遠(yuǎn)程心率監(jiān)護(hù)及急救系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

張曉林，李賡，劉承橋，李柏年

（1.蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730000；2.浙江大學(xué)）

張曉林（碩士研究生），研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

引 言

心率是人體最重要的生理信號(hào)，反映了人的身體健康狀況。傳統(tǒng)的心電信號(hào)采集是通過十二導(dǎo)聯(lián)電極采集心電信號(hào)，只能在醫(yī)院內(nèi)進(jìn)行。目前市場(chǎng)上的心率測(cè)量器可通過在指尖上佩戴傳感器測(cè)量人的心率，但這種設(shè)備不能對(duì)人體心率狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)［1］。對(duì)于老年人、孕婦等特殊人群的異常和突發(fā)狀況不能及時(shí)獲取并給予救治。因此設(shè)計(jì)一套能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控病人身體狀況，并在病人心率發(fā)生異常時(shí)給予快速有效的救援系統(tǒng)有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)和BD2／GPS定位技術(shù)將病人的實(shí)時(shí)心率和所在位置發(fā)送到監(jiān)控中心，以便于醫(yī)護(hù)人員能夠?qū)崟r(shí)了解患者身體狀況并在發(fā)生異常狀況時(shí)采取快速有效的措施。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由人體心率監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)控軟件兩部分組成。心率監(jiān)測(cè)裝置包括定位裝置、心電采集模塊、急救按鈕、存儲(chǔ)器和GPRS無線傳輸模塊。監(jiān)控軟件運(yùn)行在普通PC機(jī)或服務(wù)器上，用于遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)病人的身體狀況和位置信息。如圖1所示，監(jiān)測(cè)裝置中的GPRS無線傳輸模塊通過基站與監(jiān)控軟件通信［2－4］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作時(shí)有如下兩種情況：

①病人身體狀況良好且未按下急救按鈕時(shí)，設(shè)備將采集到的正常心電信號(hào)和定位信息存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)器MicroSD卡中，同時(shí)將心率和位置信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控軟件。

②當(dāng)病人心率異?；虬聪录本劝粹o時(shí)，設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控軟件發(fā)送報(bào)警指令。監(jiān)控軟件收到報(bào)警指令后提醒患者家人和醫(yī)護(hù)人員采取急救措施，同時(shí)監(jiān)控軟件將監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為位置信息并顯示在百度地圖上，以方便及時(shí)搶救病人。存儲(chǔ)于監(jiān)測(cè)裝置MicroSD 卡中的心電數(shù)據(jù)還可通過上位機(jī)軟件恢復(fù)成心電曲線，以方便醫(yī)護(hù)人員分析患者病情。

2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括STM32主控制器、心電傳感器、急救按鈕、MicroSD 存儲(chǔ)卡、UM220BD2／GPS聯(lián)合定位模塊、SIM900A GPRS無線傳輸模塊。本系統(tǒng)中UM220模塊和GPRS模塊分別連接STM32的串口2 和 串 口3，MicroSD 卡 采 用SPI接 口 與STM32 的SPI2接口相連。心電傳感器輸出的模擬信號(hào)連接單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行心電的采樣。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 STM32主控制器

系統(tǒng)使用意法半導(dǎo)體公司基于ARM 內(nèi)核的32 位STM32F103RBT6微控制器，主頻可達(dá)72MHz，內(nèi)部集成有高達(dá)128KB的Flash和20KB的SRAM，供電電壓為2.0～3.6V，并帶有可編程電壓監(jiān)測(cè)器，有多個(gè)定時(shí)器和通信接口可用，其內(nèi)部集成的2個(gè)12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間僅1μs，輸入通道有16個(gè)之多。

2.2 心電采集

系統(tǒng)采用光電容積法采集病人的心電信號(hào)。光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)會(huì)造成透光率不同來采集心電信號(hào)。使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，光源一般采用對(duì)動(dòng)脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長（500～700nm）的發(fā)光二極管，由于血液循環(huán)與心臟的跳動(dòng)有關(guān)，所以光電變換器接收到的信號(hào)反映了心臟的心電信號(hào)。光電變換器采集到的模擬心電信號(hào)一般需要通過放大、濾波、采樣、量化4個(gè)過程轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)的心電采集模塊集成了放大和濾波功能，采樣和量化由STM32F103RBT6微控制器完成。光電容積法心率測(cè)量是監(jiān)護(hù)測(cè)量中最普遍的方法之一，具有方法簡(jiǎn)單、佩戴方便、可靠性高和性價(jià)比高等特點(diǎn)，便于普及推廣應(yīng)用［5－6］。

2.3 UM220定位

我國自行研制的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)，是世界上第3個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)采用和芯通星生產(chǎn)的單芯片BD2／GPS接收模塊UM220，可利用北斗衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星進(jìn)行聯(lián)合定位?？臻g定位精度可達(dá)到3m，有UART、SPI、I2C 三種交互接口可用，輸出數(shù)據(jù)格式為NMEA 0183。系統(tǒng)將模塊串口與控制器串口相連，從＄GNRMC語句中提取出經(jīng)緯度信息，經(jīng)GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控軟件。

2.4 MicroSD卡和GPRS無線通信模塊

MicroSD卡是目前廣泛使用的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，具有體積小、容量大的特點(diǎn)。系統(tǒng)將采集到的心電信號(hào)和位置信息備份到MicroSD卡中。

GPRS無線傳輸模塊是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的關(guān)鍵部分，GPRS網(wǎng)絡(luò)是在GSM 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立起來的，覆蓋范圍非常廣。系統(tǒng)使用的SIM900A GPRS 無線模塊內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧，非常適合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。系統(tǒng)使用該模塊發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包，將位置和心率信息傳輸給監(jiān)控軟件。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 主控制器軟件部分

主控制器是心率監(jiān)測(cè)裝置的核心部件，主要任務(wù)有：①將心電傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行卡爾曼濾波、波峰檢測(cè)、心率計(jì)算；②解析UM220 BD2／GPS模塊接收到的定位信息，并進(jìn)行均值濾波處理；③在MicroSD卡中建立FAT32文件系統(tǒng)，并將心電和位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其中；④控制SIM900A GPRS無線模塊正常工作，并利用它與后臺(tái)監(jiān)控軟件進(jìn)行通信，將心率和位置信息發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控軟件；⑤檢測(cè)心率是否異常及急救按鈕是否按下，若是，則向后臺(tái)監(jiān)控軟件發(fā)送報(bào)警信號(hào)；⑥管理和協(xié)調(diào)以上5個(gè)任務(wù)合理工作。圖3是主控制器程序流程圖。

圖3 主控制器程序流程圖

3.2 監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件采用Qt軟件編寫，建立UDP服務(wù)器用來接收監(jiān)測(cè)裝置發(fā)回的位置和心率數(shù)據(jù)，并在接收到急救命令時(shí)報(bào)警提醒患者家人和醫(yī)護(hù)人員采取救援措施。

監(jiān)控軟件采用多線程以保證信息接收和界面響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。程序執(zhí)行步驟如下：

①UDP服務(wù)器接收到監(jiān)測(cè)裝置發(fā)回的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行判斷，若是報(bào)警信息，則報(bào)警；

②將接收到的數(shù)據(jù)中的地理坐標(biāo)通過百度地圖提供的HTTP接口轉(zhuǎn)換為百度坐標(biāo)；

③調(diào)用JavaScript接口將百度坐標(biāo)位置顯示在地圖上，并利用HTTP接口將百度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為街道信息；

④顯示所有數(shù)據(jù)，并等待下一幀數(shù)據(jù)到來。

4 系統(tǒng)測(cè)試

圖4所示為根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)制作的心率監(jiān)護(hù)裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)心率的采集、濾波處理和存儲(chǔ)發(fā)送，以及BD2／GPS定位數(shù)據(jù)的正確解析和發(fā)送。

圖4 心率監(jiān)護(hù)裝置

圖5為監(jiān)控軟件根據(jù)存儲(chǔ)在MicroSD 卡中的數(shù)據(jù)恢復(fù)出的心電曲線。圖6為上位機(jī)監(jiān)控界面，能夠?qū)崟r(shí)顯示病人的正常心率為每分鐘79次，以及此次的測(cè)試地點(diǎn)為蘭州大學(xué)飛云樓，蘭州大學(xué)所在地址甘肅省蘭州市天水南路222號(hào)。

圖5 心電曲線

圖6 監(jiān)控軟件界面

結(jié) 語

本文將GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)和BD2／GPS定位技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程心率監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，此系統(tǒng)不限于在室內(nèi)使用，覆蓋范圍較廣，實(shí)用性較強(qiáng)。如果病人使用此系統(tǒng)，能夠?qū)⑵湫穆屎臀恢眉皶r(shí)可靠地發(fā)送到監(jiān)控上位機(jī)端，并且可以對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

［1］Nurul Fauzana Imran Gulcharan，Hanita Daud，Nursyarizal Mohd Nor，et al.Investigation and Development of Remote Vital Signs Monitoring Device Using Wireless Communication［C］／／2014 5th International Conference on Intelligent and Advanced Systems.Malaysia：IEEE Computer Society，2014.

［2］Yougui Liu，Baoxing Bai.Research on GPRS Vehicle Location Network Service System［C］／／CMCE.Changchun：IEEE Computer Society，2010.

［3］劉賓，陳占帥，褚志鵬，等.基于GPRS的智能公交站牌顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（11）：134－136.

［4］辛凱，張喜驗(yàn)，綦聲波，等.基于STM32的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.山東科學(xué)，2014，27（2）：8－12.

［5］María J，Morón，Eduardo Casilari，Rafael Luque，et al.A Wireless Monitoring System for Pulse－oximetry Sensors［C］／／Systems Communications 2005.Montreal：Institute of Electrical and Electronics Engineers Computer Society.

［6］Mohammad Ashekur Rahman，Atanu Barai，Asadul Islam，et al.Development of a device for remote monitoring of heart rate and body temperature［C］／／ICCIT 2012.Chittagong：IEEE Computer Society，2012：411－416.