可穿戴的生理監測系統設計

張金榜,吳榮春,何 騫,于曉琳

(武警警官學院 信息工程系，四川 成都 610213)

1 系統組成及工作原理

圖1 系統組成框圖

生理監測系統由生理信息采集與處理模塊、無線收發模塊和數據監測與顯示模塊3大部分組成，系統整體組成框圖如圖1所示。各模塊之間相互聯系，協同工作，其工作原理是：生理信息采集與處理模塊主要監測被測人員的心電、呼吸、體溫等生理參數；采集后的數據經過預處理和數據融合，再通過無線收發模塊發送到數據監測和顯示模塊；數據監測和顯示模塊可對數據進行分析、處理、顯示、存儲和回放，并在出現異常情況時報警提示。

2 系統各模塊設計

2.1 處理器模塊設計

處理器模塊是整個系統的核心。從系統的應用領域、性能指標、開發條件和成本以及系統的可靠性、體積和功耗等方面綜合考慮后，選用TI公司的CC2530芯片作為系統的核心處理模塊。CC2530集成了微處理器、存儲器和射頻模塊，具有高集成度、低功耗、小體積、低成本以及接口豐富等特點，可外接多種傳感器采集數據，需要極少的外部元件就能實現射頻功能，減小了系統體積，降低了設備費用[3]。CC2530選用32 kHz的主晶振和32.768 kHz的可選晶振來維持電路正常工作[4]。

2.2 生理信息采集與處理模塊設計

生理信息采集與處理模塊由多種生理傳感器和信號處理單元組成。生理傳感器與身體直接接觸，負責心電、呼吸和體溫等生理參數的采集，將微弱抽象的生理信息轉換為電信號；信號處理單元對采集后的電信號進行放大、濾波和A/D轉換等預處理，便于數據的無線傳輸，提高抗干擾能力。

2.2.1 心電模塊

心電模塊由電極采集、前置放大、屏蔽驅動、右腿驅動、低高通濾波、50 Hz工頻陷波、二級放大和電平抬升8部分組成[5]，如圖2所示。其工作原理是：電極從體表拾取心電信號，通過高輸入阻抗、高共模抑制比的前置放大電路進行初步放大，抑制零點漂移，減少共模信號干擾；右腿驅動電路進一步提高信號的采集質量并保證系統的安全性；屏蔽驅動電路用來提高整個電路的抗共模干擾能力；低高通濾波電路主要濾除心電信號頻率(0.05 Hz～100 Hz)外的干擾；50 Hz工頻陷波電路用來消除市電電網50 Hz正弦波形上疊加的尖峰脈沖信號的干擾；二級放大電路實現心電信號進一步放大；電平抬升電路用于將心電信號中的負電壓變為正電壓，符合隨后A/D轉換的電壓輸入范圍；A/D轉換可實現模擬心電信號到數字信號的轉變。

圖2 心電采集放大電路框圖

2.2.2 呼吸模塊

呼吸模塊主要由激勵源電路、前置放大電路、檢波整流電路和濾波放大電路組成，如圖3所示。工作原理是：激勵源電路產生頻率為62.5 kHz、幅值為2 mA的恒流激勵信號，通過心電電極將恒流激勵信號輸入人體，周期性呼吸運動產生的阻抗變化反映在兩電極之間的電壓變化上，檢測電壓信號，并經過前置放大完成初步放大，利用檢波整流電路提取有用信號，再通過濾波電路濾除多余頻段信號，最后經過放大得到呼吸信號。

夜雨觀瀾：歐元區11月制造業P MI表明，歐洲制造業擴張速度放緩，歐洲經濟整體增速已經過了繁榮頂點而有所下行。主要原因或因為原材料的上漲導致制造業成本上升。且美國對歐盟加征關稅的負面影響已開始顯現。目前，整體歐元區景氣度下行。預計未來推出的購債計劃對經濟的刺激作用整體有限，歐元指數面臨下行壓力。美國I S M制造業指數大幅高于預期，顯示美國經濟活動持續擴張。預計2019年美國加息至多3次，美國經濟2019年上半年仍能保持較好的增長勢頭。

2.2.3 體溫模塊

通過對比分析常用的數字溫度傳感器MAX6575、MAX6635、DS1722、DS18B20等,本文選用 DS18B20來實現溫度采集。DS18B20具有精度高、分辨率可調、溫度轉換時間短、單線接口、使用方便的特點[6]。本文采取外接電源的供電方式，并采用3點測溫，取平均值作為測量體溫,從而避免了因單個傳感器損壞而造成的數據無效。

2.2.4 體動模塊

體動的測量一般選用震動傳感器和三維加速度傳感器。本文采用三維加速度傳感器MMA7260QT實現體動信息的采集，該傳感器具有體積小、功耗低、散熱性好的特點,能夠監測x、y、z 3個方向上的運動[7]。MMA7260QT加速度傳感器的硬件電路極其簡單，通過引腳1、2切換睡眠模式和設置靈敏度。本設計通過引腳1、2懸空來保證靈敏度,并在ADC之間增加阻容濾波電路。

2.3 無線收發模塊設計

無線收發模塊負責發送和接收預處理后的生理信息及系統指令，該功能是由處理器模塊中的射頻部分負責完成(CC2530集成了RF模塊)。

2.4 數據監測和顯示模塊設計

數據監測和顯示模塊主要由計算機和監測軟件組成。計算機通過串口通信的方式接收無線收發模塊傳輸的生理信息，實時、動態、直觀地顯示波形。

3 系統網絡拓撲結構

本系統的網絡拓撲結構如圖4所示。本系統硬件主要由監控中心、網絡協調器和復合感知節點構成。系統設計了以監控計算機為中心、網絡協調器為基礎、多個復合感知節點共同構成的穩定可靠、結構簡單的星型網絡。各復合感知節點負責采集監測被監護人員的心電、呼吸、體溫等生理信號，并將采集到的信號分時發送到網絡協調器；網絡協調器負責協調各復合感知節點之間的同步工作，并將接收到的數據通過串口傳輸到監控中心的計算機上進行數據通信、處理和顯示。

圖4 網絡拓撲結構

4 系統測試

4.1 系統功能測試

(1)生理信息的監測和顯示測試

表1 測試數據

測試方法：將復合感知節點緊貼被測人員衣物內側固定，使電極和傳感器接觸身體；打開系統開關，運行監測軟件；查看監控中心計算機上是否顯示采集到的生理信號的波形。

測試結果：系統運行正常，可實時、連續監測被測者生理信息，如圖5所示。

圖5 生理信息的監測和顯示測試結果

(2)系統準確性測試

為驗證系統監測數據的準確性，使用該系統和專業醫用監測儀對5名青年男性和5名青年女性的生理參數進行監測，測試環境在操場，被測者均處于靜止狀態，測試數據如表1所示。

(3)系統動態測試

測試環境在操場，被測者處于慢跑狀態時，繼續監測生理狀況，顯示結果如圖6所示。

圖6 動態監測結果

4.2 系統性能測試

(1)系統功耗測試

測試方法：采用伏安法測量，在復合感知節點正常工作時用數字萬用表的電壓檔測量出復合感知節點兩端的電壓，用數字萬用表的電流檔測量出復合感知節點的電流，根據公式：P=UI，將所測電壓和電流相乘即可計算出功耗。

測試結果：系統功耗為240 mW。

(2)無線通信距離測試

測試方法：通信距離的測試環境是在室外，空曠無障礙，由一名被測者佩戴復合感知節點進行測試。

測試結果：無障礙條件下無線通信距離為150 m。

測試結果表明，系統運行穩定，安全可靠，可實時、連續地監測被測者生理狀況，并能動態、直觀地顯示波形數據，達到了預期設計目標，具有成本低、功耗小、便攜性好、功能豐富、抗干擾能力強等特點，可廣泛地應用于家庭醫療監護及遠程護理的領域。

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[2]滕曉菲,張元亭.移動醫療:穿戴式醫療儀器的發展趨勢[J].中國醫療器械雜志,2006,30(5):29-31.

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