基于LabVIEW的無線生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李若愚 戎舟 倪珊 閆森 齊家鋒 張致昊

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的遠(yuǎn)程診斷或監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件模塊采集心電、心率、脈搏、血氧飽和度和體溫等生理信號(hào)，采集到的用戶生理參數(shù)通過WiFi傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶生理參數(shù)的處理與顯示，并對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行QRS波形檢測(cè)，同時(shí)設(shè)計(jì)了微信小程序方便使用者遠(yuǎn)程查詢生理參數(shù)。

關(guān)鍵詞：無線傳輸;生理參數(shù)監(jiān)測(cè);LabVIEW;QRS波形檢測(cè);微信小程序;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，我國(guó)居民患高血壓、高血脂等慢性疾病的人數(shù)急劇增加[1]。生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸進(jìn)入醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，成為有效監(jiān)測(cè)慢性病及老年病的新途徑[2]?，F(xiàn)代通信技術(shù)飛速發(fā)展，如WiFi，ZigBee，藍(lán)牙等無線通信技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積廣，使用簡(jiǎn)便，傳輸速度快且輻射小。醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)監(jiān)護(hù)器材與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)以及家庭監(jiān)護(hù)。微信小程序是現(xiàn)今火熱的手機(jī)應(yīng)用，打開微信即可使用，非常適合作為家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中手機(jī)端的顯示應(yīng)用。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電、心率、脈搏、血氧飽和度和體溫等臨床生理信號(hào)的監(jiān)測(cè);通過無線方式將采集的生理參數(shù)傳送至上位機(jī);上位機(jī)采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)無線生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，對(duì)生理參數(shù)信號(hào)進(jìn)行處理和顯示（在手機(jī)端設(shè)計(jì)微信小程序顯示生理參數(shù)）。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無線生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為三個(gè)模塊，分別為信號(hào)采集模塊、無線模塊以及上位機(jī)模塊。信號(hào)采集模塊與無線模塊構(gòu)成系統(tǒng)的下位機(jī)。

（1）信號(hào)采集模塊由心電、脈搏、血氧、溫度傳感器組成，用于測(cè)量人體生理參數(shù)。

（2）無線模塊由單片機(jī)和無線模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

（3）上位機(jī)模塊通過LabVIEW環(huán)境實(shí)現(xiàn)，接收下位機(jī)模塊傳輸?shù)纳韰?shù)數(shù)據(jù)，對(duì)生理參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示以及心電信號(hào)的QRS波形檢測(cè)。

在手機(jī)端設(shè)計(jì)了微信小程序，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的生理參數(shù)顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 下位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)由信號(hào)采集模塊和無線模塊組成。除了需要完成對(duì)用戶生理參數(shù)數(shù)據(jù)的測(cè)量及預(yù)處理之外，它還需要通過WiFi模塊完成TCP客戶端的建立，與LabVIEW上位機(jī)TCP服務(wù)器建立連接并發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)。

2.1 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用Arduino單片機(jī)，它是一款編程簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰的電子原型平臺(tái)[3]，由硬件、軟件兩個(gè)主要部分組成：硬件部分為Arduino開發(fā)板;軟件部分為軟件開發(fā)環(huán)境Arduino IDE。

Arduino具有三種供電方式，分別為通過USB接口供電、通過DC電壓輸入接口供電和通過電源接口處V或者VIN端口供電。

測(cè)量脈搏選取PulseSensor光電反射式模擬脈搏傳感器，它能夠用于脈搏心率及脈搏波形測(cè)量[4]。傳感器由光源和光電變換器組成，使用時(shí)將傳感器佩戴于手指、耳垂等處，通過導(dǎo)線連接，把采集到的信號(hào)傳輸給單片機(jī)，經(jīng)過簡(jiǎn)單計(jì)算后可得心率數(shù)值。

測(cè)量血氧飽和度采用具有集成血氧和心率監(jiān)測(cè)功能的生物傳感器模塊MAX，它由光源、光電檢測(cè)器、電源構(gòu)成，通過標(biāo)準(zhǔn)IC兼容通信接口可將采集到的數(shù)值傳輸給單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)的心率、血氧計(jì)算。

測(cè)量溫度采用DSB傳感器，它具有體積小、硬件開銷低、精度高等優(yōu)點(diǎn)[5]。采用單總線接口方式，僅需一條口線就能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)與傳感器的雙向通信[6]。

采用AD心電傳感器模塊測(cè)量心電波形。它是一款用于ECG及其他生物電測(cè)量的集成信號(hào)調(diào)理模塊。該器件設(shè)計(jì)用于在具有運(yùn)動(dòng)或遠(yuǎn)程電極放置產(chǎn)生噪聲的情況下提取、放大及過濾微弱的生物電信號(hào)[7]。

無線通信采用ESP WiFi模塊。ESP支持無線b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，支持基站/熱點(diǎn)/基站+熱點(diǎn)三種工作模式，內(nèi)置32位MCU，可兼作應(yīng)用處理器，單電源供電，可通過AT指令控制模塊。ESP主要功能為串口透?jìng)?、PWM調(diào)控、GPIO控制。

下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。

2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件部分對(duì)生理參數(shù)傳感器采集的各項(xiàng)生理參數(shù)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到符合要求的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，通過AT指令建立TCP客戶端，連接WiFi網(wǎng)絡(luò)，與上位機(jī)平臺(tái)的TCP服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

Arduino IDE編程環(huán)境將單片機(jī)運(yùn)行流程分為set up與loop兩部分。在set up部分實(shí)現(xiàn)各模塊的初始化，配置WiFi模塊，連接WiFi網(wǎng)絡(luò)，建立TCP客戶端并與上位機(jī)平臺(tái)建立的服務(wù)器相連接;在loop部分配置血氧飽和度模塊使用的光傳感器，采集各項(xiàng)生理參數(shù)，調(diào)用Arduino庫函數(shù)對(duì)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到符合需求的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過WiFi無線模塊將數(shù)據(jù)包發(fā)送至上位機(jī)平臺(tái)。Loop部分不斷循環(huán)執(zhí)行，不斷獲得用戶的生理參數(shù)數(shù)據(jù)。溫度、血氧信號(hào)為數(shù)字信號(hào)輸入，采用溫度傳感器ESP8266，遵循單總線協(xié)議，血氧傳感器為I2C通信接口。心電信號(hào)和脈搏信號(hào)屬于模擬信號(hào)，Arduino單片機(jī)自帶10位ADC，采用analogRead函數(shù)即可讀取輸入的模擬信號(hào)。

3 上位機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)平臺(tái)是與用戶人機(jī)交互的核心，需要完成用戶生理參數(shù)數(shù)據(jù)的接收及顯示，還需對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行QRS波綜合檢測(cè)。上位機(jī)軟件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

本系統(tǒng)上位機(jī)平臺(tái)主要功能：利用LabVIEW的TCP工具包建立TCP服務(wù)器，與單片機(jī)建立的TCP客戶端建立連接，接收來自單片機(jī)的用戶生理參數(shù)數(shù)據(jù)，軟件平臺(tái)將接收到的用戶生理參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在主界面，并將心電數(shù)據(jù)進(jìn)行QRS波綜合監(jiān)測(cè)，顯示在主頁面。

設(shè)計(jì)的無線生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)平臺(tái)結(jié)合虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，集成了無線通信、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)顯示功能。

系統(tǒng)上位機(jī)平臺(tái)由TCP通信模塊、測(cè)試數(shù)據(jù)提取模塊、心電信號(hào)處理模塊組成。

3.2 TCP通信模塊設(shè)計(jì)

在LabVIEW中可以利用TCP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，LabVIEW對(duì)TCP協(xié)議的編程進(jìn)行了高度集成，用戶通過簡(jiǎn)單編程就可以在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[9]。

上位機(jī)軟件平臺(tái)作為服務(wù)器端，首先指定網(wǎng)絡(luò)端口，并由“TCP偵聽”節(jié)點(diǎn)建立TCP聽者，等待客戶機(jī)的連接請(qǐng)求，完成初始化過程。當(dāng)WiFi模塊與上位機(jī)軟件平臺(tái)建立連接之后，使用“讀取TCP數(shù)據(jù)”節(jié)點(diǎn)讀取指定長(zhǎng)度的由WiFi模塊傳輸而來的用戶生理參數(shù)數(shù)據(jù)包，該節(jié)點(diǎn)中的屬性設(shè)置為Immediate，當(dāng)“讀取TCP數(shù)據(jù)”節(jié)點(diǎn)接收到指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)后會(huì)立即讀出，以避免數(shù)據(jù)緩存區(qū)擁塞[2]。

3.3 用戶數(shù)據(jù)提取模塊

由于TCP通信所傳輸?shù)挠脩羯韰?shù)數(shù)據(jù)為字符串形式，所以需要按照硬件部分所發(fā)送的用戶生理參數(shù)格式對(duì)TCP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行分解（“掃描字符串”函數(shù)）。硬件部分發(fā)送至上位機(jī)的數(shù)據(jù)格式為脈搏、心電1 s的波形數(shù)據(jù)以及心率、溫度、血氧的值，其中，前50個(gè)數(shù)據(jù)為脈搏、心電的波形數(shù)據(jù)，通過“，”分隔，后3個(gè)數(shù)據(jù)是心率、溫度、血氧的數(shù)值，以“ ”分隔。將硬件部分發(fā)送過來的字符串?dāng)?shù)據(jù)提取分解之后，通過循環(huán)索引將脈搏、心電波形整合為數(shù)組，為波形數(shù)據(jù)的顯示以及對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行QRS檢測(cè)做準(zhǔn)備。

3.4 心電信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

本文采用離散極值點(diǎn)法進(jìn)行QRS波形檢測(cè)。算法流程如下：

（1）判斷心電信號(hào)R波的閾值，若輸入信號(hào)有多個(gè)波峰，則取所有波峰幅值的平均值作為R波的閾值;

（2）根據(jù)R波的閾值，將輸入心電信號(hào)的所有波峰值與閾值比較，超過閾值的波峰點(diǎn)為R點(diǎn);

（3）得到R點(diǎn)的位置后，進(jìn)行Q，S點(diǎn)的檢測(cè)，求出心電信號(hào)中的所有波谷點(diǎn)，將波谷點(diǎn)的位置與R點(diǎn)的位置進(jìn)行比較，在R點(diǎn)位置附近的兩個(gè)波谷點(diǎn)中前一個(gè)為Q點(diǎn)，后一個(gè)為S點(diǎn)[11];

（4）將QRS點(diǎn)的幅值及位置信息與輸入的心電信號(hào)合并顯示。

采用離散極值點(diǎn)法進(jìn)行QRS檢測(cè)的流程如圖5所示。

3.5 微信小程序設(shè)計(jì)

隨著手機(jī)應(yīng)用軟件的不斷發(fā)展，微信小程序是一種不需要下載便能夠使用的應(yīng)用，適用于生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)手機(jī)端的顯示。本文利用微信小程序設(shè)計(jì)了手機(jī)端生理參數(shù)的顯示程序。

設(shè)計(jì)過程：安裝ODBC驅(qū)動(dòng)，使得電腦能夠遠(yuǎn)程連接服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫，在LabVIEW中使用庫鏈接工具包LabSQL，配置主機(jī)的IP及數(shù)據(jù)庫的用戶名和密碼，成功連接后，在前面板中寫入插入的SQL語句，在LabVIEW中進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使得LabVIEW中的數(shù)據(jù)能夠源源不斷地插入到數(shù)據(jù)庫中。在小程序端發(fā)送Ajax請(qǐng)求，服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，使用JDBC驅(qū)動(dòng)連接服務(wù)器上的MySQL數(shù)據(jù)庫，通過執(zhí)行SQL語句獲取數(shù)據(jù)庫最新數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)存為Json格式，返回給小程序端，在小程序得到數(shù)據(jù)后，將其展示到頁面上。程序流程如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)本文所設(shè)計(jì)的無線生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。首先在放松狀態(tài)下，由人體佩戴硬件模塊，監(jiān)測(cè)人體的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，各項(xiàng)生理參數(shù)及心電信號(hào)的QRS點(diǎn)均能被準(zhǔn)確檢測(cè)。手機(jī)端微信小程序顯示結(jié)果如圖8所示，其顯示結(jié)果與PC端同步。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的無線生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過生理參數(shù)傳感器測(cè)量用戶的生理參數(shù)，再利用WiFi模塊將生理參數(shù)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)平臺(tái)，上位機(jī)平臺(tái)處理并顯示用戶的生理參數(shù)，進(jìn)行心電信號(hào)QRS波形檢測(cè)。此外，還可通過微信小程序進(jìn)行手機(jī)端顯示。由于本系統(tǒng)體積較小，對(duì)用戶的行動(dòng)能力限制較少，且佩戴后無不適感，同時(shí)還可通過手機(jī)獲取生理參數(shù)數(shù)據(jù)，十分便捷，因此非常適合作為監(jiān)測(cè)老年人身體生理參數(shù)的家用儀器。

參 考 文 獻(xiàn)

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