便攜式動態(tài)健康信息監(jiān)測儀設計

宋亞楠，戴啟軍，毛曉波，彭海玲，張迪

（鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州450001）

在物質(zhì)生活極大豐富的今天，健康問題備受關(guān)注。而運動量、體溫和心電等都是人體非常重要的生命參數(shù)，它們直接反映了人體的健康狀況。在這里介紹一款動態(tài)健康信息監(jiān)測系統(tǒng)的設計方法，該系統(tǒng)具有功耗低、輕便小巧、操作簡單等特點，能夠?qū)崟r監(jiān)測記錄攜帶者日常生活中的運動量、體溫、心電等重要生理參數(shù)，以便于人們能及時了解自身的健康狀況，建立自身生理參數(shù)資料庫，為使用者在發(fā)病時提供參考信息，同時可以作為臨床診斷的依據(jù)之一。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

該監(jiān)測儀以MSP430F149單片機為控制核心，通過加速度傳感器，溫度傳感器，心電電極等分別采集人體運動加速度、體溫和心電等生理信號。經(jīng)過濾波放大，數(shù)字化處理后送至單片機進行計算和控制數(shù)據(jù)的存儲及顯示。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。由于加速度，心電等信號都比較微弱，所以很容易受到系統(tǒng)內(nèi)部和外部干擾的影響。被測信號中常常參雜有干擾信號，且可能被干擾信號“淹沒”，所以測得的信號要先經(jīng)過濾波然后再放大。MSP430F149單片機是一款16位超低功耗單片機，具有豐富的片內(nèi)資源，例如看門狗電路，硬件乘法器，液晶驅(qū)動器和12位高精度ADC等，可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄，計算存儲和顯示功能。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件電路設計

2.1.1 運 動量檢測模塊設計

大量實驗表明，當人體運動時，體內(nèi)的糖，脂肪，蛋白質(zhì)與體內(nèi)的氧發(fā)生氧化還原反應，生成二氧化碳和水，同時釋放能量。當人體的運動量發(fā)生變化時，耗氧量在一定限度內(nèi)也會隨之成正比變化，因此可以用單位時間單位體重的耗氧量來表示運動量，那么評估人體運動量的問題很大程度上就轉(zhuǎn)化為測量人體耗氧量的問題[1]。Brouha于1960年提出了人體運動加速度絕對值對時間的積分與人體運動的能量消耗之間具有很好的線性關(guān)系[2]。而Meijer和Westerterp等人為了證實人體各種類型的運動量消耗與身體加速度的關(guān)系，對16名受試者進行了實驗研究，測試每個受試者1 min內(nèi)加速度絕對值的積分，設置積分閾值。當積分值超過閾值時，積分復位。令一分鐘內(nèi)積分的復位次數(shù)作為加速度計的輸出AO，它的單位為每分鐘計數(shù)次數(shù)（counts/min），在測量加速度的同時還監(jiān)測耗氧量（J/kg.min），結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種測量結(jié)果存在如下關(guān)系[3]：

其中EE表示能量消耗，AO為加速度計輸出。

這項研究成果表明：通過加速度傳感器檢測人體加速度信號，經(jīng)模擬處理后得到加速度計輸出AO，進而計算出運動量的方法是科學有效的，這也是設計此模塊的理論依據(jù)。將三維加速傳感器模塊MMA7260固定在測試者的后背或腰間，來測量出3個方向的加速度信號，利用截止頻率為30 Hz的低通濾波器濾除高頻信號（因為人體運動頻率主要集中在30 Hz以內(nèi)），再將信號放大至0～5 V之間，然后進行積分（積分時間設為1分鐘），當積分值超過一定閾值，積分器就復位一次，以一分鐘內(nèi)積分器的復位次數(shù)作為加速度計的輸出AO。具體實現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 運動量模塊實現(xiàn)框圖Fig.2 Implementation diagram of exercise module

2.1.2 體 溫測量模塊

體溫可以通過Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20[4]來測量。DS18B20的測溫范圍為-55～+125℃。它可以直接將測得溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，分辨率為9～12位，可以通過程序設定。當分辨率設置為12位時，轉(zhuǎn)換精度為±0.0625，并且可以設置最高和最低報警溫度，當體溫超出這個范圍時，溫度報警系統(tǒng)會發(fā)出警報。傳感器溫度轉(zhuǎn)化時間大約為1 s，滿足實時顯示的需要。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位（即初始化），復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。數(shù)字化后的溫度由單片機I/O口IOA15從DQ端讀入單片機，然后控制液晶顯示。DS18B20的外圍電路接法如下圖3所示。

圖3 溫度傳感器DS18B20外圍電路設計Fig.3 External circuit design of temperature sensor DS18B20

因為DS18B20是單總線溫度傳感器，數(shù)據(jù)線是漏極開路，當DS18B20接有電源時，需要接一個阻值為4.7 k的上拉電阻。上拉電阻的作用是當溫度傳感器開路時，起到上拉作用，使之為高電平，從而保護后續(xù)電路。

2.1.3 心 電監(jiān)測模塊

心電信號采集模塊主要包括模擬和數(shù)字兩部分，其中模擬部分主要完成心電信號的拾取、放大和濾波等預處理，數(shù)字部分將對預處理后的心電信號進行分析和處理。心電信號屬于微弱信號（體表心電信號的幅值范圍為1～10 mv），并且存在較大的個體差異，因此在采集時常常會受到較多的干擾。這些干擾包括來自患者本身的生理信號干擾（如強度更大的肌電信號干擾）、測量電極與人體之間構(gòu)成的化學半電池所產(chǎn)生的直流極化電壓、50 Hz的工頻干擾、人體的運動或呼吸引起的基線漂移以及一些對稱電路接觸電阻不平衡導致的共模信號的差模轉(zhuǎn)換等。

圖4 心電信號帶通濾波器設計Fig.4 Design of ECG bandpass filter

采集心電時通過Holter遙測三導聯(lián)線和一次性心電電極與人體接觸，能很好的減小運動和呼吸引起的肌電干擾以及外界電磁波干擾。一次性心電電極的固定位置為：在左右肋下靠近胳膊處各一個，腹部右側(cè)一個。Holter導聯(lián)線一端連接到電極上，另一端與前置放大級端口相連。對于幅度僅在毫伏量級的心電信號來說，要求放大器前置級低噪聲、低漂移是非常必要的。前置放大級采用儀用放大器AD620，它的高輸入阻抗可以很好的解決放大器輸入源阻抗的不對稱性對共模抑制比的影響問題，并且其高共模抑制比對減小共模干擾有很好的效果，前端放大倍數(shù)約為10倍。為了抑制高頻噪聲以及信號的基線漂移，我們采用0.05～100 Hz的二階有源帶通濾波器（見圖4）。出于對便攜這一設計目標的考慮，供電部件用電池來供電，可以很大程度上避免50 Hz的工頻干擾?？紤]到心電信號的個體差異，中間放大級同時采用手動放大和程控放大，程控放大由CD4051電子開關(guān)實現(xiàn)，總共放大倍數(shù)約為100倍。為了充分利用A/D轉(zhuǎn)換的精度，在A/D轉(zhuǎn)換前將信號放大至A/D參考電壓的70%左右，考慮到信號中會有附加的直流成分，需在A/D轉(zhuǎn)換前增加電平調(diào)節(jié)電路。A/D將采集的信號數(shù)字化后經(jīng)I/O口送入單片機，控制存儲。綜上所述，心電采集模塊主要包括心電采集電路，前置放大，濾波，中間級放大，A/D轉(zhuǎn)換，單片機處理，存儲等幾個部分，如圖5所示。

圖5 心電測量實現(xiàn)方案Fig.5 Implementation of ECG measurement

由于體表心電信號的頻率為0.05～100 Hz，所以A/D最低采樣頻率為200 Hz。體表心電信號的數(shù)字分辨率為10 uv/bit，MSP430F149單片機內(nèi)部含有一路12位A/D，可以滿足心電信號采集的需要?？紤]到數(shù)據(jù)存儲以及A/D的轉(zhuǎn)換速率，設定A/D的采樣頻率為2 000 Hz，如此一來采集一天的心電信號，需要的存儲空間會很大，因此采用人工觸發(fā)的方式，當患者覺得不適時，就按下心電檢測按鈕開始采集心電信號，恢復正常后停止采集。這樣只采集有參考價值的異常信號，不僅可以節(jié)省存儲空間，而且使醫(yī)務人員的甄別和判斷工作變得簡易有效。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計是為了彌補硬件的不足，節(jié)省硬件資源。在這里采用分模塊的軟件設計[5]，分別包括主程序，各個參數(shù)的數(shù)據(jù)采集處理，液晶顯示和存儲等4大部分。系統(tǒng)上電后，首先對液晶顯示屏等進行初始化，然后進行參數(shù)設定包括DS18B20的分辨率，溫度閾值，加速度計的積分閾值等。數(shù)據(jù)采集模塊中對體溫和運動量參數(shù)進行實時測量，而心電采集則等待按鍵觸發(fā)。所有數(shù)據(jù)實時存儲，信號的顯示由顯示按鍵控制，當使用者需要獲取自身生理信號時按下顯示按鈕，可以在屏幕上看到自己的生理參數(shù)，從而盡可能的降低功耗。此系統(tǒng)采用C語言編寫，編譯環(huán)境為Keil uVision3。鍵盤處理，液晶顯示采用子程序調(diào)用的方式。鍵盤操作可以實現(xiàn)人機交互。程序流程圖如圖6所示。

3 聯(lián)機調(diào)試

根據(jù)以上實驗方案，進行參數(shù)設置。首先進行心電信號的調(diào)試，在心電信號的輸入端加上10 mv，70 Hz的正弦波信號[6]，將程控放大增益設置為1，觀察A/D輸入端的波形，調(diào)節(jié)手動可調(diào)電阻，使整個電路的增益為100倍，這樣在進入A/D前信號的幅值為1 V；將示波器設置為直流模式，調(diào)整抬高電平電路至信號的中心線位于1.5 V左右。這樣示波器顯示屏上可以看到幅值為1 V，頻率為70 Hz的正弦波信號。

然后進行溫度測量校準，首先用普通體溫計測量人體溫度，然后再用本儀器進行測試，多次測量互相比較，調(diào)節(jié)參數(shù)，直至二者測量結(jié)果差異在±0.1℃。設定體溫高低閾值分別為36.0℃和37.5℃，當給定的測試溫度（38℃）超過儀器設定的閾值時，溫度報警系統(tǒng)啟動，液晶顯示畫面如圖8所示，同時警報聲響起。將加速度傳感器固定在人體腰背部，然后使用者正常走動一分鐘，將所測運動量的結(jié)果與調(diào)查法測得運動量進行比較。最后在液晶屏上顯示體溫，運動量的值，如圖7所示。經(jīng)過測試，該儀器各項指標達到了預期效果。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 Flow chart of the system

圖7 體溫和運動量顯示結(jié)果Fig.7 Showing results of body temperature and amount of exercise

圖8 溫度超值報警畫面Fig.8 Alarm screen appears when the temperature exceeds the threshold

4 結(jié)束語

本儀器功耗低、輕便小巧、操作簡單，適合各個年齡段的人群進行生理參數(shù)的監(jiān)測?？梢詫崟r采集人體在日常生活中的運動量、體溫以及心電信號，并且記錄顯示它們的值。當超過設定的閾值時，可以報警，提醒使用者注意健康狀況或及時就醫(yī)。本文的創(chuàng)新點在于集合人體幾種基本的生理參數(shù)于一體，特別是針對運動量的測量，為人們?nèi)粘５腻憻捇顒犹峁┛茖W指導，應用前景廣闊。

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