張思洲

一、引言

新冠肺炎疫情的出現(xiàn)改變了人們的就醫(yī)方式，尤其是疫情期間醫(yī)療結(jié)構(gòu)防控是疫情防控的重中之重，也是醫(yī)療機(jī)構(gòu)開(kāi)展醫(yī)療服務(wù)的基礎(chǔ)和前提。近年來(lái)，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，體積小、攜帶方便的已經(jīng)成為醫(yī)療檢測(cè)裝置的重要發(fā)展方向之一。

可穿戴智能醫(yī)療設(shè)備主要應(yīng)用于心電檢測(cè)。開(kāi)發(fā)者通過(guò)將可穿戴系統(tǒng)集成在背心中，根據(jù)紡織傳感器實(shí)時(shí)觀測(cè)穿戴者的心臟和呼吸活動(dòng)，并通過(guò)信號(hào)處理和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控端，主要產(chǎn)品有Wealthy，MyHeart，VitalJacket等。目前，可穿戴的智能醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用對(duì)象主要是老年人和兒童，例如基于可穿戴式傳感器的老人跌倒檢測(cè)系統(tǒng)和兒童疾病智能聽(tīng)診系統(tǒng)等。隨著智能穿戴設(shè)備的普及和相關(guān)傳感器的升級(jí)換代，用戶對(duì)可穿戴設(shè)備的需求日益增多，尤其是針對(duì)新冠疫情期間人體的健康觀測(cè)需求。

本文介紹一種可穿戴智能醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。通過(guò)該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)穿戴者身體狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并為醫(yī)生提供預(yù)警。該系統(tǒng)主要包括心率血氧傳感器模塊、人體溫度檢測(cè)模塊、OLED液晶屏三個(gè)硬件模塊和可穿戴醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)軟件模塊?；诳纱┐髦悄茚t(yī)療預(yù)警系統(tǒng)有助于醫(yī)生根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的體溫、血氧濃度和心率數(shù)據(jù)分析患者的病情，及時(shí)制定有關(guān)的治療方案，并反饋給患者。有助于減緩疫情期間對(duì)的人群交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。

二、可穿戴醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)

可穿戴醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)佩戴者的心率、血氧飽和濃度和體溫，主要包括心率血氧傳感器模塊、人體溫度檢測(cè)模塊、OLED液晶屏三個(gè)硬件模塊和可穿戴醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)軟件模塊，其工作流程圖如圖1所示。佩戴者通過(guò)心率血氧飽和度測(cè)量模塊和體溫測(cè)量模塊將佩戴者的體溫、血氧濃度、心率傳遞到家庭端，家庭端通過(guò)ESP8266 NodeMCU無(wú)線上網(wǎng)模塊傳遞到醫(yī)院數(shù)據(jù)庫(kù)，醫(yī)院醫(yī)生從數(shù)據(jù)庫(kù)軟件提供的穿戴預(yù)警信息，判斷患者病情的輕重緩急。

三、系統(tǒng)模塊介紹

（一）主控板

Arduino Uno是一款基于ATmega328P的微控制器板，它有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個(gè)可用作PWM輸出），6個(gè)模擬輸入，16MHz晶振時(shí)鐘，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復(fù)位按鈕。只需要通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接電腦就能供電、程序下載和數(shù)據(jù)通訊。使用過(guò)程中，開(kāi)發(fā)板可提供3.3V和5V電壓輸出，Vin引腳可用于從外部電源為開(kāi)發(fā)板供電。開(kāi)發(fā)板可采用Analog In引腳將模擬輸入引腳讀取外部模擬信號(hào)，其中A0～A5為模擬輸入引腳。UNO R3擁有14個(gè)數(shù)字I/O引腳，其中6個(gè)可用于PWM（脈寬調(diào)制）輸出。數(shù)字引腳用于讀取邏輯值（0或1），或者作為數(shù)字輸出引腳來(lái)驅(qū)動(dòng)外部模塊。設(shè)備中標(biāo)有"～"的引腳可產(chǎn)生PWM，標(biāo)有TX（發(fā)送）和RX（接收）的兩個(gè)引腳用于串口通訊。其中標(biāo)有TX和RX的LED燈連接相應(yīng)引腳，在串口通訊時(shí)會(huì)以不同速度閃爍。開(kāi)發(fā)板標(biāo)記第13引腳用于連接板載LED燈，可通過(guò)控制13引腳來(lái)控制LED燈亮滅。

（二）心率血氧飽和度測(cè)量模塊

血氧飽和度是評(píng)價(jià)新冠肺炎患者是否出現(xiàn)低氧血癥或者是呼吸衰竭的重要指標(biāo)之一，也是提示患者是否患有重癥和危重癥的指標(biāo)，其中輕癥患者的血氧飽和度大于95%，低氧血癥為低于95%。通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)佩戴可穿戴智能醫(yī)療預(yù)警設(shè)備人員的數(shù)據(jù)，及時(shí)通知遠(yuǎn)程醫(yī)生采取對(duì)應(yīng)的醫(yī)療措施。

為了獲取血氧飽和度，我們采用MAX30100模塊來(lái)實(shí)時(shí)觀測(cè)佩戴者的醫(yī)療數(shù)據(jù)。MAX30100是一個(gè)集成脈搏血氧儀和心率檢測(cè)儀生物傳感器的模塊。它集成了一個(gè)紅光LED和一個(gè)紅外光LED、光電檢測(cè)器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪音電子電路。MAX30102采用一個(gè)1.8V電源和一個(gè)獨(dú)立的5V用于內(nèi)部的LED的電源，應(yīng)用于可穿戴設(shè)備進(jìn)行心率和血氧采集檢測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)的I2C兼容的通信接口可以將采集到的的數(shù)值傳輸給uno、mega、nano等單片機(jī)進(jìn)行心率和血氧計(jì)算。

MAX30102心率血氧模塊尺寸約為20mm×15.5mm，LED峰值波長(zhǎng)為66nm～880nm，LED供電電壓為3.3～5V，檢測(cè)信號(hào)采用光反射信號(hào)，輸出信號(hào)接口為IIC。該模塊利用人體組織在血管脈動(dòng)時(shí)造成透光率不同進(jìn)行脈搏和血氧飽和度測(cè)量。其光源是采用對(duì)動(dòng)脈血中養(yǎng)合血紅蛋白（Hb02）和血紅蛋白（Hb）有選擇性的特定波長(zhǎng)的發(fā)光二極管。透光率轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的原理是根據(jù)動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化改變的透光率，將光電變換接收經(jīng)人體組織反射光線，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的輸出。

（三）體溫測(cè)量模塊

發(fā)熱是呼吸道疾病的主要癥狀，根據(jù)公開(kāi)的新冠肺炎患者體溫?cái)?shù)據(jù)表明患者體溫通常在37℃～39℃。當(dāng)人體的體溫高于37℃，提示患者和醫(yī)生，其可能患有呼吸道疾病。

為了獲取佩戴者的實(shí)時(shí)體溫?cái)?shù)據(jù)， 我們使用DS18B20模塊進(jìn)行采集。DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、開(kāi)發(fā)成本低的優(yōu)點(diǎn)，在有限空間測(cè)溫和控溫領(lǐng)域廣泛使用。

DS18B20模塊不是傳統(tǒng)的AD采集溫度傳感器，而是“一線總線”串行直接輸出溫度數(shù)據(jù)，其適應(yīng)電壓為3.0～5.5V，測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。

（四）OLED顯示模塊

為了在單位面積顯示更多的信息，我們采用OLED顯示屏模塊，該模塊與單片機(jī)之間有IIC，SPI兩種通訊模式，考慮到與其他傳感器的兼容性，本文開(kāi)發(fā)中采用的是IIC通訊模式。

（五）硬件系統(tǒng)的集成

ESP8266-NodeMCU的D1與D2引腳為默認(rèn)的IIC接線引腳，依次將MAX30205，MAX30100，oled的SCL，SDA這兩個(gè)與通訊相關(guān)的引腳相連，SCL與D2對(duì)應(yīng)，SDA與D1對(duì)應(yīng)，所有模塊的VCC相連，GND共地，便完成了硬件的連接。

（六）OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)開(kāi)發(fā)

OneNET定位為PaaS服務(wù)，即在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和真實(shí)設(shè)備之間搭建高效、穩(wěn)定、安全的應(yīng)用平臺(tái)。該設(shè)備適配多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和常見(jiàn)傳輸協(xié)議，提供各類硬件終端的快速接入方案和設(shè)備管理服務(wù)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種可穿戴智能醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)以ESP8266-NodeMCU為基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)包括MAX30100心率血氧傳感器模塊、MAX30205人體溫度檢測(cè)模塊、oled顯示屏三個(gè)硬件模塊和OneNET物聯(lián)網(wǎng)軟件模塊。通過(guò)使用該系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人們的體溫、血氧濃度和心率等數(shù)據(jù)，醫(yī)院醫(yī)生可以登錄OneNET客戶端分析佩戴者的醫(yī)療數(shù)據(jù)，根據(jù)病情的輕重緩急遠(yuǎn)程制定救治方案。