可穿戴智能醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

張思洲

一、引言

新冠肺炎疫情的出現(xiàn)改變了人們的就醫(yī)方式，尤其是疫情期間醫(yī)療結(jié)構(gòu)防控是疫情防控的重中之重，也是醫(yī)療機(jī)構(gòu)開展醫(yī)療服務(wù)的基礎(chǔ)和前提。近年來，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，體積小、攜帶方便的已經(jīng)成為醫(yī)療檢測裝置的重要發(fā)展方向之一。

可穿戴智能醫(yī)療設(shè)備主要應(yīng)用于心電檢測。開發(fā)者通過將可穿戴系統(tǒng)集成在背心中，根據(jù)紡織傳感器實時觀測穿戴者的心臟和呼吸活動，并通過信號處理和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控端，主要產(chǎn)品有Wealthy，MyHeart，VitalJacket等。目前，可穿戴的智能醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用對象主要是老年人和兒童，例如基于可穿戴式傳感器的老人跌倒檢測系統(tǒng)和兒童疾病智能聽診系統(tǒng)等。隨著智能穿戴設(shè)備的普及和相關(guān)傳感器的升級換代，用戶對可穿戴設(shè)備的需求日益增多，尤其是針對新冠疫情期間人體的健康觀測需求。

本文介紹一種可穿戴智能醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)。通過該系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)對穿戴者身體狀態(tài)的實時檢測，并為醫(yī)生提供預(yù)警。該系統(tǒng)主要包括心率血氧傳感器模塊、人體溫度檢測模塊、OLED液晶屏三個硬件模塊和可穿戴醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)軟件模塊。基于可穿戴智能醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)有助于醫(yī)生根據(jù)實時監(jiān)測的體溫、血氧濃度和心率數(shù)據(jù)分析患者的病情，及時制定有關(guān)的治療方案，并反饋給患者。有助于減緩疫情期間對的人群交叉感染風(fēng)險。

二、可穿戴醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)

可穿戴醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行開發(fā)，可以實時檢測佩戴者的心率、血氧飽和濃度和體溫，主要包括心率血氧傳感器模塊、人體溫度檢測模塊、OLED液晶屏三個硬件模塊和可穿戴醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)軟件模塊，其工作流程圖如圖1所示。佩戴者通過心率血氧飽和度測量模塊和體溫測量模塊將佩戴者的體溫、血氧濃度、心率傳遞到家庭端，家庭端通過ESP8266 NodeMCU無線上網(wǎng)模塊傳遞到醫(yī)院數(shù)據(jù)庫，醫(yī)院醫(yī)生從數(shù)據(jù)庫軟件提供的穿戴預(yù)警信息，判斷患者病情的輕重緩急。

三、系統(tǒng)模塊介紹

（一）主控板

Arduino Uno是一款基于ATmega328P的微控制器板，它有14個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個可用作PWM輸出），6個模擬輸入，16MHz晶振時鐘，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復(fù)位按鈕。只需要通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦就能供電、程序下載和數(shù)據(jù)通訊。使用過程中，開發(fā)板可提供3.3V和5V電壓輸出，Vin引腳可用于從外部電源為開發(fā)板供電。開發(fā)板可采用Analog In引腳將模擬輸入引腳讀取外部模擬信號，其中A0～A5為模擬輸入引腳。UNO R3擁有14個數(shù)字I/O引腳，其中6個可用于PWM（脈寬調(diào)制）輸出。數(shù)字引腳用于讀取邏輯值（0或1），或者作為數(shù)字輸出引腳來驅(qū)動外部模塊。設(shè)備中標(biāo)有"～"的引腳可產(chǎn)生PWM，標(biāo)有TX（發(fā)送）和RX（接收）的兩個引腳用于串口通訊。其中標(biāo)有TX和RX的LED燈連接相應(yīng)引腳，在串口通訊時會以不同速度閃爍。開發(fā)板標(biāo)記第13引腳用于連接板載LED燈，可通過控制13引腳來控制LED燈亮滅。

（二）心率血氧飽和度測量模塊

血氧飽和度是評價新冠肺炎患者是否出現(xiàn)低氧血癥或者是呼吸衰竭的重要指標(biāo)之一，也是提示患者是否患有重癥和危重癥的指標(biāo)，其中輕癥患者的血氧飽和度大于95%，低氧血癥為低于95%。通過實時觀測佩戴可穿戴智能醫(yī)療預(yù)警設(shè)備人員的數(shù)據(jù)，及時通知遠(yuǎn)程醫(yī)生采取對應(yīng)的醫(yī)療措施。

為了獲取血氧飽和度，我們采用MAX30100模塊來實時觀測佩戴者的醫(yī)療數(shù)據(jù)。MAX30100是一個集成脈搏血氧儀和心率檢測儀生物傳感器的模塊。它集成了一個紅光LED和一個紅外光LED、光電檢測器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪音電子電路。MAX30102采用一個1.8V電源和一個獨立的5V用于內(nèi)部的LED的電源，應(yīng)用于可穿戴設(shè)備進(jìn)行心率和血氧采集檢測。標(biāo)準(zhǔn)的I2C兼容的通信接口可以將采集到的的數(shù)值傳輸給uno、mega、nano等單片機(jī)進(jìn)行心率和血氧計算。

MAX30102心率血氧模塊尺寸約為20mm×15.5mm，LED峰值波長為66nm～880nm，LED供電電壓為3.3～5V，檢測信號采用光反射信號，輸出信號接口為IIC。該模塊利用人體組織在血管脈動時造成透光率不同進(jìn)行脈搏和血氧飽和度測量。其光源是采用對動脈血中養(yǎng)合血紅蛋白（Hb02）和血紅蛋白（Hb）有選擇性的特定波長的發(fā)光二極管。透光率轉(zhuǎn)換為電信號的原理是根據(jù)動脈搏動充血容積變化改變的透光率，將光電變換接收經(jīng)人體組織反射光線，實現(xiàn)電信號的輸出。

（三）體溫測量模塊

發(fā)熱是呼吸道疾病的主要癥狀，根據(jù)公開的新冠肺炎患者體溫數(shù)據(jù)表明患者體溫通常在37℃～39℃。當(dāng)人體的體溫高于37℃，提示患者和醫(yī)生，其可能患有呼吸道疾病。

為了獲取佩戴者的實時體溫數(shù)據(jù)， 我們使用DS18B20模塊進(jìn)行采集。DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、開發(fā)成本低的優(yōu)點，在有限空間測溫和控溫領(lǐng)域廣泛使用。

DS18B20模塊不是傳統(tǒng)的AD采集溫度傳感器，而是“一線總線”串行直接輸出溫度數(shù)據(jù)，其適應(yīng)電壓為3.0～5.5V，測溫范圍為-55℃～+125℃，支持多點組網(wǎng)功能，多個可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。

（四）OLED顯示模塊

為了在單位面積顯示更多的信息，我們采用OLED顯示屏模塊，該模塊與單片機(jī)之間有IIC，SPI兩種通訊模式，考慮到與其他傳感器的兼容性，本文開發(fā)中采用的是IIC通訊模式。

（五）硬件系統(tǒng)的集成

ESP8266-NodeMCU的D1與D2引腳為默認(rèn)的IIC接線引腳，依次將MAX30205，MAX30100，oled的SCL，SDA這兩個與通訊相關(guān)的引腳相連，SCL與D2對應(yīng)，SDA與D1對應(yīng)，所有模塊的VCC相連，GND共地，便完成了硬件的連接。

（六）OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺開發(fā)

OneNET定位為PaaS服務(wù)，即在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和真實設(shè)備之間搭建高效、穩(wěn)定、安全的應(yīng)用平臺。該設(shè)備適配多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和常見傳輸協(xié)議，提供各類硬件終端的快速接入方案和設(shè)備管理服務(wù)。

四、結(jié)語

本文提出了一種可穿戴智能醫(yī)療預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)以ESP8266-NodeMCU為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)包括MAX30100心率血氧傳感器模塊、MAX30205人體溫度檢測模塊、oled顯示屏三個硬件模塊和OneNET物聯(lián)網(wǎng)軟件模塊。通過使用該系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測人們的體溫、血氧濃度和心率等數(shù)據(jù)，醫(yī)院醫(yī)生可以登錄OneNET客戶端分析佩戴者的醫(yī)療數(shù)據(jù)，根據(jù)病情的輕重緩急遠(yuǎn)程制定救治方案。