面向移动健康的便捷式多体征参数监护系统的设计与实现

2022-02-18杜世远

科技创新与应用 2022年5期

杜世远

（福建卫生职业技术学院，福建福州 350101）

1 便捷式多体征参数监护系统的理论依据及重要意义分析

医学检测仪器种类日益增加，能够实时监测患者的生命体征，及时判断出危险状况。对于冠心病、高血压、糖尿病等慢性病患者来说，通过居家检测了解自身的身体健康状态，在突发情况下采取必要的救治手段具有十分重要的价值与意义[1]。便携式多体征参数监护装置有效摆脱了传统医疗系统的局限性[2]，具体叙述如下：

第一，传统医疗服务系统工作效率较低，就医过程十分繁琐，医疗费用较高。国内的医疗资源分配不均匀，将现代化技术与医院系统联系起来，能够实现远程挂号、问诊甚至手术的目标，使得患者的就医过程更加方便，提高了医疗系统的工作效率，给患者极大的健康保障[1]。

第二，在传统的医疗环境中，公共卫生资源十分短缺，浪费情况不容乐观。患者就医往往注重名人医师的影响力，并未充分利用小型社区医院及地方性卫生院，造成医疗资源的浪费。在移动健康生命体征监护系统作用下，用户可以实时监控自身的健康状况，将家庭中的摄像头与医院对接，使得专家能够远程问诊，掌握患者的生命体征状况，提高就医过程的科学性与合理性。

2 便捷式多体征参数监护系统设计的关键

人体的生理信号具有随机性较强、表现力弱及噪声较大的特点，需要不断提高系统的抗干扰能力，高效处理生理信号信息，获得更加准确的数据信息。

2.1 关于系统器件的选择方案

在采集生理信号的过程中，会遭遇多种噪声干扰，为了提高获得信号数据的准确性，需要确保系统器件符合相关规定。系统器件需要具备噪声水平较低、可靠性较强、使用性能较好的特点。例如，在选择系统中的运算放大器时，需要使其局部共模抑制比较高，切实确保系统运行质量，获得更好的移动监护效果[2]。

2.2 关于系统滤波器的设计思路

在系统工作时，会受到频段外多种信号的干扰，导致采集信号的准确性较差，给系统工作过程造成了较大的影响。因此，需要提高系统的设计质量，判断干扰来源，避免干扰信号的产生。滤波器能够根据干扰信号的频率特点设计出针对性较强的滤波器，对系统采集的生理信号进行处理，切实提升其准确度与可靠性[3]。

2.3 关于电路兼容性的设计

在获得多体征参数监护系统的工作数据时，会受到内外多种因素的影响，使得系统检测结果质量较差。电器干扰是影响系统运行稳定性与精确性的主要原因，主要包括静电干扰、电磁辐射干扰、电导通路耦合干扰和漏电流耦合干扰几种主要类型。事实上，静电干扰主要是通过元器件及其线间的寄生电容产生的，电磁辐射干扰是外界电子设备对系统辐射产生的，电导通路耦合干扰是由回路之间的公共阻抗造成的，漏电流耦合干扰是由元器件之间的漏电流产生的[1]。需要根据监护系统中硬件电路的特点设计抗干扰流程，尽量避免电磁干扰的影响，提高方案的可实施性，降低共模干扰与串模干扰，采用分局布置的方式完成布局处理，遵循3W 布局原则，降低系统的耦合噪声需求。

2.4 关于供电电路抗干扰能力的设计

在处理生理信号时，需要利用生物传感器将其处理成为电信号，再传输给ADC 中心完成采样任务。在此过程中，系统供电电源的稳定性及可靠性会对系统采集数据的准确性与可靠性产生较大影响。系统初始电源为锂电池，为了解决数字模块及蓝牙模块的相互干扰问题，需要保证各个模块之间的独立性，提高锂电池工作过程的可靠性与稳定性[3]。

2.5 关于血氧饱和度的非线性干扰

在设计心电活动版块时，需要做好用户静息状态下的心电数据检测工作，使其达到市场销售的标准。在检测血氧饱和度的过程中，会遇到各种独特性干扰，如环境光噪声、运动伪噪声等，需要明确分析各种误差因素之间的相互影响，使得电源纹波的影响趋向于最小化。

3 便捷式多体征参数监护系统主要研究内容

该项目将基于移动健康的便携式人体生命体征监护系统作为主要研究对象，运用多功能的微功耗系统单片机、低功耗的蓝牙装置及高精度的生理特征监控装置传感器，有效收集采集到的数据信息，经过分析汇总过程之后将其传输到生理监控模块中，在监测脉搏跳动情况、血氧饱和度变化情况时具有重要应用价值[1]，能够使得检测数据在低功耗的蓝牙通信装置中稳定传输。

该项目的前期工作主要包括以下内容。首先，需要做好对可穿戴医疗设备的调研工作，明确研发系统中包括的研发模块，为后续的研发过程奠定良好基础。其次，需要根据系统的软硬件适用情况选择合理的资源，如处理器、传感器、外观结构及能耗控制设备等，并根据资源需求确定高效的开发平台，提高系统研发质量与效率[3]。最后，需要根据实际情况及研发目标确定设备的性能、精确程度及安全性，使其满足客户的客观需求。

在研发过程中，需要运用IT 公司的高性能前端模拟设备设计出医学检测传感器，在BLE 通信过程中，降低对心血管、体温及血氧饱和度监测过程中的能耗情况，有效处理信号搜集过程中产生的噪声，明确心电电极贴固定的位置及存在状态信息，配置好芯片的时序，明确其应用价值，确保大量数据都能够在能耗较低的蓝牙通信方式下工作。在设计完成之后，还需要及时对工作模块的能量消耗状况、稳定性、精确程度及佩戴过程的简易程度进行测试[2]，包括性能参数测试、能耗情况测试、信号采集准确性测试等，确保不同类型的心电信号均具有较强的敏感性与特异性，为用户提供更加完美的使用体验。

4 便捷式多体征参数监护系统的主要研究方法及研究路线

4.1 主要研究方法

首先，在开发穿戴式心电检测模块时，需要将蓝牙4.0 可穿戴心电监护模块作为重要基础，在精细状态下搜集用户的心电及心率信息。在心电检测模拟前端设计了具有高分辨率的传感器芯片，提高了模拟前端的真实性。为了蓝牙芯片的能耗，可以采用公司的CC2450 及CC2541 蓝牙芯片，提高应用性能[3]。需要做好通信协议的制定工作，做好电源电路的研发工作，为系统的正常运行奠定强有力的基础。

其次，在研发穿戴式血氧饱和度检测模块时，需要运用分立的元件建设起高效的血氧饱和度检测电路，主要包括驱动电路、电源机制、LED 屏幕、存储器及广点检测放大机制等。第一，需要做好血氧饱和度的检测工作，运用低成本的生理参数检测传感器设计出芯片内容，加快心率监测脚步，做好血氧保护度检测工作。在外围电路较少的情况下即可发挥出强大的工作性能，工作能耗较低。该系统内部具有LED 驱动电路，采用24 位ADC 低噪声通道的方式[3]，能够完成对PPG 的信号交换任务，有效缩减了运行体积，减少成本投入，设计出了高效的穿戴式血氧检测仪器。第二，需要做好体温监测的工作，使得医生能够掌握患者体温的实时变化情况。第三，需要加大对电源电路的研究力度，确定好通信协议。

4.2 集成模拟前端心电采集电路设计过程

心电集成模拟前端芯片ADS1293 是重要的前提之一，能够同时输出3 通道24 位的高分辨率图像信息，无需经过2 次放大过程，能够大幅度缩减板级应用空间，降低采集部分的能源消耗情况，丰富心电采集设备的使用性能，规避单导联穿戴式心电采集系统特征参数较少、采集信号可靠性较差的缺点，改善系统线路复杂、穿戴效果不佳的问题[1]。

该系统拥有4 个差分信号输入端口，分别与人体的右侧单臂、左侧单臂、右侧腿部及左侧腿部连接，简称为RA、LA、LL、RL。在本设计中，RA、LA、LL、RL 分别被连接到差分输入引脚中，由内部集成电路连接到仪器放大装置中，具有较高的输入阻抗性与输出阻抗性，能够有效降低耦合过程产生的共模干扰，缓解输电线路中的噪声压力。可以运用少量电流改善CMRR 系统，进一步抑制噪声干扰的影响。可以运用采样技术及抽取滤波技术将心电信号中的低频噪声转移到高频噪声阶段，在经过多次过滤作用之后降低输出信号中夹杂声音信号的影响[3]。

通过对寄存器的配置过程，能够在每个通道内部设置特定的采样率与带宽标准值，提高了不同场合下采集装置的灵活性与低能耗性。在此设计系统中，采样率大小为200 Hz，带宽大小为40 Hz，最小分辨率水平为0.16 mA，在高分辨率数字采样信号的作用下，能够将控制电路的SPI 接口和外部的MCU 连接起来，提高控制器内部的数据处理效率，使得穿戴式心电监护设备满足信号可靠、可携带、低能耗的特点[1]。

4.3 系统低能耗的具体设计分析

在穿戴式心电监护系统发展过程中，电池持续续航能力及能耗问题是重要的影响因素。为了达到低能耗的管理目标，该系统设置了电源管理模块，选用超低能耗的MCU控制器，单机片的接口十分丰富，支持快速及低功耗读写过程。BLE 低能耗蓝牙模块运用无线收发集成芯片完成研发任务，能够与SPP 蓝牙串口协议协同工作，投入资金较少，占据体积较小，收发过程中的灵敏程度较高[1]。同时，可以通过电源管理模块进一步降低蓝牙模块的能量消耗，提高无线传输模块的效率。

4.4 设计电源管理电路

运用低压差的线性稳压电源能够设计出电源管理模块，可以运用3.7 V 的锂电池完成供电任务，降低输出电源过程中产生的噪声。该款芯片的压力差较小，输出电压水平较差，能耗较低，具有较高的纹波抑制率，采用LDO多线路供电能够排除各个模块电源的相互影响，提高系统运行过程的稳定性。休眠时的消耗电流较低，约为0.1 μA，可以通过逻辑控制的方式控制电压电路的闭合，大幅提高各个管理模块的续航能力。在此过程中，运用超小型的SNT-6A 进行封装，运用单键开关即可控制设备的开关状态，进一步缩小电源模块的板级空间[3]。为了满足穿戴式心电监护系统的持续使用需求，需要运用充电芯片管理锂电池，增强电池续航的可持续性。

5 对心电监护设备数据信息的分析

心电图的不同波形代表着不同的含义，最早记录心电图波形信息的为荷兰生物学家，用弦线电流计在感光片长记录下了人体表面的心电图装置。在将不同的电极材料放置在人体各个部位时会产生形状相异的心电图波形。第一，当心电图波形为P 波时，正常的心率会从心窦房开始变化，呈现出了左右心房的去极化过程，起初形状为波形，呈现出一个较小的拱形。该种波形在心电图中的宽度展现出了整个心房去极化所消耗的时间。第二，P-R周期展现了心房、房室结及房室束的电击时间，正常的持续时间为0.12～0.2 s 之间[2]。随着人类年龄的增长，P-R的间期也会逐渐增加。第三，P-R 段反映出了从心房到心室的传播过程，期间并未伴随着明显的电位变化，难以在心电图中展现出波形的起伏状况。第四，QRS 波群是由3个连续的心电波组成的，正常持续时间少于0.04 s，振幅数值位置在0.15 mV 之下。该波群表示着左右心室去除电极时的电位变化，持续时间维持在0.06～0.1 s 之间，表示心肌兴奋的传输时间。不同的QRS 波群特征相异，是心电图的最基本波形。第五，S-T 波段是一个位于QRS和T 波之间的心电图波段数据，反映了从心室除极结束之后的复杂过程。在实际应用过程中，该段波形线为心电图的基准线，会因人而异在此基准线上下波动，正常情况下不会超过0.5 mA。若波段值偏高，说明患者具有心肌缺血或者心肌梗塞等严重病变过程[3]，需要及时就医诊治。第六，T 型波说明了心室复极时的电位变化情况，表明不同细胞复级趋势不同步。正常情况下，T 型波的前支较长且移动十分缓慢，顶部十分圆润，是医学诊断过程中的重要参考标准之一。如果患者心电图中的T 型波出现倒置情况，说明患者发生了心肌梗死病变过程。

6 便捷式多体征参数监护系统研究成果及效益

随着人们生活水平的不断提高，科技进步速度不断加快，嵌入式产品在日常生活中具有极为重要的应用价值。人们更加重视计算机技术的应用价值，人际关系的变革速度不断加快，需要做好人体生理特征监护工作，加快健康医疗的进步速度[1]。该系统能够为更多中老年人提供福利，使其足不出户即可享受身体监测治疗，减少去医院的次数，避免出现交叉感染现象。