同時(shí)采集到人體指端的容積脈搏波信號(hào)，通過提取兩個(gè)相鄰脈搏波波峰點(diǎn)的采樣點(diǎn)數(shù)，設(shè)為n，根據(jù)本文指端脈搏波采集設(shè)置的采樣時(shí)間T=0.007s，即可計(jì)算出人體的心率值（Heart Rate，HR），HR的計(jì)算公式[10]如公式（1）所示。

1.4 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀體溫硬件設(shè)計(jì)

本論文設(shè)計(jì)體溫測(cè)量電路由測(cè)溫電橋電路、電壓基準(zhǔn)電路和差分放大反饋電路組成，其電路框圖如圖4所示。

圖4 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀體溫測(cè)量電路框圖

溫度變化在較小范圍內(nèi)時(shí)，利用高精度鉑電阻PT100的阻值與溫度良好的線性關(guān)系（式2）與其他四個(gè)精密電阻組成測(cè)溫電橋電路[11]，電壓基準(zhǔn)電路由電壓基準(zhǔn)芯片REF3030和相應(yīng)電路組成，主要功能為測(cè)溫電橋電路提供3.0 V標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓，測(cè)溫電橋電路測(cè)出電阻值由差分放大電路由差分放大反饋放大后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給控制芯片STM32F103。

根據(jù)公式(2)，即可計(jì)算出人體的體溫值T，如公式(3)所示。

當(dāng)鉑電阻的溫度為0℃時(shí)，其阻值為100 Ω[12]，PT100阻值Rt與溫度T的線性系數(shù)A為0.385。

1.5 人體多生理參數(shù)信息上傳服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)

人體生理參數(shù)信息采集后保存在存儲(chǔ)器內(nèi)，當(dāng)STM32F103檢測(cè)到所有數(shù)據(jù)采集完成后，把血壓、血氧飽和度、心率和體溫通過串口 UART依次發(fā)送到Wi-Fi模塊ST-MW-08 S，Wi-Fi模塊ST-MW-08 S將接收到的數(shù)據(jù)信息上傳至服務(wù)器[13]。Wi-Fi模塊的工作參數(shù)和工作方式可以通過串口軟件實(shí)現(xiàn)配置，Wi-Fi模塊ST-MW-08 S內(nèi)部集成了Wi-Fi的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)支持 ARP、ICMP、UDP、TCP/IP、DHCP 客戶端以及 DHCP 服務(wù)器等諸多協(xié)議，具備多路通用 I/O的輸入輸出接口，編程方便等優(yōu)點(diǎn)[14]。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)儀遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一款基于Android手機(jī)的APP軟件，它可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)生注冊(cè)、登錄，多病人歷史信息查詢、顯示，病人生理參數(shù)信息數(shù)據(jù)保存和查詢到的病人生理參數(shù)信息的語(yǔ)音播報(bào)，該APP軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)護(hù)儀遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

2.1 醫(yī)生注冊(cè)登錄功能App軟件設(shè)計(jì)

有注冊(cè)權(quán)限的醫(yī)生信息會(huì)預(yù)先保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)醫(yī)生首次登陸時(shí)，軟件會(huì)提示醫(yī)生填寫注冊(cè)信息，注冊(cè)信息包括用戶名（真實(shí)姓名）、手機(jī)號(hào)、密碼及性別的選擇，當(dāng)醫(yī)生的信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息匹配時(shí)，才能注冊(cè)成功。當(dāng)醫(yī)生注冊(cè)成功后，可通過用戶名和密碼實(shí)現(xiàn)登陸，若登陸信息忘記時(shí)，可以通過手機(jī)號(hào)找回密碼，本文設(shè)計(jì)的App軟件的注冊(cè)、登錄界面如圖6所示。在設(shè)計(jì)注冊(cè)界面時(shí)，添加了4個(gè)TableRow 表格行，在其中添加了4個(gè)TextView文本框 和4個(gè)EditText 編輯框控件，分別用來(lái)顯示和填寫用戶名、手機(jī)號(hào)、密碼和確認(rèn)密碼。在EditText 控件中的 android:singleLine = “true”表示單行輸入文本， android:inputType= “password” 表示輸入的內(nèi)容為密碼，并用 “ . ” 代替輸入的內(nèi)容，避免密碼泄露。設(shè)計(jì)登錄界面時(shí)，添加了2個(gè)TableRow 表格行，在其中添加了2個(gè)TextView文本框 和2個(gè)EditText 編輯框控件。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)注冊(cè)及登錄界面

2.2 人體生理參數(shù)信息查詢顯示App軟件設(shè)計(jì)

該功能采用通過POST的請(qǐng)求方法同服務(wù)器進(jìn)行交互，POST請(qǐng)求是把所有的要訪問服務(wù)器提交的數(shù)據(jù)放在請(qǐng)求的請(qǐng)求體當(dāng)中，POST向服務(wù)器提交的數(shù)據(jù)沒有限制，可以大數(shù)據(jù)訪問數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)POST請(qǐng)求，需在Manifest文件中注冊(cè)打開訪問網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限：＜uses-permission android:name =“android.permission.INTERNET” /＞， 輸 入 病人名字后，點(diǎn)擊查詢按鍵，界面會(huì)跳轉(zhuǎn)到病人生理參數(shù)信息顯示界面，該界面會(huì)從上到下依次顯示從服務(wù)器上獲得的人體血壓、血氧飽和度、心率和體溫值，該界面如圖7所示。

醫(yī)生通過輸入病人的姓名和床號(hào)查詢病人的生理參數(shù)信息，通過POST方式將提交到服務(wù)器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為JSON格式數(shù)據(jù)字符串，代碼如下：

在主程序中利用text.setText("" + value)顯示從服務(wù)器上返回的數(shù)據(jù)，其中text為定義的血壓、血氧飽和度、心率和體溫生理參數(shù)，value為從服務(wù)器上返回的生理參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.3 人體生理參數(shù)信息數(shù)據(jù)保存App軟件設(shè)計(jì)

點(diǎn)擊圖7界面上的保存按鍵，程序會(huì)檢測(cè)手機(jī)本地的SD卡是否已準(zhǔn)備好，若SD卡已準(zhǔn)備就緒，系統(tǒng)內(nèi)部程序利用File sdCardDir = Environment.getExternalStorageDirectory()得到SD卡根的目錄，在SD卡的data文件夾下創(chuàng)建以病人名字命名的文件夾，程序如下所示：

圖7 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)查詢到的生理參數(shù)顯示界面

病人的基本信息及生理參數(shù)信息會(huì)以日期+時(shí)間.txt文檔的命名形式保存在手機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)卡中，獲得當(dāng)前日期及時(shí)間的方法的程序如下：

獲得當(dāng)前日期的方法：

圖8 保存在SD中的病人信息文檔及生理參數(shù)信息

2.4 人體生理參數(shù)信息語(yǔ)音播報(bào)App軟件設(shè)計(jì)

醫(yī)生查看病人信息時(shí)，可以選擇打開語(yǔ)音播報(bào)功能，打開后該APP軟件會(huì)自動(dòng)播報(bào)病人的信息，當(dāng)醫(yī)生忙碌無(wú)法觀看手機(jī)時(shí)，該功能可以方便醫(yī)生了解病人的情況。默認(rèn)情況下，Android平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)中文到語(yǔ)音的轉(zhuǎn)換，必須安裝中文文字轉(zhuǎn)換語(yǔ)音Text To Speech（TTS）的語(yǔ)音包，并將該包引入到所建工程的buildPath中。導(dǎo)入第三方科大訊飛語(yǔ)音包的方法是右鍵工程，選擇Build path，Configure Build Path，選擇libraries選項(xiàng)卡中選擇右側(cè)的Add External JARs，然后選擇要導(dǎo)入的第三方的jar 包，點(diǎn)擊“確定”，語(yǔ)音jar包會(huì)被一起打包到apk中，本文采用第三方科大訊飛開發(fā)提供的TTS語(yǔ)音包，導(dǎo)入工程后如圖9所示，下載并安裝訊飛語(yǔ)音APK軟件，安裝成功后，在語(yǔ)音設(shè)置選項(xiàng)中打開系統(tǒng)識(shí)別接口、設(shè)置發(fā)音的方式、語(yǔ)速和音效，如圖10所示。

圖9 工程中導(dǎo)入訊飛語(yǔ)音包

圖10 安裝訊飛APK后及語(yǔ)音設(shè)置界面

當(dāng)醫(yī)生打開語(yǔ)音播報(bào)功能后，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)病人信息的語(yǔ)音播報(bào)功能，語(yǔ)音播報(bào)的程序如下：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)者靜息5 min待身體完全放松后，采用醫(yī)院常用的邁瑞PM 7000監(jiān)護(hù)儀作為參照，分別用本文設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)儀和邁瑞PM 7000監(jiān)護(hù)儀采集10名實(shí)驗(yàn)者的血壓、心率、血氧飽和度和體溫值。

利用Bland-Altman方法[15]對(duì)兩種儀器測(cè)量的血壓值進(jìn)行一致性分析，分析結(jié)果是這10個(gè)數(shù)據(jù)均在一致性界限以內(nèi)，其中收縮壓和舒張壓兩者差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為 -0.6000和-0.9000， 1.5793和 1.7640，收縮壓和舒張壓的95%一致性界限分別為（-3.6954，2.4954）和（-4.3575，2.5575）。兩種儀器測(cè)出的10名實(shí)驗(yàn)者的心率的相關(guān)系數(shù)r=0.9830；血氧飽和度數(shù)據(jù)的最大絕對(duì)誤差為1，最小絕對(duì)誤差為0，最大相對(duì)誤差為1.01%；體溫值的最大絕對(duì)誤差為0.5℃，最小絕對(duì)誤差為0，最大相對(duì)誤差為1.43%。

血壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析說明本論文設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)儀測(cè)出的血壓值與邁瑞PM7000監(jiān)護(hù)儀測(cè)出的血壓具有很好的一致性。兩種儀器測(cè)出的HR的相關(guān)性很大，說明本文設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)儀測(cè)出的HR具有很高的準(zhǔn)確性[16]；兩種儀器測(cè)出的血氧飽和度和體溫值的相對(duì)誤差均很小，說明了本論文設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)儀測(cè)出的血氧飽和度和體溫值具有很高準(zhǔn)確性，符合人體生理參數(shù)測(cè)量的要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出了一款人體多生理參數(shù)的監(jiān)護(hù)儀及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)護(hù)儀硬件部分能夠快速測(cè)準(zhǔn)確測(cè)出人體的血壓、血氧飽和度、心率和體溫值，利用邁瑞PM 7000監(jiān)護(hù)儀作為對(duì)比，分析了10名實(shí)驗(yàn)者的測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果證明了本文設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)儀測(cè)量人體生理參數(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性，并實(shí)現(xiàn)了將病人基本信息和生理參數(shù)信息上傳到服務(wù)器。本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Android手機(jī)APP軟件，實(shí)現(xiàn)了從服務(wù)器上查詢病人歷史信息并顯示，實(shí)現(xiàn)了病人信息保 存到本地SD卡功能，實(shí)現(xiàn)了病人信息的語(yǔ)音播報(bào)功能，達(dá)到了本文設(shè)計(jì)的要求。