基于WiFi的便攜式無線心電儀研制

摘 要：近年來，隨著慢性病患者數(shù)量的增加，人們開始關(guān)注自身健康，由此便攜式醫(yī)療保健裝備逐漸走入人們的生活?，F(xiàn)階段，醫(yī)用醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀功能強(qiáng)大，能采集多種人體生理參數(shù)，但其操作難度高，缺乏專業(yè)知識的人難以使用。文中提出了一種新的無線心電儀的設(shè)計方案，該方案使用無線通信傳輸，可以實(shí)時采集和分析人體生理參數(shù)，并在終端顯示。該裝置采用模擬前端、紅外傳感等技術(shù)實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)的采集，使用微控制器和WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)人體生理參數(shù)的檢測與傳輸。采用TCP/IP傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，并基于LabWindows/CVI開發(fā)了一個虛擬云服務(wù)器。采用多線程操作機(jī)制，用戶可以在PC上簡單便捷地實(shí)時監(jiān)測自己的心電、血氧等生理參數(shù)。

關(guān)鍵詞：人體健康；心電；血氧；體溫；虛擬云服務(wù)器；TCP/IP；WiFi

中圖分類號：TP39；TN99 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-00-04

0 引 言

當(dāng)今世界，包括中國在內(nèi)的大多數(shù)國家居民隨著生活水平的提高，人們的壽命愈來愈長，老齡化成為人口的主要特征。與人口老齡化問題相對應(yīng)的是心臟、血管等方面的慢性疾病劇增，對家庭養(yǎng)老及社會醫(yī)療提出了極大考驗(yàn)。因此需要加大對老年人，特別是有慢性疾病老年人的護(hù)理。此外，空巢老人數(shù)量急劇增加，而這些老人的學(xué)習(xí)能力與操作能力相比成年人更顯不足，更難以使用專業(yè)儀器。衛(wèi)生部早在《中國護(hù)理事業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要（2005—2010）》中就已經(jīng)明確提出要大力發(fā)展社區(qū)醫(yī)療護(hù)理，同時拓展醫(yī)療護(hù)理服務(wù)范圍。根據(jù)綱要要求，由疾病治療為主的醫(yī)療需要轉(zhuǎn)向預(yù)防疾病和提高身體素質(zhì)，相應(yīng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀也需要由治療儀器擴(kuò)展到醫(yī)療保健服務(wù)[1-2]。

由此研制了一種便攜式無線心電儀，設(shè)備采用模擬前端、紅外傳感等技術(shù)實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)的采集，使用微控制器和WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)人體生理參數(shù)的檢測與傳輸。采用TCP/IP傳輸協(xié)議在Windows操作系統(tǒng)中開發(fā)了基于無線通信的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了客戶端的數(shù)據(jù)采集與傳輸。為提高使用者的操作舒適度與便捷性，引入多線程工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)測用戶生理參數(shù)的效果[3]。

1 整體架構(gòu)

便攜式醫(yī)療助手以硬件電路為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、打包、發(fā)送等功能，以PC端軟件應(yīng)用程序?yàn)楹诵?，?shí)現(xiàn)人體生理信號的顯示等功能[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分以數(shù)據(jù)采集為主，主要是以電路板為核心的采集設(shè)備，可以分為心電模擬前端、紅外體溫傳感器、血氧傳感器、微控制器、無線數(shù)據(jù)傳輸5個模塊，每個模塊均為獨(dú)立電路板，包括IC和分立元件[5]。

軟件部分采用LabWindows/CVI開發(fā)工具，設(shè)計了無線終端的客戶端應(yīng)用程序。通信協(xié)議采用TCP/IP，對生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集，經(jīng)分析處理后動態(tài)顯示信號波形。工作原理如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 心電采集電路設(shè)計

文中的心電采集電路采用集成電路設(shè)計，將生物心電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入微控制器。正常人體心電信號幅值的典型值為1 mV。頻率范圍為0.05～100 Hz，超90%的頻譜能量集中在0.25～35 Hz范圍內(nèi)。由于生物心電信號非常微弱，普通的電子儀器無法測量出信號的幅值大小，并且生物心電信號中伴隨著很強(qiáng)的干擾，所以將該信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的過程分為：放大、濾波、阻抗變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，將經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)送入微控制器。在檢測心電信號的過程中，由于心電信號相對微弱，信噪比低，因此需要特別設(shè)計噪聲的抑制與消除方法。噪聲的主要來源有4個方面：電子器件自身的熱噪聲、皮膚與電極接觸點(diǎn)摩擦引起極化電壓的變化、其他無關(guān)生理信號的誤采集、環(huán)境中無線電干擾及交流電干擾。為了抑制這些干擾，在設(shè)計采集電路時提高了前置放大器的輸入阻抗、共模抑制比，實(shí)現(xiàn)了低噪聲、低漂移的前置放大器，提高了對微弱信號的采集能力[6]。

按照心電信號的處理流程和已知參數(shù)，最終選用德州儀器公司的模擬前端芯片ADS1292R作為心電信號處理IC。ADS1292R具有2個低噪聲PGA和2個高分辨率ADC，335 μW/通道，輸入偏置電流約200 pA，數(shù)據(jù)速率為125 SPS～8 kSPS，CMRR為120 dB，可編程增益1、2、3、4、6、8或12，單極或者雙極電源供電，內(nèi)置驅(qū)動放大器，可持續(xù)斷線檢測、測試信號，實(shí)現(xiàn)集成型呼吸阻抗測量，SPI兼容串行接口。圖3所示為心電采集電路。

2.2 血氧采集設(shè)計

血氧傳感器將人體血氧信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入微控制器。血氧傳感器有機(jī)械式和電子式兩種。機(jī)械式由于操作復(fù)雜、成本高已經(jīng)逐漸淘汰；電子式血氧傳感器又稱為血氧飽和度探頭，將探頭緊貼皮膚，利用皮膚作為盛裝血紅蛋白的容器，使用波長660 nm的紅光和940 nm的近紅光作為射入源，通過測定組織床的光傳導(dǎo)強(qiáng)度來計算出血紅蛋白的濃度和血氧飽和度。因?yàn)橛屑t光射入源，所以一般會看到探頭發(fā)出紅色的近紅光。電子式血氧傳感器和大多數(shù)傳感器一樣，一般帶有數(shù)字通信接口，直接使用通信協(xié)議讀取傳感器數(shù)據(jù)即可[7]。

經(jīng)測試，血氧傳感器最終使用由美信半導(dǎo)體公司出品的MAX30102。MAX30102需要5 V的LED供電電源和1.8 V的外置電源，同時具備多個光電檢測器與LED器件，擁有帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路，配置標(biāo)準(zhǔn)I2C通信接口，可通過軟件控制電源供電狀態(tài)，將待機(jī)電流設(shè)置為零時即可關(guān)閉模塊。圖4為血氧檢測原理。

2.3 體溫采集設(shè)計

體溫傳感器使用非接觸式紅外測溫方案，它利用紅外輻射的熱效應(yīng)，通過溫差電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)和熱敏電阻來測量被測物體所吸收的紅外輻射，從而計算出被測物體表面的溫度。集成的非接觸式紅外溫度傳感器內(nèi)部已經(jīng)集成了發(fā)射裝置和檢測元件，并利用半導(dǎo)體工藝內(nèi)置數(shù)字器件，一般只需通過規(guī)定的通信協(xié)議讀取傳感器數(shù)據(jù)即可測溫[8]。

經(jīng)過測試，體溫傳感器使用由Melexis出品的非接觸式紅外測溫傳感器MLX90614。MLX90614的溫度范圍為-40～125 ?C，醫(yī)用級高精度校準(zhǔn)信號輸出，I2C通信接口兼容SMBus數(shù)字接口，在出廠前該模塊已進(jìn)行校驗(yàn)及線性化處理，具有非接觸、體積小、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于高精度無接觸測量應(yīng)用場景，如溫度控制、醫(yī)療衛(wèi)生、熱繼電器警報等。

2.4 電源供電設(shè)計

生理參數(shù)檢測系統(tǒng)各模塊需要6 V、5 V和3.3 V供電電壓，由此設(shè)計了通過外接電源轉(zhuǎn)化供電的電源模塊，通過LM1117電壓調(diào)節(jié)器與LM2576降壓穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)由高電壓向所需電壓的轉(zhuǎn)換[9]。圖5所示為電源原理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 微控制器設(shè)計

文中所使用的軟件顯示端使用NI公司出品的LabWindows/CVI設(shè)計，其以ANSIC為核心，通過函數(shù)庫將數(shù)據(jù)的采集、分析、表達(dá)與專業(yè)化測控工具有機(jī)結(jié)合，其集成化開發(fā)平臺采用交互式編程方法，大大優(yōu)化了熟悉C語言開發(fā)人員的軟件開發(fā)環(huán)境，包括檢測、測量、數(shù)據(jù)采集等功能。

3.2 LabWindows/CVI設(shè)計

文中開發(fā)了基于LabWindows/CVI的虛擬云服務(wù)器，它以ANSIC為核心，支持TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議，其中虛擬云服務(wù)器軟件的主要作用是接收Ai-Heart上傳至網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時檢測數(shù)據(jù)，解析并顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容。文中所設(shè)計的虛擬云服務(wù)器軟件界面主要分為3部分，分別是連接設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示和波形顯示。當(dāng)局域網(wǎng)連接完畢后，點(diǎn)擊注冊按鈕將PC端應(yīng)用程序注冊為TCP/IP服務(wù)器，硬件電路端自動注冊為TCP/IP客戶端，二者的網(wǎng)絡(luò)端口號一致即可進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通信。這里不需要學(xué)習(xí)復(fù)雜的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議知識，直接調(diào)用LabWindows/CVI軟件自帶的函數(shù)庫即可完成數(shù)據(jù)接收。圖6所示為初始化操作。圖7所示為應(yīng)用程序運(yùn)行流程。

4 系統(tǒng)測試

文中所設(shè)計的系統(tǒng)操作簡單，只需運(yùn)行單片機(jī)、軟件初始化客戶端、點(diǎn)擊注冊按鈕，即可由程序自動完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和繪圖顯示等操作。

無線心電儀Ai-Heart使用了較為小巧簡潔的結(jié)構(gòu)設(shè)計，樣機(jī)尺寸僅為160 mm×120 mm，實(shí)物如圖8所示。

當(dāng)需要開始執(zhí)行生理信號檢測操作時，首先進(jìn)行初始化，包括繪圖界面、操作按鈕、文本接收框等功能件初始化，然后初始化TCP/IP協(xié)議，等待用戶響應(yīng)[10]。

用戶點(diǎn)擊注冊按鈕后，PC端應(yīng)用程序自動注冊為TCP/IP服務(wù)器，接收來自TCP/IP客戶端的數(shù)據(jù)包。接收到數(shù)據(jù)包后，解析數(shù)據(jù)包獲取指令和有效數(shù)據(jù)，進(jìn)行繪圖和數(shù)據(jù)顯示等操作。虛擬云服務(wù)器軟件實(shí)際運(yùn)行測試如圖9所示。

檢測時需將貼片緊貼于人體皮膚，對軟件客戶端進(jìn)行初始化，點(diǎn)擊注冊按鈕，由程序自動完成心率、血氧、體溫數(shù)據(jù)的采集、傳輸和繪圖顯示等，測試數(shù)據(jù)分別見表1、表2、表3所列。經(jīng)比對分析，誤差較小，心率誤差不超過5 BPM，血氧誤差不超過3%，體溫誤差不超過1 ℃。

5 結(jié) 語

便攜式無線心電儀從解決實(shí)際問題的角度出發(fā)，利用物聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，結(jié)合傳感器與智能硬件，以實(shí)現(xiàn)便攜式醫(yī)療服務(wù)為目的，構(gòu)建以家庭、社區(qū)為單位的醫(yī)療服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，使群眾可以享受到優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)。

該便攜式無線心電儀雖然使用簡單、攜帶方便，但仍有不足之處。在傳輸數(shù)據(jù)時，它必須依靠局域網(wǎng)才能使用，如果使用現(xiàn)有的移動通信技術(shù)，由于信號強(qiáng)度、數(shù)據(jù)量等原因，會出現(xiàn)丟包、數(shù)據(jù)延遲、數(shù)據(jù)錯亂等問題，所以目前使用WiFi連接網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，移動通信信號強(qiáng)度、頻帶寬度不斷得到優(yōu)化，可以使用移動通信取代WiFi通信，擺脫對局域網(wǎng)的依賴，這也是便攜式醫(yī)療助手不斷優(yōu)化和升級更新的方向。

注：本文通訊作者為于合平。

參考文獻(xiàn)

[1]莫然.高精度紅外測溫系統(tǒng)設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2020.

[2]葛澤勛.醫(yī)用紅外測溫儀及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2019.

[3]馬帥，侯世科，樊毫軍，等.智能心電信號監(jiān)測設(shè)備研究現(xiàn)狀[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2020，41（11）：95-99.

[4]王帥，趙鐘瑤，張翔宇，等.穿戴式心電信號質(zhì)量的三分類評估方法[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2020，39（5）：550-556.

[5]楊園格.基于提升方案的雙小波心電信號去噪研究[J].機(jī)電信息，2020，20（29）：120-121.

[6]吳英迪，郭延?xùn)|，張亞寧.基于WiFi的血氧和心率云監(jiān)控系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（10）：26-29.

[7]潘柏安.便攜式血氧血流監(jiān)測技術(shù)及其臨床應(yīng)用研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2019.

[8]李偉敬.基于WiFi的家庭醫(yī)療生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2014.

[9]郭國法，賀天強(qiáng)，張開生.基于μC/OS-Ⅱ的體征監(jiān)測救助系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2017，30（10）：3.

[10]柯艷明.基于LabWindows/CVI的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（8）：27-29.

基金項目：西北大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202210697137）