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        人體重要生命體征數(shù)據(jù)監(jiān)測與智能分析系統(tǒng)設(shè)計

        2023-12-05 12:46:58阮群生陳福林胡文俊陳俊企
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年34期
        關(guān)鍵詞:用戶系統(tǒng)設(shè)計

        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。

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