一种人体脉搏远程医疗监测系统设计与实现

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( 南京理工大学泰州科技学院 智能制造学院，江苏 泰州 225300 )

0 引言

利用当前日益普及的网络技术和通信技术开发远程医疗监测系统，将人体心电、脉搏、血压等生理体征参数监测从医院扩展到社区、家庭，既避免了一些老年人、慢性病患者经常去医院进行常规检查的不便，也满足了忙碌职场人士对健康保健的需求，同时还有利于改善整个社会医疗资源的均衡利用，更好地服务大众[1]。远程医疗监测有助于推动传统有病就医治疗模式向以社区家庭为中心、预防监护为主的医疗模式的转变，具有非常重要的现实意义和推广价值。在人体诸多体征参数中，脉搏是最常见重要的生理参数，是心脏和血管状态等重要生理信息的外在反馈依据。脉搏检测无论是对于临床诊断、病人的监护还是对于脉搏医学研究，均非常重要[2]。

因此，本文以人体脉搏检测为切入点，开发了一种远程医疗监测系统。该系统能动态实时跟踪了解监护对象的脉搏健康状态，在异常情况发生时提出预警或及时救治，具有广阔的应用前景。

1 系统总体架构

本系统基于TCP/IP网络协议，由基于STM32的便携式人体脉搏检测仪和基于LabVIEW的远程社区医疗监测系统平台共同组成。前者作为客户端，后者作为服务器端。监测对象在指端佩戴脉搏心率传感器，通过便携式脉搏检测仪完成脉搏信号的实时采集、处理、本地客户端显示以及脉搏数据的远程传输，远程社区医疗监测系统平台接收检测仪发送的脉搏数据并将其显示或存储起来，同时根据预设值提出报警。系统总体架构示意如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2 便携式脉搏检测仪

2.1 总体设计

便携式脉搏检测仪总体结构如图2所示，硬件基于以STM32F407ZGT6芯片为控制核心的STM32开发板，通过Pulse Sensor脉搏心率传感器采样人体脉搏信号，经滤波、整形、放大后输出模拟电压信号，通过主控器内部ADC将其处理成数字信号，在ATK TFT LCD触摸屏上显示实测值及波形，同时利用配置的WiFi模块经由路由器通过TCP/IP与远程社区医疗监测平台进行通信，实现脉搏信号的远程数据传输、显示、保存与回放。

图2 便携式人体脉搏检测仪结构示意

2.2 人体脉搏测量

传统的脉搏测量主要有3种方法，从心电信号中提取、测量血压时利用压力传感器测到的波动计算得出、光电容积法。利用光电容积脉搏波描记进行无损检测是生物医学研究中的一个典型应用, 具有操作简单、无损伤、性能稳定性高和适应性强等特点[3]。光电容积脉搏波(photo plethysmo graphy，PPG)检测方法主要分为反射式和透射式，其中反射式测量法成为获取脉搏波并对其进行分析处理的技术热点[4]。反射型脉搏传感器的发光管和光敏接收器件置于所测量组织同侧,通常采用对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的一定波长(500 nm～700 nm)的发光二极管作光源，采用光电变换器接收经人体组织反射的光线并将其转变为电信号。

基于红外光谱和红光作为光源测量获取脉搏波的设计方案很多，但是也存在一些问题。有研究分析了绿光作为光源测量脉搏波的特性，发现与红外光和红光相比较，绿光受皮下组织的干扰更小，获取的脉搏波波形更加完整[5]，并以波长为523 nm的绿色二极管作光源，开发了基于绿光的可穿戴光电容积式脉搏波测量系统[6]。

本文选用的Pulse Sensor脉搏传感器则是一种采用峰值波长为515 nm的AM2520型绿色LED作为光源，利用光电容积法测量脉搏信号的光电反射式模拟量传感器。同时，它以感受峰值波长为565 nm的APDS-9008型环境光感受器作为光接收器。由于光源与光接收器峰值波长相近，灵敏度较高。此外，脉搏信号取自人体表面，具有信号源内阻较大、信号微弱且背景噪声强的特点[7]，因此增加了低通滤波、整形和放大功能，输出的电压信号为0～3.3 V。处理后的信号可以很好地被STM32的AD采集到。实际测量时，将传感器佩戴在手指、耳垂等人体皮肤浅部微动脉处即可。图3为Pulse Sensor脉搏传感器实物图。

图3 Pulse Sensor脉搏传感器实物图

2.3 数据采集与处理

STM32F40X系列大容量芯片带有3个ADC控制器，将Pulse Sensor脉搏传感器模拟电压输出端与ADC1的PA5端口硬件连接，通过内部ADC采集该通道上的电压值，然后转换为数字信号。数据的采集与处理主要通过软件实现。

主程序流程图如图4所示。单片机上电复位以后，程序开始初始化，LCD触摸屏显示初始界面，之后主程序将循环更新显示界面，在定时器达到设定时间后，单片机产生中断，在中断程序中，进行ADC数据采集与处理，并将处理后的数据值及波形(描点连线)显示在LCD界面上。人体的心率一般为(60-100)次/分，婴儿的心率可达到150次/分，一个脉搏的持续时间为400～1 000 ms[8]。为了使获得的波形包含足够大的信息量，系统设计时将单片机的采样频率定为500 Hz，即2 ms中断采样一次。采样深度为12位，用两个字节的空间进行数据保存。

图4 主程序流程图

每2 ms采集到的数据进行处理后可以得到心率或脉搏值BPM(beats per minute)。此环节中最关键点是识别每一个有效脉搏波并记录相邻两个脉搏波之间的时间差IBI (time between heartbeats in ms )[9]，然后通过公式BPM=60*103/IBI计算得出脉搏。软件编程思路是首先查找脉搏波波峰、波谷,然后确认一个有效脉搏波。为消除脉搏波中切中峡和重搏波对脉搏周期信号识别的干扰，以中间值作为每个脉搏周期时间记录的参照点， 其中，中间值=(波峰值-波谷值)/2 +波谷值。

记录波峰波谷的代码如下：

signal=H_ADC_GetValue(&hadc1); //记录采样值

samplingtime += 2; //每2ms采样一次，记录采样时间

num = samplingtime - lastbeattime; //num用来记录本次采样时间与上次心跳时间之差

H_ADC_Start(&hadc1); //复位ACD转换

if(signal < thresh && num > (IBI*3/5)) // thresh为上次心跳记录的中间值thresh = (P-T)/2 + T

if (signal < T)

T = signal; //T即为波谷值

if(signal > thresh && signal > P)

P = signal; //P即为波峰值

2.4 脉搏信号传送

采集到的脉搏波信号需要远程传送给社区医疗系统平台进行实时显示与监测，此功能通过配置ATK-ESP8266-12F WiFi模块来实现。ATK-ESP8266-12F WiFi模块是一款高性能的UART-WiFi (串口转无线)模块，采用串口与MCU通信，内嵌TCP/IP协议，能够实现串口与WiFi的转换。WiFi模块原理图见图5，通过P1接口与STM32开发板直接连接。通过此模块，传统的串口设备经过串口配置，可以通过互联网传送数据。

图5 ESP8266模块原理图

ATK-ESP8266 WiFi模块支持STA/AP/STA+AP三种工作方式。STA模式，ESP8266模块通过路由器连接互联网，电脑通过互联网实现与设备的远程通信；AP模式，默认ESP8266模块为热点，电脑直接与模块通信，实现局域网无线控制；STA+AP 模式，既可以通过路由器连接到互联网，并通过互联网与设备通信，也可作为WiFi热点，将其他WiFi设备连接到此模块，进而实现局域网和广域网的无缝切换[10]。根据本设计功能实现需要，采用STA模式。在STA模式下，根据应用场景不同，可以设置3个子模式：TCP服务器、TCP客户端、UDP。此处选择TCP客户端子模式。在简单的硬件连接完成后，通过一系列WiFi模块的AT指令(基础指令、功能指令、TCP/IP工具箱指令)应用，便可实现串口无线STA模式、TCP客户端的配置及数据传送。配置流程如表1所示。

表1 串口无线STA模式、TCP客户端配置流程表

需注意的是：如果需要模块上电自动连接到某个IP并进入透传模式，此时需要在模块连接到路由器之后，发送AT+SAVETRANSLINK=1,"192.168.1.xxx",8080,"TCP"，设置模块为上电自动连接到TCP Server(远程社区医疗中心监测平台)：192.168.1.xxx，8080，并直接进入透传模式。

3 社区医疗监测系统平台

社区医疗监测系统平台采用LabVIEW应用软件设计实现。LabVIEW 是美国国家仪器公司( NI) 推出的虚拟仪器开发平台，是计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术。LabVIEW使用图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图形式[11]。基于G语言的LabVIEW 提供了功能强大的函数模块库，包含数学、仪器 I/O 、信号处理(如滤波)等方面的函数。TCP/IP 协议是当前使用最为广泛的网络协议， LabVIEW已提供了基于TCP/IP的通讯函数，直接调用TCP/IP函数并设置相关参数便可实现互联网通讯。因此，基于LabVIEW开发远程人体体征监测系统具有广阔的应用前景。

3.1 平台界面设计

LabVIEW 程序由前面板、框图程序与图标/连接器3个部分组成，前面板即为用户界面。前面板用来放置相关输入框和输出量结果显示，尽可能地模拟了真实仪器的面板。前面板上的每样控件与指示器都会在框图程序上对应显示，而框图部件均可用连线产生联系，以决定程序具体的执行顺序。因此，每个前面板(用户界面)都对应一个LabVIEW框图程序。

根据社区医疗监测系统平台功能实现要求，前面板需设置的功能区有：操作按键区(开始、停止、保存、回放)、脉搏波显示区(实时显示、回放显示)、心率值(实时心率、平均心率)、心率极限值设置、报警显示、通信连接设置等。其中，通过点击保存按钮可以保存当前脉搏波图形与数据，两者将分别生成一个图形文件与记录数据的EXCEL文件，并存储在该医疗监测系统对应的文件夹中。保存功能的程序实现如图6示。保存过的波形图可以通过点击回放按钮进行回放查阅。

图6 LabVIEW保存功能程序框图

3.2 LabVIEW的TCP/IP通讯

LabVIEW的TCP网络通讯可直接调用TCP/IP的通讯函数并采用C/S(客户端/服务器)通信模式实现。监测系统平台作为处理主机工作于服务器(server)模式，完成数据接收和数据处理。远程便携式人体脉搏检测仪工作于客户端(client)模式，进行数据传送。

LabVIEW的TCP函数可以在编程环境下方便找到，方法是：右击前面板→打开菜单→函数选板→数据通信→协议选项→TCP。TCP函数主要包括TCP侦听、打开TCP连接、读取TCP数据、写入TCP数据、关闭TCP连接等等。本次监测系统设计主要使用了TCP侦听、读取TCP数据、关闭TCP三种TCP通信函数，程序框图如图7所示。

图7程序框图中使用了一个while循环，在TCP侦听上引出了两个输入框图，一个为端口号输入框，另一个为IP地址输入框，系统运行后输入本地地址和端口号后方可打开TCP通讯连接，再经由读取TCP数据获取需要的数据。数据接收的时间间隔可根据需要设置，图中显示设置为100 ms。另需说明的是，程序框图中显示的原始心电图仅用于TCP通讯测试，正常工作时被隐藏，不会出现在监测系统平台前面板上。此外，LabVIEW 中所使用的TCP/IP所能传送的数据格式只

图7 LabVIEW的TCP/IP通讯程序框图

有String即字符串，LabVIEW程序运行后，当有数据来到时，接收到的均为字符串形式，需转换为无符号字节数组的形式，再按字节逐个存入数据存储区。

4 远程通信测试

首先进入LabVIEW社区医疗监测平台系统，平台工作主界面(即LabVIEW前面板)如图8所示。界面上方左侧区域为脉搏波实时显示区、右侧区域为已保存脉搏波回放区。界面下方左侧区域为脉搏值(心率)数显区，还可通过最下方的最小值、最大值设置脉搏值报警限值；中间区域为按键区和指示灯区；右侧区域上部分为TCP/IP通讯参数设置区，用于设置IP地址和端口号，下部分为串口通讯参数设置区(注：本系统还可与本地便携式脉搏检测仪进行串口通讯连接，此处不作论述)。在TCP/IP功能区设置端口号、IP地址，然后点击“开始”按钮，监测平台系统作为服务器端即进入TCP侦听模式，等待远程客户端与其建立连接。然后，将Pulse Sensor 传感器戴在指端固定，上电启动便携式检测仪，LCD触摸屏显示相关基础信息，并提示按不同的硬按键将进入不同的WiFi模式:KEY0键,WiFi STA+AP、KEY1键，WiFi STA、WK_UP键，WiFi AP。按KEY1键选择STA模式，此时检测仪开始配置ATK-ESP8266模块。WiFi模块配置成功后，LCD触摸屏显示检测仪已工作在STA模式下，然后按KEY0(下一个)键或KEY1(上一个)键选择TCP客户端子模式，按WK_UP键确定，画面跳转，接着通过触摸屏显示的虚拟键盘设置远程服务器端IP地址，输入完成后，点击虚拟键盘的“连接”按键，即建立与远程社区医疗监测平台系统通信连接，开始进行数据传送。LCD触摸屏与远程LabVIEW监测平台同时显示脉搏波和心率值。

5 结论

本文基于光电容积脉搏波检测原理，开发了基于STM32的便携式人体脉搏检测仪和基于图形化虚拟仪器工程设计平台LabVIEW的远程脉搏波信号采集系统，既可以通过触摸屏实现脉搏生理参数的本地实时采集与显示，也可通过互联网完成远程社区医疗监测系统平台脉搏信号的显示、保存与回放。完成了远程社区智慧医疗监测系统的初步搭建，为之后扩展心电、体温等生理信号的远程监测提供了一定的技术支持。后期，将继续验证本系统基于LabVIEW的TCP/IP工作于一个服务器对应多个客户端的可行性与可靠性，以扩展所连接的便携式脉搏检测仪的数量，扩展系统的应用功能，进一步提高其实用价值。

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