多參數(shù)家庭監(jiān)護(hù)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉曉樑 董月廣 林志義 劉恬 韋小霞

【摘 要】對(duì)傳統(tǒng)的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀功能進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了多參數(shù)家庭監(jiān)護(hù)終端系統(tǒng)，系統(tǒng)包含有三個(gè)模塊：生理信號(hào)測(cè)量單元，數(shù)據(jù)傳輸單元，終端操控與交互單元。其中傳感單元又分為心電、血氧飽和度、脈搏波、呼吸速率、體溫和血壓數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)采集到生理信號(hào)無(wú)線傳輸;終端操控與交互單元存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器，用戶可以通過(guò)觸摸屏查看患者的各種生理參數(shù)，管理用戶信息。本設(shè)計(jì)能真實(shí)有效的監(jiān)護(hù)到人體各種參數(shù)，非常適合在家庭環(huán)境中使用。

【關(guān)鍵詞】 多參數(shù)監(jiān)護(hù);ZigBee;嵌入式;QT

1 引言

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、人口基數(shù)持續(xù)增大和人類老齡化程度漸漸變重的今天，人們對(duì)身體健康的意識(shí)也在不斷的增強(qiáng)，人們?cè)噲D尋找更好的、更智能化的醫(yī)療設(shè)備，來(lái)保障生理和心理的健康，甚至越來(lái)越多的人希望擁有家庭自助醫(yī)療設(shè)備，來(lái)監(jiān)護(hù)健康[1]。多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀是對(duì)患者體征監(jiān)護(hù)有及其重要意義的、普遍被使用的醫(yī)療智能設(shè)備。它可以監(jiān)護(hù)的體征參數(shù)有：呼吸頻率、血氧飽和度、心率值、血壓值、脈搏，并且還能從這些參數(shù)中做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析。多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀大大的提高了醫(yī)對(duì)人體生命體征監(jiān)護(hù)的質(zhì)量，被廣泛地使用在醫(yī)院的重癥增強(qiáng)治療病房（ICU）里。目前，多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀慢慢向著智能化、便攜化、精簡(jiǎn)化的方向發(fā)展，逐步適應(yīng)家用、低功耗、低成本的商業(yè)需求，使得它更加適用于普通醫(yī)療機(jī)構(gòu)和普通的家庭用戶。設(shè)計(jì)出一臺(tái)能有效監(jiān)護(hù)生理信息的適用于普通家庭的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀有很大的市場(chǎng)市場(chǎng)需求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，利用各種可穿戴式傳感器采集用戶的實(shí)時(shí)生理參數(shù)，使用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一聚合到監(jiān)護(hù)控制終端上做解析、處理、存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至云端服務(wù)器上，再由云端的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)。使用web后臺(tái)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)功能。

2.2 各模塊功能

2.2.1采集模塊

心電、血氧二合一模塊的功能用于采集心電信號(hào)，放大、濾波之后，解析出心電圖和心率值，并且還能夠采集脈搏信號(hào)，提供血氧參數(shù)。另外從呼吸速率也是從本模塊中提取。

2.2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

使用ZigBee模塊是來(lái)完成患者體征參數(shù)采集，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)接袇f(xié)調(diào)器的監(jiān)護(hù)終端上，監(jiān)護(hù)終端通過(guò)WIFI無(wú)線模塊用戶的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器中，并且把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至云數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.2.3終端控制顯示模塊

終端控制顯示模塊對(duì)各種生理信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，通過(guò)圖形界面，顯示實(shí)時(shí)波形、各項(xiàng)身體指標(biāo)，存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)和管理病例資料等。

2.2.4服務(wù)器

服務(wù)器為移動(dòng)監(jiān)護(hù)端（手機(jī)APP、公眾號(hào)）提供遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)查詢、用戶信息文件的創(chuàng)建和管理和預(yù)警的功能。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

用戶登錄信息和用戶監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一由監(jiān)護(hù)終端發(fā)送至服務(wù)器上，然后經(jīng)過(guò)服務(wù)器的管理，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。其中用戶登錄信息表由5個(gè)字段組成。分別是usr_id（登錄名）、usr_pwd（用戶密碼）、usr_addr（用戶地址）、usr_tel（用戶聯(lián)系方式）、usr_mail（郵箱）。

用戶監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)，每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)一張用戶數(shù)據(jù)表，表名根據(jù)用戶名usr_id決定。每個(gè)用戶有六個(gè)字段的數(shù)據(jù)，分別是time（時(shí)間）、xinlv（心率）、xueyang（血氧）、tiwen（體溫）、huxi（呼吸）和xueya（血壓）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件部分

3.1.1無(wú)線采集模塊

采用CC2530微處理器實(shí)現(xiàn)無(wú)線采集模塊和協(xié)調(diào)器模塊。

3.1.2監(jiān)護(hù)終端

采用ARM Cortex-A8作為無(wú)線多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的主控芯片，與CC2530協(xié)調(diào)器模塊采用串口通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.1.3傳感器模塊

體溫測(cè)量使用的是DS18B20溫度傳感器;HKB-08B測(cè)量血壓，心電血氧二合一模塊測(cè)量心電和血氧。

3.2 軟件部分

3.2.1登錄與注冊(cè)模塊設(shè)計(jì)

用戶登錄的目的是讓多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀能夠遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)用戶身體狀況，并且簡(jiǎn)化終端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端對(duì)應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)表中，節(jié)省本地存儲(chǔ)空間和成本。用戶可以在一臺(tái)終端注冊(cè)多個(gè)用戶，當(dāng)?shù)卿洸煌脩魰r(shí)，監(jiān)護(hù)不同用戶的生理狀況。實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

3.2.2主界面設(shè)計(jì)

用戶在主界面可以看到各種參數(shù)的值，及其動(dòng)態(tài)波形，不同的波形圖，由不同顏色的線條構(gòu)成，方便用戶觀察，由于血壓不需要24小時(shí)監(jiān)護(hù)，設(shè)計(jì)了血壓采集控制的控件（Qpushbutton），用戶可按需使用，還能通過(guò)菜單欄做其他簡(jiǎn)單的操作。

3.2.3歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

歷史數(shù)據(jù)是醫(yī)生診斷的重要依據(jù)，所以，本設(shè)計(jì)對(duì)其設(shè)計(jì)如下，用戶點(diǎn)擊打開(kāi)歷史數(shù)據(jù)，便可以找到相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)，再選擇相應(yīng)時(shí)間段的數(shù)據(jù)。

3.3 核心算法

3.3.1心率檢測(cè)算法

（1）從心電數(shù)據(jù)中提取心率數(shù)據(jù)，心率提取的算法如下：

（2）設(shè)置電壓閾值;

（3）設(shè)置定時(shí)器（1ms），和計(jì)數(shù)變量count;

（4）時(shí)間到了，觸發(fā)信號(hào)，計(jì)數(shù)變量加1;

（5）判斷心電數(shù)據(jù)是否超過(guò)閾值，若超過(guò)了，保存count到temp變量中，count清零;否則count直到觸發(fā)信號(hào)重復(fù)本步驟。

（6）最后，計(jì)算心率值。

3.3.2呼吸頻率算法

健康的人，呼吸（X）與脈搏（Y）之間存在一定的比例關(guān)系，滿足函數(shù)Y=4X，基本滿足也就是說(shuō)呼吸頻率與心跳頻率之間存在線性關(guān)系，根據(jù)這個(gè)線性關(guān)系即可推算出呼吸頻率。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 硬件測(cè)試

采集的參數(shù)正常，心電圖正常，脈搏波顯示正常，系統(tǒng)符合預(yù)期設(shè)想。

4.2 軟件測(cè)試

通過(guò)測(cè)試，如圖2所示，可以通過(guò)他查看患者信息、登錄、注冊(cè)、查看歷史數(shù)據(jù)顯示參數(shù)和波形圖表等，得知顯示結(jié)果正確，數(shù)據(jù)傳輸正確，登錄注冊(cè)正常。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)出的多參數(shù)家庭監(jiān)護(hù)終端具有智能化、便攜化、精簡(jiǎn)化的特點(diǎn)，滿足低功耗、低成本的商業(yè)需求，使得它特別適用于普通醫(yī)療機(jī)構(gòu)和普通的家庭用戶，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

基金項(xiàng)目：

本項(xiàng)目得到2020省級(jí)年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：S202010576022）

（作者單位：韶關(guān)學(xué)院（信息工程學(xué)院））