基于手機(jī)APP的實(shí)時(shí)PPG監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

天津工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 趙國輝 張光璐 徐勝亮 帥進(jìn)良 王夏夏 杜遠(yuǎn)鵬

基于手機(jī)APP的實(shí)時(shí)PPG監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

天津工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 趙國輝 張光璐 徐勝亮 帥進(jìn)良 王夏夏 杜遠(yuǎn)鵬

心血管病患者發(fā)病突然，難以預(yù)測(cè)與救助的問題。該文提出一種基于手機(jī)APP與醫(yī)院實(shí)時(shí)通信的可穿戴心臟監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。基于HT32單片機(jī)，利用光學(xué)模塊獲得光電容積脈搏波（PPG），結(jié)合智能手機(jī)，繪制PPG圖。當(dāng)心率有危險(xiǎn)趨勢(shì)時(shí)，手機(jī)會(huì)提醒患者，發(fā)信息給家屬與醫(yī)生。該系統(tǒng)便攜，廉價(jià)，智能。將“患者--家庭—醫(yī)生”構(gòu)成有機(jī)的整體，提高患者的生存率與生活質(zhì)量。

信號(hào)處理；光電容積；單片機(jī)；Android手機(jī)平臺(tái)

1.引言

心血管病死亡成為首位死因，已成為重大的公共衛(wèi)生問題[1]。大部分的心血管疾病的監(jiān)護(hù)只能依靠醫(yī)院的專業(yè)設(shè)備[2]，但是患者發(fā)病是在日常生活中的，所以急需一款可以實(shí)時(shí)監(jiān)控心臟的便攜儀器[3]。市場(chǎng)需求大，但市面上此類儀器昂貴，不便攜，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，市場(chǎng)反響冷淡。

傳統(tǒng)測(cè)心率方式：心電圖法測(cè)量需由專業(yè)人士操作；單導(dǎo)聯(lián)ECG在體育界應(yīng)用普遍，但不適于長期佩戴；傳統(tǒng)壓電式需緊貼胸部，常人難以完成[4]；現(xiàn)在，PPG廣泛用于許多基礎(chǔ)生物信息的探測(cè)。國內(nèi)馬俊領(lǐng)[6]等證明了通過PPG計(jì)算人體心率的可行性。

在此背景下，采用光電容積法，將單片機(jī)與智能手機(jī)結(jié)合，可實(shí)時(shí)信息交互的心臟監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。

2.原理分析

光學(xué)模塊采集信號(hào)，HT32將模擬信號(hào)數(shù)字化，利用輸入捕捉功能測(cè)心率值，由WIFI模塊將編碼后的PPG數(shù)字信號(hào)發(fā)出，手機(jī)接收數(shù)據(jù)， APP將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像顯示在手機(jī)上。當(dāng)心率超出設(shè)定的閾值時(shí)，手機(jī)向醫(yī)生和家屬發(fā)送信息，并提醒患者。系統(tǒng)流程如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)流程圖

3.硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 光電模塊

分為信號(hào)采集電路，放大電路，轉(zhuǎn)換電路。信號(hào)采集電路采集PPG模擬信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；放大電路將采集到的模擬信號(hào)放大，便于對(duì)信號(hào)的處理；D1來顯示電路工作狀態(tài)；轉(zhuǎn)換電路通過比較器電路將PPG模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻率的PWM波，便于單片機(jī)頻率測(cè)量。電路設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2 電路設(shè)計(jì)

3．1．1 信號(hào)采集電路

發(fā)射二極管串聯(lián)偏置電阻發(fā)射光信號(hào)，接收二極管反向偏置接收光信號(hào)，再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電容C1隔除直流，便于對(duì)PPG信號(hào)進(jìn)行放大；可通過Q1三極管來控制光電模塊的工作狀態(tài)。

3．1．2 信號(hào)放大電路

采集到的信號(hào)，經(jīng)放大電路進(jìn)行放大。端口3接前端信號(hào)采集電路的輸出的電信號(hào)，并經(jīng)過二階有源放大器放大，通過R13分壓，調(diào)節(jié)輸出波形的幅值。經(jīng)一個(gè)跟隨器提高輸入阻抗，減小輸出阻抗，隔離前后端。

3.2 單片機(jī)系統(tǒng)

HT32對(duì)PPG模擬信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換以及對(duì)PWM波進(jìn)行輸入捕捉測(cè)頻率后進(jìn)而得出心率值；通過串口將數(shù)字PPG信號(hào)發(fā)送給WiFi模塊，再控制WiFi模塊將數(shù)字PPG信號(hào)發(fā)送給手機(jī)。

3.3 WiFi模塊

本模塊是一款高性能的嵌入式WiFi模塊，遵循無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議線以及TCP/IP協(xié)議線。

圖3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖

4.軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求，將軟件程序的編寫總體分為兩部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)程序設(shè)計(jì)與APP設(shè)計(jì)。

4.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)主要分為三部分：PPG信號(hào)AD轉(zhuǎn)換，輸入捕捉測(cè)頻率，數(shù)據(jù)包的編碼與PPG數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖3所示。

4．1．1 PPG信號(hào)ADC轉(zhuǎn)換

采取定時(shí)器PDMA-ADC方式實(shí)現(xiàn)；設(shè)定定時(shí)器T0每0.017s采集一個(gè)數(shù)據(jù)，每分鐘采集3530個(gè)點(diǎn)，正常人心率大致為每分鐘70次，所以每個(gè)周期采集50個(gè)點(diǎn)，因此采樣頻率能滿足需要。數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)于RAM中，再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)組中，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

4．1．2 輸入捕捉測(cè)脈沖頻率

利用通用定時(shí)器1（T1）的輸入捕獲功能，設(shè)定T1為向上計(jì)數(shù)，上升沿觸發(fā)捕獲，捕獲計(jì)數(shù)值為（V），系統(tǒng)時(shí)鐘（PCLK）為72MHz，預(yù)分頻（P）為1439，T1的計(jì)數(shù)時(shí)鐘（T）的計(jì)算公式如下：

頻率（F）為：

上式T1乘上10并轉(zhuǎn)換為無符號(hào)長整型是為了提高所測(cè)頻率的精度，理論上精度可以提高10倍。經(jīng)驗(yàn)證，頻率精度達(dá)到1HZ以下，因此可以滿足測(cè)量的需求。

4．1．3 數(shù)據(jù)包的編碼與PPG數(shù)字信號(hào)的無線發(fā)送

對(duì)數(shù)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，與APP中的解碼方式相匹配；再將PPG數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，通過WiFi發(fā)送給手機(jī)。

4.2 手機(jī)APP

手機(jī)APP的軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：PPG波形的繪制方法，智能警告求救設(shè)計(jì)。手機(jī)APP工作流程圖如圖4所示：

圖4 手機(jī)APP的軟件設(shè)計(jì)

4．2．1 PPG波形繪制方法

設(shè)計(jì)APP繪制PPG時(shí)，將手機(jī)屏幕寬度作為y軸代表幅度值，屏幕的長度作為x軸代表時(shí)間值，通過算法使數(shù)據(jù)值在手機(jī)屏幕上依次打印出各個(gè)坐標(biāo)（x，y）；再連線即為PPG波形。每次接收到的數(shù)據(jù)量在屏幕上繪的波形可以一次完整的覆蓋整個(gè)屏幕并降低功耗。

4．2．2 智能警告求救設(shè)計(jì)

心率值顯示在APP上，供查看，超出閾值時(shí)，APP會(huì)給發(fā)送短信求救，保證即時(shí)救助患者并提醒患者。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該系統(tǒng)測(cè)得的PPG圖像與心電監(jiān)護(hù)儀器獲得的ECG圖像進(jìn)行對(duì)比，并記錄兩個(gè)心率測(cè)量值，計(jì)算誤差，如表1所示：

表1 多次測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

多組實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明，此系統(tǒng)在早中晚的平均誤差均在5%左右，因此可以實(shí)現(xiàn)所需要的精度，且PPG與ECG的峰值間隔無明顯差異。經(jīng)驗(yàn)證，達(dá)到初始目標(biāo)。實(shí)測(cè)圖像，如圖5所示：

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6.結(jié)語

多種技術(shù)和創(chuàng)新思維，將患者與家屬，醫(yī)生聯(lián)系為整體進(jìn)行多方位救助的新方法；還充分考慮舒適，性價(jià)比，實(shí)時(shí)，安全等設(shè)計(jì)制作；不同環(huán)境下，測(cè)量有5%左右的誤差，此方案仍可行。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，可以進(jìn)行工廠的集中監(jiān)測(cè)等多種應(yīng)用。

[1]隋輝,陳偉偉,王文．《中國心血管病報(bào)告2014》要點(diǎn)介紹[J]．中華高血壓雜志,2015,07:627-629．

[2]張培林,劉憲．醫(yī)院全面成本管理與慢性病費(fèi)用控制探討[J]．慢性病學(xué)雜志,2010,01:2-3．

[3]胡大一．控制心血管疾病的根本出路在于預(yù)防[J]．醫(yī)學(xué)與哲學(xué)(臨床決策論壇版),2007,05:1-2．

[4]Jan-Hein Broeders and José Carlos Conchell．Wearable Electronic Devices Monitor Vital Signs,Activity Level,and More[OL]．http://www．a(chǎn)nalog．com/library/analogDialogue/archives/48-12/ wearable_electronics．html,2014．

[5]馬俊領(lǐng),王成,李章俊,趙宏垚．基于PPG的心率和呼吸頻率的測(cè)量研究[J]．光學(xué)技術(shù),2011,03:309-312．

天津工業(yè)大學(xué)市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201510058096。