基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的毫米波呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯福南，祝新意，阮祥，李修寒，汪纓，張暉

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 江蘇省人民醫(yī)院 臨床醫(yī)學(xué)工程處，江蘇 南京 210029

引言

呼吸頻率是人體最重要的生命體征參數(shù)之一，可作為判斷人體健康與否的重要依據(jù)[1]。健康成人靜息狀態(tài)下呼吸頻率約為12～18次/min[2]，嬰兒、兒童呼吸頻率稍快[3]。呼吸頻率過(guò)快過(guò)慢或者呼吸暫停都意味著患者可能出現(xiàn)一些疾病的情況，如重癥肺炎、呼吸衰竭以及一些代謝性疾病[4]等。因此，呼吸頻率的監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。傳統(tǒng)呼吸監(jiān)測(cè)方式主要是使用監(jiān)護(hù)儀通過(guò)心電導(dǎo)聯(lián)線連接患者的方式，基于胸阻抗法的原理[5]，從患者呼氣和吸氣之間胸廓的阻抗變化來(lái)推導(dǎo)出呼吸頻率。這種監(jiān)測(cè)方式容易對(duì)患者造成束縛，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的情況下不利于睡眠。另外，無(wú)創(chuàng)呼吸機(jī)主要用于治療睡眠呼吸暫停綜合征及相關(guān)疾病[6]，但可能會(huì)引起顏面壓傷、咳痰障礙等問(wèn)題[7-8]。呼吸的非接觸式監(jiān)測(cè)在臨床上具有重要的實(shí)際意義，特別適用于一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如對(duì)大面積創(chuàng)傷、燒傷以及惡性傳染病患者等不宜采用與皮膚接觸的傳感器或電極對(duì)其進(jìn)行監(jiān)護(hù)[9]。另外，在家庭監(jiān)護(hù)中使人體擺脫導(dǎo)聯(lián)線的束縛也具有較強(qiáng)的必要性。基于攝像頭的非接觸式呼吸監(jiān)測(cè)，雖然也是非接觸式呼吸測(cè)量，但又涉及隱私安全問(wèn)題[10-11]。

基于上述情況，本文利用毫米波結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專(zhuān)門(mén)用于安靜狀態(tài)下人體的呼吸頻率的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，有助于一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合下患者的呼吸頻率測(cè)量，以及家庭監(jiān)護(hù)中人體呼吸健康狀態(tài)的評(píng)估，能夠在保證舒適性和保護(hù)隱私的前提下，實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的呼吸頻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由主控制器、毫米波傳感器模塊和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)組成。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，毫米波傳感器用于獲取人體呼吸頻率、可信度以及人體距離等信息[12-13]；樹(shù)莓派Zero WH作為主控制器，主要完成毫米波傳感器的初始化配置、接收并處理該傳感器的輸出數(shù)據(jù)、以及將處理完成后的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳處理，發(fā)送到OneNET云平臺(tái)；OneNET云平臺(tái)接收數(shù)據(jù)，在云端應(yīng)用上通過(guò)相應(yīng)的控件分別完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示以及歷史數(shù)據(jù)波形繪制的功能。系統(tǒng)總體框如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)采用這種非接觸的方式獲取人體呼吸頻率等信息，其意義在于不會(huì)由于導(dǎo)線纏繞對(duì)人體造成束縛，特別地，在睡眠時(shí)使用這種方式，不用擔(dān)心翻身等操作會(huì)造成檢測(cè)中斷，適合長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)地有效獲取呼吸頻率信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

本系統(tǒng)選用階躍時(shí)進(jìn)公司生產(chǎn)的毫米波傳感器，型號(hào)為VB2643A，其架構(gòu)如圖2所示，是一種采用 LFMCW（線性調(diào)頻連續(xù)波）調(diào)制和1發(fā)1收天線結(jié)構(gòu)的24 GHz毫米波傳感器模塊，并通過(guò)串口進(jìn)行輸入輸出控制。

圖2 毫米波傳感器架構(gòu)圖

該傳感器模塊關(guān)鍵性能參數(shù)如下：尺寸為36 mm×36 mm×3.6 mm；可檢測(cè)有效距離范圍0.3～4.0 m，以及最小運(yùn)動(dòng)位移為0.02 mm；天線覆蓋范圍為水平60°，垂直40°，發(fā)射功率為3 dBm。呼吸頻率檢測(cè)范圍為0.1～0.6 Hz，即6～36次/min；電源輸入為5 V/90 mA；串口波特率為115200 bps；數(shù)據(jù)輸出刷新率為10 Hz，滿足本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集需要，實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 毫米波傳感器VB2643A實(shí)物圖

VB2643A傳感器可以完成以下功能，包括判斷有人/無(wú)人狀態(tài)、檢測(cè)有人狀態(tài)下的人體呼吸頻率以及有效范圍內(nèi)的人體位置等。該傳感器適用于單人檢測(cè)，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，不受光線和噪音影響；穿透性強(qiáng)，可穿透玻璃、塑料、衣服、棉被等材料。檢測(cè)原理：VB2643A傳感器向檢測(cè)區(qū)域發(fā)射 LFMCW 電磁波，根據(jù)收發(fā)電磁波時(shí)間差乘以光速，由內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)處理單元計(jì)算出人體吸氣和呼氣時(shí)身體部位產(chǎn)生的微弱位移；然后根據(jù)微弱位移變化，記錄人體“時(shí)間-位移”規(guī)律，即呼吸波形，從而計(jì)算呼吸頻率。

2.2 主控制器模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用樹(shù)莓派Zero WH作為主控制器，樹(shù)莓派Zero WH是一款基于ARM架構(gòu)的微型電腦主板，系統(tǒng)芯片為BCM2835，電源輸入為5 V/2 A。樹(shù)莓派Zero WH搭載1.0 GHz的64位單核處理器，內(nèi)存512 MB，采用micro SD卡作為硬盤(pán)[14]，操作系統(tǒng)映像文件版本為“2020-02-13-raspbian-buster”。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用樹(shù)莓派Zero WH[15]（圖4）作為主控制器的原因主要有：① 樹(shù)莓派Zero WH 板載BCM43438無(wú)線芯片集成802.11n無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和4.1版本藍(lán)牙，可通過(guò)Wi-Fi對(duì)接OneNET云平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳；② 樹(shù)莓派Zero WH自帶1個(gè)Micro-USB OTG通信接口，可以和毫米波傳感器VB2643A進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接；③ 尺寸小，為65 mm×30 mm×5 mm，僅為樹(shù)莓派3B尺寸的一半，重量?jī)H為9 g，便于在合適位置安裝對(duì)人體呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖4 樹(shù)莓派Zero WH

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖5所示，本系統(tǒng)中樹(shù)莓派Zero WH與VB2643A傳感器之間采用串口通信模式。首先在樹(shù)莓派進(jìn)行串口初始化操作，包括選擇串口號(hào)以及設(shè)置波特率等，本系統(tǒng)中串口通信的設(shè)置為：115200波特率，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，無(wú)流控；然后在傳感器停止?fàn)顟B(tài)下，通過(guò)發(fā)送命令設(shè)置有效檢測(cè)區(qū)域，保存配置參數(shù)并重新啟動(dòng)；通過(guò)傳感器的輸出數(shù)據(jù)判斷是否有人，在有人狀態(tài)下根據(jù)可信度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，最后完成數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺(tái)等操作。

圖5 軟件流程圖

3.1 毫米波傳感器初始化配置

首先在樹(shù)莓派Zero WH上輸入指令dmesg | grep ttyS*查看查看串口設(shè)備[15-16]，如果顯示“ch341-uart converter now attached to ttyUSB0”，則表示VB2643A傳感器已經(jīng)連接到標(biāo)號(hào)為ttyUSB0的串口。然后樹(shù)莓派通過(guò)圖形化串口調(diào)試工具cutecom發(fā)送命令對(duì)傳感器進(jìn)行配置。發(fā)送配置命令的順序如下：① 發(fā)送“sensorStop”命令使傳感器處于停止?fàn)顟B(tài)；② 對(duì)傳感器的有效檢測(cè)范圍進(jìn)行配置：VB2643A傳感器默認(rèn)將感應(yīng)區(qū)域配置為32等份，每一等份大約0.15 m。因此，配置參數(shù)則在0～31中選擇，作為感應(yīng)區(qū)域的距離值索引，最小和最大索引值乘以0.15(m)即可分別得到最近和最遠(yuǎn)檢測(cè)距離。本系統(tǒng)中使用“detRangeCfg-1 6 20”命令設(shè)置傳感器的有效檢測(cè)范圍，對(duì)應(yīng)為垂直于傳感器平面徑向方向0.9～3.0 m；③ 發(fā)送“saveCfg 0x45670123 0xCDEF89AB 0x956128C6 0xDF54AC89”命令保存參數(shù)；④ 發(fā)送“sensorStart”命令啟動(dòng)傳感器。

3.2 數(shù)據(jù)處理程序

（1）為了在樹(shù)莓派Zero WH上實(shí)現(xiàn)串口通信和數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)等功能，需要在pyhon代碼中使用import語(yǔ)句導(dǎo)入serial模塊、urllib.request、requests、json等相關(guān)模塊；

打開(kāi)串口，設(shè)置波特率語(yǔ)句為：

串口配置完成之后，因?yàn)閭鞲衅髂J(rèn)上電后立即啟動(dòng)運(yùn)行，不斷輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)，所以直接接收串口數(shù)據(jù)即可，數(shù)據(jù)采用gbk編碼，相關(guān)代碼如下：

（2）毫米波傳感器VB2643A串口輸出有固定格式，格式如下所示：

如表1所示，其中part 1表示呼吸波形數(shù)據(jù)；part2表示呼吸波形的可信度；part3表示呼吸頻率；part4表示微動(dòng)點(diǎn)距離，即人體與毫米波傳感器的相對(duì)距離；part5表示微動(dòng)點(diǎn)能量幅度；part6有人/無(wú)人狀態(tài)，“0”表示無(wú)人狀態(tài)，“1”表示有人狀態(tài)；part7與part8是占位參數(shù)，沒(méi)有實(shí)質(zhì)含義。舉例如下，若收到數(shù)據(jù)內(nèi)容為“$JYB RE,0.57,0.80,12.7,10.0,59.8,1, , * ”，則表示當(dāng)前為有人狀態(tài)，呼吸頻率為12.7次/min，人體相對(duì)距離為10.0×15 cm，即1.5 m，本次輸出數(shù)據(jù)可信度為80%。

表1 VB2643A串口輸出格式

由于“$JYBRE”和“*”分別代表傳感器每次輸出數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)尾，屬于固定不變的部分，在Python代碼中分別使用 find()和rfind()函數(shù)通過(guò)查找逗號(hào)“,”即可定位到關(guān)鍵參數(shù)在每一行數(shù)據(jù)中的具體位置，然后再使用split()函數(shù)把數(shù)據(jù)中的part6、part3、part2以及part4等自動(dòng)分離出來(lái)，從而根據(jù)part6判斷有人/無(wú)人狀態(tài)；若為有人狀態(tài)，再將可信度大于75%的呼吸頻率和人體距離自動(dòng)賦值到相應(yīng)的變量Resp和Distance，并上傳到OneNET云平臺(tái)。

3.3 OneNET云平臺(tái)設(shè)置

在OneNET云平臺(tái)的基礎(chǔ)服務(wù)中選擇多協(xié)議接入，進(jìn)行創(chuàng)建產(chǎn)品、創(chuàng)建設(shè)備、生成數(shù)據(jù)流等操作[13,17]；最后通過(guò)生成相應(yīng)的應(yīng)用，在本系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)用下創(chuàng)建2個(gè)數(shù)據(jù)流，分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)檢測(cè)到的呼吸頻率、人體距離等參數(shù)。

本系統(tǒng)首先在OneNET平臺(tái)上創(chuàng)建產(chǎn)品時(shí)設(shè)備接入?yún)f(xié)議選擇HTTP協(xié)議[18-19]，記錄下云平臺(tái)分配的產(chǎn)品ID、設(shè)備ID以及安全鑒權(quán)密鑰APIKey。樹(shù)莓派端通過(guò)在Python程序中通過(guò)APIurl和APIKey即可將數(shù)據(jù)流上傳到云平臺(tái)的應(yīng)用中。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在OneNET應(yīng)用編輯器中主要使用了基礎(chǔ)元素中的文本、折線圖以及儀表盤(pán)等控件來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)流的可視化：展示內(nèi)容包括當(dāng)前呼吸頻率和呼吸頻率歷史波形，以及人體距離數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)更新時(shí)間，實(shí)際運(yùn)行效果如圖6所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示

4 應(yīng)用效果

目前，醫(yī)院普遍采用監(jiān)護(hù)儀通過(guò)心電導(dǎo)聯(lián)線連接患者的方式對(duì)其呼吸頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，為驗(yàn)證本系統(tǒng)呼吸頻率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要本系統(tǒng)在不同距離下測(cè)量得到的呼吸頻率與同時(shí)刻監(jiān)護(hù)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。本系統(tǒng)在我院某病區(qū)三個(gè)單間病房?jī)?nèi)進(jìn)行部署測(cè)試，即分成3組，每組分別在四種距離上測(cè)量80次，所測(cè)得呼吸頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。所選監(jiān)護(hù)儀型號(hào)為iPM10，與患者之間采用3導(dǎo)聯(lián)方式進(jìn)行連接，該監(jiān)護(hù)儀通過(guò)江蘇省計(jì)量院計(jì)量合格，其測(cè)量所得呼吸頻率數(shù)據(jù)可作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

表2 呼吸頻率測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

為了便于展示數(shù)據(jù)的分散情況，將原始數(shù)據(jù)整理成箱形圖見(jiàn)圖7，相比于其他3組距離，在2.0 m距離上本系統(tǒng)測(cè)量呼吸頻率的標(biāo)準(zhǔn)差較小，得出本系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。配對(duì)t檢驗(yàn)顯示，第一組結(jié)果為（t=0.030、0.486、0.466、1.494，P>0.05）；第二組結(jié)果為（t=1.397、0.074、1.867、1.803，P>0.05）；第三組結(jié)果為（t=0.476、0.466、1.440、1.407，P>0.05）。綜上，三組數(shù)據(jù)差異均無(wú)顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明在呼吸頻率測(cè)量方面，本系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性。

圖7 本系統(tǒng)與監(jiān)護(hù)儀測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比圖

5 討論

針對(duì)傳統(tǒng)方法的不足，本文結(jié)合毫米波和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了人體呼吸頻率的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。OneNET云平臺(tái)端的應(yīng)用可以生成相應(yīng)鏈接，可以讓患者家屬隨時(shí)隨地從遠(yuǎn)程查閱當(dāng)前呼吸頻率信息，并且云平臺(tái)端的數(shù)據(jù)刷新頻率為每3秒一次，即使不在床旁也能了解到患者的健康狀況，尤其是夜間的呼吸健康狀態(tài)；② 報(bào)警信息傳達(dá)的及時(shí)性，OneNET云平臺(tái)的觸發(fā)器功能[20]，可以設(shè)置報(bào)警范圍以及數(shù)據(jù)異常實(shí)時(shí)觸發(fā)，平臺(tái)可以第一時(shí)間通過(guò)數(shù)據(jù)流發(fā)現(xiàn)異常并報(bào)警；③ 不涉及隱私安全問(wèn)題。由于本系統(tǒng)不涉及圖像傳輸，只通過(guò)毫米波采集數(shù)據(jù)，所以也可適用于家庭環(huán)境下睡眠時(shí)的呼吸頻率監(jiān)測(cè)。

按照一個(gè)病區(qū)14張床位來(lái)計(jì)算，因呼吸導(dǎo)聯(lián)脫落從而呼吸檢測(cè)中斷事件的發(fā)生次數(shù)為平均每天17.9次，影響臨床上對(duì)病人呼吸頻率的持續(xù)監(jiān)測(cè)。不僅如此，呼吸導(dǎo)聯(lián)對(duì)病人也是一種束縛，對(duì)護(hù)理操作也會(huì)造成一些阻礙。本系統(tǒng)創(chuàng)新性在于使用非接觸式呼吸檢測(cè)，并且結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)對(duì)病人造成束縛，有助于長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)監(jiān)測(cè)。目前本系統(tǒng)在真正部署方面還應(yīng)考慮一些實(shí)際情況的影響，比如與單人病房不同的是，多人病房?jī)?nèi)不同病人呼吸起伏對(duì)傳感器存在影響，如何讓毫米波傳感器屏蔽目標(biāo)之外的反射波干擾，從而實(shí)現(xiàn)在多人病房實(shí)現(xiàn)呼吸頻率的準(zhǔn)確測(cè)量，是下一階段需要解決的問(wèn)題。

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的毫米波呼吸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在不對(duì)人體造成任何束縛的情況下實(shí)現(xiàn)呼吸頻率的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，可在保護(hù)被測(cè)者隱私的前提下進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。