基于ARM和Zigbee的心血管功能測試診斷平臺設計與實現(xiàn)

李 裴

(徐州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院，江蘇 徐州 221006)

0 引言

近年來，受生活環(huán)境及日常生活飲食習慣影響，慢性疾病患者人數(shù)急劇增加，慢性病死亡人數(shù)居高不下，其中心血管疾病作為慢性疾病之首已成為我國人民健康的頭等威脅[1]，如何防治慢性疾病尤其是心血管疾病成為阻礙社會醫(yī)療衛(wèi)生健康持續(xù)發(fā)展的重要難題[2]。

目前，國內慢性疾病防控力度不斷增大，覆蓋范圍不斷擴大，在多個城市和農村地區(qū)先后建立了慢性病監(jiān)測系統(tǒng)以及健康小屋等，為防治慢性疾病提供了助力。然而，國內慢性病防控局面依然嚴峻，存在慢性疾病防治工作人員水平較低、醫(yī)療設施有限、人員配合程度相對較低，防控慢性病的醫(yī)療機構緊缺、社區(qū)衛(wèi)生服務機構無法提供有效的慢性病防治服務、無法滿足日益增長的需求等問題。

圖1 系統(tǒng)設計思路

針對上述問題及慢性病防治的需要，本文設計了一種基于ARM[3-4]和Zigbee[5-6]的心血管功能測試診斷平臺。該平臺終端通過對用戶心臟功能、血管狀況、血液狀態(tài)以及微循環(huán)功能等共35項醫(yī)療數(shù)據(jù)進行采集，服務PC端通過Socket[7]中的TCP分別連接用戶端ClientSocket和服務端ServerSocket，用戶端利用Zigbee無線通訊技術將數(shù)據(jù)上傳至服務端中，確保數(shù)據(jù)的及時傳輸。平臺開發(fā)中將C#與SQL Server[8]進行組合，為提高數(shù)據(jù)傳輸時的安全性與穩(wěn)定性提供了保障。同時云端軟件提供多個接口服務，使得整個系統(tǒng)模塊間相互獨立，增強了系統(tǒng)的可擴展性。該平臺的設計能夠及時檢測出用戶的心血管健康狀況，方便醫(yī)務人員根據(jù)患者狀況及時制定治療方案，從而降低心血管疾病致死風險。

1 系統(tǒng)整體設計方案

1.1 系統(tǒng)設計目標分析

為確保基于物聯(lián)網(wǎng)和Zigbee的心血管功能測試診斷平臺能夠及時接收用戶端上傳的心血管功能數(shù)據(jù)，進行不間斷的診斷分析，并給出相應的診斷報告，系統(tǒng)設計需實現(xiàn)以下幾點目標：

1)安全性：由于用戶心血管功能數(shù)據(jù)中包含了用戶大量的個人隱私信息，若在數(shù)據(jù)采集傳輸過程中出現(xiàn)隱私泄露問題，可能給用戶造成傷害。因此，移動終端設備在采集傳輸用戶心血管功能數(shù)據(jù)時，要充分保證此類數(shù)據(jù)的安全，避免出現(xiàn)隱私泄露，提高系統(tǒng)安全性。

2)實時性：心血管等多數(shù)慢性疾病具有一定的潛伏性，長期困擾患者，且發(fā)病時間具有不確定性。為此，心血管功能數(shù)據(jù)采集儀以及平臺對用戶數(shù)據(jù)的采集、傳輸及診斷應具有實時性，為提早發(fā)現(xiàn)患者心血管功能異常，并制定相關治療方案提供幫助。

3)可擴展性：為保證對上傳數(shù)據(jù)的實時診斷分析，避免因平臺某一模塊出現(xiàn)異常而引發(fā)系統(tǒng)整體癱瘓，導致數(shù)據(jù)分析無法正常進行。因此系統(tǒng)設計時應確保各模塊能夠獨立運行，并進一步增強系統(tǒng)的可擴展性。

4)合理性：作為疾病分析診斷平臺，為確保平臺診斷結果的準確性與合理性，在系統(tǒng)設計過程中，應嚴格遵循國際針對心血管疾病的檢測標準，確保檢測結果的準確性與合理性。

1.2 系統(tǒng)設計功能分析

為確保移動終端及系統(tǒng)平臺能夠實時采集、傳輸與診斷患者心血管功能數(shù)據(jù)，提高平臺診斷結果的準確性與合理性，數(shù)據(jù)采集終端及系統(tǒng)平臺設計需實現(xiàn)以下功能：

1)為避免系統(tǒng)某一功能模塊出現(xiàn)異常，導致系統(tǒng)整體癱瘓，在設計中應確保平臺各模塊能夠獨立運行，同時系統(tǒng)應添加預警機制和自檢功能，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能及時預警，降低因故障給患者造成危害的風險，并為后期系統(tǒng)進一步擴展提供保障。

2)為減輕醫(yī)務人員工作壓力，解決慢性疾病醫(yī)務工作檢查人員水平欠缺，特定檢測設備有限等問題，系統(tǒng)應具備數(shù)據(jù)診斷分析功能，根據(jù)慢性疾病監(jiān)測分析標準，自動生成檢測報告，為疾病防治提供報告支撐。

3)系統(tǒng)能夠通過互聯(lián)網(wǎng)與外部醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)連接，并能夠進行數(shù)據(jù)共享，為豐富患者就診病歷提供幫助。

1.3 系統(tǒng)功能模塊設計

1)主控模塊：主控模塊作為整個系統(tǒng)的控制模塊，使用STM32F429處理器，以Cortex-M4位內核，通過Zigbee連接Socket，控制心血管信息終端采集設備，實現(xiàn)心血管功能信息的實時采集與傳輸，經(jīng)過診斷結論模塊實現(xiàn)對患者心血管健康狀況的診斷，并利用顯示模塊進行顯示。

2)心血管功能數(shù)據(jù)接收模塊：系統(tǒng)以C/S作為架構，利用Socket中的TCP作為通信協(xié)議，通過Zigbee無線通信技術控制終端設備并接收患者數(shù)據(jù)，為下階段的診斷分析提供保障。

3)診斷結論模塊：該模塊根據(jù)上傳的患者心血管健康數(shù)據(jù)，結合國際標準進行診斷分析，給出心血管診斷報告。

4)安全模塊：患者心血管健康狀況信息中包含大量患者隱私信息，為保證數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)隱私安全，對數(shù)據(jù)進行加密處理，上傳至系統(tǒng)中后進行解密，方便診斷結論模塊進行診斷。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

2 系統(tǒng)硬件設計

基于ARM和Zigbee的心血管功能測試診斷平臺包括系統(tǒng)平臺和患者心血管健康數(shù)據(jù)采集終端。平臺負責接收患者數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析診斷，生成體檢報告；數(shù)據(jù)采集設備根據(jù)心血管檢測標準采集所需數(shù)據(jù)，主要包括心率、心輸出量CO、心搏出量SV以及脈搏波形特征量K等，通過Zigbee無線通信技術，發(fā)送至平臺，為平臺診斷提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)總體硬件架構設計圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件架構圖

2.1 主控模塊

主控模塊由上位機與下位機組成。為提高系統(tǒng)擴展和軟硬件再用的靈活性，降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)使用ARM處理器，MCU為ST公司的STM32F429芯片，Cortex-M4內核，提供2 MB閃存，每鐘閃存256 kB RAM，工作頻率180兆赫，備份SRAM為4千字節(jié)，可為設備提供3個12位ADC，2個DAC，一個低功耗RTC，12個通用16位定時器以及4個USART串口和4個UART串口。此外，該芯片具有LCD-TFT顯示控制器以及DMA2D控制器。相對于傳統(tǒng)芯片，其性能更加優(yōu)越，處理速度更快，外設數(shù)量更多。

2.2 脈搏數(shù)據(jù)采集

考慮到心血管等慢性疾病的診斷需要精確的數(shù)據(jù)，為避免受外部因素影響，導致脈搏數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)偏差，終端設備設計中使用HK-2000B型脈搏波傳感器，該傳感器靈敏度高、抗干擾能力強、性能穩(wěn)定，可有效降低外因導致的數(shù)據(jù)偏差。該傳感器電路集成了信號放大、信號調理、幅度調整以及基線調整等，并可直接連接AD轉換電路，為數(shù)據(jù)采集傳輸提供便利，其中采集儀運作中要注意傳感器工作參數(shù)，避免出現(xiàn)問題。

表1 HK-2000B脈搏傳感器參數(shù)表

2.3 心率數(shù)據(jù)采集

為精準測量患者的心率數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)采集終端設計中使用MAX30100血氧濃度心率傳感器。該傳感器是一種非侵入式集成的心臟速率監(jiān)視傳感器，其結合了2個發(fā)光二極管，1個光檢測器，并能夠進行優(yōu)化光學和低噪聲的仿真信號處理，對心臟速率信號進行檢測。

2.4 心電數(shù)據(jù)采集

為提高數(shù)據(jù)采集精度，提升設備的便攜程度，終端設備中心電數(shù)據(jù)采集模塊使用NPA-601B-030G傳感器，該傳感器尺寸小，能實現(xiàn)即裝即用，無需進行繁復的校準流程，該心電傳感器相關參數(shù)如表2～3所示。

表2 NPA-601B-030G傳感器參數(shù)表

表3 NPA-601B-030G傳感器參數(shù)表

2.5 通信模塊

通信模塊主要負責連接數(shù)據(jù)采集終端和平臺，通信技術的選取影響數(shù)據(jù)的傳輸效率、使用成本以及性能等。考慮上述因素，本系統(tǒng)使用Zigbee作為通信模塊，其具有低功耗、低延遲、低成本、安全性高等特點。節(jié)點訪問僅需30 ms，最多能夠形成65 000個節(jié)點的大型網(wǎng)絡。同時Zigbee簡單而緊湊的協(xié)議能夠極大降低對通信控制的要求。此外，Zigbee使用AES-128加密算法，能夠為數(shù)據(jù)提供完整性檢查和身份驗證功能，與該文設計目標相契合。

3 系統(tǒng)軟件設計

基于ARM和Zigbee的心血管功能測試診斷平臺軟件部分由服務器端設計、PC端設計以及數(shù)據(jù)庫設計三部分組成，具體內容如下。

3.1 服務器端設計

服務器端的設計主要為心血管功能數(shù)據(jù)接收模塊的設計，該模塊使用Socket技術實現(xiàn)客戶端和服務端的通信，完成數(shù)據(jù)接收。為提高數(shù)據(jù)傳輸過程中的系統(tǒng)安全性，服務端設計中使用Socket通信中的TCP協(xié)議，并通過Zigbee無線通信技術與數(shù)據(jù)采集設備相連接，完成數(shù)據(jù)傳輸。心血管功能數(shù)據(jù)包及服務器端具體實現(xiàn)流程如表4和圖4所示。

表4 心血管功能數(shù)據(jù)包

圖4 服務器端接收數(shù)據(jù)流程圖

3.2 PC端軟件設計

PC端包含用戶登錄、用戶信息、心血管功能數(shù)據(jù)顯示、診斷結論以及安全模塊等。顯示模塊將心血管功能數(shù)據(jù)分為三部分，分別為心臟功能，血管狀況及血液、微循環(huán)、運動參數(shù)，管理員通過數(shù)據(jù)庫利用SQL語句進行相關數(shù)據(jù)的查詢。診斷結論模塊根據(jù)上傳數(shù)據(jù)，結合心血管等慢性病檢測標準，對患者數(shù)據(jù)進行診斷，體檢報告包含心血管數(shù)據(jù)采樣分析波形圖、心血管功能數(shù)據(jù)以及參考診斷意見，通過該功能的實現(xiàn)，有效提高了醫(yī)務人員工作效率，減少了患者就診時間。安全模塊添加數(shù)據(jù)加密解密功能，充分保證患者隱私安全。程序流程如圖5所示。

圖5 安全模塊程序流程圖

3.3 數(shù)據(jù)庫設計

為方便系統(tǒng)存儲和管理患者信息及心血管功能監(jiān)測數(shù)據(jù)，簡化系統(tǒng)管理人員信息管理難度，豐富患者就診病歷，提升醫(yī)療數(shù)據(jù)共享率，該系統(tǒng)設計過程中進行了數(shù)據(jù)庫表的設計，包括管理員信息表、患者信息表以及心血管功能數(shù)據(jù)表，具體內容如表5～7所示。

表5 管理員信息表

表6 患者信息表

表7 心血管功能數(shù)據(jù)表

4 實驗結果與分析

在系統(tǒng)整體設計完成后，為保證系統(tǒng)能夠適應實際環(huán)境，達到預期實驗目標，該文中對系統(tǒng)部分功能進行嚴格的測試，在實驗結果中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設計的不足，并進行完善。本實驗針對用戶登錄模塊及心血管功能數(shù)據(jù)診斷分析模塊功能進行測試，具體內容如下。

4.1 用戶登錄模塊測試

受測試水平、時間等條件限制，該模塊測試使用黑盒測試方法對用戶登錄模塊各功能進行測試。為確認用戶登錄數(shù)據(jù)信息能得到正確判斷分析，在測試前，該文選定了測試方法，測試結果如表8。

表8 用戶登錄模塊功能測試表

4.2 心血管功能數(shù)據(jù)診斷分析模塊測試

診斷結論模塊通過服務器接收解密后的患者心血管功能數(shù)據(jù)，通過上傳的脈搏信號計算出心率、心輸出量CO、心搏出量SV以及脈搏波形特征量K值，診斷結束后生成診斷診斷報告，并進行顯示。若患者心血管功能數(shù)據(jù)監(jiān)測結果存在異常，系統(tǒng)自動呼叫緊急救援中心并通知患者；若檢測結果無異常，則向患者反饋檢測正常信息。

心率值可通過接收的脈搏波中相鄰的兩個波峰或波谷之間的時間間隔來確定。脈搏波形特征量K值的計算公式如下：

(1)

或:

Pm=Pd+K×(Ps-Pd)

(2)

心輸出量CO指左或右心室每分鐘泵出的血液量，等于心率與每泵出量的成績，計算公式如下：

(3)

心搏出量SV是指心臟每搏動一次的輸出血量，其計算公式如下：

(4)

根據(jù)計算公式得出各項數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)計算結果

通過對比表9數(shù)據(jù)對比，得出診斷結果如圖7所示。

圖7 診斷結果

表9 心血管功能實測值與標準值對比

經(jīng)檢驗，該系統(tǒng)診斷結果合理有效，能夠作為判斷患者心血管功能是否存在異常的標準。

5 結束語

目前心血管等慢性疾病已成為影響人們生命健康的一個重大問題。為降低心血管等慢性疾病對人健康的影響，本文設計開發(fā)了基于ARM和Zigbee的心血管功能測試診斷平臺。該平臺使用C/S架構、WPF、Socket以及C#等技術，實現(xiàn)了平臺的開發(fā)，并利用ARM處理器以及Zigbee無線通訊技術實現(xiàn)了心血管功能數(shù)據(jù)采集終端與服務器端的連接，確保了數(shù)據(jù)采集完成后的有效傳輸。本文設計的基于ARM和Zigbee的心血管功能測試診斷平臺基本實現(xiàn)了對心血管功能數(shù)據(jù)的采集，通過遠距離的傳輸將數(shù)據(jù)上傳至平臺，并根據(jù)上傳的醫(yī)療數(shù)據(jù)為患者提供體檢報告及診斷意見，優(yōu)化了病患的管理流程，為患者提供了全方位的醫(yī)護服務，并節(jié)省了醫(yī)護資源。

在下階段研究開發(fā)中，將添加刷卡錄入患者信息的功能，提高信息錄入與存儲效率。此外，將繼續(xù)開發(fā)手機移動端APP和Web端程序，使該測試診斷系統(tǒng)更加方便適用，為減輕心血管等慢性疾病給人們帶來的健康威脅提供解決平臺保障。