面向移動(dòng)健康的便捷式多體征參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜世遠(yuǎn)

（福建衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350101）

1 便捷式多體征參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的理論依據(jù)及重要意義分析

醫(yī)學(xué)檢測儀器種類日益增加，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測患者的生命體征，及時(shí)判斷出危險(xiǎn)狀況。對于冠心病、高血壓、糖尿病等慢性病患者來說，通過居家檢測了解自身的身體健康狀態(tài)，在突發(fā)情況下采取必要的救治手段具有十分重要的價(jià)值與意義[1]。便攜式多體征參數(shù)監(jiān)護(hù)裝置有效擺脫了傳統(tǒng)醫(yī)療系統(tǒng)的局限性[2]，具體敘述如下：

第一，傳統(tǒng)醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)工作效率較低，就醫(yī)過程十分繁瑣，醫(yī)療費(fèi)用較高。國內(nèi)的醫(yī)療資源分配不均勻，將現(xiàn)代化技術(shù)與醫(yī)院系統(tǒng)聯(lián)系起來，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程掛號(hào)、問診甚至手術(shù)的目標(biāo)，使得患者的就醫(yī)過程更加方便，提高了醫(yī)療系統(tǒng)的工作效率，給患者極大的健康保障[1]。

第二，在傳統(tǒng)的醫(yī)療環(huán)境中，公共衛(wèi)生資源十分短缺，浪費(fèi)情況不容樂觀。患者就醫(yī)往往注重名人醫(yī)師的影響力，并未充分利用小型社區(qū)醫(yī)院及地方性衛(wèi)生院，造成醫(yī)療資源的浪費(fèi)。在移動(dòng)健康生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)作用下，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控自身的健康狀況，將家庭中的攝像頭與醫(yī)院對接，使得專家能夠遠(yuǎn)程問診，掌握患者的生命體征狀況，提高就醫(yī)過程的科學(xué)性與合理性。

2 便捷式多體征參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

人體的生理信號(hào)具有隨機(jī)性較強(qiáng)、表現(xiàn)力弱及噪聲較大的特點(diǎn)，需要不斷提高系統(tǒng)的抗干擾能力，高效處理生理信號(hào)信息，獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。

2.1 關(guān)于系統(tǒng)器件的選擇方案

在采集生理信號(hào)的過程中，會(huì)遭遇多種噪聲干擾，為了提高獲得信號(hào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要確保系統(tǒng)器件符合相關(guān)規(guī)定。系統(tǒng)器件需要具備噪聲水平較低、可靠性較強(qiáng)、使用性能較好的特點(diǎn)。例如，在選擇系統(tǒng)中的運(yùn)算放大器時(shí)，需要使其局部共模抑制比較高，切實(shí)確保系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量，獲得更好的移動(dòng)監(jiān)護(hù)效果[2]。

2.2 關(guān)于系統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)思路

在系統(tǒng)工作時(shí)，會(huì)受到頻段外多種信號(hào)的干擾，導(dǎo)致采集信號(hào)的準(zhǔn)確性較差，給系統(tǒng)工作過程造成了較大的影響。因此，需要提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，判斷干擾來源，避免干擾信號(hào)的產(chǎn)生。濾波器能夠根據(jù)干擾信號(hào)的頻率特點(diǎn)設(shè)計(jì)出針對性較強(qiáng)的濾波器，對系統(tǒng)采集的生理信號(hào)進(jìn)行處理，切實(shí)提升其準(zhǔn)確度與可靠性[3]。

2.3 關(guān)于電路兼容性的設(shè)計(jì)

在獲得多體征參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)受到內(nèi)外多種因素的影響，使得系統(tǒng)檢測結(jié)果質(zhì)量較差。電器干擾是影響系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與精確性的主要原因，主要包括靜電干擾、電磁輻射干擾、電導(dǎo)通路耦合干擾和漏電流耦合干擾幾種主要類型。事實(shí)上，靜電干擾主要是通過元器件及其線間的寄生電容產(chǎn)生的，電磁輻射干擾是外界電子設(shè)備對系統(tǒng)輻射產(chǎn)生的，電導(dǎo)通路耦合干擾是由回路之間的公共阻抗造成的，漏電流耦合干擾是由元器件之間的漏電流產(chǎn)生的[1]。需要根據(jù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中硬件電路的特點(diǎn)設(shè)計(jì)抗干擾流程，盡量避免電磁干擾的影響，提高方案的可實(shí)施性，降低共模干擾與串模干擾，采用分局布置的方式完成布局處理，遵循3W 布局原則，降低系統(tǒng)的耦合噪聲需求。

2.4 關(guān)于供電電路抗干擾能力的設(shè)計(jì)

在處理生理信號(hào)時(shí)，需要利用生物傳感器將其處理成為電信號(hào)，再傳輸給ADC 中心完成采樣任務(wù)。在此過程中，系統(tǒng)供電電源的穩(wěn)定性及可靠性會(huì)對系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性產(chǎn)生較大影響。系統(tǒng)初始電源為鋰電池，為了解決數(shù)字模塊及藍(lán)牙模塊的相互干擾問題，需要保證各個(gè)模塊之間的獨(dú)立性，提高鋰電池工作過程的可靠性與穩(wěn)定性[3]。

2.5 關(guān)于血氧飽和度的非線性干擾

在設(shè)計(jì)心電活動(dòng)版塊時(shí)，需要做好用戶靜息狀態(tài)下的心電數(shù)據(jù)檢測工作，使其達(dá)到市場銷售的標(biāo)準(zhǔn)。在檢測血氧飽和度的過程中，會(huì)遇到各種獨(dú)特性干擾，如環(huán)境光噪聲、運(yùn)動(dòng)偽噪聲等，需要明確分析各種誤差因素之間的相互影響，使得電源紋波的影響趨向于最小化。

3 便捷式多體征參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要研究內(nèi)容

該項(xiàng)目將基于移動(dòng)健康的便攜式人體生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)作為主要研究對象，運(yùn)用多功能的微功耗系統(tǒng)單片機(jī)、低功耗的藍(lán)牙裝置及高精度的生理特征監(jiān)控裝置傳感器，有效收集采集到的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過分析匯總過程之后將其傳輸?shù)缴肀O(jiān)控模塊中，在監(jiān)測脈搏跳動(dòng)情況、血氧飽和度變化情況時(shí)具有重要應(yīng)用價(jià)值[1]，能夠使得檢測數(shù)據(jù)在低功耗的藍(lán)牙通信裝置中穩(wěn)定傳輸。

該項(xiàng)目的前期工作主要包括以下內(nèi)容。首先，需要做好對可穿戴醫(yī)療設(shè)備的調(diào)研工作，明確研發(fā)系統(tǒng)中包括的研發(fā)模塊，為后續(xù)的研發(fā)過程奠定良好基礎(chǔ)。其次，需要根據(jù)系統(tǒng)的軟硬件適用情況選擇合理的資源，如處理器、傳感器、外觀結(jié)構(gòu)及能耗控制設(shè)備等，并根據(jù)資源需求確定高效的開發(fā)平臺(tái)，提高系統(tǒng)研發(fā)質(zhì)量與效率[3]。最后，需要根據(jù)實(shí)際情況及研發(fā)目標(biāo)確定設(shè)備的性能、精確程度及安全性，使其滿足客戶的客觀需求。

在研發(fā)過程中，需要運(yùn)用IT 公司的高性能前端模擬設(shè)備設(shè)計(jì)出醫(yī)學(xué)檢測傳感器，在BLE 通信過程中，降低對心血管、體溫及血氧飽和度監(jiān)測過程中的能耗情況，有效處理信號(hào)搜集過程中產(chǎn)生的噪聲，明確心電電極貼固定的位置及存在狀態(tài)信息，配置好芯片的時(shí)序，明確其應(yīng)用價(jià)值，確保大量數(shù)據(jù)都能夠在能耗較低的藍(lán)牙通信方式下工作。在設(shè)計(jì)完成之后，還需要及時(shí)對工作模塊的能量消耗狀況、穩(wěn)定性、精確程度及佩戴過程的簡易程度進(jìn)行測試[2]，包括性能參數(shù)測試、能耗情況測試、信號(hào)采集準(zhǔn)確性測試等，確保不同類型的心電信號(hào)均具有較強(qiáng)的敏感性與特異性，為用戶提供更加完美的使用體驗(yàn)。

4 便捷式多體征參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的主要研究方法及研究路線

4.1 主要研究方法

首先，在開發(fā)穿戴式心電檢測模塊時(shí)，需要將藍(lán)牙4.0 可穿戴心電監(jiān)護(hù)模塊作為重要基礎(chǔ)，在精細(xì)狀態(tài)下搜集用戶的心電及心率信息。在心電檢測模擬前端設(shè)計(jì)了具有高分辨率的傳感器芯片，提高了模擬前端的真實(shí)性。為了藍(lán)牙芯片的能耗，可以采用公司的CC2450 及CC2541 藍(lán)牙芯片，提高應(yīng)用性能[3]。需要做好通信協(xié)議的制定工作，做好電源電路的研發(fā)工作，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行奠定強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。

其次，在研發(fā)穿戴式血氧飽和度檢測模塊時(shí)，需要運(yùn)用分立的元件建設(shè)起高效的血氧飽和度檢測電路，主要包括驅(qū)動(dòng)電路、電源機(jī)制、LED 屏幕、存儲(chǔ)器及廣點(diǎn)檢測放大機(jī)制等。第一，需要做好血氧飽和度的檢測工作，運(yùn)用低成本的生理參數(shù)檢測傳感器設(shè)計(jì)出芯片內(nèi)容，加快心率監(jiān)測腳步，做好血氧保護(hù)度檢測工作。在外圍電路較少的情況下即可發(fā)揮出強(qiáng)大的工作性能，工作能耗較低。該系統(tǒng)內(nèi)部具有LED 驅(qū)動(dòng)電路，采用24 位ADC 低噪聲通道的方式[3]，能夠完成對PPG 的信號(hào)交換任務(wù)，有效縮減了運(yùn)行體積，減少成本投入，設(shè)計(jì)出了高效的穿戴式血氧檢測儀器。第二，需要做好體溫監(jiān)測的工作，使得醫(yī)生能夠掌握患者體溫的實(shí)時(shí)變化情況。第三，需要加大對電源電路的研究力度，確定好通信協(xié)議。

4.2 集成模擬前端心電采集電路設(shè)計(jì)過程

心電集成模擬前端芯片ADS1293 是重要的前提之一，能夠同時(shí)輸出3 通道24 位的高分辨率圖像信息，無需經(jīng)過2 次放大過程，能夠大幅度縮減板級(jí)應(yīng)用空間，降低采集部分的能源消耗情況，豐富心電采集設(shè)備的使用性能，規(guī)避單導(dǎo)聯(lián)穿戴式心電采集系統(tǒng)特征參數(shù)較少、采集信號(hào)可靠性較差的缺點(diǎn)，改善系統(tǒng)線路復(fù)雜、穿戴效果不佳的問題[1]。

該系統(tǒng)擁有4 個(gè)差分信號(hào)輸入端口，分別與人體的右側(cè)單臂、左側(cè)單臂、右側(cè)腿部及左側(cè)腿部連接，簡稱為RA、LA、LL、RL。在本設(shè)計(jì)中，RA、LA、LL、RL 分別被連接到差分輸入引腳中，由內(nèi)部集成電路連接到儀器放大裝置中，具有較高的輸入阻抗性與輸出阻抗性，能夠有效降低耦合過程產(chǎn)生的共模干擾，緩解輸電線路中的噪聲壓力?？梢赃\(yùn)用少量電流改善CMRR 系統(tǒng)，進(jìn)一步抑制噪聲干擾的影響?？梢赃\(yùn)用采樣技術(shù)及抽取濾波技術(shù)將心電信號(hào)中的低頻噪聲轉(zhuǎn)移到高頻噪聲階段，在經(jīng)過多次過濾作用之后降低輸出信號(hào)中夾雜聲音信號(hào)的影響[3]。

通過對寄存器的配置過程，能夠在每個(gè)通道內(nèi)部設(shè)置特定的采樣率與帶寬標(biāo)準(zhǔn)值，提高了不同場合下采集裝置的靈活性與低能耗性。在此設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，采樣率大小為200 Hz，帶寬大小為40 Hz，最小分辨率水平為0.16 mA，在高分辨率數(shù)字采樣信號(hào)的作用下，能夠?qū)⒖刂齐娐返腟PI 接口和外部的MCU 連接起來，提高控制器內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理效率，使得穿戴式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備滿足信號(hào)可靠、可攜帶、低能耗的特點(diǎn)[1]。

4.3 系統(tǒng)低能耗的具體設(shè)計(jì)分析

在穿戴式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)發(fā)展過程中，電池持續(xù)續(xù)航能力及能耗問題是重要的影響因素。為了達(dá)到低能耗的管理目標(biāo)，該系統(tǒng)設(shè)置了電源管理模塊，選用超低能耗的MCU控制器，單機(jī)片的接口十分豐富，支持快速及低功耗讀寫過程。BLE 低能耗藍(lán)牙模塊運(yùn)用無線收發(fā)集成芯片完成研發(fā)任務(wù)，能夠與SPP 藍(lán)牙串口協(xié)議協(xié)同工作，投入資金較少，占據(jù)體積較小，收發(fā)過程中的靈敏程度較高[1]。同時(shí)，可以通過電源管理模塊進(jìn)一步降低藍(lán)牙模塊的能量消耗，提高無線傳輸模塊的效率。

4.4 設(shè)計(jì)電源管理電路

運(yùn)用低壓差的線性穩(wěn)壓電源能夠設(shè)計(jì)出電源管理模塊，可以運(yùn)用3.7 V 的鋰電池完成供電任務(wù)，降低輸出電源過程中產(chǎn)生的噪聲。該款芯片的壓力差較小，輸出電壓水平較差，能耗較低，具有較高的紋波抑制率，采用LDO多線路供電能夠排除各個(gè)模塊電源的相互影響，提高系統(tǒng)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性。休眠時(shí)的消耗電流較低，約為0.1 μA，可以通過邏輯控制的方式控制電壓電路的閉合，大幅提高各個(gè)管理模塊的續(xù)航能力。在此過程中，運(yùn)用超小型的SNT-6A 進(jìn)行封裝，運(yùn)用單鍵開關(guān)即可控制設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)一步縮小電源模塊的板級(jí)空間[3]。為了滿足穿戴式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的持續(xù)使用需求，需要運(yùn)用充電芯片管理鋰電池，增強(qiáng)電池續(xù)航的可持續(xù)性。

5 對心電監(jiān)護(hù)設(shè)備數(shù)據(jù)信息的分析

心電圖的不同波形代表著不同的含義，最早記錄心電圖波形信息的為荷蘭生物學(xué)家，用弦線電流計(jì)在感光片長記錄下了人體表面的心電圖裝置。在將不同的電極材料放置在人體各個(gè)部位時(shí)會(huì)產(chǎn)生形狀相異的心電圖波形。第一，當(dāng)心電圖波形為P 波時(shí)，正常的心率會(huì)從心竇房開始變化，呈現(xiàn)出了左右心房的去極化過程，起初形狀為波形，呈現(xiàn)出一個(gè)較小的拱形。該種波形在心電圖中的寬度展現(xiàn)出了整個(gè)心房去極化所消耗的時(shí)間。第二，P-R周期展現(xiàn)了心房、房室結(jié)及房室束的電擊時(shí)間，正常的持續(xù)時(shí)間為0.12～0.2 s 之間[2]。隨著人類年齡的增長，P-R的間期也會(huì)逐漸增加。第三，P-R 段反映出了從心房到心室的傳播過程，期間并未伴隨著明顯的電位變化，難以在心電圖中展現(xiàn)出波形的起伏狀況。第四，QRS 波群是由3個(gè)連續(xù)的心電波組成的，正常持續(xù)時(shí)間少于0.04 s，振幅數(shù)值位置在0.15 mV 之下。該波群表示著左右心室去除電極時(shí)的電位變化，持續(xù)時(shí)間維持在0.06～0.1 s 之間，表示心肌興奮的傳輸時(shí)間。不同的QRS 波群特征相異，是心電圖的最基本波形。第五，S-T 波段是一個(gè)位于QRS和T 波之間的心電圖波段數(shù)據(jù)，反映了從心室除極結(jié)束之后的復(fù)雜過程。在實(shí)際應(yīng)用過程中，該段波形線為心電圖的基準(zhǔn)線，會(huì)因人而異在此基準(zhǔn)線上下波動(dòng)，正常情況下不會(huì)超過0.5 mA。若波段值偏高，說明患者具有心肌缺血或者心肌梗塞等嚴(yán)重病變過程[3]，需要及時(shí)就醫(yī)診治。第六，T 型波說明了心室復(fù)極時(shí)的電位變化情況，表明不同細(xì)胞復(fù)級(jí)趨勢不同步。正常情況下，T 型波的前支較長且移動(dòng)十分緩慢，頂部十分圓潤，是醫(yī)學(xué)診斷過程中的重要參考標(biāo)準(zhǔn)之一。如果患者心電圖中的T 型波出現(xiàn)倒置情況，說明患者發(fā)生了心肌梗死病變過程。

6 便捷式多體征參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究成果及效益

隨著人們生活水平的不斷提高，科技進(jìn)步速度不斷加快，嵌入式產(chǎn)品在日常生活中具有極為重要的應(yīng)用價(jià)值。人們更加重視計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，人際關(guān)系的變革速度不斷加快，需要做好人體生理特征監(jiān)護(hù)工作，加快健康醫(yī)療的進(jìn)步速度[1]。該系統(tǒng)能夠?yàn)楦嘀欣夏耆颂峁└＠?，使其足不出戶即可享受身體監(jiān)測治療，減少去醫(yī)院的次數(shù)，避免出現(xiàn)交叉感染現(xiàn)象。

7 結(jié)束語

綜上所述，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展迅速的背景之下，需要積極引入數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、電子電路設(shè)計(jì)技術(shù)與無線電通信技術(shù)，加快便攜式多體征參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)腳步，盡快完成實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證工作，使其具備更強(qiáng)的運(yùn)行穩(wěn)定性與可重復(fù)性，給用戶提供良好的體驗(yàn)感。