基于STM32的无线生命体征监测系统设计

2017-09-26许新建许海树张志芳汤栋生毛坤剑

中国医学装备 2017年9期

许新建许海树张志芳汤栋生毛坤剑*

许新建①许海树①张志芳②汤栋生①毛坤剑①*

目的：设计无线生命体征监测系统，实现可穿戴式和无线传输，提高医疗救治的有效性和准确性。方法：采用传感器集成模块，采集血氧饱和度、心电、体温、血压和呼吸等生命体征参数，以STM32为主控制器进行数据处理，并通过无线传输模块将采集的数据发送到中央监测系统上，实时监测患者的生理状态。结果：经过测试，无线生命体征监测系统可以及时监测患者的生命状态信息，及时了解患者是否疲劳、寒冷及恐惧等不良状态，为医务人员制定治疗方案和手术决策提供科学依据。结论：无线生命体征监测系统适合患者在运动过程中体征监测的应用。

生命体征；无线监测；STM32；无线传输；可穿戴设备

生命体征监测主要是对患者血氧饱和度、心电、体温、血压以及呼吸等生理参数进行监测[1]。目前，大部分监测主要是患者躺在病床上，采用心电监护仪进行监测，医务人员根据设备报警了解患者的生理状态信息，但无法实时的详细了解患者各种生理参数的变动和变化趋势。有些患者需要运动过程中进行监测，而心电监护仪由于自身的重量无法随身穿戴，不利于患者在运动过程中的实时监测[2]。

基于上述情况，本研究设计一种无线生命体征监测系统，通过传感器采集模块，采集患者的各种生理信息，通过无线传输模块将患者生理参数监测信息传输到中央监测站，第一时间掌握患者的各种参数变化，医务人员可以根据监测信息及时了解患者是否处于不良状态，提高医疗救治的有效性和准确性[3]。

1 无线生命体征检测系统设计方案

无线生命体征监测系统由可穿戴式生命体征采集模块、无线输出模块、监测中心处理服务器以及中央显示终端组成。每个患者可以通过可穿戴式生命体征采集模块监测的各种生理参数实时显示在中央显示终端上，其结构如图1所示。

图1 生命体征监测系统结构图

可穿戴式生命体征采集模块的信号处理系统的主控制芯片采用STM32，生命体征信号采集主要包括心电采集模块、血氧采集模块、体温采集模块和血压采集模块等，外围电路包括控制模块、显示模块、报警模块和无线模块等，其系统结构如图2所示[4]。

图2 可穿戴上生命体征采集模块结构框图

2 无线生命体征信号采集系统设计

本系统采用的主控微控制器单元(micro control unit，MCU)为STM32，其内置Cortex-M3，采用ARM V7架构，是一款超低功耗和无线应用型的芯片。整个监测系统通过主控MCU采集所有生命体征信号，一方面可以直接显示在采集模块的液晶显示(liquid crystal display，LCD)上，并通过无线传输传送到中央监测站上[5]。

2.1 心电采集模块设计

心电信号是心脏兴奋的产生、传播和恢复的生物电变化，可经过人体组织传到体表。本系统的心电信号通过电极片和心电导联线采集，然后进行检测、放大、滤波以及模数转换后再通过STM32进行信号处理，为方便携带，采用三导导联线进行心电采集，其采集结构如图3所示。

图3 心电采集结构框图

人体采集的心电信号通常仅为0.05～5 mV，容易受外界环境的影响，为了增强心电信号中的有效成分，采用屏蔽保护电路进行抑制干扰信号[5]。采集的心电信号经过前置放大器进行初步放大送到0.03～100 Hz带通滤波器，并通过陷波器消除50 Hz的工频信号和35 Hz的肌电信号，再通过主放大器进行放大，通过模拟数字(analog digital，AD)转换得出光滑的心电波形[6]。

2.2 血氧采集模块设计

血压采集信号采用脉搏血氧测定法，根据血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白对红光和红外光的吸收光谱不同，监测血液对红外光吸收量的变化，测量氧合血红蛋白占全部血红蛋白的百分比，从而得出血氧饱和度。血氧探头的一侧封装2个发光二极管，一个发出660 nm的红光，另一个发射940 nm的红外光；另一侧封装一个光电检测器，将检测到的透过手指动脉血管的红光和红外光转换成电信号。由于动脉血流中的氧合血红蛋白和还原血红蛋白浓度随着血液的动脉周期性的变化，从而引起光电检测器输出的信号强度随之周期性变化，这些周期性变化的信号经过模数转换后由STM32数据处理，就可测出对应的血氧饱和度，同时也计算出脉率[7]。

2.3 体温采集模块设计

温度采集模块采用负温度系数的热敏电阻作为温度传感器，其阻抗随着温度的变化而变化，将阻抗大小转换为电平信号，再通过AD转换，由STM32计算出体温的大小。

2.4 血压采集模块设计

血压采集信号采用震荡测量法，其原理采用血压袖带充气后达到一定压力后完全阻断动脉血流，又随着压力的减少，动脉血流将呈现完全阻闭逐渐开放到完全开放，动脉血管壁的脉搏将在血压袖带内产生压力震荡信号，通过压力传感器采集信号，经过放大器放大和AD转换后由STM32数据处理[8]。在血压测量过程中，主要测量收缩压、平均压及舒张压，其血压震荡信号示意如图4所示。

图4 血压震荡信号示意图

3 可穿戴式生命体征采集模块的外围电路设计

可穿戴式生命体征采集模块采用12 V、2000 mAh的锂电池供电，可采用输出5 V变压器或者USB接口进行充电；采集到的生命体征信号可以显示在液晶屏上，也可以通过无线传输模块传输到中央监测站上；各参数可以通过按键设定报警值，当监测到的数据超出报警值时发出报警声以提示患者参数异常[9]。

3.1 无线传输模块设计

本系统采用的无线传输模块为NRF24L01，工作频段为2.4～2.5 GHz，供电电压为1.9～3.6 V，其极低的电流消耗，在发射模式下消耗电流仅9.0 mA，待机模式下仅为2.0 mA；其最大的传输速度为2 Mbps，可以实时将监测的数据输出到中央监测站上[10]。在电路设计上，NRF24L01的VCC接电压3.3 V；NRF_ CEN/RF_CS/NRF_IRQ连接在STM32的PG6/PG7/ PG8上，SPI2_SCK/SPI2_MOSI/SPI2_MISO则分别连接在STM32的PB13/PB15/PB14上，其电路如图5所示。

图5 无线传输模块电路图

3.2 显示模块电路设计

系统显示模块采用液晶显示器将监测数据直接显示出来，其数据传输通过FSMC D0～FSMC D15与STM32进行数据通讯；T_MISO/T_MOSI/T_PEN/ T_CS/T_CS用来实现对液晶触摸屏的控制；LCD_ BL则控制LCD的背光；液晶复位信号RESET则是直接连接在开发板的复位按钮上，和STM32共用一个复位电路，其电路如图6所示[11]。

图6 显示模块电路图

3.3 控制模块电路和报警模块电路设计

本系统可以通过按键设置各参数的报警值，用于监测生命体征信号的异常。在电路中，KEY0、KEY1和KEY2用作普通按键输入，分别连接在PE4、PE3和PE2上。WK_UP按键连接到PA0(STM32的WKUP引脚)，除了可以用作普通输入按键外，还可以用作STM32的唤醒输入，其电路如图7所示[12]。

报警模块电路采用2～5 kHz的震荡电路驱动蜂鸣器，采用Q1放大电流，R60则是一个下拉电阻，避免MCU复位的时候，蜂鸣器可能发声的现象，其电路如图8所示[13]。

图7 按键控制模块电路图

图8 报警模块电路图

4 临床应用

4.1 应用方法

本系统设计的无线生命体征监测系统操作简单，使用方便。在使用过程中，患者将监测主机直接穿戴在腰间，连接监测连接线，如心电导联线、血氧探头、肤温探头以及血压袖带等，并打开模块监测功能，进而完成监测功能。本系统还具备WiFi传输功能，患者如果需要将监测数据传输到中央监测站，可以打开WiFi功能，实现无线传输。

4.2 应用效果

本系统设计的无线生命体征监测系统用于患者在运动过程中心电、血氧、血压以及体温等生命体征信号监测时，监测数据准确，而且可以通过无线传输模块将监测结果传输到中央监测站，不仅实现了实时监测患者的体征状况，也实现了患者在运动过程中的监测，能够及时了解患者是否疲劳、寒冷及恐惧等不良状态，为医务人员制定治疗方案和手术决策等提供科学依据[14]。

5 结论

本系统针对目前大部分生命体征监测系统无法穿戴和无线传输等功能，导致一些患者无法在运动过程中实现生命体征的监测、无法了解患者生命体征参数变化的趋势等问题，设计一款无线生命体征监测系统，实现可穿戴式和无线传输。整个系统低功耗、使用方便、稳定性高、便于携带，可以提高医疗救治的有效性和准确性[15]。

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Design of wireless vital signs monitoring system based on STM32/

XU Xin-jian, XU Hai-shu, ZHANG Zhi-fang, et al//
China Medical Equipment,2017,14(9):11-14.

Objective: To design a wireless vital signs monitoring system so as to achieve wearable and wireless transmission of monitoring system and increase the efficiency and accuracy of medical rescue. Methods: The integrated module of sensor was applied to collect series of vital sign parameters including oxyhemoglobin saturation, electrocardiograph, temperature, blood pressure, breathing and so on. STM32 was used as main controller to implement data processing, and then the collected data were sent to central monitoring system through wireless transmission module so as to constantly monitoring the physiological status of patients. Results: The test results showed that the wireless vital sign monitoring system could monitoring vital status information of patients in time, and could understand whether patients were in badness status, such as fatigue, cold, fear and so on in time, and could provide scientific basis for medical staff on therapeutic plan and surgical decision. Conclusion: The wireless vital sign monitoring system fits to be applied in movement process of patient for monitoring their vital sign.

Vital signs monitoring; Wireless monitoring; STM32; Wireless transmission; Wearable devices

Department of Medical Engineering, The 174thHospital of PLA(Chenggong Hospital Affiliated to Xiamen University, Xiamen 361003, China.

1672-8270(2017)09-0011-04

R-058

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.09.003