基于海訓救護系統的移動監護子系統數據采集部分的研制

蘇秋玲，洪范宗，董少良，羅奕中，徐金榮

中國人民解放軍第一八零醫院 醫學工程科，福建 泉州 362000

0 前言

多參數監護系統可以對患者多種生理參數包括心電（ECG）、有創血壓（IBP）、無創血壓（NBP）、體溫（TEMP）、血氧飽和度（SPO2）、呼吸（RESP）等進行連續、長時、自動、實時的監測及各參數的異常報警、記錄、存儲及結果判斷等，臨床應用廣泛[1-4]，便于醫護人員及時發現患者隱藏的病情變化，是必要的護理和急救設備。目前，國內使用的多參數監護系統主要分為3類：基于PC機的監護系統、微型和便攜式監護儀、采用嵌入式系統的監護儀，其中采用嵌入式系統的監護儀相對體積小、功耗低、可靠性高、實時性強，是目前市場發展的趨勢[5]。

隨著部隊武器裝備的發展、戰法的創新，海軍迫切需要進行以任務為向導、貼近實戰的海上軍事訓練，而完成好海上訓練的救護任務，為訓練中的戰士的生命安全提供保障，是衛勤機構的重要職責。為此，通過探討海上救護的困難，根據主動定位求救和及時救護的需求構建了海訓救護系統[6-7]。

本文主要研究海訓救護系統中的移動監護子系統的研制，重點研究以STM32F103ZET6嵌入式微控制器為核心的參數控制部分，以實現對訓練全過程中海軍戰士重要生理參數的監測，為制定合理的訓練計劃提供依據；同時可進行生理參數異常報警，以保證救護的及時性。

1 移動監護子系統總體設計

海訓救護系統中的移動監護子系統包括主板控制和數據采集控制兩部分，其中主板部分用于實現無線通信控制，數據采集部分用于實現重要生理參數的采集。系統框圖，見圖1。

圖1 移動監護子系統框圖

系統可以集生理參數信息，并將信息通過無線網絡傳輸至岸基醫院或救護艇；可以提供GPS信號定位，可以對溺水等海訓中的異常情況進行主動定位報警；后續還可以建立戰士生理數據庫，為進一步分析戰士生理、心理變化狀況，完善訓練方案提供依據。其中，數據采集部分可以集成到監護設備中，通過STM32F103ZET6嵌入式微控制器控制多個參數功能模塊，配合信號采集的各個閥門與氣泵、輸入主板及監控端軟件，完成對ECG、RESP、TEMP、NBP、SPO2、IBP等生理參數的采集與監測。STM32F103ZET6是基于ARM核心的32位帶512 K字節閃存的微控制器[8]，具有高集成度、高可靠性、高性能、低成本、低功耗、小體積等特點，有多達112個快速I/O端口，是移動監護最優配置的可靠選擇。根據電生理參數的強抗干擾需求，系統進行了多電源及隔離電路處理設計。主板控制無線通信模塊接收數據采集板采集到的信息，并完成數據到監控終端的無線傳輸。數據采集板與處理控制板之間通過串口通訊完成數據的傳遞。

2 數據采集部分硬件電路實現

數據采集部分可完成ECG、SPO2、TEMP、IBP等的監測及12Vdc(TTL/RS232)控制，可通過JTAG接口完成PC機與數據采集板的程序讀寫。其中，NBP為氣管接口，IBP、TEMP為可選模塊；閥和泵均采用插座樣式；DC電路可完成隔離電源模塊與串口通信處理電路的電源轉換。數據采集部分電路原理圖，見圖2。

圖2 數據采集部分電路原理圖

2.1 參數采集

參數采集具體由STM32F103ZET6芯片實現。其8、9引腳和23、24引腳采用可控硅，起調壓作用。可控硅在交流電路中起開關作用，隨著被觸發的時間不同，通過它的電流就只有一個交流周期的一部分，從而使得通過它的電壓只有全電壓的一部分，以此調節輸出電壓；各IO端口編程實現控制功能，電路原理圖見圖3。其中A端口用于串口、CPU等接口的控制；B端口用于接口的輸入輸出控制；C端口用于ECG信號處理；D、G端口用于處理SPO2、INBP、TEMP信號；E端口可同時提供各檢測信號的驅動選擇處理；F端口用于TEMP信號的獲取及ECG導聯的選擇。

圖3 數據采集部分核心控制電路原理圖

2.1.1 ECG電路

ECG電路完成對人體ECG信號的處理。信號經過輸入電路、緩沖放大電路、右腿驅動電路、后級放大電路等之后，經過模數（A/D）轉換，轉換為數字信號；由CPU進一步處理形成心電波形。起搏脈沖經過起搏檢測電路，通過中斷信號通知CPU。

2.1.2 RESP電路

RESP電路由信號調制電路、檢波放大電路、濾波放大電路和電平平移電路組成。振蕩電路產生的載波信號加到RA-LL導聯上后，形成調幅放大的正弦信號；經過小信號檢波放大后，再進行濾波放大，形成呼吸波信號送到A/D進行采樣。

2.1.3 TEMP電路

TEMP電路由開關控制電路、放大電路、濾波電路和探頭脫落檢測電路組成。模擬開關在CPU的控制下，可選擇溫度傳感器，采集的信號經過放大、濾波后送到A/D進行采樣。

2.1.4 SPO2電路

SPO2電路由恒流源驅動電路、D/A轉換電路、紅光/紅外光開關電路、放大電路、平移電路組成。CPU通過D/A轉換器和恒流源來控制發光二極管的發光強度和時間，以一定頻率輪詢地照射手指，此時，因血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）對紅光與紅外光的吸收率不同，其透射光強度也不同，HbO2和Hb的比例信息將會以脈沖幅度調制的方式轉換為電信號；CPU根據采樣得到的紅光和紅外光數據，控制紅光/紅外光驅動電流的大小以控制發光強度，并調節平移電路的電壓，使紅光/紅外光的數據保持在一個合適的范圍內。

2.1.5 NBP電路

NBP電路由傳感器驅動電路、差分放大電路、放大平移電路和過壓保護電路組成。傳感器的輸出信號經過差分放大器的放大后輸出袖帶壓信號；經過隔直電容及放大平移后，輸出脈搏波信號。過壓保護電路檢測到壓力超范圍時，通過中斷信號通知CPU。

2.1.6 IBP電路

IBP電路由濾波放大電路、通道切換開關電路組成。傳感器的信號經過放大后形成壓力信號送到A/D芯片，CPU通過開關控制2通道IBP壓力信號的測量。

2.2 數字電路

數字電路的CPU是核心控制部分，由它分時對各個功能模塊進行控制、管理、數據采樣、數據分析及把相關計算結果通知給上位機。數字電路部分還有SRAM、EEPROM等芯片，主要是用于執行程序及數據存儲。

3 數據采集板集成

（1）注意事項。為了減少數據采集板受到污染的可能性，必須在清潔的環境中進行安裝；安裝和使用數據采集板過程中必須進行靜電防護，防止數據采集板受到靜電損壞。

（2）機械安裝說明。本板的機械尺寸設計為：120 mm×100 mm×25 mm。為了達到電氣安全的要求，板的四周和底面要留出5 mm的空間，頂面要留出10 mm的空間，即安裝空間水平方向為：125 mm×105 mm，垂直方向為40 mm。隔離區的定位柱及定位螺釘最好用非金屬材料，若用金屬螺釘，則要保證螺釘與隔離區的最小間隔＞5 mm，否則就達不到電氣安全的要求。

4 功能測試

數據采集部分可以實時提供2道ECG波形、1道SPO2波形、1道RESP波形和2道IBP波形數據。通過分析計算，可以提供心率（HR）、SPO2、IBP、NBP等生理參數。

4.1 通訊測試

在確認數據采集板已經正確安裝和連接后，將數據采集板通過串口和PC機進行通訊，將TTL/RS232接口和PC機串口連接好，啟動測試軟件，選擇連接的串口，給數據采集板供電。如果在測試軟件上看到6道（配有IBP）或4道（沒有IBP）刷新的波形則說明通訊正常。

4.2 ECG/RESP功能測試

（1）測試工具。人體生理信號模擬器。

（2）測試步驟。① 用測量電纜將模擬器同數據采集板ECG插座相連；② 確定ECG波及RESP波正常顯示；③ 設定模擬器參數值為：HR=30，RR=15；④ 檢查顯示的ECG、RESP波形以及HR、RR值是否正確；⑤ 改變模擬器的配置：HR=240，RR=120；⑥ 檢查 ECG、RESP波及HR、RR值是否同模擬器設定的參數值一致；⑦ 使ECG導聯脫落，數據采集板應立即報告導聯脫落。

4.3 NBP漏氣檢測

（1）測試工具。模擬手臂。

（2）測試步驟。① 將袖帶與模塊的外接氣孔連接好；② 把袖帶纏在適當大小的模擬手臂上；③ 啟動測試軟件，選擇漏氣檢測命令；④ 模塊會自動充氣到壓力為180 mmHg；⑤ 大約20 s之后，系統會自動打開放氣閥，標識漏氣測量完成；⑥ 如果在NBP參數區沒有提示信息，則表示系統不存在漏氣現象；如果顯示“泵漏氣”，說明氣路可能存在漏氣故障。此時應檢查整個連接是否有松動，當確認連接無誤后，再重新進行一次漏氣檢測。如果仍有故障提示出現，請與廠家聯系，進行維修。

4.4 SPO2功能測試

（1）測試工具。SPO2模擬器。

（2）測試步驟。① 將SPO2模擬器通過SPO2探頭同數據采集板SPO2相接；② 設定SPO2模擬器參數值：SPO2=98，PR=70；③ 檢查數據采集板SPO2及PR的顯示值是否同模擬器一致；④ 改變SPO2模擬器SPO2及PR的設定值；⑤ 檢查模塊的顯示值是否與設定值一致；⑥ 使 SPO2探頭脫落，數據采集板應立即報告探頭脫落。

4.5 測試結果

數據采集板通過JTAG接口與PC機連接，各項參數功能均能正常運行。

5 結語

移動監護子系統數據采集部分以STM32F103ZET6嵌入式微控制器為核心，可以監測海訓中戰士的重要生理參數，為制定合理的訓練計劃提供依據，同時可以進行生理參數異常的報警，保證救護的及時性；具有高性能、低功耗等特點，可以很方便地移植到監護儀中，具有良好的實用價值。

[1]陳武忠.阻抗呼吸監測系統在多參數監護儀中的應用[J].中國醫療設備,2013,28(3):118-121.

[2]賀翠娟.基于遠程醫療的多參數監護系統中的血壓監測系統設計[D].北京:北京郵電大學,2012.

[3]王平,汪金剛,何為,等.基于遠程多參數的嵌入式監護系統研究[J].計算機仿真,2006,23(7):223-227.

[4]余波,何為,王平,等.基于嵌入式系統的遠程多參數監護系統[J].計算機工程,2008,34(6):252-254.

[5]文軍,何為,王平,等.基于嵌入式系統的便攜式多參數監護儀的研究[J].電子技術應用,2009,(11):71-75.

[6]洪范宗,蘇秋玲.海上訓練救護存在的困難及對策[J].醫療衛生裝備,2011,32(11):112,114.

[7]洪范宗,蘇秋玲,羅奕中,等.基于嵌入式的海上訓練救護系統研制[J].醫療衛生裝備,2011,32(8):14-16.

[8]路保虎.基于STM32F103ZET6的動力電池管理系統設計[D].南京:南京理工大學,2013.