一種基于ZigBee 的無線心率血氧實時監(jiān)測系統(tǒng)研究

姚立平，劉偉章，譚仲威，唐元梁，雷 鵬，吳文明，顧 珩

（1.廣東省科學院生物與醫(yī)學工程研究所 國家醫(yī)療保健器具工程技術(shù)研究中心 廣東省醫(yī)用電子儀器設(shè)備及高分子材料制品重點實驗室，廣州 510500；2.華南農(nóng)業(yè)大學 數(shù)學與信息學院，廣州 510642）

近年來，人們的生活壓力加大，加上較少的戶外運動，導致心血管的發(fā)病率逐年增加。研究發(fā)現(xiàn)血氧飽和度、心輸出量和心率等生命體征與心血管系統(tǒng)緊密相關(guān)，可作為臨床診斷和治療的依據(jù)，因此對人體進行生命體征監(jiān)測十分重要[1-2]。血氧飽和度作為血氧氧含量的表征，人體動脈中的氧含量是人體是否缺氧的直觀反映，而心率在一定程度上可以反映心血管健康問題，目前大部分醫(yī)院使用血氧儀檢測患者的血氧，使用心電監(jiān)護器監(jiān)測心率，通過人工登記到電腦上[3]。這種心率和血氧檢測方式次數(shù)有限，增加了護士的工作量，同時也增加了錯誤數(shù)據(jù)的發(fā)生率。此外，心電檢測這種方式在患者身上布置很多線，嚴重影響患者的舒適度。本文提出了一種基于ZigBee 的無線心率血氧實時監(jiān)測系統(tǒng)，以STM32 微控制器為控制核心，使用MAX30102 血氧心率集成芯片傳感器采集脈搏波信號，由于采集的原始脈搏波信號攜帶著低頻基線漂移和高頻的噪聲抖動，因此需經(jīng)過STM32 微控制器的信號預處理，對得到干凈的脈搏波信號進行特征提取，從而計算當前的心率及血氧飽和度。系統(tǒng)的液晶顯示屏實時顯示當前測得的心率及血氧飽和度值，并使用ZigBee 無線傳輸與PC 端上位機進行數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)對心率血氧實時的無線遠程監(jiān)控，并具有對檢測到異常的心率血氧值的報警提示功能，具有準確度高、連續(xù)監(jiān)測、抗干擾能力強及具有高度的自適應(yīng)能力，為醫(yī)院護士站對患者的心率血氧實時監(jiān)測提供了一種解決方案。

1 心率及血氧飽和度監(jiān)測原理

心率是指人心臟每分鐘跳動的次數(shù)，正常人安靜狀態(tài)下的心率值一般為60～100 次/min[4]。本文依據(jù)k個周期內(nèi)紅外光源接收的發(fā)射光信號各個相鄰波峰之間的平均間隔來計算心率，計算的公式如下

式中：peaki為k 個周期的第i 個峰值橫坐標；aνg_dist表示k 個周期內(nèi)相鄰2 波峰的間隔平均值；fs 為采樣率，fs=100 Hz。

血氧飽和度是指血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白的百分比，即血液中的氧含量[5]。氧通過呼吸進入細胞進而被血紅蛋白氧合，如果吸入的氧氣不足，生命可能會出現(xiàn)危險。及時測量脈搏血氧飽和度大小，是判斷人體是否缺氧或者出現(xiàn)相關(guān)疾病的重要措施[6]。

在脈搏血氧測量方法中，忽略動脈血管中其他成分影響僅考慮氧和血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（Hb），結(jié)合朗伯比爾定律及光電學容積脈搏波描記法作為理論基礎(chǔ)。因此血氧飽和度定義[7]為：

式中：CHbO2為血紅蛋白（HbO2）的含量。

根據(jù)朗伯比爾定律可知，一定波長的光射到體表，其透射的光強度為

式中：投射光強度I 包括恒定直流脈動部分（DC）和交流脈動部分（AC）；I0為初始光強度；D1，D2分別為直流脈動光程和交流脈動光程；ε0、C0分別表示指端組織中非脈動成分和靜脈血總的吸光系數(shù)及吸收光的物質(zhì)含量；εHbO2、CHbO2分別表示動脈血液中血紅蛋白HbO2的吸光系數(shù)和含量；εHb、CHb則分別表示動脈血液中還原血紅蛋白Hb 的吸光系數(shù)和含量。

采用2 種不同波長λ1=660 nm 和λ2=990 nm 的光進行照射，則吸光率變化比值定義為

聯(lián)系式（3），可以得到脈搏血氧測量方法中的血氧飽和度值為

因此，血氧飽和度的計算公式在實際應(yīng)用當中可以用線性函數(shù)或者二次函數(shù)關(guān)系式表達。

2 無線心率血氧實時監(jiān)測系統(tǒng)

圖1 無線心率血氧實時監(jiān)測系統(tǒng)基本組成

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件電路是基于STM32 處理器為控制核心，使用MAX30102 血氧心率檢測傳感器采集脈搏波信號，輔以TFTLCD 液晶屏顯示、無線ZigBee 單元及聲光提示等外圍電路構(gòu)建的檢測系統(tǒng)。其中，MAX30102 血氧心率傳感器是一個集成高靈敏度脈搏血氧儀和心率生物傳感器的模塊，含有多個LED、光電檢測器、光學器件以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路，電路中包含1.8 V 的集成穩(wěn)壓芯片，為血氧傳感器提供工作電壓，驅(qū)動2 路不同波長的LED 交替照射患者手腕處，入射光經(jīng)由皮膚組織吸收后，由光敏三極管接收，將接收到的光信號放大后進行A/D 轉(zhuǎn)換，然后存放到內(nèi)部先入先出（FIFO）存儲器中，STM32 微處理器通過IIC 接口配置傳感器寄存器，并讀取內(nèi)部FIFO 存儲器的脈搏波信號，應(yīng)用電路如圖2 所示。

圖2 MAX30102 血氧心率傳感器基本電路

系統(tǒng)的主控芯片選用STM32F103RCT6，供電范圍2.0～3.6 V，最高主頻72 MHz，265 Kb 程序存儲器，擁有豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，大量應(yīng)用在嵌入式設(shè)備中。使用GPIO 口模擬8080 總線方式操作TFTLCD 液晶顯示屏，用于顯示當前測得實時的血氧飽和度值和心率值等人體特征信息。ZigBee 是一種基于IEEE.802.15.4 無線傳輸協(xié)議標準研發(fā)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要工作頻段在2.4 GHz。本系統(tǒng)使用CC2530F256 低功耗無線控制器作為傳感器節(jié)點，可配置為點對點或者廣播工作模式，與上位機端實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)心率及血氧飽和度值的遠程監(jiān)控。使用高電平驅(qū)動的無源蜂鳴器和LED 閃爍燈作為系統(tǒng)運行狀態(tài)指示；當系統(tǒng)監(jiān)測到異常的心率值和血氧飽和度值時，會產(chǎn)生聲光報警指示。此外，系統(tǒng)電源模塊由USB 供電或者外接電源輸入供電，由ASM117 直流穩(wěn)壓供電模塊[11]輸出3V3 電壓為主芯片供電，系統(tǒng)的微處理器電路部分如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)微處理器部分外圍電路

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

首先系統(tǒng)上電進行程序初始化，包括系統(tǒng)時鐘、MAX30102 傳感器、TFT 液晶顯示屏、ZigBee 無線單元和定時器中斷等的初始化配置；接著，STM32 微控制器使用IIC 接口操作MAX30102 傳感器讀取FIFO 寄存器中采集的脈搏波信號，采樣頻率100 kHz，采樣時間設(shè)定5 s，對原始的脈搏波信號進行濾波預處理，對干凈的脈搏波信號進行特征點提取，從而計算當前的心率、血氧飽和度值，系統(tǒng)液晶屏顯示當前的心率、血氧飽和度值，并進行異常檢測，使用無線ZigBee 與上位機進行數(shù)據(jù)交互，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)程序基本流程圖

由于原始的脈搏波信號在采集過程中伴有高頻抖動噪聲和低頻基線漂移，因此本系統(tǒng)采用移動均值濾波方法對脈搏波信號展開濾波處理，采集的原始脈搏波信號x（k）（k=1，2，…，n），將信號進行去均值化處理，如式（7）所示。

式中：k∈（1，2，…，n）；x（′k）是去均值化的濾波信號。

采用m 點移動平均濾波，則脈搏波信號x′（k）經(jīng)過移動均值濾波得到濾波信號y（k），如式（8）所示。

式中:k 為當前的信號點數(shù)；m 為移動平均濾波器的點數(shù)；y（k）為移動平均濾波脈搏波信號。

獲得干凈的脈搏波信號后，程序通過計算各點的斜率，檢測上升支部分大于設(shè)定閾值的點的位置，再檢測信號第一個下降的位置，從而檢測到信號的極大值點。此外，對于信號平坦部分使用變量width 累加跳過脈搏波信號這部分沒有極值點的區(qū)域；類似地，采用斜率法提取脈搏波信號的波谷極值點。

確定好脈搏波信號的各個極值點后，從而確定好信號上下包絡(luò)線，則上下包絡(luò)線的均值為直流分量，上下包絡(luò)間的差值為交流分量，然后再代入血氧飽和度計算公式，如式（6）所示，從而計算當前測量的血氧飽和度值；依據(jù)心率計算公式（2），即可計算出當前測得心率值。系統(tǒng)顯示當前測得心率血氧飽和度值，同時使用無線ZigBee 模塊與上位機進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)了系統(tǒng)對心率、血氧飽和度值等生命體征進行遠程監(jiān)控。此外，系統(tǒng)會對得到的當前的心率血氧值進一步異常判斷，如果測得心率值小于60 或者大于100、血氧值小于94%，則判定體征異常[12]，便執(zhí)行系統(tǒng)的聲光報警裝置程序，同時將異常信號使用ZigBee無線傳輸?shù)缴衔粰C中，實現(xiàn)了對個體的生理體征的遠程監(jiān)控功能。

3 實驗結(jié)果及分析

本文設(shè)計了一種以STM32 微控制器為控制核心，使用MAX30102 傳感器采集脈搏波信號，通過STM32微處理器對采集的脈搏信號進行濾波、特征提取，從而計算當前的心率及血氧飽和度值，并顯示在液晶顯示屏上。此外，使用ZigBee 將實時的心率及血氧飽和度無線傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)了對心率血氧實時的無線遠程監(jiān)控。

為了檢測系統(tǒng)的測量準確性，將設(shè)計的系統(tǒng)與魚躍式指夾式血氧儀YX102 檢測設(shè)備作對比。選擇5 名實驗者，每名實驗者測試前靜坐在椅子上，使用本文設(shè)計的心率血氧監(jiān)測系統(tǒng)和指夾式血氧儀設(shè)備進行心率血氧測量，每個實驗者測試5 次，并記錄好測試結(jié)果，本系統(tǒng)5 次測試結(jié)果和血氧儀YX102 設(shè)備的測試結(jié)果見表1—表4，對測試結(jié)果進行統(tǒng)計誤差分析見表5。

從表1 和表2 的心率測試結(jié)果值可以看出，本系統(tǒng)與指夾式血氧儀YX102 檢測設(shè)備單點的心率測量誤差在±5 次/min 之間，約99%的單點心率誤差在±3次/min 內(nèi)，約84%的單點心率誤差在±2 次/min 內(nèi)；從表3 和表4 的血氧測試數(shù)據(jù)可以得出，本系統(tǒng)與指夾式血氧儀YX102 檢測設(shè)備單點的血氧測量誤差在±2%以內(nèi)，約84%的單點血氧誤差值在±1%以內(nèi)。從表5 的心率血氧測試平均誤差值可以看出，5 次的心率平均誤差值最大為±1.8 次/min，5 次的血氧平均誤差值最大為1.4%。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的系統(tǒng)對心率及血氧測量結(jié)果較為準確，具有一定的穩(wěn)定性和抗干擾能力，且系統(tǒng)的成本低、操作簡易方便，為醫(yī)院生命體征的采集和監(jiān)控提供了一種智能化解決方案。

表1 本系統(tǒng)心率測試值

表2 YX102 設(shè)備心率測試值

表3 本系統(tǒng)血氧測試值

表4 YX102 設(shè)備血氧測試值

表5 本系統(tǒng)與YX102 設(shè)備心率血氧測試平均誤差值

4 結(jié)束語

針對當前醫(yī)院主要使用血氧儀檢測住院患者的心率血氧值，并人工登記在電腦上，這種檢測方法次數(shù)有限，增加了護士的工作量，也增加了錯誤數(shù)據(jù)的發(fā)生率。因此，本文提出了一種基于ZigBee 的無線心率血氧實時監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計的系統(tǒng)以STM32 微控制器為控制核心，使用MAX30102 傳感器采集指尖脈搏波信號，并通過STM32 對脈搏波信號的濾波處理和特征點提取，從而計算當前的心率及血氧值，并對系統(tǒng)的異常心率血氧值進行聲光報警提示。系統(tǒng)的液晶屏顯示當前的心率血氧值，并伴有聲光運行狀態(tài)提示，使用ZigBee單元與上位機實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對人體生命體征心率血氧的實時遠程監(jiān)控。經(jīng)過實驗測試，該系統(tǒng)能夠準確地監(jiān)測心率血氧值，具有操作簡易方便，成本低等特點，為醫(yī)院護士站對患者的心率血氧實時監(jiān)測提供了一種解決方案。