阮群生，陳福林，張 鵬，胡文俊，陳俊企

（贛州師范高等?？茖W(xué)校自然科學(xué)與計算機系，江西 贛州 341000）

心率和血氧飽和度是人體生命體征的2 項重要指標，心率是指心臟每分鐘跳動的次數(shù)，是反映心臟自律性和心血管系統(tǒng)功能的重要指標之一。血氧飽和度是指血液中氧氣的飽和度，是反映呼吸功能和氧合狀態(tài)的指標之一。心率和血氧飽和度是人體內(nèi)緊密聯(lián)系的生理指標，二者相互影響，存在著密切的關(guān)系。因此，實施科學(xué)有效的心率與血氧飽和度數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析，對于人的身體異常預(yù)警和提前干預(yù)具有重要意義[1-2]。

據(jù)相關(guān)文獻記載，關(guān)于國內(nèi)心率和血氧飽和度監(jiān)測類儀器設(shè)備的市場消費情況，主要呈現(xiàn)出2 種態(tài)勢[3-4]：一是市場需求持續(xù)增大。隨著人們對健康意識的提高，心率和血氧飽和度監(jiān)測類設(shè)備在國內(nèi)市場中的需求不斷增大。在中老年人群體中，心臟疾病的發(fā)病率較高，尤其是隨著老齡化進程的加速，未來老年人市場的需求將會更加強勁。二是便攜式、小型化監(jiān)測設(shè)備廣受歡迎。隨著科技的發(fā)展，各類健康醫(yī)護監(jiān)測類設(shè)備的外形越來越小型化，使用也越來越便捷化，用戶使用體驗舒適度持續(xù)提升。同時，設(shè)備造價逐步下降，持續(xù)降低用戶使用成本。

關(guān)于心率、血氧飽和度等監(jiān)測與分析設(shè)備，從應(yīng)用性質(zhì)來分，可劃分醫(yī)用類和民用類。目前，市場上較為流行的產(chǎn)品主要有康泰醫(yī)用與家用血氧儀指夾式脈搏血氧飽和度自測儀、力康牙血氧儀指夾式血氧飽和度監(jiān)測儀、超思血氧儀兒童手指夾式檢測儀等。綜合來看，現(xiàn)有的此類市場產(chǎn)品普遍具有設(shè)備精小、操作簡單、測量數(shù)據(jù)較為準確等特點，市場售價位于100～1 000 元不等[5]。產(chǎn)品研制過程中，主要采用了光學(xué)、肌電、熱像儀和稱重傳感器4 種技術(shù)原理，運用不同的方式從人體無創(chuàng)傷地采集心率和血氧飽和度等數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)較為準確，用戶操作簡便。

然而，通過市場調(diào)研和相關(guān)文獻資料的查詢可知，現(xiàn)有的市場產(chǎn)品仍存在下述不足[6]。

存在信息安全風(fēng)險：部分產(chǎn)品是基于藍牙通信，數(shù)據(jù)通信中加密措施不足，易存在用戶個人信息被泄露的風(fēng)險。

功能單一：部分心率檢測儀只能測量心率，缺乏其他功能，無法滿足用戶多元化的需求，限制了其市場潛力的挖掘。

數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)不夠豐富：一些心率檢測儀雖然能夠準確測量心率，但是在數(shù)據(jù)處理方面存在不足，不能為用戶提供更加豐富的數(shù)據(jù)分析和反饋。

部分產(chǎn)品價格昂貴：一些高端心率檢測儀價格昂貴，超出了普通用戶的購買承受范圍，其市場應(yīng)用拓展受限。

在健康大中國背景下，針對當前產(chǎn)品的不足，本文運用新一代信息技術(shù)，甄別選材、優(yōu)化組織，設(shè)計了一款適用于人體的重要生命體征數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備及與之相配套的智能分析系統(tǒng)，可民醫(yī)雙用。

1 相關(guān)設(shè)計技術(shù)和工具

1.1 下位機設(shè)計基礎(chǔ)

在設(shè)計本文闡述的下位機部分時，主要采用Arduino IDE 平臺及相關(guān)技術(shù)，Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，其包含硬件（各種型號的Arduino 板）和軟件（ArduinoIDE）[7]。以Arduino Uno開發(fā)板為硬件基礎(chǔ)，選配心率感應(yīng)器、血氧飽和度感應(yīng)器、蜂鳴器、OLED 屏幕和通信模塊等部件，通過杜邦線連通各器件與開發(fā)板，依托5rduino IDE 開發(fā)平臺，使用C++編程技術(shù)完成各模塊的驅(qū)動與通信任務(wù)。

1.2 上位機設(shè)計基礎(chǔ)

本項目的上位機部分采用Visual Studio 2013 開發(fā)平臺，項目開發(fā)語言為C#，采用C#語言設(shè)計技術(shù)完成數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果可視化、用戶操作界面、參數(shù)配置等重要模塊的設(shè)計，項目研發(fā)環(huán)境可選用Windows 系列操作系統(tǒng)，使用C++程序設(shè)計工具編寫心率和血氧飽和度數(shù)據(jù)的預(yù)測與智能分析深度學(xué)習(xí)等核心算法，算法被打包為組件供系統(tǒng)調(diào)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

本文系統(tǒng)包括硬件（下位機）和軟件（上位機）2 大部分，其中硬件的目標功能是采用指壓式方式，從人體表皮中準確獲取心率和血氧飽和度數(shù)據(jù)，并傳輸至軟件服務(wù)端，軟件服務(wù)端的目標功能是對從下位機采集的數(shù)據(jù)進行處理、智能分析及分析結(jié)果的可視化顯示等。為此，本文在設(shè)計下位機時，采用的設(shè)計思路為選用Arduino Uno 型號的開發(fā)板作為主控制器，在Arduino Uno 上對采集的數(shù)據(jù)進行底層計算并輸出，選用MAX30102 型號的感應(yīng)器作為人體心率數(shù)據(jù)采集模塊，此模塊采用串口通信方式同主控板進行數(shù)據(jù)交互。同理，在主控板上，分別嵌入血氧飽和度感應(yīng)器、OLED 屏幕和蜂鳴器以實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、顯示、異常提示等功能。所有的外接模塊均由電源總線進行工作供電。上位機的設(shè)計思路是根據(jù)下位機與上位機的通信協(xié)議，先解析采集的數(shù)據(jù)包，執(zhí)行解密操作，數(shù)據(jù)包經(jīng)正確解密后，執(zhí)行心率和血氧飽和度數(shù)據(jù)的處理與可視化操作。經(jīng)上述所有處理后，系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶操作需求，可供用戶選擇提供數(shù)據(jù)預(yù)測、生命基本狀況評估等高端智能服務(wù)功能。系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

圍繞生命體征監(jiān)測的功能要求，系統(tǒng)主要模塊設(shè)計為下位機和位機2 部分，其中下位機部分是硬件結(jié)構(gòu)，主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳輸器、體征測量值顯示器、心率波形圖顯示器和數(shù)據(jù)存儲器等功能；上位機是由多個功能的軟件模塊組成，具體的功能模塊主要有數(shù)據(jù)可視化動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)預(yù)測、異常情況報警和健康智能分析等。系統(tǒng)功能模塊的組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 中的系統(tǒng)功能模塊的具體內(nèi)容描述如下。

數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳輸器：該模塊設(shè)計的功能主要實現(xiàn)人體心率和血氧飽和度的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)端的功能。

體征測量數(shù)值顯示器：該模塊設(shè)計的功能是在硬件終端上實時顯示感應(yīng)器測量到的心率和血氧飽和度數(shù)據(jù)。

心率波形圖顯示器：該模塊設(shè)計的目標功能是對心率測試值以連續(xù)的波形圖形式予以顯示。

數(shù)據(jù)存儲器：該存儲器的功能是暫時存儲感應(yīng)器短時內(nèi)采集的數(shù)據(jù)，供傳輸模塊上傳至系統(tǒng)服務(wù)端。

數(shù)據(jù)可視化動態(tài)顯示：在上位機端，對從下位機端收集來的數(shù)據(jù)進行動態(tài)的直觀化顯示，方便用戶實時查看。

數(shù)據(jù)預(yù)測：該模塊的功能設(shè)計目標是對用戶未來一段時間內(nèi)的心率和血氧飽和值變化趨勢進行預(yù)測。

異常情況報警：當檢測到用戶的心率過高或過低時，發(fā)出警報提醒用戶。

健康智能分析：根據(jù)用戶的年齡、性別等參數(shù)，將檢測到的心率和血氧飽和度數(shù)據(jù)按照不同的心率區(qū)間進行統(tǒng)計和分析，以便用戶了解自己的身體狀況。

除此之外，系統(tǒng)還設(shè)計有數(shù)據(jù)通信模塊、預(yù)警蜂鳴等若干輔助模塊。

2.3 系統(tǒng)的下位機設(shè)計

硬件主體是以Arduino Uno 開發(fā)板為基礎(chǔ)，在其接口上連接其他電子元件來實現(xiàn)心率、血氧的數(shù)據(jù)監(jiān)測、上傳和展示等功能。通過MAX30102 型號的心率監(jiān)測模塊對人體進行心率、血氧的監(jiān)測。通過OLED 屏幕將獲取到的信息實時展示在用戶面前。當用戶目前的心率超過正常范圍，蜂鳴器將持續(xù)蜂鳴以提醒用戶。

當MAX30102 型心率監(jiān)測模塊監(jiān)測到用戶的心率時，接著在Arduino Uno 中對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行運算，并將數(shù)據(jù)傳送至OLED 屏幕和服務(wù)端，供服務(wù)端做進一步的數(shù)據(jù)處理與分析。

接著給出心率和血氧飽和度值的計算方法，設(shè)S是經(jīng)過濾皮去噪后的光電容積脈搏波信號，S1是對S的一次微分值，其計算公式如下

式中：S2為一次閾值處理信號；k為經(jīng)驗值，實驗中經(jīng)過多次取值，最終確定k=2。

在經(jīng)過多次運算處理后，記錄下同一時間段內(nèi)的光電容積脈搏值及2 次閾值，然后在Arduino Uno 的程序中進行再次運算，最后可計算得到心率及血氧飽和度數(shù)值。

接下來，對下位機重要部件的設(shè)計詳細情況進行闡述，具體如下。

2.3.1 開發(fā)板選型

Arduino 開發(fā)板的設(shè)計非常簡潔：一塊AVR 單片機、一個晶振或振蕩器和一個5 V 的直流電源。常見的開發(fā)板通過1 條USB 數(shù)據(jù)線連接計算機。Arduino有各式各樣的開發(fā)板，其中最通用的是Arduino Uno。Arduino Uno 是ArduinoUSB 接口系列的最新版本，其處理核心是ATMEGA328P。其可設(shè)計為14 個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6 個可用作PWM 輸出）、6 個模擬輸入、16 MHz 晶振時鐘、USB 連接和電源插孔等。只需要通過USB 數(shù)據(jù)線連接電腦就能供電、程序下載、數(shù)據(jù)通信。如圖3 所示。

圖3 Arduino Uno 開發(fā)板設(shè)計示意圖

2.3.2 心率和血氧飽和度傳感模塊設(shè)計

MAX30102是一個集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測儀生物傳感器的模塊，集成了一個紅光LED 和一個紅外光LED、光電檢測器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。MAX30102 采用一個1.8 V 電源和一個獨立的5.0 V 用于內(nèi)部LED 的電源，應(yīng)用于可穿戴設(shè)備進行心率和血氧采集檢測，佩戴于手指、耳垂和手腕處。標準的I2C 兼容的通信接口可以將采集到的數(shù)值傳輸給Arduino、KL25Z、STM32 和STC51 等單片機進行心率和血氧計算。此外，該芯片還可以通過軟件關(guān)斷模塊，待機電流接近為零，實現(xiàn)電源始終維持供電狀態(tài)。

2.3.3 模塊間的通信設(shè)計

杜邦線是一種常用于電路實驗的連接線，由一根或多根導(dǎo)線組成，每根導(dǎo)線兩端與接頭連接。杜邦線可以非常牢靠地和插針連接，無須焊接，可以快速進行電路實驗，在電子產(chǎn)品的應(yīng)用中非常廣泛。因此，在本系統(tǒng)中使用杜邦線連接UNO 開發(fā)板、OLED 屏幕等。

2.4 系統(tǒng)的上位機設(shè)計

2.4.1 上位機設(shè)計

最關(guān)鍵的是系統(tǒng)數(shù)據(jù)流和核心算法的設(shè)計，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流是從觸發(fā)采集下位機的數(shù)據(jù)開始，接著經(jīng)過初始化處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析與動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)預(yù)測和生命體征智能分析等數(shù)據(jù)流向的操作，最終形成多個數(shù)據(jù)表和結(jié)果分析報告，數(shù)據(jù)流設(shè)計直觀表達如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設(shè)計

2.4.2 數(shù)據(jù)預(yù)測算法設(shè)計

接下來，給出本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)預(yù)測核心算法的設(shè)計，本文直接地采用經(jīng)典的LSTM （Long Short-Term Memory，LSTM）深度網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型。LSTM 預(yù)測模型的設(shè)計內(nèi)容主要包括3 個門控單元和神經(jīng)元更新，其中輸入門的輸入是前一個時間步長的隱藏狀態(tài)ht-1和當前時間步長的輸入xt，輸出是一個介于0 和1 的值，具體計算方法如式（4）所示。

式中：Wi是輸入門的權(quán)重矩陣；bi是偏置項，是sigmoid函數(shù)。

遺忘門是決定哪些信息應(yīng)該被遺忘，同輸入門類似，其輸入也是前一個時間步長的隱藏狀態(tài)ht-1和當前時間步長的輸入xt，輸出是一個介于0 和1 之間的值，其表示應(yīng)該保留多少信息，具體的計算如式（5）所示。

式中：Wf是輸入門的權(quán)重矩陣；bf是偏置項，是sigmoid函數(shù)。

神經(jīng)元狀態(tài)更新是通過前一個時間步長的神經(jīng)元狀態(tài)Ct-1乘以遺忘門的輸出，再加上輸入門的輸出乘以一個tanh函數(shù)的輸出來實現(xiàn)，其計算公式如式（6）所示。

式中：Wc是更新神經(jīng)元狀態(tài)的權(quán)重矩陣；bc是偏置項。

輸出門的功能是輸出變換后的信息，其輸入也是前一個時間步長的隱藏狀態(tài)ht-1和當前時間步長的輸入xt及時間步長的細胞狀態(tài)Ct，輸出也是一個介于0和1 之間的值。具體公式如（7）所示。

式中：Wo是更新神經(jīng)元狀態(tài)的權(quán)重矩陣；bo是偏置項。

上述公式中的隱藏狀態(tài)ht的計算方法如式（8）所示。

2.4.3 生命體征智能分析算法設(shè)計

本算法的設(shè)計中，需要綜合考慮多種影響因素，為此，本文選取年齡、運動、階段時間內(nèi)的心率和血氧飽和度等多種因素，通過標準方差計算心率和血氧飽和度的分布情況，最后再使用貝葉斯概率公式判斷生命體征的健康情況。其中，標準方差計算方法如式（9）所示。

式中：（x1，x2，…，xn）為數(shù)據(jù)系列為數(shù)據(jù)系列的均值。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)效果及分析

3.1 下位機的實現(xiàn)

下位機是由Arduino Uno 型號開發(fā)板為主控板，通過杜邦線連接心率與血氧飽和度傳感器、OLED 屏幕、蜂鳴器等重要部件，并使用鐵盒和面包板焊接打包封裝。下位機的最終實現(xiàn)效果如圖5 所示。

圖5 下位機實現(xiàn)效果圖

3.2 上位機的實現(xiàn)

系統(tǒng)主控模塊的主要功能是接受下位機的數(shù)據(jù)上傳，并對上傳的數(shù)據(jù)進行可視化及智能分析，界面分隔為參數(shù)設(shè)置區(qū)和數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示及數(shù)據(jù)分析區(qū)，在參數(shù)設(shè)置區(qū)，用戶設(shè)置串口號、波特率等參數(shù)，并可操控下位機，數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示區(qū)動態(tài)顯示心率和血氧飽和度數(shù)據(jù)，當超過閾值時，給出報警提示。數(shù)據(jù)分析功能包括數(shù)據(jù)預(yù)測和健康分析2 個模塊。上位機的主界面運行效果如圖6 所示。

圖6 上位機主界面運行效果圖

心率數(shù)據(jù)和血氧飽和度數(shù)據(jù)預(yù)測采用了長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模塊根據(jù)歷史記錄數(shù)據(jù)，能夠較為精確地預(yù)測心率和血氧飽和度數(shù)值，為心率和血氧飽和度健康預(yù)測提供決策參考。對于大量的心率和血氧飽和度歷史數(shù)據(jù)，本項目采用貝葉斯分類和文本處理等算法，對數(shù)據(jù)的相互關(guān)系和分布情況進行健康知識挖掘。挖掘結(jié)果以彈出新窗口方式予以顯示，這2 個模塊的實現(xiàn)效果如圖7 和圖8 所示。

圖7 心率數(shù)據(jù)預(yù)測模塊的實現(xiàn)界面

圖8 基于人體重要生命體征的健康智能分析模塊的實現(xiàn)界面

總體上，本文系統(tǒng)實現(xiàn)了生命體征數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理與顯示、數(shù)據(jù)智能分析和數(shù)據(jù)可視化處理等功能，已實現(xiàn)的系統(tǒng)功能較為完善，結(jié)果運行正確，達到系統(tǒng)預(yù)期設(shè)計目標，系統(tǒng)具有上下位機融合集成、設(shè)計精簡、成本低廉及智能化程度高等特色。

4 結(jié)束語

本文圍繞人體心率和血氧飽和度2 項重要生命體征數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測及評估需求，研究了1 套集數(shù)據(jù)采集功能的硬件和數(shù)據(jù)智能分析功能的軟件為一體化的系統(tǒng)，系統(tǒng)功能較為完善，結(jié)果運行正確，基本達到應(yīng)用級產(chǎn)品的水平。系統(tǒng)可對原始生命體征數(shù)據(jù)進行深度智能數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)預(yù)測預(yù)警等處理，智能化程度較高，可滿足系統(tǒng)用戶的部分高端需求。數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)計精簡，優(yōu)化模塊組合，簡化硬件布局，進一步降低了產(chǎn)品設(shè)計成本。

未來將圍繞市場用戶的需求，進一步增加基于深度學(xué)習(xí)的智能中醫(yī)分析功能模塊，在下位機中，增加中醫(yī)診斷過程中“望、聞、問、切”的數(shù)據(jù)采集感應(yīng)模塊，并在上位機中添加與之相匹配的智能分析模型，拓展本系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。