面向家庭健康監(jiān)護的便攜式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng)

金乃慶 李翔偉 高翠云

摘 要：為解決目前市場上銷售的便攜式血壓儀或部分品牌運動手環(huán)普遍存在的僅顯示脈率和血壓，不具備實時顯示脈搏波形、存儲數(shù)據(jù)及聯(lián)網(wǎng)功能的問題，利用ARM1138與智能手機開發(fā)便攜式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng)。利用紅外脈搏傳感器拾取脈搏信號，通過ARM1138片上A/D對信號進行采集，基于平均幅度差函數(shù)算法計算脈率值，并實時存儲原始數(shù)據(jù)至SD卡。實驗表明：系統(tǒng)脈率檢測準(zhǔn)確，觸摸液晶屏和手機端可實時同步顯示脈搏波形及脈率值，有助于實現(xiàn)面向家庭的可視化健康監(jiān)護。

關(guān)鍵詞：紅外脈搏傳感器;ARM1138;平均幅度差函數(shù);脈率;可視化;監(jiān)護

中圖分類號：TP274文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-000-03

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，中國老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重，人均醫(yī)療資源緊缺的現(xiàn)象愈加突出[1]。因此，研制面向家庭的低成本、便攜式健康監(jiān)護產(chǎn)品十分必要。

心血管疾病是中老年人群最常見的疾病，脈搏波形特征能夠在一定程度上反映心血管的健康狀況，因此常被作為臨床診斷和治療的依據(jù)[2-4]，甚至作為儀器標(biāo)準(zhǔn)[5]。目前市場上銷售的便攜式血壓儀或部分品牌運動手環(huán)雖具有脈率檢測功能，但僅僅顯示脈率和血壓，不具備實時顯示脈搏波形、存儲數(shù)據(jù)及聯(lián)網(wǎng)功能，因此無法滿足智能家居及智能醫(yī)療的需求。為解決上述問題，本文參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]設(shè)計了面向家庭健康監(jiān)護的便攜式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng)[6-7]，該系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)對脈搏信號的準(zhǔn)確測量，同時還可與手機進行實時數(shù)據(jù)交互，不僅適合老年人實時監(jiān)測自身脈搏，也可用于家庭成員的健康監(jiān)測、社區(qū)健康醫(yī)療等，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 脈搏信號處理及脈率計算

如何對采集的脈搏信號進行濾除高頻噪聲、濾除基線漂移是脈搏信號處理的基本問題[8-10]，但若要對脈搏波監(jiān)測并進行健康診斷，對脈率的準(zhǔn)確計算至關(guān)重要。本文采用平均幅度差函數(shù)（AMDF）計算脈率[6，11]，處理流程如圖1所示。

脈搏信號同濁音信號類似，是準(zhǔn)周期信號，可將脈搏信號進行AMDF函數(shù)處理[12]，然后通過極值點以及采樣率計算脈率。

以某位測試者為例，給出采樣率為512 Hz時的AMDF處理后的結(jié)果，如圖2所示。圖2（a）為原始波形，可利用紅外脈搏傳感器采集;圖2（b）為帶通濾波后波形;圖2（c）為對圖2（b）波形采用AMDF變換后得到的波形，目的是尋找極小值點。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)框架如圖3所示。系統(tǒng)以ARM1138作為主控制器，采用模塊化思想設(shè)計，包含系統(tǒng)初始化模塊、采樣模塊、信號去噪處理模塊、脈率計算模塊、按鍵掃描模塊、SD卡讀寫模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。

2.1 內(nèi)部通信協(xié)議

該設(shè)備是健康智能家居的組成部分，因此ARM和手機之間的通信協(xié)議參照其通信協(xié)議進行[13]：一次傳輸一幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)量在不同模塊之間傳輸有所不同。每個設(shè)備的設(shè)備號唯一且不可更改，各設(shè)備根據(jù)通信協(xié)議對通信數(shù)據(jù)進行識別。協(xié)議幀組成見表1所列。

每個設(shè)備在解析協(xié)議幀時，會按照一幀數(shù)據(jù)中的每個位來判斷該位數(shù)據(jù)代表的含義。并使用校驗位來檢驗數(shù)據(jù)是否正確，如果錯誤，會放棄這一幀數(shù)據(jù)。

脈率儀向智能手機發(fā)送脈率值，協(xié)議幀數(shù)據(jù)為：{0xFF，0x90，0x04，0x09，0x00，“20160513”，“母親”，“女”，“43”，65，檢驗位，0x91}，其表示脈率儀發(fā)送給智能手機測試的脈率值和被測者信息。

2.2 軟件工作流程

系統(tǒng)開機后首先進行初始化，然后進入工作模式，系統(tǒng)提供兩種工作模式選擇和一種模式等待。模式選擇分為開始測試模式和數(shù)據(jù)回放模式;模式等待為等待手機請求。系統(tǒng)工作在測試模式時，ARM處理器的A/D采樣脈搏傳感器輸出電壓信號，采樣后對數(shù)據(jù)進行去噪處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存入SD卡中，同時通過UART發(fā)送到液晶屏繪制脈搏波形，之后進行脈率計算并分別發(fā)送到液晶和手機端顯示脈率值。系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)回放模式后，開始讀取儲存在SD卡中的脈搏和被測者信息數(shù)據(jù)，然后將讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶屏上顯示。當(dāng)工作模式處于未選擇狀態(tài)時，系統(tǒng)均工作在等待模式中，當(dāng)手機請求接收數(shù)據(jù)時，ARM讀取SD卡數(shù)據(jù)并通過WiFi發(fā)送到手機端顯示。軟件框架流圖如圖4所示。

2.3 人機界面設(shè)計

為方便用戶觀察脈搏波形，采用Z2056觸摸液晶屏進行人機界面設(shè)計。觸摸顯示屏將顯示層分為兩層，讀寫分別操作，在顯示時疊加在一起。底層為第0層，頂層為第1層。在本設(shè)計中，底層界面存放圖片作為監(jiān)測界面背景，頂層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和控件操作。當(dāng)數(shù)據(jù)需要更新時，頂層刷新實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，底層保持不變。同時每一層又分為主界面和輔助界面，主頁面有清屏效果，而輔助界面無法清屏，因此系統(tǒng)將圖片放置在輔助界面，以避免切換界面時出現(xiàn)閃爍。系統(tǒng)共5個界面，主要界面如圖5、圖6所示。

3 系統(tǒng)實物與測試

將AMDF算法移植到ARM中，并與相應(yīng)電路進行系統(tǒng)集成，在手機端設(shè)計相應(yīng)的APP，系統(tǒng)包括WiFi通信模塊、波形顯示和存儲模塊。采用本文設(shè)計的系統(tǒng)和歐姆龍血壓儀進行比對測試，具體如圖7所示，數(shù)據(jù)見表2所列，表明脈率測試準(zhǔn)確度較高。此外，圖8所示為系統(tǒng)與手機同步顯示實測的脈搏波形和脈率值。

4 結(jié) 語

本設(shè)計針對中國老齡化和醫(yī)療資源匱乏的現(xiàn)狀，面向家庭血壓檢測儀或穿戴式運動產(chǎn)品存在的缺陷，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)規(guī)定，設(shè)計并實現(xiàn)了面向手機的便攜式脈搏波監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實時監(jiān)測脈搏波形并計算脈率的功能，與手機的數(shù)據(jù)通信可為實現(xiàn)遠程社區(qū)醫(yī)療和就診提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。本文的研究工作對面向健康智能家居和社區(qū)醫(yī)療技術(shù)研究的同行具有一定的參考價值。鑒于中國的老齡化和醫(yī)療資源現(xiàn)狀，該課題值得長期、深入研究。

注：本文通訊作者為高翠云。

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