郭 棟，邱力軍，徐 穎

(西京學(xué)院 理學(xué)院，陜西 西安 710123)

0 引言

如今的生理檢測(cè)產(chǎn)品大多數(shù)只能在醫(yī)院使用，而市面上的檢測(cè)儀普遍存在以下缺點(diǎn)。(1)監(jiān)護(hù)設(shè)備操作過(guò)程煩瑣、市場(chǎng)價(jià)格高昂，尤其是高端的進(jìn)口儀器。(2)監(jiān)護(hù)儀器的設(shè)計(jì)基本面向醫(yī)療機(jī)構(gòu)，適用于家庭和個(gè)人監(jiān)測(cè)的成熟醫(yī)療產(chǎn)品非常少。(3)適合家庭使用的醫(yī)療儀器多為固定單一參數(shù)的產(chǎn)品且功能少，參考價(jià)值有限。(4)目前，適合家庭的大多數(shù)醫(yī)療儀器不能把所測(cè)量的生理參數(shù)及時(shí)發(fā)送給醫(yī)生進(jìn)行診斷，這種及時(shí)診斷對(duì)于家住在偏遠(yuǎn)地區(qū)和不方便去醫(yī)院的病人十分必要。針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)一套便攜式生理參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于家庭日常監(jiān)測(cè)，并可以把測(cè)量到的生理參數(shù)發(fā)送給醫(yī)生進(jìn)行在線診斷，讓使用者及時(shí)了解自己的身體狀況，真正做到預(yù)防潛在疾病。

1 系統(tǒng)整體技術(shù)方案

一種基于4G網(wǎng)絡(luò)的便攜式多生理參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)由3個(gè)系統(tǒng)組成：脈搏血氧檢測(cè)系統(tǒng)、無(wú)創(chuàng)血壓檢測(cè)系統(tǒng)、心電檢測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置用于探測(cè)人體脈搏的血液氧氣，利用光學(xué)-頻率傳感器探測(cè)指尖的光脈脈沖，利用發(fā)光驅(qū)動(dòng)回路調(diào)整脈沖-血-氧探測(cè)回路的紅色和紅色光的發(fā)射定時(shí)，并將最后的感測(cè)器接收的信號(hào)經(jīng)脈沖-氧氣回路傳輸至微處理器，由微處理器進(jìn)行處理，從而得出身體的脈搏和血氧飽和度等參數(shù)。[1]在測(cè)量人體的血壓時(shí)，使用了一個(gè)血壓監(jiān)測(cè)線路，通過(guò)對(duì)空氣泵和閥門(mén)進(jìn)行充氣，使其在一個(gè)特定的內(nèi)部壓力范圍之內(nèi)，通過(guò)血壓測(cè)量回路對(duì)血壓進(jìn)行放大、過(guò)濾，最后由微處理器進(jìn)行處理，得出舒張壓和收縮壓。在ECG的探測(cè)方面，本研究的心電檢測(cè)系統(tǒng)是將由導(dǎo)線電極收集的心電圖進(jìn)行放大和過(guò)濾，過(guò)濾掉其中的基線和工頻的擾動(dòng)，從而獲得較不潔凈的心電信號(hào)，再由微處理機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)行心電測(cè)量。單片機(jī)對(duì)用戶的生理指標(biāo)進(jìn)行采集和處理，然后利用電容式串口屏幕把生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)? G模塊的服務(wù)器上。移動(dòng)端上位機(jī)跟PC端上位機(jī)分別出讀出服務(wù)器端的數(shù)據(jù)[2]。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由主控單元、脈搏血樣檢測(cè)系統(tǒng)、無(wú)創(chuàng)血壓檢測(cè)系統(tǒng)和心電檢測(cè)系統(tǒng)組成。

2.1 主控單元電路設(shè)計(jì)

主控制器采用基于帶浮點(diǎn)單元的Cortex@-M4內(nèi)核的STM32F411RET6單片機(jī)，其工作頻率可達(dá)100 MHz并具備出色的低功耗性能。STM32F411ZET6具有高達(dá)512 KB 的Flash存儲(chǔ)器和高達(dá)128 KB的SRAM。擁有豐富的外設(shè)資源：3路USART，5路SPI，3個(gè)IC，12位ADC等。

2.2 脈搏血氧檢測(cè)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的脈搏血氧飽和度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)主要采用模擬電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的一系列環(huán)節(jié)，如雙光束分離、交直流分離、濾波放大、檢測(cè)等。這些復(fù)雜的電路硬件環(huán)節(jié)不可避免的增加了系統(tǒng)的干擾，使檢測(cè)電路變得更加不穩(wěn)定、測(cè)量隨機(jī)誤差增加。本設(shè)計(jì)將采用一種光-頻率轉(zhuǎn)換脈搏數(shù)字系統(tǒng)來(lái)解決以上問(wèn)題，降低系統(tǒng)的噪聲干擾和隨機(jī)誤差。光-頻率脈搏血氧電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。本設(shè)計(jì)采用STM32微控制器的PE2和PE3 GPIO口來(lái)控制時(shí)序，發(fā)射管發(fā)出紅光和紅外光信號(hào)的工作由H橋電路來(lái)分時(shí)驅(qū)動(dòng)完成；手指將這些信號(hào)光吸收衰減后，接收頭使用光頻轉(zhuǎn)換器件TSL237，將被手指吸收衰減后的透射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，然后傳輸?shù)轿⒖刂破鞯男盘?hào)采集端，最終由微控制器進(jìn)行脈沖頻率信號(hào)的捕捉，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和分析[3]。

圖2 光-頻率脈搏血氧電路結(jié)構(gòu)

2.3 無(wú)創(chuàng)血壓檢測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)血壓的測(cè)量是通過(guò)血壓傳感器將人體的血壓生理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大、濾波等信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)送到單片機(jī)的A/D模塊中，最后經(jīng)過(guò)單片機(jī)信號(hào)處理后顯示到電容式串口屏上并通過(guò)4G模組發(fā)送至服務(wù)器端供上位機(jī)讀取。具體工作框如圖3所示[4]。

圖3 無(wú)創(chuàng)血壓檢測(cè)系統(tǒng)

2.4 心電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

心電信號(hào)(EGC)能反映人體生理狀態(tài)的信息參數(shù)。它是心臟生物電活動(dòng)在人體表面的體現(xiàn)：ECG信號(hào)是微弱的低頻信號(hào)，非常容易受到噪聲干擾。其頻率范圍為0.05～100 Hz，信號(hào)幅度為0～5 mV。由于心電信號(hào)主要來(lái)自人體，人體是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境，不可避免地會(huì)受到大量的噪聲干擾，因此合理設(shè)計(jì)心電信號(hào)檢測(cè)電路是獲得正確心電信號(hào)的關(guān)鍵。心電信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，一般來(lái)說(shuō)除了呼吸信號(hào)、肌電信號(hào)、人體運(yùn)動(dòng)等內(nèi)部噪聲信號(hào)的干擾外，還受到50 Hz工頻干擾、電極接觸等環(huán)境干擾[5]。

心電信號(hào)采集電路的系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)，如圖4所示。電極采集的體表心電信號(hào)通常需要經(jīng)過(guò)前級(jí)放大電路適當(dāng)放大，再經(jīng)過(guò)由低通濾波器和高通濾波器組成的帶通濾波器；通過(guò)雙T陷波器對(duì)50 Hz工頻干擾進(jìn)行濾波，最終將心電信號(hào)提取到合適的電壓范圍并發(fā)送到單片機(jī)。

圖4 心電信號(hào)采集電路的系統(tǒng)

2.5 采集參數(shù)信息上傳服務(wù)器設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測(cè)完成后，系統(tǒng)先將檢測(cè)到的血氧、心電等信息存儲(chǔ)在儲(chǔ)存器中，再將存儲(chǔ)器中的血壓、心率等數(shù)據(jù)通過(guò)UART串口向WiFi模塊st-mw-08s依次發(fā)送，最后上傳至服務(wù)器。使用串口配置軟件可以修改WiFi模塊st-mw-08s工作時(shí)的參數(shù)和模式。WiFi模塊st-mw-08s的優(yōu)點(diǎn)在于它自身集成了驅(qū)動(dòng)程序，并且支持多種協(xié)議，如DHCP客戶端和DHCP服務(wù)器、TCPIP、ARP、ICMP、UDP等。其IO輸入輸出接口具備通用性，編程條件具備方便性。

2.6 電源模塊

系統(tǒng)需要的電源電壓有3.3 V和1.8 V。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的便攜性，主要考慮其體積以及功率的需求，采用LM3674MF-ADJ可調(diào)穩(wěn)壓器一開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器。其電壓輸出范圍1～3.3 V，最大輸出電流600 mA，采用SOT-23-5封裝，體積小?？梢酝ㄟ^(guò)改變反饋電阻電容的大小就能改變輸出電壓的大小，具體3.3 V和1.8 V穩(wěn)壓電路如圖5所示

圖5 穩(wěn)壓電路

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)下流行的單片機(jī)作為控制核心實(shí)現(xiàn)了多生理參數(shù)采集儀的設(shè)計(jì)，使采集儀體積微小化。運(yùn)用4G模組實(shí)現(xiàn)了采集參數(shù)上傳遠(yuǎn)端服務(wù)器來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，使得人們的生理參數(shù)可以隨時(shí)進(jìn)行查看。當(dāng)突發(fā)疾病時(shí)能及時(shí)就醫(yī)，為無(wú)人看護(hù)者提供了健康安全保證。