人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計

劉彥偉，孟慶琰，張?zhí)m芹

1. 泰安市中心醫(yī)院 設(shè)備科，山東 泰安 271000；2. 山東第一醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)裝備部，山東 泰安 271000

引言

人體生理多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀可以實(shí)時監(jiān)測病人的血壓、血氧飽和度、心率和體溫等人體生命體征[1-2]，對實(shí)時了解病人的狀況具有很大的意義，隨著Android手機(jī)的普及和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使通過手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測病人的生理參數(shù)信息成為可能[3-4]。本文設(shè)計了一款多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)護(hù)儀可以準(zhǔn)確測出人體的生理參數(shù)信息并將信息通過Wi-Fi上傳到服務(wù)器。遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)通過Android手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)多個病人的生理參數(shù)信息的查詢、顯示、保存本地手機(jī)SD卡及語音播報功能，方便及時了解病人的身體狀況。

1 人體生理多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀硬件設(shè)計

本文設(shè)計的監(jiān)護(hù)儀主要測量人體的血壓、血氧飽和度、心率和體溫四項生理參數(shù)信息，監(jiān)護(hù)儀采用STM32F103作為系統(tǒng)的控制芯片，其主要功能是利用人體生理參數(shù)各部分的傳感器及檢測處理電路準(zhǔn)確、快速測出人體的生理參數(shù)信息，STM32F103內(nèi)部程序檢測到生理參數(shù)信息采集完成后，將生理參數(shù)信息通過監(jiān)護(hù)儀內(nèi)部的Wi-Fi模塊實(shí)時上傳到服務(wù)器。本文設(shè)計的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀硬件主要包括血壓、血氧飽和度、心率和體溫的檢測及處理電路、Wi-Fi模塊電路，監(jiān)護(hù)儀硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)護(hù)儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀血壓模塊硬件設(shè)計

本文設(shè)計的人體血壓測量是通過示波法的方法來檢測的，該部分主要由電源電路、氣泵和電磁閥驅(qū)動電路、血壓檢測及轉(zhuǎn)換電路并配合外部袖帶組成。該部分電路框圖如圖2所示。

圖2 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀血壓測量電路框圖

預(yù)先在控制芯片STM32F103程序中設(shè)置充氣的最大壓力值（本文設(shè)定220 mmHg），當(dāng)STM32F103內(nèi)部程序檢測到血壓測量按鈕按下時，會通過控制氣泵驅(qū)動電路來驅(qū)動氣泵給袖帶充氣，當(dāng)檢測到壓力達(dá)到220 mmHg時，停止給袖帶充氣，并開始控制放氣電磁閥給袖帶放氣。當(dāng)袖帶開始放氣時，血壓檢測電路內(nèi)部的壓力傳感器實(shí)時檢測壓力值，當(dāng)檢測到脈搏波跳動強(qiáng)度隨著血壓袖帶內(nèi)部氣體壓力的減小而增強(qiáng)時，這個拐點(diǎn)測到的血壓值為收縮壓，當(dāng)袖帶繼續(xù)放氣達(dá)到某一點(diǎn)時，脈搏波跳動強(qiáng)度會隨著袖帶內(nèi)氣壓得較小而減弱，這個拐點(diǎn)測到的血壓值為平均壓值，利用測出的收縮壓和平均壓可以計算出舒張壓[5-6]。

1.2 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀血氧飽和度硬件設(shè)計

本文設(shè)計的血氧檢測探頭由發(fā)紅光和紅外光的兩個不同波長的二極管反向并聯(lián)構(gòu)成，紅光和紅外光的波長分別為660 nm和940 nm[7-8]。血氧檢測探頭的紅光驅(qū)動電路由2個MMBT05L三極管和相應(yīng)的電路組成，紅外光的驅(qū)動電路由2個MMBT55LT1三極管和相應(yīng)電路組成，利用控制芯片STM32F103的4個端口分別控制輸出電壓和二極管的發(fā)光強(qiáng)度。

當(dāng)血氧傳感器探頭夾上手指后， STM32F103會產(chǎn)生兩路時序脈沖信號驅(qū)動血氧探頭內(nèi)的兩個不同波長的二極管交替發(fā)光[9]，發(fā)光二極管發(fā)出的光通過人體指端后由光電三極管接收并通過前置差分濾波及轉(zhuǎn)換電路濾波放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給STM32F103芯片，由控制芯片STM32F103根據(jù)血氧飽和度的計算公式測量出人體的血氧飽和度值。本文設(shè)計的血氧飽和度的電路框圖如3所示。

圖3 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀血氧飽和度電路框圖

1.3 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀心率硬件設(shè)計

本文設(shè)計的血氧飽和度采集電路可以同時采集到人體指端的容積脈搏波信號，通過提取兩個相鄰脈搏波波峰點(diǎn)的采樣點(diǎn)數(shù)，設(shè)為n，根據(jù)本文指端脈搏波采集設(shè)置的采樣時間T=0.007s，即可計算出人體的心率值（Heart Rate，HR），HR的計算公式[10]如公式（1）所示。

1.4 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀體溫硬件設(shè)計

本論文設(shè)計體溫測量電路由測溫電橋電路、電壓基準(zhǔn)電路和差分放大反饋電路組成，其電路框圖如圖4所示。

圖4 人體多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀體溫測量電路框圖

溫度變化在較小范圍內(nèi)時，利用高精度鉑電阻PT100的阻值與溫度良好的線性關(guān)系（式2）與其他四個精密電阻組成測溫電橋電路[11]，電壓基準(zhǔn)電路由電壓基準(zhǔn)芯片REF3030和相應(yīng)電路組成，主要功能為測溫電橋電路提供3.0 V標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓，測溫電橋電路測出電阻值由差分放大電路由差分放大反饋放大后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給控制芯片STM32F103。

根據(jù)公式(2)，即可計算出人體的體溫值T，如公式(3)所示。

當(dāng)鉑電阻的溫度為0℃時，其阻值為100 Ω[12]，PT100阻值Rt與溫度T的線性系數(shù)A為0.385。

1.5 人體多生理參數(shù)信息上傳服務(wù)器硬件設(shè)計

人體生理參數(shù)信息采集后保存在存儲器內(nèi)，當(dāng)STM32F103檢測到所有數(shù)據(jù)采集完成后，把血壓、血氧飽和度、心率和體溫通過串口 UART依次發(fā)送到Wi-Fi模塊ST-MW-08 S，Wi-Fi模塊ST-MW-08 S將接收到的數(shù)據(jù)信息上傳至服務(wù)器[13]。Wi-Fi模塊的工作參數(shù)和工作方式可以通過串口軟件實(shí)現(xiàn)配置，Wi-Fi模塊ST-MW-08 S內(nèi)部集成了Wi-Fi的驅(qū)動，同時支持 ARP、ICMP、UDP、TCP/IP、DHCP 客戶端以及 DHCP 服務(wù)器等諸多協(xié)議，具備多路通用 I/O的輸入輸出接口，編程方便等優(yōu)點(diǎn)[14]。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)計的監(jiān)護(hù)儀遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是一款基于Android手機(jī)的APP軟件，它可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)生注冊、登錄，多病人歷史信息查詢、顯示，病人生理參數(shù)信息數(shù)據(jù)保存和查詢到的病人生理參數(shù)信息的語音播報，該APP軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)護(hù)儀遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2.1 醫(yī)生注冊登錄功能App軟件設(shè)計

有注冊權(quán)限的醫(yī)生信息會預(yù)先保存在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)醫(yī)生首次登陸時，軟件會提示醫(yī)生填寫注冊信息，注冊信息包括用戶名（真實(shí)姓名）、手機(jī)號、密碼及性別的選擇，當(dāng)醫(yī)生的信息與數(shù)據(jù)庫中的信息匹配時，才能注冊成功。當(dāng)醫(yī)生注冊成功后，可通過用戶名和密碼實(shí)現(xiàn)登陸，若登陸信息忘記時，可以通過手機(jī)號找回密碼，本文設(shè)計的App軟件的注冊、登錄界面如圖6所示。在設(shè)計注冊界面時，添加了4個TableRow 表格行，在其中添加了4個TextView文本框 和4個EditText 編輯框控件，分別用來顯示和填寫用戶名、手機(jī)號、密碼和確認(rèn)密碼。在EditText 控件中的 android:singleLine = “true”表示單行輸入文本， android:inputType= “password” 表示輸入的內(nèi)容為密碼，并用 “ . ” 代替輸入的內(nèi)容，避免密碼泄露。設(shè)計登錄界面時，添加了2個TableRow 表格行，在其中添加了2個TextView文本框 和2個EditText 編輯框控件。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)注冊及登錄界面

2.2 人體生理參數(shù)信息查詢顯示App軟件設(shè)計

該功能采用通過POST的請求方法同服務(wù)器進(jìn)行交互，POST請求是把所有的要訪問服務(wù)器提交的數(shù)據(jù)放在請求的請求體當(dāng)中，POST向服務(wù)器提交的數(shù)據(jù)沒有限制，可以大數(shù)據(jù)訪問數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)POST請求，需在Manifest文件中注冊打開訪問網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限：＜uses-permission android:name =“android.permission.INTERNET” /＞， 輸 入 病人名字后，點(diǎn)擊查詢按鍵，界面會跳轉(zhuǎn)到病人生理參數(shù)信息顯示界面，該界面會從上到下依次顯示從服務(wù)器上獲得的人體血壓、血氧飽和度、心率和體溫值，該界面如圖7所示。

醫(yī)生通過輸入病人的姓名和床號查詢病人的生理參數(shù)信息，通過POST方式將提交到服務(wù)器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為JSON格式數(shù)據(jù)字符串，代碼如下：

在主程序中利用text.setText("" + value)顯示從服務(wù)器上返回的數(shù)據(jù)，其中text為定義的血壓、血氧飽和度、心率和體溫生理參數(shù)，value為從服務(wù)器上返回的生理參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.3 人體生理參數(shù)信息數(shù)據(jù)保存App軟件設(shè)計

點(diǎn)擊圖7界面上的保存按鍵，程序會檢測手機(jī)本地的SD卡是否已準(zhǔn)備好，若SD卡已準(zhǔn)備就緒，系統(tǒng)內(nèi)部程序利用File sdCardDir = Environment.getExternalStorageDirectory()得到SD卡根的目錄，在SD卡的data文件夾下創(chuàng)建以病人名字命名的文件夾，程序如下所示：

圖7 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)查詢到的生理參數(shù)顯示界面

病人的基本信息及生理參數(shù)信息會以日期+時間.txt文檔的命名形式保存在手機(jī)的內(nèi)部存儲卡中，獲得當(dāng)前日期及時間的方法的程序如下：

獲得當(dāng)前日期的方法：

圖8 保存在SD中的病人信息文檔及生理參數(shù)信息

2.4 人體生理參數(shù)信息語音播報App軟件設(shè)計

醫(yī)生查看病人信息時，可以選擇打開語音播報功能，打開后該APP軟件會自動播報病人的信息，當(dāng)醫(yī)生忙碌無法觀看手機(jī)時，該功能可以方便醫(yī)生了解病人的情況。默認(rèn)情況下，Android平臺無法實(shí)現(xiàn)中文到語音的轉(zhuǎn)換，必須安裝中文文字轉(zhuǎn)換語音Text To Speech（TTS）的語音包，并將該包引入到所建工程的buildPath中。導(dǎo)入第三方科大訊飛語音包的方法是右鍵工程，選擇Build path，Configure Build Path，選擇libraries選項卡中選擇右側(cè)的Add External JARs，然后選擇要導(dǎo)入的第三方的jar 包，點(diǎn)擊“確定”，語音jar包會被一起打包到apk中，本文采用第三方科大訊飛開發(fā)提供的TTS語音包，導(dǎo)入工程后如圖9所示，下載并安裝訊飛語音APK軟件，安裝成功后，在語音設(shè)置選項中打開系統(tǒng)識別接口、設(shè)置發(fā)音的方式、語速和音效，如圖10所示。

圖9 工程中導(dǎo)入訊飛語音包

圖10 安裝訊飛APK后及語音設(shè)置界面

當(dāng)醫(yī)生打開語音播報功能后，即可實(shí)現(xiàn)對病人信息的語音播報功能，語音播報的程序如下：

3 實(shí)驗結(jié)果及分析

實(shí)驗者靜息5 min待身體完全放松后，采用醫(yī)院常用的邁瑞PM 7000監(jiān)護(hù)儀作為參照，分別用本文設(shè)計的監(jiān)護(hù)儀和邁瑞PM 7000監(jiān)護(hù)儀采集10名實(shí)驗者的血壓、心率、血氧飽和度和體溫值。

利用Bland-Altman方法[15]對兩種儀器測量的血壓值進(jìn)行一致性分析，分析結(jié)果是這10個數(shù)據(jù)均在一致性界限以內(nèi)，其中收縮壓和舒張壓兩者差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為 -0.6000和-0.9000， 1.5793和 1.7640，收縮壓和舒張壓的95%一致性界限分別為（-3.6954，2.4954）和（-4.3575，2.5575）。兩種儀器測出的10名實(shí)驗者的心率的相關(guān)系數(shù)r=0.9830；血氧飽和度數(shù)據(jù)的最大絕對誤差為1，最小絕對誤差為0，最大相對誤差為1.01%；體溫值的最大絕對誤差為0.5℃，最小絕對誤差為0，最大相對誤差為1.43%。

血壓實(shí)驗數(shù)據(jù)分析說明本論文設(shè)計的監(jiān)護(hù)儀測出的血壓值與邁瑞PM7000監(jiān)護(hù)儀測出的血壓具有很好的一致性。兩種儀器測出的HR的相關(guān)性很大，說明本文設(shè)計的監(jiān)護(hù)儀測出的HR具有很高的準(zhǔn)確性[16]；兩種儀器測出的血氧飽和度和體溫值的相對誤差均很小，說明了本論文設(shè)計的監(jiān)護(hù)儀測出的血氧飽和度和體溫值具有很高準(zhǔn)確性，符合人體生理參數(shù)測量的要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計出了一款人體多生理參數(shù)的監(jiān)護(hù)儀及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)護(hù)儀硬件部分能夠快速測準(zhǔn)確測出人體的血壓、血氧飽和度、心率和體溫值，利用邁瑞PM 7000監(jiān)護(hù)儀作為對比，分析了10名實(shí)驗者的測試數(shù)據(jù)，結(jié)果證明了本文設(shè)計的監(jiān)護(hù)儀測量人體生理參數(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性，并實(shí)現(xiàn)了將病人基本信息和生理參數(shù)信息上傳到服務(wù)器。本文設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)Android手機(jī)APP軟件，實(shí)現(xiàn)了從服務(wù)器上查詢病人歷史信息并顯示，實(shí)現(xiàn)了病人信息保 存到本地SD卡功能，實(shí)現(xiàn)了病人信息的語音播報功能，達(dá)到了本文設(shè)計的要求。