基于手機APP的實時PPG監(jiān)測預警系統(tǒng)

天津工業(yè)大學理學院 趙國輝 張光璐 徐勝亮 帥進良 王夏夏 杜遠鵬

基于手機APP的實時PPG監(jiān)測預警系統(tǒng)

天津工業(yè)大學理學院 趙國輝 張光璐 徐勝亮 帥進良 王夏夏 杜遠鵬

心血管病患者發(fā)病突然，難以預測與救助的問題。該文提出一種基于手機APP與醫(yī)院實時通信的可穿戴心臟監(jiān)控預警系統(tǒng)。基于HT32單片機，利用光學模塊獲得光電容積脈搏波（PPG），結合智能手機，繪制PPG圖。當心率有危險趨勢時，手機會提醒患者，發(fā)信息給家屬與醫(yī)生。該系統(tǒng)便攜，廉價，智能。將“患者--家庭—醫(yī)生”構成有機的整體，提高患者的生存率與生活質量。

信號處理；光電容積；單片機；Android手機平臺

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)護只能依靠醫(yī)院的專業(yè)設備[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時監(jiān)控心臟的便攜儀器[3]。市場需求大，但市面上此類儀器昂貴，不便攜，無法實時監(jiān)測預警，市場反響冷淡。

傳統(tǒng)測心率方式：心電圖法測量需由專業(yè)人士操作；單導聯ECG在體育界應用普遍，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]；現在，PPG廣泛用于許多基礎生物信息的探測。國內馬俊領[6]等證明了通過PPG計算人體心率的可行性。

在此背景下，采用光電容積法，將單片機與智能手機結合，可實時信息交互的心臟監(jiān)控預警系統(tǒng)。

2.原理分析

光學模塊采集信號，HT32將模擬信號數字化，利用輸入捕捉功能測心率值，由WIFI模塊將編碼后的PPG數字信號發(fā)出，手機接收數據， APP將數據轉換成圖像顯示在手機上。當心率超出設定的閾值時，手機向醫(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.硬件電路設計

3.1 光電模塊

分為信號采集電路，放大電路，轉換電路。信號采集電路采集PPG模擬信號，將光信號轉換為電信號；放大電路將采集到的模擬信號放大，便于對信號的處理；D1來顯示電路工作狀態(tài)；轉換電路通過比較器電路將PPG模擬信號轉換成同頻率的PWM波，便于單片機頻率測量。電路設計如圖2所示：

圖2 電路設計

3．1．1 信號采集電路

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

3．1．2 信號放大電路

采集到的信號，經放大電路進行放大。端口3接前端信號采集電路的輸出的電信號，并經過二階有源放大器放大，通過R13分壓，調節(jié)輸出波形的幅值。經一個跟隨器提高輸入阻抗，減小輸出阻抗，隔離前后端。

3.2 單片機系統(tǒng)

HT32對PPG模擬信號進行AD轉換以及對PWM波進行輸入捕捉測頻率后進而得出心率值；通過串口將數字PPG信號發(fā)送給WiFi模塊，再控制WiFi模塊將數字PPG信號發(fā)送給手機。

3.3 WiFi模塊

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

圖3 單片機程序設計流程圖

4.軟件設計

根據系統(tǒng)的總體設計要求，將軟件程序的編寫總體分為兩部分：單片機程序設計與APP設計。

4.1 單片機程序設計

單片機程序設計主要分為三部分：PPG信號AD轉換，輸入捕捉測頻率，數據包的編碼與PPG數據的無線發(fā)送。單片機程序設計的流程圖如圖3所示。

4．1．1 PPG信號ADC轉換

采取定時器PDMA-ADC方式實現；設定定時器T0每0.017s采集一個數據，每分鐘采集3530個點，正常人心率大致為每分鐘70次，所以每個周期采集50個點，因此采樣頻率能滿足需要。數據直接存儲于RAM中，再將數據存儲在數組中，完成數據的存儲。

4．1．2 輸入捕捉測脈沖頻率

利用通用定時器1（T1）的輸入捕獲功能，設定T1為向上計數，上升沿觸發(fā)捕獲，捕獲計數值為（V），系統(tǒng)時鐘（PCLK）為72MHz，預分頻（P）為1439，T1的計數時鐘（T）的計算公式如下：

頻率（F）為：

上式T1乘上10并轉換為無符號長整型是為了提高所測頻率的精度，理論上精度可以提高10倍。經驗證，頻率精度達到1HZ以下，因此可以滿足測量的需求。

4．1．3 數據包的編碼與PPG數字信號的無線發(fā)送

對數組中的數據進行編碼，與APP中的解碼方式相匹配；再將PPG數據進行打包，通過WiFi發(fā)送給手機。

4.2 手機APP

手機APP的軟件設計分為兩個部分：PPG波形的繪制方法，智能警告求救設計。手機APP工作流程圖如圖4所示：

圖4 手機APP的軟件設計

4．2．1 PPG波形繪制方法

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

4．2．2 智能警告求救設計

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

5.實驗結果

該系統(tǒng)測得的PPG圖像與心電監(jiān)護儀器獲得的ECG圖像進行對比，并記錄兩個心率測量值，計算誤差，如表1所示：

表1 多次測量數據對比

多組實際測量結果表明，此系統(tǒng)在早中晚的平均誤差均在5%左右，因此可以實現所需要的精度，且PPG與ECG的峰值間隔無明顯差異。經驗證，達到初始目標。實測圖像，如圖5所示：

圖5 實驗結果

6.結語

多種技術和創(chuàng)新思維，將患者與家屬，醫(yī)生聯系為整體進行多方位救助的新方法；還充分考慮舒適，性價比，實時，安全等設計制作；不同環(huán)境下，測量有5%左右的誤差，此方案仍可行。在此基礎上進行拓展，可以進行工廠的集中監(jiān)測等多種應用。

[1]隋輝,陳偉偉,王文．《中國心血管病報告2014》要點介紹[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用控制探討[J]．慢性病學雜志,2010,01:2-3．

[3]胡大一．控制心血管疾病的根本出路在于預防[J]．醫(yī)學與哲學(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．analog．com/library/analogDialogue/archives/48-12/ wearable_electronics．html,2014．

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

天津工業(yè)大學市級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，項目編號：201510058096。