基于脈搏心率傳感器的無線患者報警系統(tǒng)設(shè)計

黃澤彬（通信作者），梁偉玲

惠州市中心人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程部 （廣東惠州 516001）

隨著我國逐漸步入老齡化社會及成年人亞健康的生活方式，心血管疾病出現(xiàn)了嚴重化和年輕化的趨勢。同時，近年來突發(fā)心臟病猝死的新聞時有報道，這引起醫(yī)護人員對于患者在非重癥監(jiān)護病房住院期間健康監(jiān)護的關(guān)注。現(xiàn)階段醫(yī)院常規(guī)病房一般采用床旁接入監(jiān)護儀的方式進行患者監(jiān)護，這種監(jiān)護方式存在無法實時傳輸患者數(shù)據(jù)至護士站或搭建中央監(jiān)護站費用昂貴等問題[1]。

脈搏信號作為人體的基本生理信號，反映了人體重要的生理與病理信息。隨著現(xiàn)代技術(shù)在人體生理信號傳感器方面的快速發(fā)展，脈搏波的檢測方式逐漸向小型化與可移動方向邁進。國內(nèi)外的許多工作者對脈搏信號的獲取、分析和處理進行了研究[2]。 本研究通過采用脈搏心率傳感器與Zigbee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊技術(shù)，設(shè)計了一種低成本、在線實時傳輸患者心率的報警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該無線患者報警系統(tǒng)由脈搏心率傳感器（Pulse Sensor）、無線傳輸模塊（Zigbee模塊）、控制電路（Arduino Nano）和護士站報警顯示器組成，圖1為系統(tǒng)框圖。

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)通過脈搏心率傳感器采集患者的信號，通過控制電路識別處理后，在下位機部分以LED閃爍指示脈搏信號，同時通過無線傳輸方式將處理后的脈搏信號傳輸?shù)阶o士站報警顯示器的上位機部分。當下位機控制電路發(fā)現(xiàn)患者出現(xiàn)異常脈搏信號時，及時在下位機蜂鳴器發(fā)出報警信號，同時將報警信號發(fā)送至護士站報警器[3]。

2 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

2.1 控制電路部分

在硬件方面，Arduino本質(zhì)為易于上手電路開發(fā)平臺。其上面裝有專用集成電路的電路板，同時為方便開發(fā)，將功能引腳引出集成電路的外部，并且電路板集成了USB接口方便連接下載程序。在開發(fā)IDE方面，Arduino專門提供了集成開發(fā)環(huán)境Arduino IDE。本設(shè)計中下位機由于需要考慮處理傳感器數(shù)據(jù)和功耗續(xù)航問題，選用了模塊體積較小的Arduino Nano，以提升便攜能力。上位機部分為Arduino UNO，其以ATmega 328 MCU控制器為基礎(chǔ)，是最為常見的Arduino開發(fā)平臺，具有6個模擬輸入端口、UART通信和SPI通信端口、14個數(shù)字輸入/輸出端口，可直接采用USB的5 V供電等特點，且集成庫眾多，可以滿足上位機的開發(fā)需求。

2.2 無線傳輸模塊

Zigbee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，具有低成本、短時延、免執(zhí)照頻段等數(shù)據(jù)傳輸特點[4]。本設(shè)計的數(shù)據(jù)無線傳輸部分采用的Zigbee模塊具有以下優(yōu)勢：（1）近距離無線通信可實現(xiàn)自組網(wǎng)功能，該模塊在區(qū)域間隔大的臨床病房中可以通過重新尋找通信對象的方式，實時刷新網(wǎng)絡(luò)鏈路；（2）相較于Wifi芯片的封裝尺寸較大和功耗高的問題，Zigbee模塊的發(fā)射功率僅為1 mW，僅靠兩節(jié)5號電池即可維持6個月的使用時間；（3）Zigbee傳輸協(xié)議的速率為250 kbps，可以滿足本設(shè)計需傳輸?shù)拿}搏信號數(shù)據(jù)。

2.3 脈搏心率傳感器

在人體的生理信號中，脈搏信號有強度較弱、抗干擾能力差和采集難度較大等特點?，F(xiàn)階段常見的脈搏采集方式有光電式脈搏傳感器、壓電晶體壓力脈搏傳感器、應(yīng)變式壓力脈搏傳感器等[5]。結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)和佩戴方便的需求，本設(shè)計采用了光電式脈搏心率傳感器Pulse Sensor。

Pulse Sensor是一款用于脈搏心率測量、脈搏波形測量和HRV分析的光電反射式模擬傳感器，其使用的光電容積法原理為人體組織在血管搏動的同時會造成血管透光率不同。此傳感器是利用560 nm波長的光波可良好反映皮膚淺部微脈動信息的特點，通過在發(fā)光部分采用峰值波長為515 nm的綠光發(fā)射器，同時在光接收器部分采用感受峰值波長為565 nm的環(huán)境光感受器，實現(xiàn)了良好的血管搏動信號獲取。其佩戴方式如圖2。

圖2 脈搏心率傳感器佩戴方式

3 數(shù)據(jù)采集與處理

本設(shè)計通過脈搏心率傳感器實時采集患者佩戴傳感器期間的脈搏信號，通過采集輸出的脈搏電壓波動曲線后，由硬件系統(tǒng)的設(shè)計程序計算得出心率值。圖3為Arduino Nano采集的脈搏波形中截取出的6 s波形。

圖3 脈搏電壓波動曲線

其中心率值（BPM）可由2個連續(xù)的心拍之間的時間差（IBI）通過公式（1）得出：

BPM=60/IBI （1）

若單獨以波形識別方式識別圖3中的波形波峰，直接用于計算IBI值，易因脈搏波在動脈中的生理性反射出現(xiàn)的重搏波而引起干擾。為提升數(shù)值獲取的準確性，可在處理器實現(xiàn)跟蹤脈搏上升時，通過加入0.6個IBI值的間隔后再進行跟蹤，以避免重搏波的影響。

由于對脈搏電壓搏動信號進行識別的過程中，容易受到非脈搏上升信號的干擾，因此本設(shè)計引入均值迭代算法，通過迭代更新的脈搏波均值閾值作為判斷有效搏動信號的標準。均值迭代閾值法常用于圖形的閾值分隔，其計算方法為：（1）初始化數(shù)據(jù)，采集初始化2 s內(nèi)的脈搏信號值，計算平均值加上固定值后作為初始閾值T0；（2）當下一時刻信號采集時，將新采集的信號t1與前一時刻的初始閾值T0進行比較，若t1＞T0，則記為1次有效搏動信號；（3）通過加入該時刻的信號t1值，計算得出新閾值T1；（4）對之后傳入的信號進行重復(fù)步驟1～3，循環(huán)比較搏動信號與當前閾值Tt。加入均值閾值T后，得出均值閾值曲線如圖4。

圖4 均值閾值T曲線

4 試驗與分析

為檢驗本設(shè)計的無線患者報警系統(tǒng)的有效性，通過軟件設(shè)置將心率報警值高值限制設(shè)置為90次/min，低值為75次/min。針對患者可能發(fā)生的報警情況，設(shè)置了模擬臥床、端坐、步行3種可能出現(xiàn)情況的對比測試試驗。通過讓受試者在手指佩戴本設(shè)計的下位機硬件部分，設(shè)置了單類行為試驗上限值與下限值模擬各10次的方式，進行檢出試驗，其測試結(jié)果見表1。

表1 試驗分析

表1顯示，由于步行狀態(tài)下手指與傳感器位移較大，因此識別成功率相對較低；而在臥床與端坐狀態(tài)下，由于手指位置較為固定，檢測報警的成功率較高。

5 總結(jié)

本設(shè)計是通過脈搏心率傳感器采集患者脈搏信號后，再通過控制電路的實時運算及軟件上去除干擾的設(shè)計，可準確地進行實時報警。

本設(shè)計目前仍處于研發(fā)階段，下一步將考慮增加多個傳感器，實現(xiàn)多名患者同時監(jiān)測的功能，并通過優(yōu)化測算方式，進一步提高檢出準確性。同時為提高佩戴的舒適性，需繼續(xù)對硬件部分進行小型化。