可穿戴多参数监护仪的关键技术

刘阳，刘丽霞，王钟达，吴健辉

湖南可孚芯驰医疗科技有限公司，长沙市，410007

0 引言

以心血管病为代表的慢病逐步成为影响我国人均寿命的重要因素。《中国循环杂志》发布的“中国心血管病报告2018”中指出：我国心血管病患病率持续上升，心血管病患病人数达2.9亿，2016年心血管病死亡率仍居首位，高于肿瘤及其他疾病，每5例死亡中就有2例死于心血管疾病[1]。据 2015—2016年院前急救患者流行病学分析，心脑血管疾病居院前急救第二位[2]，急性冠状动脉综合征、心律失常等心血管疾病在院外发生率高达 70%[3]。很明显，对院外实施监护和疾病预警，或对疾病早发现、早治疗，具有重要的临床价值。

多参数监护仪一般是指对心电图、无创血压、血氧饱和度、呼吸、体温和脉搏等生理参数进行监护的仪器，在医院科室、手术室、ICU、CCU、病房、急诊室、救护车等医用场合已经得到有效的运用，它在帮助临床发现问题以保障患者的生命安全，尤其是针对心脑血管患者，具有重要的临床应用价值。

李佳等[4]在分别研究了心电、血压、血糖等单一参数监测在家庭应用的重要性后，认为单一参数的家庭监护仪已不能满足需要，家庭监护仪应逐渐向多参数、网络化和智能化方向发展。董骁[5]认为常见监护仪因其不良的便携性、操作复杂和价格昂贵等问题而不适用于家庭监护，而具有生理信号的采集和处理、信号特征提取和数据保存传输等功能的可穿戴式多生理参数监护系统，对家庭更具有实际的临床意义。

讨论一种微型可穿戴多参数监护仪（以下简称本仪器），它把六参数监护仪的功能集成到比烟盒还小的体积内，同时可直接连接到网络化健康服务平台（以下简称平台），下面描述其关键技术，并展望了它的应用前景。

1 可穿戴多参数监护仪的关键技术和实现

1.1 全数字化技术

“全数字化技术”是本仪器里最重要的一项关键技术，它采用“硬件软化”和“前端采样”理念，即：让软件替代硬件完成信号调理功能，模数转换器最大程度靠近信号输入端，以减少硬件电路规模，该技术在微型化、可穿戴、抗恶劣环境、低成本等方面有不可替代的优势。以心电图机为例，传统心电图机的信号调理通常由高频低通滤波、阻抗变换、隔直高通滤波、信号放大、带阻滤波、基线回零等电路构成，图1是全数字化心电图机采样电路构架图，图中虚线部分信号调理电路。对于12导联心电图机，至少需要8路信号通道，可见：全数字化电路构架的硬件规模将大幅度压缩。另一方面，由于心电信号具有微弱、高共模噪声和高极化电压的特点，图1电路中不对信号放大而直接采样，很大程度上避免了共模干扰因增益误差而转化为差模干扰，以便处理器对采样信号实施“软共模对消”，实现良好的共模噪声抑制效果。

图1 全数字化心电图机采样电路构架Fig.1 Full digital electrocardiograph sampling circuit architecture

1.2 智能数字滤波算法

智能数字滤波算法是配合全数字化构架的重要技术，由于去掉了大部分硬件信号调理电路，数据中会含有大量的干扰，智能数字滤波算法的作用是在噪声干扰中精密提取有用信号，同时必须控制数字滤波算法的运算量，否则高速运算的要求将增加产品成本和功耗。智能数字滤波算法不仅仅是传统意义上的数字滤波器，而是根据被测信号和干扰信号的特点，增加智能判断，并根据判断结果实时调整滤波算法，以达到滤波效果和低运算量的协调统一。

1.3 “过采样”技术

“过采样”是指采用超过实际需要数据输出速率的频率去采样数据，这样可以降低抗混叠滤波器的硬件代价和模拟零件精度要求，图1中仅使用了一阶抗混叠滤波器，硬件规模得到良好的压缩。理论上，奈奎斯特频率以上的信号成分残留将带来不可恢复的混叠噪声，采样频率应该高于信号最高频率的2倍。基于滤波效果和硬件代价折中考虑，传统的心电图机设计方法是考虑二阶低通滤波器作为抗混叠滤波器，采样频率取5倍于其截止频率，以保证混叠噪声在可以接受的范围内。

我们以心电图机常见的150 Hz截止频率为例，由Electronic Workbench软件仿真一阶RC和二阶RC滤波器在不同采样率下奈奎斯特频点上残留信号的幅度，来评价混叠噪声的效果，仿真的电路图如图2和图3所示，仿真值如表1和表2所示。

图2 一阶RC低通滤波器电路Fig.2 First-order RC low-pass filter circuit

图3 二阶RC低通滤波器电路Fig.3 Second-order RC low-pass filter circuit

表1 一阶RC低通滤波器奈奎斯特频点处的增益Tab.1 Gain at the Nyquist frequency of the first-order RC low-pass filter

表2 二阶RC低通滤波器奈奎斯特频点处的增益Tab.2 Gain at the Nyquist frequency of the second-order RC low-pass filter

结果显示：采用一阶RC低通滤波器在1 200 Hz采样时，混叠噪声水平优于二阶低通滤波器在750 Hz（5倍于滤波器截止频率）采样时的混叠噪声水平2%，这意味着保证整体性能的前提下，可以采用较低精度的RC零件。最后，在对信号“过采样”并完成数字滤波后，按需要降速输出数据。

模拟滤波器的效果在很大程度上依赖零件的精度和稳定度，从模拟滤波器需要的零件来看，尽管运放和电阻可以通过牺牲成本来达到设计要求，电容的精度问题却很难解决，除了高精密电容成本极其昂贵外，电容还容易随着温度、湿度等环境因素的变化产生容值误差和漏电，导致模拟滤波器性能劣化。本仪器设计中，由于模拟零件的减少和对精度的不敏感，降低了模拟零件在因环境变化造成信号劣化的程度，最为重要的是大部分信号的调理由软件完成，极大提高了产品对恶劣环境的适应性。

1.4 智能化数据有效性判别

智能化数据有效性判别是另一个关键技术，本仪器的有效性评价算法能够根据预定的传感器接入、信噪比、数据长度、可信度等准则自动评定数据是否满足要求，满足要求后停止采样，并启动后续显示、上传等模块，这项技术的应用极大地简化了使用过程。

1.5 低功耗设计

由于本仪器的小体积和可穿戴需要，因此必须考虑低功耗策略，除了选择低功耗的零件外，尽量减少电源变换的环节并提高电源效率、及时关闭非工作状态的部件、研发低运算量的数字滤波器、提高软件的运行效率，在满足运算要求的前提下，降低处理器的工作电压和时钟频率。

1.6 实验室样机实现

本仪器具有1 2 导联心电、无创血压、血氧饱和度、呼吸、体温、脉搏等6 个参数，同时还内置电子听诊器，核心零件是TI公司的ADS1258模数转换器和ST公司的STM32F205RGT6微处理器。

ADS1258是24位高精度模数转换器，具有16个高速模拟转换通道，我们设定它工作在单端对16个通道循环采样方式，每通道的采样率为1 200 Hz，它的工作时钟由STM32F205RGT6提供，省去了32 K外围晶振，可以根据情况随时关闭不用的通道，并通过降低时钟保持每通道1 200 Hz的采样率，以降低功耗。

STM32F205RGT6是32位微处理器，处理单元功耗仅为188 μA/MHz，同时它集成了丰富的外设和高容量的RAM和FLASH存储器，高容量RAM是满足数字滤波器的需要，而高容量FLASH不仅存储程序，还存储了字库、图片和设定的参数等，STM32F205RGT6工作电压设计为2.8 V，工作频率为60 MHz。

本仪器主机采用一片2.4 in彩色液晶显示屏，内置WiFi模块、TF卡和超薄喇叭，主机由一片2 000 mAh的锂电池供电，充满电后可以连续工作20 h以上，主机电路被设计在52 mm×83 mm的四层印刷电路板上，主机体积约95 mm×55 mm×13 mm，约为烟盒体积的2/3。

血压计被设计在袖带上，通过3芯软护套线与主机相连，由主机控制其工作方式。血氧饱和度被设计在指套内，通过5芯护套线与主机相连。我们还设计了“复合电极”，例如：在心电电极中预置体温传感器，同步完成心电电极和体温传感器放置；在胸导电极中预置声音传感器，同步完成心电和心音传感器的放置。

本仪器经过多参数测试仪、心电图机性能测试仪、漏电流测试仪、电解质强度测试仪等仪器进行测试，技术性能可以满足多参数监护仪、心电图机和动态心电图机行业标准的要求。最终的实物图见图4。

图4 实验室样机实物图Fig.4 Physical diagram of laboratory prototype

2 应用场合展望

本仪器是按照行业标准的要求设计的，它本身是一台完整的六参数监护仪，可以用于普通六参数监护仪的使用场合。同时，因其微型、诊断级12导联心电能力、内置大容量TF卡、内置WiFi模块、低功耗等特点，还可以应用于下述场合：

（1）家庭和养老院健康仪器：用户可以每天定时测量，也可以在有症状的时候测量，甚至可根据医嘱进行长时间佩戴，在健康平台、大数据和AI支持下实现疾病预警；

（2）24 h动态多参：同步记录6个参数，替代动态心电和动态血压，向医生提供更为全面的证据，也适合多种生理参数、疾病、症状等因素之间的关联性研究之用；

（3）医生随身携带的仪器：低成本和小体积的产品中包括了12导联心电图机、六参数监护仪和电子听诊器，医生出诊可随身携带使用，也可通过平台对接医疗专家，以提高医疗服务的整体水平；

（4）特殊环境监护仪：由于具备适应恶劣环境的能力，在部队、野外工作环境、体育训练等场合可以作为训练和工作过程中的测量仪器，同样可通过平台对接医疗专家获取服务；

（5）数字病房仪器：可以用于病房中提升医疗服务、减轻医务人员的负担，例如：可以通过无线组网形成中央监护，也可以每床一台，自助式查房测量，患者测量的生理参数无线传输到护士站，由护士站电脑自动统计，形成查房记录，以减轻护士的工作量；

（6）生理大数据采集：利用本仪器的大容量存储卡或WiFi功能，将它用于需要形成生理大数据的场合，例如：保险公司、健康普查、科研数据获取等。

3 结束语

随着人们生活水平的提高，对于健康的关注将越来越成为每个人的必须。可穿戴多参数监护仪走进人们的日常生活中，尤其是与网络健康平台结合形成健康服务系统后，对于医用或家用场合，均具有较大的应用价值。未来健康仪器将向无线传感、更多参数和人工智能的方向发展，为人们提供随时随地的优质健康服务。