一種人體脈搏遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

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( 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 泰州 225300 )

0 引言

利用當(dāng)前日益普及的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)開發(fā)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)，將人體心電、脈搏、血壓等生理體征參數(shù)監(jiān)測從醫(yī)院擴(kuò)展到社區(qū)、家庭，既避免了一些老年人、慢性病患者經(jīng)常去醫(yī)院進(jìn)行常規(guī)檢查的不便，也滿足了忙碌職場人士對健康保健的需求，同時還有利于改善整個社會醫(yī)療資源的均衡利用，更好地服務(wù)大眾[1]。遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測有助于推動傳統(tǒng)有病就醫(yī)治療模式向以社區(qū)家庭為中心、預(yù)防監(jiān)護(hù)為主的醫(yī)療模式的轉(zhuǎn)變，具有非常重要的現(xiàn)實意義和推廣價值。在人體諸多體征參數(shù)中，脈搏是最常見重要的生理參數(shù)，是心臟和血管狀態(tài)等重要生理信息的外在反饋依據(jù)。脈搏檢測無論是對于臨床診斷、病人的監(jiān)護(hù)還是對于脈搏醫(yī)學(xué)研究，均非常重要[2]。

因此，本文以人體脈搏檢測為切入點，開發(fā)了一種遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能動態(tài)實時跟蹤了解監(jiān)護(hù)對象的脈搏健康狀態(tài)，在異常情況發(fā)生時提出預(yù)警或及時救治，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，由基于STM32的便攜式人體脈搏檢測儀和基于LabVIEW的遠(yuǎn)程社區(qū)醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)平臺共同組成。前者作為客戶端，后者作為服務(wù)器端。監(jiān)測對象在指端佩戴脈搏心率傳感器，通過便攜式脈搏檢測儀完成脈搏信號的實時采集、處理、本地客戶端顯示以及脈搏數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，遠(yuǎn)程社區(qū)醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)平臺接收檢測儀發(fā)送的脈搏數(shù)據(jù)并將其顯示或存儲起來，同時根據(jù)預(yù)設(shè)值提出報警。系統(tǒng)總體架構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 便攜式脈搏檢測儀

2.1 總體設(shè)計

便攜式脈搏檢測儀總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，硬件基于以STM32F407ZGT6芯片為控制核心的STM32開發(fā)板，通過Pulse Sensor脈搏心率傳感器采樣人體脈搏信號，經(jīng)濾波、整形、放大后輸出模擬電壓信號，通過主控器內(nèi)部ADC將其處理成數(shù)字信號，在ATK TFT LCD觸摸屏上顯示實測值及波形，同時利用配置的WiFi模塊經(jīng)由路由器通過TCP/IP與遠(yuǎn)程社區(qū)醫(yī)療監(jiān)測平臺進(jìn)行通信，實現(xiàn)脈搏信號的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、顯示、保存與回放。

圖2 便攜式人體脈搏檢測儀結(jié)構(gòu)示意

2.2 人體脈搏測量

傳統(tǒng)的脈搏測量主要有3種方法，從心電信號中提取、測量血壓時利用壓力傳感器測到的波動計算得出、光電容積法。利用光電容積脈搏波描記進(jìn)行無損檢測是生物醫(yī)學(xué)研究中的一個典型應(yīng)用, 具有操作簡單、無損傷、性能穩(wěn)定性高和適應(yīng)性強(qiáng)等特點[3]。光電容積脈搏波(photo plethysmo graphy，PPG)檢測方法主要分為反射式和透射式，其中反射式測量法成為獲取脈搏波并對其進(jìn)行分析處理的技術(shù)熱點[4]。反射型脈搏傳感器的發(fā)光管和光敏接收器件置于所測量組織同側(cè),通常采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長(500 nm～700 nm)的發(fā)光二極管作光源，采用光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

基于紅外光譜和紅光作為光源測量獲取脈搏波的設(shè)計方案很多，但是也存在一些問題。有研究分析了綠光作為光源測量脈搏波的特性，發(fā)現(xiàn)與紅外光和紅光相比較，綠光受皮下組織的干擾更小，獲取的脈搏波波形更加完整[5]，并以波長為523 nm的綠色二極管作光源，開發(fā)了基于綠光的可穿戴光電容積式脈搏波測量系統(tǒng)[6]。

本文選用的Pulse Sensor脈搏傳感器則是一種采用峰值波長為515 nm的AM2520型綠色LED作為光源，利用光電容積法測量脈搏信號的光電反射式模擬量傳感器。同時，它以感受峰值波長為565 nm的APDS-9008型環(huán)境光感受器作為光接收器。由于光源與光接收器峰值波長相近，靈敏度較高。此外，脈搏信號取自人體表面，具有信號源內(nèi)阻較大、信號微弱且背景噪聲強(qiáng)的特點[7]，因此增加了低通濾波、整形和放大功能，輸出的電壓信號為0～3.3 V。處理后的信號可以很好地被STM32的AD采集到。實際測量時，將傳感器佩戴在手指、耳垂等人體皮膚淺部微動脈處即可。圖3為Pulse Sensor脈搏傳感器實物圖。

圖3 Pulse Sensor脈搏傳感器實物圖

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

STM32F40X系列大容量芯片帶有3個ADC控制器，將Pulse Sensor脈搏傳感器模擬電壓輸出端與ADC1的PA5端口硬件連接，通過內(nèi)部ADC采集該通道上的電壓值，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)的采集與處理主要通過軟件實現(xiàn)。

主程序流程圖如圖4所示。單片機(jī)上電復(fù)位以后，程序開始初始化，LCD觸摸屏顯示初始界面，之后主程序?qū)⒀h(huán)更新顯示界面，在定時器達(dá)到設(shè)定時間后，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，在中斷程序中，進(jìn)行ADC數(shù)據(jù)采集與處理，并將處理后的數(shù)據(jù)值及波形(描點連線)顯示在LCD界面上。人體的心率一般為(60-100)次/分，嬰兒的心率可達(dá)到150次/分，一個脈搏的持續(xù)時間為400～1 000 ms[8]。為了使獲得的波形包含足夠大的信息量，系統(tǒng)設(shè)計時將單片機(jī)的采樣頻率定為500 Hz，即2 ms中斷采樣一次。采樣深度為12位，用兩個字節(jié)的空間進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。

圖4 主程序流程圖

每2 ms采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可以得到心率或脈搏值BPM(beats per minute)。此環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵點是識別每一個有效脈搏波并記錄相鄰兩個脈搏波之間的時間差I(lǐng)BI (time between heartbeats in ms )[9]，然后通過公式BPM=60*103/IBI計算得出脈搏。軟件編程思路是首先查找脈搏波波峰、波谷,然后確認(rèn)一個有效脈搏波。為消除脈搏波中切中峽和重搏波對脈搏周期信號識別的干擾，以中間值作為每個脈搏周期時間記錄的參照點， 其中，中間值=(波峰值-波谷值)/2 +波谷值。

記錄波峰波谷的代碼如下：

signal=H_ADC_GetValue(&hadc1); //記錄采樣值

samplingtime += 2; //每2ms采樣一次，記錄采樣時間

num = samplingtime - lastbeattime; //num用來記錄本次采樣時間與上次心跳時間之差

H_ADC_Start(&hadc1); //復(fù)位ACD轉(zhuǎn)換

if(signal < thresh && num > (IBI*3/5)) // thresh為上次心跳記錄的中間值thresh = (P-T)/2 + T

if (signal < T)

T = signal; //T即為波谷值

if(signal > thresh && signal > P)

P = signal; //P即為波峰值

2.4 脈搏信號傳送

采集到的脈搏波信號需要遠(yuǎn)程傳送給社區(qū)醫(yī)療系統(tǒng)平臺進(jìn)行實時顯示與監(jiān)測，此功能通過配置ATK-ESP8266-12F WiFi模塊來實現(xiàn)。ATK-ESP8266-12F WiFi模塊是一款高性能的UART-WiFi (串口轉(zhuǎn)無線)模塊，采用串口與MCU通信，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi的轉(zhuǎn)換。WiFi模塊原理圖見圖5，通過P1接口與STM32開發(fā)板直接連接。通過此模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備經(jīng)過串口配置，可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)。

圖5 ESP8266模塊原理圖

ATK-ESP8266 WiFi模塊支持STA/AP/STA+AP三種工作方式。STA模式，ESP8266模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與設(shè)備的遠(yuǎn)程通信；AP模式，默認(rèn)ESP8266模塊為熱點，電腦直接與模塊通信，實現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制；STA+AP 模式，既可以通過路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)，并通過互聯(lián)網(wǎng)與設(shè)備通信，也可作為WiFi熱點，將其他WiFi設(shè)備連接到此模塊，進(jìn)而實現(xiàn)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的無縫切換[10]。根據(jù)本設(shè)計功能實現(xiàn)需要，采用STA模式。在STA模式下，根據(jù)應(yīng)用場景不同，可以設(shè)置3個子模式：TCP服務(wù)器、TCP客戶端、UDP。此處選擇TCP客戶端子模式。在簡單的硬件連接完成后，通過一系列WiFi模塊的AT指令(基礎(chǔ)指令、功能指令、TCP/IP工具箱指令)應(yīng)用，便可實現(xiàn)串口無線STA模式、TCP客戶端的配置及數(shù)據(jù)傳送。配置流程如表1所示。

表1 串口無線STA模式、TCP客戶端配置流程表

需注意的是：如果需要模塊上電自動連接到某個IP并進(jìn)入透傳模式，此時需要在模塊連接到路由器之后，發(fā)送AT+SAVETRANSLINK=1,"192.168.1.xxx",8080,"TCP"，設(shè)置模塊為上電自動連接到TCP Server(遠(yuǎn)程社區(qū)醫(yī)療中心監(jiān)測平臺)：192.168.1.xxx，8080，并直接進(jìn)入透傳模式。

3 社區(qū)醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)平臺

社區(qū)醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)平臺采用LabVIEW應(yīng)用軟件設(shè)計實現(xiàn)。LabVIEW 是美國國家儀器公司( NI) 推出的虛擬儀器開發(fā)平臺，是計算機(jī)輔助測試(CAT)領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。LabVIEW使用圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖形式[11]?；贕語言的LabVIEW 提供了功能強(qiáng)大的函數(shù)模塊庫，包含數(shù)學(xué)、儀器 I/O 、信號處理(如濾波)等方面的函數(shù)。TCP/IP 協(xié)議是當(dāng)前使用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， LabVIEW已提供了基于TCP/IP的通訊函數(shù)，直接調(diào)用TCP/IP函數(shù)并設(shè)置相關(guān)參數(shù)便可實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)通訊。因此，基于LabVIEW開發(fā)遠(yuǎn)程人體體征監(jiān)測系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 平臺界面設(shè)計

LabVIEW 程序由前面板、框圖程序與圖標(biāo)/連接器3個部分組成，前面板即為用戶界面。前面板用來放置相關(guān)輸入框和輸出量結(jié)果顯示，盡可能地模擬了真實儀器的面板。前面板上的每樣控件與指示器都會在框圖程序上對應(yīng)顯示，而框圖部件均可用連線產(chǎn)生聯(lián)系，以決定程序具體的執(zhí)行順序。因此，每個前面板(用戶界面)都對應(yīng)一個LabVIEW框圖程序。

根據(jù)社區(qū)醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)平臺功能實現(xiàn)要求，前面板需設(shè)置的功能區(qū)有：操作按鍵區(qū)(開始、停止、保存、回放)、脈搏波顯示區(qū)(實時顯示、回放顯示)、心率值(實時心率、平均心率)、心率極限值設(shè)置、報警顯示、通信連接設(shè)置等。其中，通過點擊保存按鈕可以保存當(dāng)前脈搏波圖形與數(shù)據(jù)，兩者將分別生成一個圖形文件與記錄數(shù)據(jù)的EXCEL文件，并存儲在該醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)對應(yīng)的文件夾中。保存功能的程序?qū)崿F(xiàn)如圖6示。保存過的波形圖可以通過點擊回放按鈕進(jìn)行回放查閱。

圖6 LabVIEW保存功能程序框圖

3.2 LabVIEW的TCP/IP通訊

LabVIEW的TCP網(wǎng)絡(luò)通訊可直接調(diào)用TCP/IP的通訊函數(shù)并采用C/S(客戶端/服務(wù)器)通信模式實現(xiàn)。監(jiān)測系統(tǒng)平臺作為處理主機(jī)工作于服務(wù)器(server)模式，完成數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理。遠(yuǎn)程便攜式人體脈搏檢測儀工作于客戶端(client)模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

LabVIEW的TCP函數(shù)可以在編程環(huán)境下方便找到，方法是：右擊前面板→打開菜單→函數(shù)選板→數(shù)據(jù)通信→協(xié)議選項→TCP。TCP函數(shù)主要包括TCP偵聽、打開TCP連接、讀取TCP數(shù)據(jù)、寫入TCP數(shù)據(jù)、關(guān)閉TCP連接等等。本次監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計主要使用了TCP偵聽、讀取TCP數(shù)據(jù)、關(guān)閉TCP三種TCP通信函數(shù)，程序框圖如圖7所示。

圖7程序框圖中使用了一個while循環(huán)，在TCP偵聽上引出了兩個輸入框圖，一個為端口號輸入框，另一個為IP地址輸入框，系統(tǒng)運行后輸入本地地址和端口號后方可打開TCP通訊連接，再經(jīng)由讀取TCP數(shù)據(jù)獲取需要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收的時間間隔可根據(jù)需要設(shè)置，圖中顯示設(shè)置為100 ms。另需說明的是，程序框圖中顯示的原始心電圖僅用于TCP通訊測試，正常工作時被隱藏，不會出現(xiàn)在監(jiān)測系統(tǒng)平臺前面板上。此外，LabVIEW 中所使用的TCP/IP所能傳送的數(shù)據(jù)格式只

圖7 LabVIEW的TCP/IP通訊程序框圖

有String即字符串，LabVIEW程序運行后，當(dāng)有數(shù)據(jù)來到時，接收到的均為字符串形式，需轉(zhuǎn)換為無符號字節(jié)數(shù)組的形式，再按字節(jié)逐個存入數(shù)據(jù)存儲區(qū)。

4 遠(yuǎn)程通信測試

首先進(jìn)入LabVIEW社區(qū)醫(yī)療監(jiān)測平臺系統(tǒng)，平臺工作主界面(即LabVIEW前面板)如圖8所示。界面上方左側(cè)區(qū)域為脈搏波實時顯示區(qū)、右側(cè)區(qū)域為已保存脈搏波回放區(qū)。界面下方左側(cè)區(qū)域為脈搏值(心率)數(shù)顯區(qū)，還可通過最下方的最小值、最大值設(shè)置脈搏值報警限值；中間區(qū)域為按鍵區(qū)和指示燈區(qū)；右側(cè)區(qū)域上部分為TCP/IP通訊參數(shù)設(shè)置區(qū)，用于設(shè)置IP地址和端口號，下部分為串口通訊參數(shù)設(shè)置區(qū)(注：本系統(tǒng)還可與本地便攜式脈搏檢測儀進(jìn)行串口通訊連接，此處不作論述)。在TCP/IP功能區(qū)設(shè)置端口號、IP地址，然后點擊“開始”按鈕，監(jiān)測平臺系統(tǒng)作為服務(wù)器端即進(jìn)入TCP偵聽模式，等待遠(yuǎn)程客戶端與其建立連接。然后，將Pulse Sensor 傳感器戴在指端固定，上電啟動便攜式檢測儀，LCD觸摸屏顯示相關(guān)基礎(chǔ)信息，并提示按不同的硬按鍵將進(jìn)入不同的WiFi模式:KEY0鍵,WiFi STA+AP、KEY1鍵，WiFi STA、WK_UP鍵，WiFi AP。按KEY1鍵選擇STA模式，此時檢測儀開始配置ATK-ESP8266模塊。WiFi模塊配置成功后，LCD觸摸屏顯示檢測儀已工作在STA模式下，然后按KEY0(下一個)鍵或KEY1(上一個)鍵選擇TCP客戶端子模式，按WK_UP鍵確定，畫面跳轉(zhuǎn)，接著通過觸摸屏顯示的虛擬鍵盤設(shè)置遠(yuǎn)程服務(wù)器端IP地址，輸入完成后，點擊虛擬鍵盤的“連接”按鍵，即建立與遠(yuǎn)程社區(qū)醫(yī)療監(jiān)測平臺系統(tǒng)通信連接，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。LCD觸摸屏與遠(yuǎn)程LabVIEW監(jiān)測平臺同時顯示脈搏波和心率值。

5 結(jié)論

本文基于光電容積脈搏波檢測原理，開發(fā)了基于STM32的便攜式人體脈搏檢測儀和基于圖形化虛擬儀器工程設(shè)計平臺LabVIEW的遠(yuǎn)程脈搏波信號采集系統(tǒng)，既可以通過觸摸屏實現(xiàn)脈搏生理參數(shù)的本地實時采集與顯示，也可通過互聯(lián)網(wǎng)完成遠(yuǎn)程社區(qū)醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)平臺脈搏信號的顯示、保存與回放。完成了遠(yuǎn)程社區(qū)智慧醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)的初步搭建，為之后擴(kuò)展心電、體溫等生理信號的遠(yuǎn)程監(jiān)測提供了一定的技術(shù)支持。后期，將繼續(xù)驗證本系統(tǒng)基于LabVIEW的TCP/IP工作于一個服務(wù)器對應(yīng)多個客戶端的可行性與可靠性，以擴(kuò)展所連接的便攜式脈搏檢測儀的數(shù)量，擴(kuò)展系統(tǒng)的應(yīng)用功能，進(jìn)一步提高其實用價值。

[1] 衛(wèi) 兵,張 磊,李 斌,等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的新型遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J]. 宿州學(xué)院學(xué)報,2014,29(6):74-77.

[2] 仝兆景,時俊嶺,李 月,等. 基于無線通訊技術(shù)脈搏檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機(jī)測量與控制,2017,25(1):242-244.

[3] 田樹香,朱健銘,陳真誠, 一種新的人體呼吸波采集方法與實現(xiàn)[J]. 中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2014,31(5):5169-5173.

[4] 胡 靜,王 成,李章俊,等.基于光電脈搏波描記方法的多生理參數(shù)測量研究[J].光電子·激光,2012,23(8):1631-1634.

[5] Yuka Maeda, Masaki Sekine,Toshiyo Tamura.The Advantages of Wearable Green Reflected Photoplethysmography[J].Journal of medical systems,2011,35(5)：829-834.

[6] 李皙茹,許金林,李曉風(fēng),等. 一種基于綠光的可穿戴式光電容積脈搏波測量系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2016,39(20):125-128.

[7] 宋小蘭,忻尚芝,文 磊. 基于MSP430的脈搏信號采集系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 信息技術(shù),2015(3):156-160.

[8] 余澤峰,王 軍,林藝文,等. 基于HKG-07B傳感器的人體脈搏信號采集系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[J]. 傳感器世界,2013,19(8):24-27.

[9] Pulse SensorGetting Started Guide[DB/OL]. [20140423] https://wenku.baidu.com/view/f1763 cb1aef8941ea76e05bd.html.

[10]ATK-ESP8266 WIFI 用戶手冊[Z].廣州： 廣州市星翼電子科技有限公司，2016.

[11]龍耀球. 基于Labview仿真的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D]. 廣州：華南理工大學(xué), 2011.