微型多參數(shù)健康監(jiān)護終端的設(shè)計與實現(xiàn)

在當前的醫(yī)療條件下，由于患者缺乏連續(xù)健康信息數(shù)據(jù)，醫(yī)生無法理解慢性疾病的形成的原因，診斷的準確性在一定程度上受到了影響。老年人或慢性病患者在戶內(nèi)外活動時,會有不慎摔倒的情況,此時若不能及時獲取相關(guān)的生理參數(shù)并通知醫(yī)生和家人,將延誤治療時機。傳統(tǒng)的監(jiān)護儀器一般存在以下一些問題:(1)沒有很好地把運動監(jiān)護和運動狀態(tài)下的體征參數(shù)監(jiān)護結(jié)合起來;(2)不能及時地將使用者實時監(jiān)護數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給醫(yī)生進行分析與診斷,降低了監(jiān)護數(shù)據(jù)的價值;(3)沒有考慮到監(jiān)測的便捷性,給使用者的日常生活和工作帶來了較大的影響。本文提出一種基于STM32單片機的微型多參數(shù)健康監(jiān)護終端的設(shè)計與實現(xiàn)方法,可以在監(jiān)測使用者多個生理參數(shù)的同時監(jiān)測其身體運動姿態(tài),監(jiān)護數(shù)據(jù)通過藍牙實時發(fā)送至智能設(shè)備進行顯示。該終端的設(shè)計充分體現(xiàn)了智能醫(yī)療時代家用醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備“更便攜、更安全、更低耗、更智能以及更高診斷級性能”的發(fā)展趨勢。1stm32系統(tǒng)模塊如圖1所示,設(shè)計的多參數(shù)健康監(jiān)護終端主要包括以STM32單片機為核心的主控單元、血氧信號采集模塊、心電信號采集模塊、跌倒監(jiān)測模塊、藍牙通信模塊、人機交互模塊、存儲模塊和電源管理模塊等。1.1主控芯片系統(tǒng)為滿足系統(tǒng)多參數(shù)采集和快速數(shù)據(jù)處理要求,本設(shè)計采用意法半導體公司生產(chǎn)的最高工作頻率可達72MHz的STM32F103RE單片機作為主控芯片。它具有豐富的片上外設(shè)資源和18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度,不僅可以實現(xiàn)單周期乘法和硬件除法,還可以利用其提供的DSP庫在STM32芯片上實現(xiàn)快速傅里葉變換算法,滿足血氧飽和度等參數(shù)計算要求。1.2監(jiān)管機硬件設(shè)計本設(shè)計采用美國德州儀器公司專為ECG等生物電信號測量推出的單芯片解決方案ADS1298,其內(nèi)部集成了24位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、可編程放大器和右腿驅(qū)動電路等模塊,大大降低了采集系統(tǒng)復雜度和功耗,提高了系統(tǒng)的可靠性。選用動態(tài)心電圖(DCG)的CM5導聯(lián)系統(tǒng)作為日常監(jiān)護的常規(guī)導聯(lián),其數(shù)據(jù)幅度和穩(wěn)定性均能較好地滿足日常監(jiān)護要求。電極采集所得的心電信號經(jīng)心電導聯(lián)線輸入至低通濾波電路和基線抑制電路后由ADS1298采樣處理,單片機以SPI方式讀取數(shù)字心電數(shù)據(jù)。1.3led熒光信號采集如圖2所示,血氧信號采集單元的硬件部分主要包括LED發(fā)光時序控制電路、LED亮度調(diào)節(jié)電路和脈搏波信號調(diào)理電路。LED發(fā)光時序控制電路由雙MOS管芯片組成的H橋驅(qū)動電路構(gòu)成。LED亮度調(diào)節(jié)電路是由運算放大器OPA4348和N溝道MOS管組成的壓控恒流源,通過改變D/A轉(zhuǎn)換接口輸出電壓的大小實現(xiàn)對LED發(fā)光強度的精確控制,其發(fā)光電流大小為。光電脈搏波信號調(diào)理電路包括電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路、放大電路和脈搏波基線調(diào)節(jié)電路。1.4加速度的識別和測量穿戴式傳感器由于其成本低、使用簡便和技術(shù)先進等優(yōu)點,是監(jiān)測人體在跌倒時身體各部位機械變化情況的最佳選擇。人體跌倒時,身體的加速度信息相比日常生活的正常動作會有很大的變化,通過分析人體加速度信息的變化,監(jiān)護終端即可在使用者跌倒時正確識別并發(fā)出求救信號。加速度的測量使用三軸加速度傳感器MMA7260。由于人體軀干運動的加速度幅值范圍一般不超過±6g,選取傳感器的量程為±6g。傳感器輸出的3個方向的加速度信號為模擬信號,分別經(jīng)過一階無源RC低通濾波電路之后由單片機的A/D轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,然后根據(jù)實驗得到的加速度傳感器標定公式,計算出三軸加速度值,再由單片機進行算法分析,判斷當前的人體姿態(tài)。1.5健康監(jiān)護終端的設(shè)計藍牙4.0將藍牙技術(shù)、藍牙低功耗技術(shù)及藍牙高速技術(shù)3種藍牙規(guī)格融為一體,考慮到本設(shè)計的無線傳輸和低功耗需求,選取以TI公司CC2540為主芯片的藍牙模塊。該模塊采用BluetoothSpecificationV4.0BLE協(xié)議,支持AT指令,工作頻率為2.4GHz。健康監(jiān)護終端通過藍牙模塊與智能設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互,藍牙模塊的波特率設(shè)置為57600b/s,8bit數(shù)據(jù)位,無校驗位,無停止位,工作模式為從設(shè)備模式。監(jiān)護終端向智能設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包主要有模塊自檢信息、控制命令應(yīng)答信息、功能設(shè)置信息、系統(tǒng)運行狀態(tài)、監(jiān)護波形數(shù)據(jù)和生理參數(shù)數(shù)據(jù)6種。數(shù)據(jù)包通過和校驗方式,將包ID、包長度和N個數(shù)據(jù)累加和作為校驗位,其基本格式為:包ID+包長度+數(shù)據(jù)1+…+數(shù)據(jù)N+校驗位。2軟件設(shè)計2.1生理監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)度模塊多參數(shù)健康監(jiān)護終端的主程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)的主要工作流程分為以下幾個部分:(1)系統(tǒng)各個工作模塊初始化配置,包括ADC、DAC、UART、SPI、顯示屏和藍牙模塊等;(2)人體姿態(tài)監(jiān)測以及心電、脈搏波信號的采集、分析、顯示和存儲等;(3)生理信息出現(xiàn)異常時觸發(fā)報警功能,包括聲音報警和振動報警;(4)通過藍牙模塊向智能設(shè)備發(fā)送當前監(jiān)護數(shù)據(jù)或接收來自智能設(shè)備的控制命令。2.2生理信號采集和處理從頻域角度分析,心電和脈搏波屬于低頻信號,頻帶范圍分別為0.05~100Hz和0~20Hz。人體活動的加速度信號99%能量集中在15Hz以下,因此要檢測的人體活動的加速度頻率一般低于20Hz。根據(jù)奈奎斯特采樣定理以及系統(tǒng)設(shè)計需要,設(shè)定心電信號的采集周期為4ms,光電脈搏波信號和人體加速度信號的采集周期均為12ms。系統(tǒng)生理信號采集的工作時序圖如圖4所示。系統(tǒng)采用分時調(diào)度機制進行數(shù)據(jù)采集和處理。利用定時器Timer2定時1ms并打開中斷使能,定時中斷函數(shù)為Func_Time1ms(),函數(shù)內(nèi)容如下:其中FuncT是分時調(diào)度指針數(shù)組,其元素的變量類型是通過語句“typedefvoid(*pFUNT)(void);”來定義的。數(shù)組FuncT的元素類型為函數(shù)型指針,該函數(shù)的參數(shù)和返回值均為空,函數(shù)體分別為12ms采集周期內(nèi)每時間片執(zhí)行的子程序。3生理征象和分析3.1基于fpga的ir數(shù)字濾波器人體生理信號的采集常伴有工頻和基線漂移等干擾,考慮到對于便攜性和低功耗的要求,本文在硬件濾波電路基礎(chǔ)上采用數(shù)字濾波方式進一步進行抗干擾處理。50Hz工頻干擾采用低通FIR數(shù)字濾波器進行濾除,本研究使用Matlab的FDAtool工具箱設(shè)計FIR數(shù)字濾波器。為了將其移至到STM32單片機上運行,還需對設(shè)計的濾波系數(shù)進行量化操作,將浮點型濾波器系數(shù)轉(zhuǎn)化為整型系數(shù),以提高運算效率。針對信號中的基線漂移干擾,采用滑動平滑濾波的方法實現(xiàn)基線漂移的抑制。其算法過程為:首先讀取待處理點x[n]前長度為m的數(shù)據(jù),計算其平均值作為基線值,然后將所得基線值ybase[n]與處理點x[n]相減,得到基線處理后的值。心電信號和脈搏波信號的數(shù)字濾波處理結(jié)果如圖5所示。3.2系統(tǒng)的fpga計算根據(jù)朗伯比爾定律和血紅蛋白對不同波長的光吸收度不同的特點,利用容積脈搏波計算血氧飽和度的算法如式(1)和式(2)所示:其中ACred和DCred代表波長為660nm的紅光的交流和直流分量,ACir和DCir代表波長為940nm的紅外光的交流和直流分量,系數(shù)A和B需通過定標校驗的方法獲得。為提高計算結(jié)果的準確性和穩(wěn)定性,本設(shè)計采用頻譜分析法提取光電容積脈搏波的交流和直流分量。利用官方提供的DSP庫,可方便地在STM32單片機上實現(xiàn)快速傅里葉變換,在72MHz工作頻率下,STM32F103RE單片機利用匯編函數(shù)庫計算256點FFT僅需357μs。如圖6所示容積脈搏波的頻譜圖中,0Hz處的幅值即代表容積脈搏波的直流分量。計算交流分量時,先利用特征點識別法計算出當前的心率w,則Hz頻率段的峰值代表容積脈搏波的交流分量。最后使用Prosim-8生命體征模擬儀對設(shè)計的血氧模塊進行定標,得到的定標曲線如圖7所示。3.3大加速度g周邊波動不同跌倒類型的信號在波形上存在很大相似度,在跌倒前后人體處于相對靜止狀態(tài),測得的加速度值在重力加速度g附近波動,在跌倒發(fā)生的瞬間會有一段峰值大于A(A=2.5g)的尖脈沖出現(xiàn),跌倒動作在時間T(T=1.5s)內(nèi)完成,并且在跌倒之后人體將處于相對靜止狀態(tài)?；诖?當系統(tǒng)檢測到人體的真實加速度值大于A并且時間T之后人體加速度值小于B(B=1.2g)時即可判定使用者發(fā)生了跌倒。4健康監(jiān)護終端設(shè)計本文設(shè)計了一款基于STM32單片機的微型多參數(shù)健康監(jiān)護終端,其心電監(jiān)測有3種導聯(lián)采集模式和多種增益選擇,心率的測量范圍為30~250b/min,精度為±3b/min,血氧飽和度在90%~99%范圍內(nèi)精度為±2%,在70%~89%范圍內(nèi)精度為±3%。利用設(shè)計的健康監(jiān)護終端對8名年齡為22~28周歲的受測者同時采集3導聯(lián)心電信號和脈搏波信號,計算其心率和血氧飽和度值,每5min測量1次,測量3次后取平均值,并與某商用監(jiān)護儀的測量結(jié)果進行對比,結(jié)果如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知,采集的結(jié)果均在允許的誤差范圍之內(nèi)。出于安全性考慮,由以上8名受測者在墊子上分別將前倒、后倒和側(cè)倒3種跌倒動作重復10次,統(tǒng)計結(jié)果顯示終端的報警正確率均在90%以上。設(shè)計的健康監(jiān)護終端采用分辨率為320×240的2.6英寸LCD顯示屏,實現(xiàn)的監(jiān)護界面如圖8(a)所示。該終端大小僅為80mm×50mm×10mm,并可通過藍牙與An