提高老人醫(yī)護(hù)安全的可穿戴心率測護(hù)儀設(shè)計

類 杰,孫玉柱, 從蘭美, 張安彩

(臨沂大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，山東 臨沂 276000)

0 引言

由于我國老人基數(shù)變大，導(dǎo)致我國已經(jīng)提前進(jìn)入老齡化階段，“空巢老人”的數(shù)量一直處于居高不下的狀態(tài)，多數(shù)老年人不能及時檢測到自己的身體狀況，在此之中，急性心梗又是老年人中常見的疾病之一，病人沒有明顯的發(fā)病特征，但是一旦發(fā)生意外，就有可能錯過了最及時的搶救時間，從而受到嚴(yán)重傷害，甚至喪失了生命?，F(xiàn)在已經(jīng)被證實(shí)，急性心梗后心率確實(shí)會發(fā)生心率失常的情況[1-5]。在此基礎(chǔ)上，我們依托心率變化情況對老人安全性進(jìn)行研究。

本文設(shè)計一種老年人的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，以易安卓4E和Keil5作為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合心率心電采集模塊、體表溫度測量傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，利用ESP8266進(jìn)行手機(jī)與單片機(jī)的通信，將單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶端APP中，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與儲存功能，監(jiān)護(hù)人可以查看歷史數(shù)據(jù)為老人制定更好的看護(hù)方案，大大減輕了監(jiān)護(hù)人的壓力和節(jié)省了大量的看護(hù)時間。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

考慮到心梗患者行動不方便、必須有家人陪護(hù)的需求。所以，研究心梗的預(yù)防或者發(fā)生意外時及時搶救避免損害是比治療更具現(xiàn)實(shí)意義[6]。本文設(shè)計一種可以遠(yuǎn)程監(jiān)測患有心梗疾病的老年人身體狀況的一種裝置[7]，心?；颊咄ㄟ^穿戴裝置，監(jiān)護(hù)人查看APP以此達(dá)到實(shí)時查看的目的。以Arduino以及32位的STM32F103作為核心板，通過集成型心電、呼吸信號測量模塊實(shí)現(xiàn)心率、心電的實(shí)時檢測并且出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，將報警信息發(fā)送到監(jiān)護(hù)人應(yīng)用端。

手機(jī)應(yīng)用端APP模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送，可穿戴裝置與應(yīng)用端APP之間通過ESP8266模塊連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，在應(yīng)用端APP界面可以實(shí)時查看到心?；颊叩男穆?、脈搏以及老人的體溫等信息[8-11]。可穿戴裝置的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了實(shí)時檢測老人的身體狀況信息，進(jìn)而減輕了監(jiān)護(hù)人的壓力。

根據(jù)設(shè)計功能要求，綜合比較各種方案，最終確定系統(tǒng)的總體如圖1所示。系統(tǒng)由心電信息采集模塊、體溫采集模塊、單片機(jī)主控模塊、無線傳輸模塊、顯示模塊和服務(wù)器(手機(jī))構(gòu)成。心電信息采集模塊、體溫采集傳感器各自采集使用者的心電、體溫信息，把采集的電信號信息傳送到單片機(jī)主控模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理完成后單片機(jī)會通過無線傳輸模塊，將信息發(fā)送到服務(wù)器中，同時信息也將在顯示模塊中供使用者查看。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)整體是一個數(shù)據(jù)的采集、處理、傳送和執(zhí)行過程。數(shù)據(jù)的采集包括心電信息采集和體溫信息采集，兩個信息采集元件分別采用的是ADS1292模塊和LMT70模塊；而數(shù)據(jù)的傳送包括了利用ESP8266無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器和將數(shù)據(jù)傳送至OLED顯示終端。ADS1292心電數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)人體生物電流在不同部位產(chǎn)生的電微小電位，采用了3個電極進(jìn)行捕捉，這3個電極兩兩組成一對進(jìn)行測量，測量的微小電位差經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理，就可以得到心率和心電圖。LMT70溫度采集模塊利用模數(shù)轉(zhuǎn)換將人體表面的溫度轉(zhuǎn)換為一個微小的電壓，再利用數(shù)據(jù)手冊里的電氣特性溫度表所推算出的溫度傳遞函數(shù)，將微小的電壓轉(zhuǎn)換為人體表面溫度。ESP8266無線傳輸模塊使用STA工作模式的TCP透傳，將主控芯片中所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳送給服務(wù)器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 設(shè)計的技術(shù)主要參數(shù)指標(biāo)

1) 心率范圍：安靜狀態(tài)下，成年人的正常心率為60～100次/分鐘，理想心率為55～70次/分鐘，心率的變化情況與心臟疾病密切存在著間接的聯(lián)系。如果心率值超出160次/分鐘，或者是低于40次/分鐘，這種情況大多見于心臟病患者。

2) 體表溫度范圍：以腋窩為測量位置，人體正常的體溫平均在36～37 ℃之間，如果溫度超出37 ℃可認(rèn)定為是發(fā)熱，如果溫度在37.3～38 ℃則認(rèn)為是低燒，38.1～40 ℃則認(rèn)為是高燒。

3) ESP8266-WIFI傳輸速率與刷新率范圍：頻率范圍為2.412～2.484 GHz，保證數(shù)據(jù)在APP界面顯示中的刷新速率至少為一秒2次的實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)刷新。

2.2 心電、心率采集模塊

本設(shè)計為可穿戴的裝置，所以在設(shè)計時盡量保證裝置的小巧化，本文選擇利用ADS1292來測量老年人的心率和繪制出心電圖。當(dāng)心臟每次收縮，人體都會產(chǎn)生生物電流，并通過組織和體液傳導(dǎo)至體表，由于傳導(dǎo)所需的時間不同，所以身體的不同部位會產(chǎn)生不同的電位，從而形成了體表的電位差。ADS1292模塊中每一個通道都具有靈活的輸入多路復(fù)用器，此多路復(fù)用器可獨(dú)立連接到內(nèi)部形成信號，實(shí)現(xiàn)檢測的功能，模塊工作時的數(shù)據(jù)速率高達(dá)8 ksps。本設(shè)計中ADS1292模塊心電測量方法是：身體體表微小的電位差通過3個電極進(jìn)行捕捉，這3個電極兩兩組成一對進(jìn)行測量。每個電極對的輸出信號稱為一組導(dǎo)聯(lián)，并經(jīng)過ADS1292模塊電路中的放大器放大，然后經(jīng)過單片機(jī)處理后形成心電圖。根據(jù)心電圖測出PP間隙或者RR間隙時間，60除以這個數(shù)值也可以得到心率信息。 ADS1292電路如圖2 所示。

圖2 ADS1292電路圖

圖2中，RESP_MODP，RESP_MODN可以輸出調(diào)制頻率，由于醫(yī)療產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)中存在漏電流的限制，所以用R44來限制電流輸出，C50、C48、C51限制直流電流留到人體，避免對老人身體造成傷害。

設(shè)計心電、心率采集裝置的原理框圖如圖3所示，模塊具有兩個低噪聲可編程增益放大器(P1、P2)和和兩個高分別率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC1、ADC2)，集成了心電采集所需要的部件，方便本設(shè)計的小巧化，另外此模塊功耗極低，實(shí)現(xiàn)了可長時間監(jiān)護(hù)的要求。

圖3 ADS1292原理框圖

ADS1292內(nèi)置雙通道信號采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換，通道一(1N1N和1N1P)為呼吸信號采集通道，通道二(1N2N和1N2P)為心電信號信號采集通道。圖中部分電路1是呼吸檢測的濾波電路；圖中部分電路2是右腿驅(qū)動電路[12]。

2.3 體表溫度測量模塊

為了能有效地、全方位地監(jiān)測老年人的身體情況，切實(shí)記錄老年人的信息，本設(shè)計還加入了體表溫度測量模塊，為能夠精確獲取老年人的體表溫度，本文選取了精度為±0.05 ℃的LMT70，其精度與溫度之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 傳感器精度與溫度關(guān)系圖

LMT70在20～42 ℃之間、芯片的供電電壓為2.7 V時，測量的誤差僅為±0.05 ℃。由于掌心溫度在30～35 ℃之間，利用數(shù)據(jù)手冊中的電氣特性溫度查詢表，推算得出了在30～40 ℃之間的一階溫度傳遞函數(shù)。推算過程如下：

斜率k計算公式: 與Y軸的截距b計算公式：

(1)

b=T1-k·VTAO(T1)

(2)

可根據(jù)電氣特性溫度查詢表所得，通過上述公式計算可得k為-0.192 ℃/mV,b為211.100 ℃。

最終30～40 ℃之間的溫度傳遞函數(shù)為：

TM=k·VTAO+b

(3)

TM=-0.192 ℃/mV·VTAO+211.100 ℃

(4)

式中,VTAO是單片機(jī)采樣得到的電壓,VTAO的單位為mV,TM的單位為℃。

溫度傳感器通過STM32的P3.1口采集得到電壓，利用公式(4)就可以得到接觸者的溫度，溫度傳感器具體的原理如圖5所示。

圖5 溫度傳感器原理圖

LMT70主要由輸出開關(guān)(T_ON)、放大器、溫度傳感元件(thermal diodes)組成。LMT70溫度傳感元件由BJT基極發(fā)射極連接而成的，其在連接到輸出開關(guān)之前，中間連接著一個放大器，LMT70 信號采集如圖6所示。

圖6 LMT70信號采集框圖

當(dāng)單片機(jī)給輸出開關(guān)(T_ON)一個開始信號，溫度傳感元件就會將人體溫度轉(zhuǎn)化為一個電信號，電信號經(jīng)放大器放大，通過溫度模擬輸出端(TAO)輸送到單片機(jī)。

本裝置一共有放置1個LMT70，當(dāng)使用時，僅僅將手靠近測量儀器，溫度傳感器經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，得到最后的電壓值，利用公式得出老年人的溫度測量值，不僅可以顯示在OLED中供老年人觀看，也可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)人手機(jī)APP界面中[13]。監(jiān)護(hù)人可以通過按鍵設(shè)置溫度的閾值，當(dāng)超出所設(shè)置的閾值時，單片機(jī)就會立刻通過客戶端APP采取報警措施。

2.4 無線傳輸模塊

ESP8266-WIFI 模塊支持STA/AP/STA+AP 3種工作模式，本設(shè)計使用的是STA工作模式的TCP Client透傳。其過程是：配置WIFI模塊為STA工作模式，讓W(xué)IFI 模塊連接路由器或者手機(jī)、筆記本發(fā)出的WIFI，然后設(shè)置服務(wù)器與WIFI模塊的IP地址一致，這時主控系統(tǒng)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)就可以經(jīng)過WIFI模塊傳輸?shù)椒?wù)器，這就實(shí)現(xiàn)了TCP透傳。ESP8266-WIFI 模塊原理如圖7所示。

圖7 ESP8266-WIFI 模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計

由于心?；颊咝枰?xì)心地照看，需要時刻地去監(jiān)測其身體狀況，保證在突發(fā)緊急情況下，能在最短的時間下采取緊急救治措施。

首先，在測量部分，將極性貼片貼在使用者身體上，佩戴好體表溫度測量模塊，啟動裝置后，整個裝置由12 V的移動電池轉(zhuǎn)5V電源供電，單片機(jī)開始執(zhí)行主函數(shù)的程序，各個模塊進(jìn)行初始化操作。溫度傳感器通過12位的AD轉(zhuǎn)換，單片機(jī)根據(jù)測量得到的電壓值與溫度的公式便可以得到溫度數(shù)據(jù)，ADS1292模塊得出的心率值傳送到單片機(jī)內(nèi)部，并且保存數(shù)據(jù)，做到掉電不丟失數(shù)據(jù)，OLED顯示屏顯示出老人的心率、體表溫度，并且保持?jǐn)?shù)據(jù)信息實(shí)時動態(tài)刷新，數(shù)據(jù)通過WIFI模塊建立TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器中，將所得到的數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)APP界面上。本部分的實(shí)現(xiàn)方案如圖8所示[14]。

圖8 實(shí)現(xiàn)方案

其次，在邏輯部分，多功能的心率測護(hù)儀在單片機(jī)中將累加器和數(shù)據(jù)寄存器傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的邏輯判斷。

最后，在執(zhí)行部分，當(dāng)心率不齊或者心率突然劇烈變化時，可穿戴裝置立即通過發(fā)送報警信息至監(jiān)護(hù)人[15]。

使用STM32單片機(jī)主控模塊作為軟硬件系統(tǒng)的主控制中樞,它不但需要完成有線、無線通信，而且還需要利用其本身的運(yùn)算能力對數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析[16]。

整個系統(tǒng)由單片機(jī)控制部分、檢測部分、顯示部分、傳輸部分4部分組成。經(jīng)測試該系統(tǒng)能精確地保證可穿戴裝置的各項(xiàng)要求，并且操作簡單，顯示穩(wěn)定，檢測速度快、穩(wěn)定性高。

本設(shè)計的程序流程如圖9所示。

圖9 程序流程圖

3.2 智能手機(jī)APP設(shè)計

智能APP是通過WIFI模塊與可穿戴裝置形成信息交流的，在搭建好系統(tǒng)后，采集到的心率、脈搏以及溫度數(shù)據(jù)一次傳送一串?dāng)?shù)據(jù)，通過分隔符在APP中將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分，得到各項(xiàng)數(shù)據(jù)的真實(shí)值，并建立兩個歷史數(shù)據(jù)包，從串口接收到的數(shù)據(jù)其長度值是轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制且從數(shù)組的第9位開始進(jìn)行存儲，直到在存儲時遇見字符標(biāo)識號截止。故開始先從原始數(shù)據(jù)的第九位開始去獲取本次數(shù)據(jù)的長度,再從字符標(biāo)識號之后開始取實(shí)際數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)包中，以此便于監(jiān)護(hù)者查看歷史數(shù)據(jù)[17]。

測試過程首先使用SKX-2000C心電模擬儀/心電信號發(fā)生，在心電模擬儀界面通過按鍵指令選擇模式一下的模擬心率為76BPM，且將可穿戴心率測護(hù)儀上電啟動投入工作。可穿戴心率測護(hù)儀裝置整體外觀如圖10所示。

圖10 設(shè)備工作圖

數(shù)據(jù)采集端與安卓軟件APP本地監(jiān)測，并在終端服務(wù)器手機(jī)界面上顯示，其區(qū)別于采集端藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，此方法為遠(yuǎn)端APP是從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫查詢采集端所檢測的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了裝置使用者的檢測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和跨設(shè)備共享等功能[18]。智能APP將采集到數(shù)據(jù)不僅實(shí)時顯示出來，而且將檢測的數(shù)據(jù)繪制成曲線形式，供其他人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并根據(jù)心率數(shù)據(jù)曲線、心電圖提出對使用者的身體狀況的改善措施。

在智能APP端顯示界面如圖11所示。

圖11 APP界面圖

3.3 硬件抑制干擾措施

在裝置運(yùn)行時，可能會出現(xiàn)一些干擾源。電源帶來的干擾，是干擾中最主要和最嚴(yán)重的干擾，對于這類干擾，設(shè)計時，可以用兩個100 μH的電感和0.1 μF的電容組成電源濾波器，即可以抑制一些高頻信號造成的干擾；其次，信號傳輸通道也造成I/O口信號異常，導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，使其精度、靈敏度大大地降低，可以對設(shè)備的關(guān)鍵部件，比如測量放大器及A/D轉(zhuǎn)換器通過硬件在線冗余設(shè)計來實(shí)現(xiàn)避免干擾的影響；最后，周邊環(huán)境的電磁干擾、靜電感應(yīng)干擾等干擾都會對設(shè)備的檢測存在較大的誤差，可以完善設(shè)備的接地系統(tǒng)以此消除電磁波等帶來的影響[19]。

4 測試方案與測試結(jié)果

4.1 測試方案

為驗(yàn)證可穿戴裝置設(shè)計的穩(wěn)定性與測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文先使用心電信號模擬器在不同心率下對心電采集模塊進(jìn)行測試，在確認(rèn)本設(shè)計的測量結(jié)果準(zhǔn)確無誤后，再對人體進(jìn)行測量；對于溫度采集模塊的測試，試驗(yàn)選擇5人，分別用標(biāo)準(zhǔn)體溫計與此模塊進(jìn)行掌心溫度的測量，系統(tǒng)記錄結(jié)果與人工記錄結(jié)果進(jìn)行對比分析。

4.2 測試結(jié)果完整性

4.2.1 心電采集模塊的測試結(jié)果

心電信號模擬器設(shè)置心率與系統(tǒng)測得心率如表1所示。

表1 心率信號模擬器與設(shè)備檢測心率對比表

4.2.2 溫度采集模塊的測試結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)體溫計測量溫度與體溫采集模塊掌心測量溫度結(jié)果如表2所示。

表2 體溫采集模塊與設(shè)備檢測溫度對比表

4.3 測試結(jié)果分析

在上位機(jī)中，心電信號采集得到的心電圖如圖12所示。

圖12 未加入濾波處理的心電圖

由圖12可見，心電圖不清晰，經(jīng)過分析后得出原因是：由于心電信號非常微小，所以心電信號極易受到來自外界、人體自身以及電路的干擾，并且工頻(50 Hz)是心電信號的主要干擾，所以需要在系統(tǒng)中進(jìn)行心電信號去噪處理。

現(xiàn)在常用的心電信號去噪方法是硬件降噪和軟件濾波兩種。硬件降噪主要是通過搭建相應(yīng)的電路來實(shí)現(xiàn)濾波功能，但是硬件濾波電路不但搭建調(diào)試難度大，還增加了成本、體積和系統(tǒng)的功耗。所以本文采用的是軟件濾波的處理方法，采用經(jīng)典卡爾曼濾波理論對信號進(jìn)行濾波處理[20-21]?？柭鼮V波的算法流程如圖13所示。

圖13 卡爾曼濾波算法流程圖

加入電信號去噪濾波算法后測得的心電圖如圖14所示。 圖中橫坐標(biāo)為檢測時間，縱坐標(biāo)為電壓，橫坐標(biāo)的每一小格為0.04 s，縱坐標(biāo)的每一小格為0.1 mV。

圖14 加入濾波處理的心電圖

由圖12、圖14的結(jié)果對比可以看出，所設(shè)計的軟件濾波算法取得了較好的濾波效果，大大提高了測量的精度。

5 實(shí)際應(yīng)用測試

5.1 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證本設(shè)計在實(shí)際情況下的有效性，我們以某心率帶測得的心率作為對照來驗(yàn)證本設(shè)計心率采集的準(zhǔn)確性；利用體溫計測量的溫度驗(yàn)證本設(shè)計溫度的準(zhǔn)確性。

選取了6名老人志愿者，每隔三分鐘分別用本設(shè)計和心率帶、體溫計測量老人的心率、體溫，共測10組，取每組的平均值。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

6名志愿者的測量數(shù)據(jù)如表3所示，同時，我們繪制出設(shè)計量心率、溫度偏差曲線關(guān)系如圖15所示。

表3 設(shè)計參數(shù)實(shí)驗(yàn)偏差表

圖15 設(shè)計參數(shù)實(shí)驗(yàn)偏差圖

根據(jù)圖中數(shù)據(jù)我們可以明顯地看出本設(shè)計與對照值的誤差很小，心率偏差保持在區(qū)間[-0.2,0.2]之內(nèi)，由于誤差百分比為(精確值-估計值)/精確值×100%，那么對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計算得到心率誤差Error(1)=-0.047 081，那么準(zhǔn)確率達(dá)到0.952 919 021，體溫偏差保持在區(qū)間[-0.13,0.14]區(qū)間之內(nèi)，那么對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計算得到體表溫度Error(2)=-0.000 632 511，那么準(zhǔn)確率達(dá)到0.999 367 489。

在此實(shí)驗(yàn)中，每人10組取平均值的情況下獲取得到的數(shù)據(jù)量為60組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)容量大，充分表明了本設(shè)計測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，確定了本文所提出并設(shè)計的設(shè)備與實(shí)際情況十分吻合，也證明了本設(shè)計在實(shí)際情況下的有效性。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)以STM32F103為控制核心，可準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對使用者的信息采集，并有無線上網(wǎng)功能。系統(tǒng)啟動后會實(shí)時采集使用者心電、體溫等信息，經(jīng)控制核心處理后發(fā)送到服務(wù)器中，服務(wù)器會不斷更新使用者的各項(xiàng)信息，達(dá)到不間斷檢測功能。實(shí)驗(yàn)效果符合預(yù)期設(shè)計要求。