生理參數監測和遠程監護系統的研究

艾紅 張素凱

摘 要： 文中闡述遠程監護系統總體方案，描述遠程監護系統節點結構圖和節點組網功能。說明血壓測量站點設計、血壓測量模塊命令和血壓測量流程圖，并進行血氧測量站點和心電測量站點設計。以S5PV210為核心的Tiny210嵌入式平臺，采用Linux操作系統，基于Qt Creator 軟件進行遠程監護系統界面設計。將測量的生理數據顯示在界面上。ZigBee網絡能夠接收并傳遞測量的生理數據，監護平臺的圖形界面能夠正常顯示接收的生理數據，實現對心電數據的實時曲線的繪制，并且能夠實現數據的存儲和遠程通信的功能。

關鍵詞： 血壓測量； 心電圖； ZigBee網絡； 遠程通信； 嵌入式系統

中圖分類號： TN926?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0150?05

Study on physiological parameter monitoring and remote monitoring system

AI Hong， ZHANG Sukai

（Automation Institute， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： The overall scheme of the remote monitoring system （RMS） is expounded in this paper. The node structure diagram and node networking function of RMS are described. The design of blood pressure measurement station， command of blood pressure measurement module and flowchart of blood pressure measurement are illustrated. And the blood oxygen saturation measurement station and electrocardiograph （ECG） measurement station are designed. The S5PV210 is taken as the core of Tiny210 embedded platform， in which Linux operating system is adopted. The RMS interface is designed by means of Qt Creator. The measured physiological data is displayed in the interface， and can be received and transfered by ZigBee network. The graphical interface on the monitoring platform can display the received physiological data normally， realize the real?time curve drawing of ECG data， and achieve the functions of data storage and remote communication.

Keywords： blood pressure measurement； electrocardiograph； ZigBee network； remote communication； embedded system

0 引 言

生理參數監測在遠程監護系統中作為遠程醫療的重要組成部分，用于實現患者生理數據的采集和實時傳輸。近年來，生物醫學傳感器和監護終端趨向小型化和便攜化，與無線遠程傳輸網絡結合起來，使患者可以在一定范圍內自由移動，而不必受監護裝置的限制。國內外關于遠程監護的研究主要集中在幾個方面，圍繞傳感器設計和遠程通信等技術問題，圍繞特定疾病的遠程醫療方案及其臨床評價；包括便攜式、低功耗的傳感器節點設計，傳感器節點的軟硬件平臺體系結構研究和基于網絡的遠程通信方法等問題。可以通過對特定慢性病實施常規遠程監護有效降低患者的再入院率。利用網絡和傳感器技術實現醫學信息的測量和遠程傳輸，供醫院的專家進行遠程診斷，也可以用于動態跟蹤病態發展。遠程監護的無線傳感器節點主要用于采集人體生理指標，并通過一定方式將數據傳輸到監護平臺。本地終端程序完成對數據的采集并無線傳送，主控監護平臺接收數據并實時顯示。應用程序通過發送AT指令使數據發往遠程終端。

本文的特點是應用無線網絡，基于ZigBee傳送血壓和血氧參數，并基于WiFi傳送心電信號，在嵌入式系統平臺上可以顯示出各個參數和相應曲線。采集的血壓模塊，心電模塊，血氧飽和度等參數通過串口與ARM處理器連接。再通過GPRS模塊發送到手機上。可對遠端患者的主要生理參數，如心電、血壓、血氧飽和度等進行監測。適合自理能力較差的老年人，可以脫離監護人員的視線自由活動。

1 遠程監護系統總體方案設計

遠程監護系統主要由ZigBee網絡、主控監護平臺和遠程通信三部分組成。ZigBee網絡的功能是完成各個生理數據的采集，將數據發送到主控監護平臺，在主控監護平臺的界面中顯示出來，并存儲到數據庫中，主控監護平臺通過對GPRS模塊進行AT指令控制，將測量的生理數據傳送到遠程終端。系統框圖如圖1所示。

圖1 遠程監護系統框圖

系統選用ZigBee技術作為主要的短距離數據傳輸技術，ZigBee傳輸數據可靠性高、容易實現、功耗低、成本低，對于實時傳輸大量數據，則可能會出現傳輸速率低，存在遲滯延時的問題。系統設計中的心電數據以實時數據包形式發送，要求顯示實時數據曲線，因此加入WiFi技術，WiFi傳輸數據速度快，可靠性高，靈活性以及無線覆蓋范圍廣，但功耗較大使用成本較高。為節約成本，只使用WiFi技術傳輸心電數據。因此本設計采用兩種短距離無線傳輸技術，根據采集到的不同信號特點選擇傳輸方式，能夠使傳輸數據更加安全、可靠，也能夠降低成本。系統的主控監護平臺以S5PV210為核心，采用Linux操作系統。與PC機比較，嵌入式系統的優點可以概括為體積小、成本低、可靠性高、穩定性好及功耗低等，嵌入式Linux源代碼開放、系統內核可裁剪、內核網絡結構完整，所以選擇它作為操作系統。監護平臺的界面程序是基于Qt/Embedded設計開發的，Qt/Embedded開源免費，采用Qt/Embedded開發工具，能夠使在PC機上開發的應用程序在稍加修改的情況下就能夠運行在基于Qt/Embedded的嵌入式平臺上，應用程序具有高度的可移植性。系統的遠程通信部分采用GPRS遠程傳輸技術，GPRS技術具有傳輸速率高、覆蓋范圍廣、操作簡單等特點，在遠程數據傳輸中具有獨特的優勢，只需要對GPRS模塊進行相應的指令控制就能夠實現遠程通信。

2 血壓測量站點設計

2.1 血壓測量模塊常用指令

血壓測量站點由血壓測量板和血壓傳感器兩部分組成，血壓測量模塊為SUPER NIBP 200A，支持成人、小兒、新生兒三種病人模式，測量范圍寬。SUPER NIBP 200A通過串口與微處理器通信，接收外部命令，完成相應操作，返回系統狀態和相應數據。數據格式為起始位+8位數據位+1位停止位，波特率設為4 800 b/s。

SUPER NIBP 200A的當前狀態可由微處理器通過相應的指令進行控制。

微處理器向傳感器發送的命令格式為：

ab；；cd

其中：為ASCII碼的正文起始標志，其值為02；ab為命令代碼對應的ASCII碼值；符號；為“；”對應的ASCII碼值；cd為2位十六進制校驗和對應的 ASCII 碼值，校驗和是此前各位數值之和的低8位，不包括； 為ASCII碼的正文結束標志，其值為03。在程序中定義一個結構體，用于存放微處理器發送的指令格式。

SUPER NIBP 200A模塊測量方式有自動測量、手動測量和連續測量等，自動測量方式又可以按照周期不同進行細致劃分，可設置47條指令用于控制SUPER NIBP 200A的模塊功能。部分指令如表1所示。

2.2 血壓測量流程圖

血壓測量站點的應用層主要完成血壓數據的采集，通過對血壓測量模塊通信協議和指令的分析，實現血壓數據的采集。血壓測量流程圖如圖2所示。

血壓測量站點實物圖如圖3所示。

2.3 血氧測量站點設計

血氧測量站點由血氧測量板和血氧傳感器兩部分組成，實物圖如圖4所示。

血氧飽和度SPO2，即血液中血氧的濃度，是血液中被氧結合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結合的血紅蛋白容量的百分比，是反映血液循環系統和呼吸循環的重要參數之一。SPO2監測是一種無創性技術通過測量所選光波波長的吸收來測定氧合血紅蛋白及脈率。測量的具體方法是將指尖部位插入在指套式傳感器，使其位于兩個發光管和一個光探測器之間，測量時兩個發光管交替發光，光探測器接收透射光信號，獲取脈搏波然后通過數字處理，根據血氧飽和度的測量模型計算血氧飽和度。

血氧板能夠提供快速準確的血氧飽和度和脈率的測量。血氧板通過串口與微處理器通信，數據格式為起始位+8位數據位+1位停止位，波特率設為4 800 b/s。血氧板將測量的數據以數據包的形式發送給微處理器，數據包為5 B格式，每秒鐘發送60個包。程序設計中定義一個結構體，用來存放血氧板發送的數據包，血氧板可以測量的生理數據有脈率和動脈血氧飽和度等。

2.4 心電測量站點設計

心電測量板集成了ZigBee模塊CC2530、WiFi模塊和心電測量模塊Mini8001等，ZigBee模塊實現加入ZigBee協調器創建的網絡。由于心電測量的數據要求實時顯示，數據包大，ZigBee已經滿足不了需求，采用WiFi模塊進行心電數據的傳輸。心電測量模塊主要是用來測量心電數據。模擬心電信號發生器產生模擬人體心電動態信號，順序產生P波、RS波、T波等正常人的連續心電信號。

2.4.1 心電測量原理

心電監護是檢測和預防心律失常的重要手段。心律失常是一種極其常見而又非常重要的心電活動異常狀態，常見的綜合癥狀有血液循環失常、心動過緩、心動過速等，嚴重的甚至會猝死。心電圖指的是心臟在每個心動周期中，由起搏點、心房、心室相繼興奮，伴隨著心電圖生物電的變化，通過心電描記器從體表引出多種形式的電位變化圖形（ECG），心臟有節奏的收縮和舒張，使心肌產生的電激動沿著特殊的傳導系統下傳，產生一系列的電生理變化，通過在體表放置兩個電極，獲取這些電信號，兩點電極之間的電位差，形成一條連續的曲線，這條連續的曲線就是ECG。一個完整的 ECG 波反映了心臟跳動不同階段的狀態，一般有由P波、QRS 綜合波、T波和U波組成。

2.4.2 心電測量模塊

系統采用Mini8001心電測量模塊通過異步串行通信與微處理器進行通信，數據格式為起始位+8位數據位+1位停止位，波特率設為57 600 b/s。發送數據包格式如表2所示。

表2 數據包格式

基本格式說明：

（1） 01H是包開始標志，之后的是數據字節，都大于0x80。

（2） 高位字節包含了后面字節的最高位bit7，Bit0是ECG的bit7，Bit1是心率低字節的bit7，Bit2是心率高字節的bit7，Bit3是心率STATUS的bit7，Bit4～Bit6沒有使用，Bit7固定是1。

（3） ECG心率低字節、心率高字節，它們的Bit7固定為1，數據的bit7在高位字節中：

心率 = 心率高字節[×]256 +心率低字節

在程序中定義一個結構體用來存儲心電測量模塊測量的數據。

typedef struct ECGReceivePacket{

unsigned char ucHead；

unsigned char ucHighByte；

unsigned char ucECG；

unsigned char ucHeartRateLowByte；

unsigned char ucHeartRateHighByte；

unsigned char ucStatus；

}ECGReceivePacket；

心電測量站點程序設計主要是對ZigBee協議棧的應用層設計，在應用層需要完成心電數據的采集和傳輸。心電數據是實時顯示，采用WiFi傳輸。心電測量模塊Mini8001將模擬心電信號發生器產生的數據發送給WiFi模塊。心電數據顯示流程圖如圖5所示。

2.5 遠程監護系統界面設計

遠程監護系統監護平臺界面程序是基于嵌入式Linux操作系統平臺，使用Qt Creator軟件設計實現顯示和存儲數據功能。界面設計分為歡迎界面、顯示界面、遠程通信界面和數據庫存儲界面。首先進入歡迎界面，延時3 s后進入到顯示界面，此時給各個測量站點上電，可以將測量的生理數據顯示在界面上。進入遠程通信界面，執行相應操作可將生理數據傳輸到遠程終端，進入數據庫存儲界面可查看測量歷史數據。顯示界面顯示測量的生理數據，并且提供到各個界面的跳轉功能。

2.5.1 監護系統界面設計工作流程圖

血氧和脈率的數據通過血氧測量站點測得，血壓數據通過血壓測量站點測得，這兩者都是通過協調器串口傳送到主控監護平臺。測量的心電數據通過WiFi直接傳送給主控監護平臺，并以實時曲線的方式顯示。監護系統界面設計工作流程圖如圖6所示。

2.5.2 遠程通信功能

遠程通信界面模擬手機的基本功能，實現了對測量數據的遠程發送。設置0～9十個數字鍵，按下相應的按鈕，就會在對應的文本框中顯示相應的數字。利用信號和槽機制，按下按鈕激活click（）信號，執行相應的槽函數。對GPRS模塊進行AT指令的控制。當按下sendMsg按鈕時，click（）信號被觸發，則調用相應的槽函數gprs_send_message（）。

當測量數據上傳到監護平臺后，在顯示界面的相應位置顯示出來，同時將數據存儲到數據庫中，方便醫生和病患日后查看。系統中的數據庫是針對某個病人設計的，數據存儲量較小。使用數據庫軟件設計生成數據庫文件look_history.db，并將該文件拷貝到應用程序工程中。在界面程序中，需要添加SQLITE數據庫驅動，并且將數據庫名稱設置成需要的數據庫文件名。將遠程監護系統的程序在虛擬機的Fedroa14環境下編譯，將生成的可執行文件yuancheng和數據庫文件look_history.db通過SD卡拷貝到開發板目錄/bin，改變這兩個文件的可執行權限，編寫腳本文件setqt4env，配置Qt4.7的環境變量。將此應用程序設置成開機自啟動，將文件/etc/init.d/rcS中的/bin/qtopia &替換成需要執行的程序。這樣，每次開機，程序就會自動執行并進入到遠程監護系統的歡迎界面。搭建好遠程監護系統，系統上電，各測量站點和協調器上電，等待幾秒，待ZigBee組網成功后，依次按下各測量站點的測量按鍵進行測量，每個站點測量完成后將數據發送給協調器，如果此時點擊“遠程通信”按鈕，進入遠程通信界面如圖7所示。

遠程通信界面中短信編輯區可以顯示測量數據，在電話號碼編輯區輸入手機號，點擊“sendMsg”按鈕，將測量信息發送出去，或者點擊“call”按鈕，建立通話連接。如果點擊“歷史記錄”按鈕，進入數據庫界面，發現已經將測量的數據存入了數據庫中如圖8所示。

3 結 語

遠程監護系統的設計研究具有十分重要的意義。對患者的生理參數可以進行實時監測，并通過無線網絡將數據傳送至主控監護平臺，主控監護平臺對數據進行實時處理和分析。通過主控監護平臺的顯示屏隨時了解健康狀況。遠程監護借助于ARM處理器、傳感技術和現代無線通信技術，是一種體積小、功耗低、實時安全的便攜式人體健康參數無線監測系統。對正常人的生理參數進行監護，可以評估個人的健康狀況，適時調整生活習慣，從而達到預防疾病的目的。

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