基于USB接口的个人健康信息采集终端*

陈可，皮喜田，，刘洪英，3△，高小强

（1.重庆大学生物工程学院，重庆400030；2.新型微纳米器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆400030；3.重庆市医疗器械电子工程技术研究中心，重庆400030）

1 引 言

随着人们对健康关注程度的提高，关于医疗保健和疾病预防的观念也发生了改变［1］，传统的医疗模式难以满足慢性疾患的个性化服务需求［2］，这必然导致医疗模式从传统以疾病治疗为主导转变为以疾病预防、医疗保健为主导［3］。医疗模式的转变引导医疗健康服务行业的发展，以优质医疗资源为外延的医疗健康服务进入家庭和社区也逐渐被人们重视［4］。随着互联网的广泛应用，医疗行业依托物联网延伸医疗健康服务，形成了健康物联网学科［5］。

基于上述研究，我们设计了一套基于USB接口的个人健康信息采集终端系统。该系统通过USB接口连接个人计算机，可方便的记录并存储健康信息参数，并对健康状态进行智能分析，为检测者提供健康状况报告和指导建议。该终端系统以家庭或者社区为服务对象，采集呼吸、血压等重要的医学生理参数并传输到远程服务器［6－7］，通过网络平台，医生可直接查看监测者的生理参数和病例，能够对监测者及时进行诊断，节约时间并降低了医疗成本［8］。

2 个人健康信息采集系统构架

2.1 硬件系统构架

个人健康信息采集系统主要针对家庭和社区设计，其功能主要是采集家庭成员重要的生物医学健康信息，还具有对生命体征监视的功能。图1是个人健康信息采集系统的硬件构架，主要由生理参数采集模块、个人计算机系统和终端服务器构成。个人计算机可以通过广域网与终端服务系统交换数据，实现远程诊断和咨询。生理参数采集模块由呼吸采集模块、血压采集模块组成，各采集模块完成相应的信息采集，数字化转换后经USB接口与个人计算机连接，可实时向计算机传输信息，由计算机监视并将信息存储在个人健康数据库中。

图1 个人健康信息采集终端硬件构架示意图Fig 1 Personal health information collection term inal hardware architecture diagram

2.2 信息采集模块硬件构成

图2是信息采集模块硬件组成框图，模块主要由传感器电路、信号调理电路、ADC转换电路等组成，其中虚线框图部分是驱动电路，只在血压采集模块具有。为简化采集模块设计，除传感器电路，其余各主要模块的电路原理基本相同。

采集的信息不同，选用的传感器不同，因此，模块的传感器电路部分存在差异。呼吸采集模块的呼吸传感器采用线性霍尔元件设计呼吸传感器，利用线性霍尔元件检测人体呼吸时胸部的收缩运动采集呼吸变化［9］，经转换电路变换后得到呼吸信号。血压采集模块采用压力传感器检测脉带内气体的压力变化［10］，输出血压信号。采集到的呼吸信号、血压信号分别送至信号调理电路放大，经ADC转换电路进行模数转换，在微处理器电路控制下通过USB接口电路传输采集信息。这种设计方法，有利于简化采集模块的设计，减少了器件种类，各功能电路可以进行模块化设计，便于生产调试。

图2 采集模块硬件组成框图Fig 2 Acquisition module hardware block diagram

2.3 软件系统构架

终端系统主要包括本地用户数据库和服务器数据库。本地数据库中包含的数据量较少，且只针对数量有限的用户，故采用Access简易数据库。服务器数据库需要存储海量的用户和医生信息以及用户的医学生理信息等，所以服务器数据库采用大型的Oracle数据库。

本地数据库是针对家庭或者社区的数据库，它存储着用户个人信息和检测记录的数据。本地数据库数据量较少，操作简单。系统的主要结构有用户个人信息数据表，见表1，用户健康信息数据表，见表2。

表1 用户个人信息Table1 User personal information

服务器数据库存储用户和医生的个人信息和生理参数等，数据库数据量庞大，数据结构复杂，并且生理参数采集中数据种类较多，数据库的设计必须考虑到系统的全面性和稳定性。针对服务器数据库的上述特性，对系统中的每个实体对象建立对应的表，同时存贮对这些数据的操作过程。用户登录信息数据表，见表3。

表2 用户健康信息Table 2 User health information

表3 用户登录信息Table 3 User login information

3 信息采集模块设计

3.1 信号调理电路设计

信号调理电路将传感器采集的信息进行归一化处理，为模数转换提供统一的信号幅度标准。信号调理电路包括前置放大电路、低通放大电路、双T型50 Hz陷波器以及增益可调放大电路。前置放大电路将传感器输出的信号进行放大，将放大后的信号送到低通放大电路和陷波电路中进行滤波处理，然后由增益可调放大电路对信号进一步放大，该电路根据采集到的信号幅度差异设置不同的放大倍数。

3.2 模块的微处理器电路设计

微处理器电路和ADC转换电路采用STC15F2K60S2系列单片机的STC15F2K32S2，该芯片资源丰富［11］，几乎包含了数据采集和控制中需要的所有单元模块。微处理器电路可用于不同信号的数据采集模块，为了便于计算机自动识别不同的模块，微处理器电路针对不同的采集模块设置的参数不同，例如信号类型、采样频率等。计算机首先判断输入的信号类型，然后对数据进行处理，对于不同的采集模块选择不同的程序进行处理，并将信息进行显示、记录和存储，采集模块也可根据计算机的指令工作。为了实现数据的实时采集，在微处理器的控制下将调理电路输出的模拟信号进行处理，其数据采集过程见图3，模拟信号输入到单片机中，通过片内的ADC系统转换为数字信号，转换完成后将数据送到USB发送缓冲区，个人计算机通过USB接口读取缓冲区中的数据，数据采集完成并循环进行，实现数据的实时采集。

图3 数据采集程序流程框图Fig 3 Flow chart of data acquisition program

3.3 模块的USB接口设计

图4是USB通讯接口电路，图中列出接口芯片和外围电路的引脚排列，其中P1为USB接口，R1为上电复位电阻，C1、C2为电源去耦电容，U1为接口芯片，引脚VBUS为USB电源输入。各模块的USB通信芯片采用CP2102芯片设计，此芯片符合USB 2.0规范，其内部集成收发器、内部时钟等功能；芯片内部集成的可删除存储E2PROM，可存储USB通信协议信息和设备信息。CP2102芯片内已固化USB通信协议程序，无需对其编程序操作，只需要通过微处理电路的串行接口UART的TXD和RXD发送接收数据即可。

4 系统的实验结果

4.1 呼吸模块的测量结果

呼吸模块的传感器电路采用了一个线性霍尔元件作为敏感元件，通过检测磁场的变化检测呼吸信号。图5为呼吸传感器结构图，线性霍尔元件固定在线路板上，小磁铁固定在能够定向移动的滑块上，滑块与弹性带连接并随弹性带移动。图6为呼吸采集模块，弹性带绕在检测者的胸廓上，呼吸引起弹性带的收缩，使霍尔元件与磁铁间的距离随呼吸变化［12］。霍尔元件检测磁场的变化，输出电压信号并送调理电路得到呼吸脉冲信号和呼吸波形信号。对呼吸脉冲信号记录变化次数就可得到呼吸次数，并测量呼吸频率。呼吸波信号通过A／D转换电路将模拟信号转换成为数字信号，由数据采集系统对信号进行采集，用于计算机图形重建。

图4 USB通讯接口电路Fig 4 USB communication interface circuit

图5 呼吸传感器结构Fig 5 Respiratory sensor structure

图6 呼吸传感器Fig 6 Respiratory sensor

为了验证呼吸采集模块的可靠性，其测量结果与BIAPAC公司CO2100C设备的测量结果进行了对比分析。实验对象为10名志愿者，两台设备同时进行呼吸率的检测，每名自愿者重复测量进行3次，对3次测量结果求平均值，测量结果见表4。通过分析可得，此系统测量的呼吸率的平均测量精度在95%以上，表明呼吸采集模块测量结果相对准确，具有较高的稳定性和可靠性，可用于家庭或社区用户呼吸的测量。

表4 呼吸采集模块测量结果Table 4 Respiratory acquisition modulemeasurement results

4.2 血压采集模块的测量结果

血压采集模块的压力传感器电路为压阻元件组成的电桥，袖管内压力变化引起压阻元件阻值发生改变，桥路输出电压变化，即电桥输出的电压可反映袖管内压力的大小。图7为血压采集模块实物图，该模块通过USB接口连接到计算机。充气放气过程中，压力传感器将袖带的压力信号转换为电信号输出，经过信号调理电路放大、滤波等处理，并将直流和交流两种不同的信号分别送至ADC转换器进行处理。利用气压直流分量分析计算出收缩压和舒张压；交流分量经分析计算出收缩压和舒张压的瞬态变化，得到血压变化波形。血压信号经ADC转换，由微处理器系统依据制定的程序算法，计算出血压的收缩压、扩张压、平均压、脉搏率，并把结果送到USB通讯缓冲区。

图7 血压采集模块Fig 7 Blood pressure collection

为了验证血压采集模块的可靠性，其测量结果与欧姆龙电子血压计HEM－7051的测量结果进行了对比分析。实验对象为10名志愿者，两台设备同时进行血压的检测，每名志愿者重复测量3次，对3次测量结果求平均值，测量结果见表5。通过分析可得，此系统测量的血压的平均测量精度在96%以上，证明血压采集模块测量结果准确、可靠，能够满足用户对于血压信息检测的要求，可用于家庭或社区用户血压的测量。

表5 血压采集模块测量结果Table 5 Blood pressure acquisition modulemeasurement results

5 讨论

该项研究主要进行了健康信息采集模块的设计和数据库的构建，初步搭建了一套个人健康信息采集终端系统。由于模块设计采用了相同的信号调理电路、微处理器电路和USB接口电路，提高了开发和实验速度。健康信息采集终端搭建的健康信息采集平台，涉及的技术面较广，健康生理参数采集方面也涉及比较广，比如血压、血糖、脉搏、呼吸、心电、尿液分析等，本系统仅对呼吸和血压参数进行了信息采集和测试，终端系统尚需完善并拓展测量参数。