許新建 許海樹 張志芳 湯棟生 毛坤劍*

基于STM32的無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許新建①許海樹①張志芳②湯棟生①毛坤劍①*

目的：設(shè)計(jì)無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可穿戴式和無線傳輸，提高醫(yī)療救治的有效性和準(zhǔn)確性。方法：采用傳感器集成模塊，采集血氧飽和度、心電、體溫、血壓和呼吸等生命體征參數(shù)，以STM32為主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過無線傳輸模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到中央監(jiān)測系統(tǒng)上，實(shí)時(shí)監(jiān)測患者的生理狀態(tài)。結(jié)果：經(jīng)過測試，無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)可以及時(shí)監(jiān)測患者的生命狀態(tài)信息，及時(shí)了解患者是否疲勞、寒冷及恐懼等不良狀態(tài)，為醫(yī)務(wù)人員制定治療方案和手術(shù)決策提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)論：無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)適合患者在運(yùn)動(dòng)過程中體征監(jiān)測的應(yīng)用。

生命體征；無線監(jiān)測；STM32；無線傳輸；可穿戴設(shè)備

生命體征監(jiān)測主要是對患者血氧飽和度、心電、體溫、血壓以及呼吸等生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測[1]。目前，大部分監(jiān)測主要是患者躺在病床上，采用心電監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行監(jiān)測，醫(yī)務(wù)人員根據(jù)設(shè)備報(bào)警了解患者的生理狀態(tài)信息，但無法實(shí)時(shí)的詳細(xì)了解患者各種生理參數(shù)的變動(dòng)和變化趨勢。有些患者需要運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行監(jiān)測，而心電監(jiān)護(hù)儀由于自身的重量無法隨身穿戴，不利于患者在運(yùn)動(dòng)過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測[2]。

基于上述情況，本研究設(shè)計(jì)一種無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳感器采集模塊，采集患者的各種生理信息，通過無線傳輸模塊將患者生理參數(shù)監(jiān)測信息傳輸?shù)街醒氡O(jiān)測站，第一時(shí)間掌握患者的各種參數(shù)變化，醫(yī)務(wù)人員可以根據(jù)監(jiān)測信息及時(shí)了解患者是否處于不良狀態(tài)，提高醫(yī)療救治的有效性和準(zhǔn)確性[3]。

1 無線生命體征檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)由可穿戴式生命體征采集模塊、無線輸出模塊、監(jiān)測中心處理服務(wù)器以及中央顯示終端組成。每個(gè)患者可以通過可穿戴式生命體征采集模塊監(jiān)測的各種生理參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在中央顯示終端上，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 生命體征監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

可穿戴式生命體征采集模塊的信號處理系統(tǒng)的主控制芯片采用STM32，生命體征信號采集主要包括心電采集模塊、血氧采集模塊、體溫采集模塊和血壓采集模塊等，外圍電路包括控制模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊和無線模塊等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

圖2 可穿戴上生命體征采集模塊結(jié)構(gòu)框圖

2 無線生命體征信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的主控微控制器單元(micro control unit，MCU)為STM32，其內(nèi)置Cortex-M3，采用ARM V7架構(gòu)，是一款超低功耗和無線應(yīng)用型的芯片。整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)通過主控MCU采集所有生命體征信號，一方面可以直接顯示在采集模塊的液晶顯示(liquid crystal display，LCD)上，并通過無線傳輸傳送到中央監(jiān)測站上[5]。

2.1 心電采集模塊設(shè)計(jì)

心電信號是心臟興奮的產(chǎn)生、傳播和恢復(fù)的生物電變化，可經(jīng)過人體組織傳到體表。本系統(tǒng)的心電信號通過電極片和心電導(dǎo)聯(lián)線采集，然后進(jìn)行檢測、放大、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后再通過STM32進(jìn)行信號處理，為方便攜帶，采用三導(dǎo)導(dǎo)聯(lián)線進(jìn)行心電采集，其采集結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 心電采集結(jié)構(gòu)框圖

人體采集的心電信號通常僅為0.05～5 mV，容易受外界環(huán)境的影響，為了增強(qiáng)心電信號中的有效成分，采用屏蔽保護(hù)電路進(jìn)行抑制干擾信號[5]。采集的心電信號經(jīng)過前置放大器進(jìn)行初步放大送到0.03～100 Hz帶通濾波器，并通過陷波器消除50 Hz的工頻信號和35 Hz的肌電信號，再通過主放大器進(jìn)行放大，通過模擬數(shù)字(analog digital，AD)轉(zhuǎn)換得出光滑的心電波形[6]。

2.2 血氧采集模塊設(shè)計(jì)

血壓采集信號采用脈搏血氧測定法，根據(jù)血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對紅光和紅外光的吸收光譜不同，監(jiān)測血液對紅外光吸收量的變化，測量氧合血紅蛋白占全部血紅蛋白的百分比，從而得出血氧飽和度。血氧探頭的一側(cè)封裝2個(gè)發(fā)光二極管，一個(gè)發(fā)出660 nm的紅光，另一個(gè)發(fā)射940 nm的紅外光；另一側(cè)封裝一個(gè)光電檢測器，將檢測到的透過手指動(dòng)脈血管的紅光和紅外光轉(zhuǎn)換成電信號。由于動(dòng)脈血流中的氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白濃度隨著血液的動(dòng)脈周期性的變化，從而引起光電檢測器輸出的信號強(qiáng)度隨之周期性變化，這些周期性變化的信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后由STM32數(shù)據(jù)處理，就可測出對應(yīng)的血氧飽和度，同時(shí)也計(jì)算出脈率[7]。

2.3 體溫采集模塊設(shè)計(jì)

溫度采集模塊采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻作為溫度傳感器，其阻抗隨著溫度的變化而變化，將阻抗大小轉(zhuǎn)換為電平信號，再通過AD轉(zhuǎn)換，由STM32計(jì)算出體溫的大小。

2.4 血壓采集模塊設(shè)計(jì)

血壓采集信號采用震蕩測量法，其原理采用血壓袖帶充氣后達(dá)到一定壓力后完全阻斷動(dòng)脈血流，又隨著壓力的減少，動(dòng)脈血流將呈現(xiàn)完全阻閉逐漸開放到完全開放，動(dòng)脈血管壁的脈搏將在血壓袖帶內(nèi)產(chǎn)生壓力震蕩信號，通過壓力傳感器采集信號，經(jīng)過放大器放大和AD轉(zhuǎn)換后由STM32數(shù)據(jù)處理[8]。在血壓測量過程中，主要測量收縮壓、平均壓及舒張壓，其血壓震蕩信號示意如圖4所示。

圖4 血壓震蕩信號示意圖

3 可穿戴式生命體征采集模塊的外圍電路設(shè)計(jì)

可穿戴式生命體征采集模塊采用12 V、2000 mAh的鋰電池供電，可采用輸出5 V變壓器或者USB接口進(jìn)行充電；采集到的生命體征信號可以顯示在液晶屏上，也可以通過無線傳輸模塊傳輸?shù)街醒氡O(jiān)測站上；各參數(shù)可以通過按鍵設(shè)定報(bào)警值，當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超出報(bào)警值時(shí)發(fā)出報(bào)警聲以提示患者參數(shù)異常[9]。

3.1 無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的無線傳輸模塊為NRF24L01，工作頻段為2.4～2.5 GHz，供電電壓為1.9～3.6 V，其極低的電流消耗，在發(fā)射模式下消耗電流僅9.0 mA，待機(jī)模式下僅為2.0 mA；其最大的傳輸速度為2 Mbps，可以實(shí)時(shí)將監(jiān)測的數(shù)據(jù)輸出到中央監(jiān)測站上[10]。在電路設(shè)計(jì)上，NRF24L01的VCC接電壓3.3 V；NRF_ CEN/RF_CS/NRF_IRQ連接在STM32的PG6/PG7/ PG8上，SPI2_SCK/SPI2_MOSI/SPI2_MISO則分別連接在STM32的PB13/PB15/PB14上，其電路如圖5所示。

圖5 無線傳輸模塊電路圖

3.2 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)顯示模塊采用液晶顯示器將監(jiān)測數(shù)據(jù)直接顯示出來，其數(shù)據(jù)傳輸通過FSMC D0～FSMC D15與STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；T_MISO/T_MOSI/T_PEN/ T_CS/T_CS用來實(shí)現(xiàn)對液晶觸摸屏的控制；LCD_ BL則控制LCD的背光；液晶復(fù)位信號RESET則是直接連接在開發(fā)板的復(fù)位按鈕上，和STM32共用一個(gè)復(fù)位電路，其電路如圖6所示[11]。

圖6 顯示模塊電路圖

3.3 控制模塊電路和報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可以通過按鍵設(shè)置各參數(shù)的報(bào)警值，用于監(jiān)測生命體征信號的異常。在電路中，KEY0、KEY1和KEY2用作普通按鍵輸入，分別連接在PE4、PE3和PE2上。WK_UP按鍵連接到PA0(STM32的WKUP引腳)，除了可以用作普通輸入按鍵外，還可以用作STM32的喚醒輸入，其電路如圖7所示[12]。

報(bào)警模塊電路采用2～5 kHz的震蕩電路驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，采用Q1放大電流，R60則是一個(gè)下拉電阻，避免MCU復(fù)位的時(shí)候，蜂鳴器可能發(fā)聲的現(xiàn)象，其電路如圖8所示[13]。

圖7 按鍵控制模塊電路圖

圖8 報(bào)警模塊電路圖

4 臨床應(yīng)用

4.1 應(yīng)用方法

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)操作簡單，使用方便。在使用過程中，患者將監(jiān)測主機(jī)直接穿戴在腰間，連接監(jiān)測連接線，如心電導(dǎo)聯(lián)線、血氧探頭、膚溫探頭以及血壓袖帶等，并打開模塊監(jiān)測功能，進(jìn)而完成監(jiān)測功能。本系統(tǒng)還具備WiFi傳輸功能，患者如果需要將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)測站，可以打開WiFi功能，實(shí)現(xiàn)無線傳輸。

4.2 應(yīng)用效果

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)用于患者在運(yùn)動(dòng)過程中心電、血氧、血壓以及體溫等生命體征信號監(jiān)測時(shí)，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，而且可以通過無線傳輸模塊將監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)街醒氡O(jiān)測站，不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測患者的體征狀況，也實(shí)現(xiàn)了患者在運(yùn)動(dòng)過程中的監(jiān)測，能夠及時(shí)了解患者是否疲勞、寒冷及恐懼等不良狀態(tài)，為醫(yī)務(wù)人員制定治療方案和手術(shù)決策等提供科學(xué)依據(jù)[14]。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)針對目前大部分生命體征監(jiān)測系統(tǒng)無法穿戴和無線傳輸?shù)裙δ?，?dǎo)致一些患者無法在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)生命體征的監(jiān)測、無法了解患者生命體征參數(shù)變化的趨勢等問題，設(shè)計(jì)一款無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可穿戴式和無線傳輸。整個(gè)系統(tǒng)低功耗、使用方便、穩(wěn)定性高、便于攜帶，可以提高醫(yī)療救治的有效性和準(zhǔn)確性[15]。

參考文獻(xiàn)

[1]熊友生，徐祖銘，崔寶善，等.利用無線網(wǎng)絡(luò)生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)提高干部健康水平[J].解放軍醫(yī)院管理雜志，2010，17(8)：773-775.

[2]黃琴紅，黃云娟，曹燕，等.無線生命體征動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)ICU危重患者中的應(yīng)用[J].中華現(xiàn)代護(hù)理雜志，2012，18(9)：1082-1085.

[3]李強(qiáng)，郭興，王春山.基于ZigBee PRO的低功耗遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2012，27(2)：28-31.

[4]李結(jié)松.基于ZigBee技術(shù)的生命體征監(jiān)測報(bào)警裝置[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2012，33(6)：21-22，27.

[5]鄭捷文，張廣，錢紹文，等.戰(zhàn)傷無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2012，33(10)：10-11，23.

[6]袁慧穎，翁盛鑫，羅晶，等.基于ZigBee的無線護(hù)理監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2013，28(5)：40-41，69.

[7]費(fèi)軍，潘曉東.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中央監(jiān)護(hù)定位系統(tǒng)研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34(12)：37-39.

[8]謝泰，劉曉榮，沙琨，等.基于無線射頻技術(shù)的體征監(jiān)測儀研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34(6)：4-6.

[9]劉宇靜，王泉清，李宏毅，等.智能心律監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2013，10(8)：55-57.

[10]安強(qiáng)，呂昊，李釗，等.搜救生物雷達(dá)生命體征監(jiān)測的PDA實(shí)現(xiàn)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35(7)：1-4.

[11]吳波，王丹，張春霞.基于云平臺(tái)的體溫測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2015，12(4)：68-70，71.

[12]徐雷，陳敏亞.可穿戴醫(yī)療設(shè)備在醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué)，2015，5(2)：23-24，35.

[13]杜娟，董丹，李強(qiáng)，等.醫(yī)院環(huán)境下穿戴式實(shí)時(shí)跟蹤護(hù)理監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國醫(yī)療管理科學(xué)，2015，5(7)：58-60.

[14]李峰.遠(yuǎn)程智能心率監(jiān)測儀的研制[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2014，11(8)：61-62.

[15]蘇東東，劉娜，郭赤，等.生命體征監(jiān)測傳感器在血液凈化設(shè)備中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2014，11(6)：62-64.

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

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.09.003

2016-10-25

①解放軍第174醫(yī)院(廈門大學(xué)附屬成功醫(yī)院)醫(yī)學(xué)工程科 福建 廈門 361003

②廈門市海滄醫(yī)院設(shè)備科 福建 廈門 361003

*通訊作者：herehere2012@163.com

許新建,男,(1986- ),本科學(xué)歷，助理工程師。解放軍第174醫(yī)院(廈門大學(xué)附屬成功醫(yī)院)醫(yī)學(xué)工程科，從事醫(yī)療設(shè)備的維修和質(zhì)量控制方面的研究工作。