甄超平，曾思明

(廣東工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，廣東 廣州 510006)

0 引言

醫(yī)療健康問題覆蓋全年齡階段的人群，上至部分有心腦血管、高血壓等慢性疾病的老年人，中至一些工作家庭壓力較大、有亞健康癥狀的中年人和年輕人，下至剛出生需要時(shí)刻監(jiān)護(hù)的嬰兒，無不需要時(shí)刻地、日常地關(guān)注其健康水平。對自身各種生理參數(shù)及時(shí)有效的監(jiān)測可以評估個(gè)人的健康狀態(tài)，以此調(diào)整作息方式、飲食結(jié)構(gòu)或者及時(shí)就醫(yī)，避免一些疾病向著更嚴(yán)重的態(tài)勢發(fā)展。

隨著5G 和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，遠(yuǎn)程式的醫(yī)療監(jiān)護(hù)將成為趨勢，人們只需在家就能根據(jù)自身的健康生理參數(shù)向醫(yī)生咨詢健康問題，醫(yī)護(hù)人員只需通過監(jiān)護(hù)中心的終端服務(wù)器即可查看病人的身體狀況，從而實(shí)現(xiàn)舒適、便攜和友好的醫(yī)療交互的環(huán)境[1-3]。

1 總體框架

本設(shè)計(jì)的總體框架如圖1 所示。

圖1 總體框架圖

圖1 中，監(jiān)護(hù)儀采用以ARM Cortex-M3 為內(nèi)核STM32單片機(jī)作為核心處理單元，分別將數(shù)字集成心率血氧采集模塊、非接觸測量溫度的紅外線傳感器模塊得到的心率信號、血氧信號、溫度信號通過通用的通信協(xié)議傳輸?shù)胶诵奶幚韱卧M(jìn)行特定的算法以及處理，得到當(dāng)前測試者的心率值、血氧值、體溫值，這些參數(shù)同時(shí)在LCD 顯示屏上實(shí)時(shí)顯示與更新。測試者還可以通過獨(dú)立按鍵配置生理參數(shù)的閾值提醒和將得到的生理參數(shù)通過無線通信模塊實(shí)時(shí)發(fā)送至智能手機(jī)與電腦等終端設(shè)備，在云端可以實(shí)現(xiàn)這些生理參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制單元

該設(shè)計(jì)使用的微控制單元為STM32F103VET6主控芯片,其內(nèi)核Cortex-m3 是ARM 公司面向成本和功耗敏感同時(shí)滿足相對高性能的市場產(chǎn)品而推出的。ST 公司基于Cortex-m 內(nèi)核推出了STM32 的多個(gè)系列版本，有基本型、增強(qiáng)型、互補(bǔ)型和USB 基本型等，其主流產(chǎn)品STM32F103 增強(qiáng)型系列微控器廣泛應(yīng)用于電子電力系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動、手持設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、醫(yī)療電子等。STM32F103VET6 的工作頻率最高可達(dá)72 MHz，512 KB 的Flash 容量作為程序存儲器，64 KB 的SRAM靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器，同時(shí)，片上集成豐富的外設(shè)，如：USB、ADC、CAN、I2C、UART、TIMER 等。開發(fā)者可通過庫函數(shù)、寄存器、STM32CUBEMX 等多種開發(fā)方式提高編程效率。綜合以上多方面優(yōu)點(diǎn)，STM32 從一上市就迅速發(fā)展并占領(lǐng)了MCU 的中低端市場，受到國內(nèi)外電子工程師的喜愛。文獻(xiàn)[4]對STM32 有更為詳細(xì)的說明。

2.2 數(shù)字集成心率血氧傳感器

MAX30102 是美信半導(dǎo)體公司于2016 年專為可穿戴設(shè)備和健康醫(yī)療輔助設(shè)備設(shè)計(jì)的一款數(shù)字集成心率血氧傳感器模塊。該模組主要集成了雙波長紅光和紅外光LED、接收反射紅光和紅外光的光電探測器、環(huán)境光消除器件、分辨率可調(diào)的高精度18 位ADC、數(shù)字噪聲消除器件、FIFO 存儲器和I2C 通信接口。單片機(jī)可通過I2C通信對MAX30102 單獨(dú)設(shè)置為心率模式、血氧模式或者共用模式，配置內(nèi)部ADC 分辨率、紅光和紅外光樣本的采集速率、FIFO 中樣本數(shù)量溢出的中斷方式、低功耗待機(jī)模式等操作。美信官網(wǎng)有MAX30102 的系統(tǒng)圖和數(shù)據(jù)手冊，MAX30102 模塊的電路如圖2 所示。

圖2 MAX30102 原理圖

該傳感器測量心率和血氧的方法即光電容積法(PPG)。測量心率的基本原理[5-6]是利用動脈血液中的脈動成分對紅外光的吸光度隨著心臟跳動而進(jìn)行周期性的變化(紅外光波長通常為900 nm 附近)，經(jīng)過反射后的紅外光光強(qiáng)被光電探測器接收后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，進(jìn)而通過算法處理得到心率。而測量血氧需要用到兩種波長不同的紅光(波長通常在660 nm 附近)和紅外光。脈動血液中的還原血紅蛋白(Hb)和氧合血紅蛋白(HbO2)對660 nm 紅光的吸收度差異較大，而對900 nm 紅外光的吸收度差異很小。依靠這兩種蛋白對紅光和紅外光吸收度不同這一特性，將(Hb 對紅光的消光系數(shù))、(Hb 對紅外光的消光系數(shù))、(HbO2 對紅光的消光系數(shù)) 以及用算法從原始樣本中分離的交流信號和直流信號代入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)[6]的以下公式，即可得到血氧飽和度值。

2.3 紅外非接觸溫度傳感器

某些晶體可以因?yàn)闇囟茸兓鹁w表面電荷，輻射紅外線。紅外非接觸傳感器的工作原理為探測物體表面紅外輻射能量，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跍y量的電信號或其他形式的量。MLX90614 模組集成了用于探測目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度的熱電偶MLX81101 和用于處理熱電偶輸出模擬信號的專用集成芯片MLX90302，由邁來芯公司研發(fā)和生產(chǎn)。該傳感器系列有多個(gè)型號和封裝方式，適用于不同領(lǐng)域的測量，專用于人體溫度監(jiān)測的醫(yī)療應(yīng)用版本在適用范圍內(nèi)精度可達(dá)到0.1 ℃。在傳感器開發(fā)方面，存儲在MLX90302RAM 中的目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)可由兩線SMBus 通信協(xié)議模式和10 位PWM 模式輸出。文獻(xiàn)[7]對MLX90614 的SMBus 協(xié)議及其溫度采集程序作了說明，GY-90614 模塊的電路如圖3 所示。

圖3 MLX90614 原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 用于配置閾值和選擇發(fā)送數(shù)據(jù)的按鍵掃描算法

由于本監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)的循環(huán)流程運(yùn)行一次所需時(shí)間為3～4 s，因此通常的在主函數(shù)中的按鍵掃描算法無法精確地識別到測試者按鍵操作，故采用了外部中斷嵌套定時(shí)器中斷掃描按鍵的方法來檢測測試者的按鍵動作。該方法能極大地減少用戶進(jìn)行單片機(jī)配置時(shí)所需要的按鍵數(shù)目，降低產(chǎn)品成本，同時(shí)提高了單片機(jī)運(yùn)行程序的效率，提高硬件資源的使用率。

具體的按鍵掃描算法思想如下：測試者按下配置按鍵，單片機(jī)掃描到邊沿信號,程序進(jìn)入設(shè)置了打開定時(shí)器的外部中斷服務(wù)函數(shù)，單片機(jī)處于掃描按鍵狀態(tài)，測試者此時(shí)可進(jìn)行各種生理參數(shù)的閾值配置(當(dāng)閾值大于或小于測試者配置的數(shù)值時(shí)，單片機(jī)會實(shí)時(shí)響應(yīng)并提醒測試者)，或者選擇關(guān)閉定時(shí)器的中斷開關(guān)，從而使單片機(jī)退出配置模式，按鍵算法流程如圖4 所示。

圖4 按鍵算法流程圖

3.2 心率血氧算法選擇分析

從MAX30102 中獲取的數(shù)據(jù)信號為原始信號，需經(jīng)過算法處理才能得到測試者的心率值與血氧值。對于從該模塊采集出來的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理的方法，常用的有兩種：一種是時(shí)域分析，即算出脈搏數(shù)據(jù)信號(PPG)的平均波峰距，再用一分鐘除以這個(gè)波峰距即可得到心率值；另一種是通過對PPG 信號進(jìn)行FFT 變換得到頻域中脈搏波信號的頻段，再將這個(gè)頻率值乘以一分鐘得到心率值。首先是第二種方法，經(jīng)過了在STM32VET6 使用FFT(快速傅里葉變換)算法對PPG 信號的處理后，發(fā)現(xiàn)這種方法計(jì)算心率值存在時(shí)間和精度相矛盾的問題，由以下公式可得出：

其中，Samples_per_second 為每秒從MAX30102 中采集的紅外光樣本數(shù)量，s2_max_index×FFT_N 為脈搏信號中交流成分信號的頻率，F(xiàn)FT_N 為快速傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)長度。若Samples_per_second 設(shè)置為100，F(xiàn)FT_N 設(shè)置為1 024，從FFT 填滿數(shù)據(jù)到計(jì)算出心率值需要花費(fèi)5 s，但得到的各心率值間隔為3。從監(jiān)測測試者的心率的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性來看，這都是沒有參考價(jià)值的。若提高FFT 的點(diǎn)數(shù)長度，雖然能提高測試心率值的精度，但這將大大增加了監(jiān)測出心率的時(shí)間，同時(shí)加大了微控單元的負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[8]中對采集的原始信號數(shù)據(jù)作了詳細(xì)分析。本文設(shè)計(jì)心率算法使用的是第一種，計(jì)算心率血氧的算法流程如圖5 所示。

圖5 心率血氧算法流程圖

3.3 機(jī)智云平臺demoapp 的移植與調(diào)試

從下位機(jī)監(jiān)護(hù)儀采集的測試者生理參數(shù)(如：心率、血氧和體溫)在LCD 模塊實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，還能將監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)后在手機(jī)客戶端和官方的網(wǎng)頁界面監(jiān)測到這些生理參數(shù)。物聯(lián)網(wǎng)平臺選擇的是機(jī)智云，而聯(lián)網(wǎng)設(shè)備選擇的是樂鑫的ESP8266。

ESP8266 廣泛應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)智能硬件的開發(fā)，如：傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能家居設(shè)計(jì)和無線醫(yī)療電子設(shè)備等。其常用的固件AT 指令作為微控單元和WiFi 模組之間配置功能，連接與通信的底層指令。相應(yīng)地，機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)智能硬件云服務(wù)開發(fā)平臺使用GAgent 固件作為其與WiFi 模組的橋梁。在MCU 代碼開發(fā)方面，機(jī)智云有官方的代碼自動生成工具，該工具幫助開發(fā)者完成了MCU與WiFi 模組通信連接的底層協(xié)議工作，適用于獨(dú)立MCU方案和SoC 方案，使開發(fā)者更專注于軟硬件的功能開發(fā)。文獻(xiàn)[9]對機(jī)智云平臺的通信協(xié)議和開發(fā)流程作了詳細(xì)說明。機(jī)智云數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置如表1 所示，云端網(wǎng)頁生理參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測如圖6 所示，記錄了測試者某天21 時(shí)一段時(shí)間內(nèi)生理參數(shù)隨時(shí)間變化情況。

表1 機(jī)智云數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置表

圖6 機(jī)智云后臺監(jiān)測圖

4 測試驗(yàn)證

為了測試驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)儀的準(zhǔn)確性，以同一測試者10 個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的生理參數(shù)作為測試樣本，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別用參考監(jiān)護(hù)儀和本監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行5 次采集，最后求平均值。測試者心率、血氧和體溫的測試結(jié)果如表2 所示。

表2 監(jiān)護(hù)儀測試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

智能遠(yuǎn)程多生理參數(shù)健康監(jiān)護(hù)儀為社會上的一些特定人群提供了日常居家健康監(jiān)護(hù)的可行性，監(jiān)護(hù)儀采用數(shù)字集成心率血氧模塊等采集人體的心率、血氧和體溫等，通過下位機(jī)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)和波形，使用獨(dú)立按鍵配置閾值提醒和配置聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)可通過云端網(wǎng)頁監(jiān)測記錄。本設(shè)計(jì)具有操作簡單、成本低、便攜性好、擴(kuò)展性豐富、測量較為準(zhǔn)確等特點(diǎn)。