面向移動健康的便捷式多體征參數監護系統的設計與實現

杜世遠

（福建衛生職業技術學院，福建 福州 350101）

1 便捷式多體征參數監護系統的理論依據及重要意義分析

醫學檢測儀器種類日益增加，能夠實時監測患者的生命體征，及時判斷出危險狀況。對于冠心病、高血壓、糖尿病等慢性病患者來說，通過居家檢測了解自身的身體健康狀態，在突發情況下采取必要的救治手段具有十分重要的價值與意義[1]。便攜式多體征參數監護裝置有效擺脫了傳統醫療系統的局限性[2]，具體敘述如下：

第一，傳統醫療服務系統工作效率較低，就醫過程十分繁瑣，醫療費用較高。國內的醫療資源分配不均勻，將現代化技術與醫院系統聯系起來，能夠實現遠程掛號、問診甚至手術的目標，使得患者的就醫過程更加方便，提高了醫療系統的工作效率，給患者極大的健康保障[1]。

第二，在傳統的醫療環境中，公共衛生資源十分短缺，浪費情況不容樂觀。患者就醫往往注重名人醫師的影響力，并未充分利用小型社區醫院及地方性衛生院，造成醫療資源的浪費。在移動健康生命體征監護系統作用下，用戶可以實時監控自身的健康狀況，將家庭中的攝像頭與醫院對接，使得專家能夠遠程問診，掌握患者的生命體征狀況，提高就醫過程的科學性與合理性。

2 便捷式多體征參數監護系統設計的關鍵

人體的生理信號具有隨機性較強、表現力弱及噪聲較大的特點，需要不斷提高系統的抗干擾能力，高效處理生理信號信息，獲得更加準確的數據信息。

2.1 關于系統器件的選擇方案

在采集生理信號的過程中，會遭遇多種噪聲干擾，為了提高獲得信號數據的準確性，需要確保系統器件符合相關規定。系統器件需要具備噪聲水平較低、可靠性較強、使用性能較好的特點。例如，在選擇系統中的運算放大器時，需要使其局部共模抑制比較高，切實確保系統運行質量，獲得更好的移動監護效果[2]。

2.2 關于系統濾波器的設計思路

在系統工作時，會受到頻段外多種信號的干擾，導致采集信號的準確性較差，給系統工作過程造成了較大的影響。因此，需要提高系統的設計質量，判斷干擾來源，避免干擾信號的產生。濾波器能夠根據干擾信號的頻率特點設計出針對性較強的濾波器，對系統采集的生理信號進行處理，切實提升其準確度與可靠性[3]。

2.3 關于電路兼容性的設計

在獲得多體征參數監護系統的工作數據時，會受到內外多種因素的影響，使得系統檢測結果質量較差。電器干擾是影響系統運行穩定性與精確性的主要原因，主要包括靜電干擾、電磁輻射干擾、電導通路耦合干擾和漏電流耦合干擾幾種主要類型。事實上，靜電干擾主要是通過元器件及其線間的寄生電容產生的，電磁輻射干擾是外界電子設備對系統輻射產生的，電導通路耦合干擾是由回路之間的公共阻抗造成的，漏電流耦合干擾是由元器件之間的漏電流產生的[1]。需要根據監護系統中硬件電路的特點設計抗干擾流程，盡量避免電磁干擾的影響，提高方案的可實施性，降低共模干擾與串模干擾，采用分局布置的方式完成布局處理，遵循3W 布局原則，降低系統的耦合噪聲需求。

2.4 關于供電電路抗干擾能力的設計

在處理生理信號時，需要利用生物傳感器將其處理成為電信號，再傳輸給ADC 中心完成采樣任務。在此過程中，系統供電電源的穩定性及可靠性會對系統采集數據的準確性與可靠性產生較大影響。系統初始電源為鋰電池，為了解決數字模塊及藍牙模塊的相互干擾問題，需要保證各個模塊之間的獨立性，提高鋰電池工作過程的可靠性與穩定性[3]。

2.5 關于血氧飽和度的非線性干擾

在設計心電活動版塊時，需要做好用戶靜息狀態下的心電數據檢測工作，使其達到市場銷售的標準。在檢測血氧飽和度的過程中，會遇到各種獨特性干擾，如環境光噪聲、運動偽噪聲等，需要明確分析各種誤差因素之間的相互影響，使得電源紋波的影響趨向于最小化。

3 便捷式多體征參數監護系統主要研究內容

該項目將基于移動健康的便攜式人體生命體征監護系統作為主要研究對象，運用多功能的微功耗系統單片機、低功耗的藍牙裝置及高精度的生理特征監控裝置傳感器，有效收集采集到的數據信息，經過分析匯總過程之后將其傳輸到生理監控模塊中，在監測脈搏跳動情況、血氧飽和度變化情況時具有重要應用價值[1]，能夠使得檢測數據在低功耗的藍牙通信裝置中穩定傳輸。

該項目的前期工作主要包括以下內容。首先，需要做好對可穿戴醫療設備的調研工作，明確研發系統中包括的研發模塊，為后續的研發過程奠定良好基礎。其次，需要根據系統的軟硬件適用情況選擇合理的資源，如處理器、傳感器、外觀結構及能耗控制設備等，并根據資源需求確定高效的開發平臺，提高系統研發質量與效率[3]。最后，需要根據實際情況及研發目標確定設備的性能、精確程度及安全性，使其滿足客戶的客觀需求。

在研發過程中，需要運用IT 公司的高性能前端模擬設備設計出醫學檢測傳感器，在BLE 通信過程中，降低對心血管、體溫及血氧飽和度監測過程中的能耗情況，有效處理信號搜集過程中產生的噪聲，明確心電電極貼固定的位置及存在狀態信息，配置好芯片的時序，明確其應用價值，確保大量數據都能夠在能耗較低的藍牙通信方式下工作。在設計完成之后，還需要及時對工作模塊的能量消耗狀況、穩定性、精確程度及佩戴過程的簡易程度進行測試[2]，包括性能參數測試、能耗情況測試、信號采集準確性測試等，確保不同類型的心電信號均具有較強的敏感性與特異性，為用戶提供更加完美的使用體驗。

4 便捷式多體征參數監護系統的主要研究方法及研究路線

4.1 主要研究方法

首先，在開發穿戴式心電檢測模塊時，需要將藍牙4.0 可穿戴心電監護模塊作為重要基礎，在精細狀態下搜集用戶的心電及心率信息。在心電檢測模擬前端設計了具有高分辨率的傳感器芯片，提高了模擬前端的真實性。為了藍牙芯片的能耗，可以采用公司的CC2450 及CC2541 藍牙芯片，提高應用性能[3]。需要做好通信協議的制定工作，做好電源電路的研發工作，為系統的正常運行奠定強有力的基礎。

其次，在研發穿戴式血氧飽和度檢測模塊時，需要運用分立的元件建設起高效的血氧飽和度檢測電路，主要包括驅動電路、電源機制、LED 屏幕、存儲器及廣點檢測放大機制等。第一，需要做好血氧飽和度的檢測工作，運用低成本的生理參數檢測傳感器設計出芯片內容，加快心率監測腳步，做好血氧保護度檢測工作。在外圍電路較少的情況下即可發揮出強大的工作性能，工作能耗較低。該系統內部具有LED 驅動電路，采用24 位ADC 低噪聲通道的方式[3]，能夠完成對PPG 的信號交換任務，有效縮減了運行體積，減少成本投入，設計出了高效的穿戴式血氧檢測儀器。第二，需要做好體溫監測的工作，使得醫生能夠掌握患者體溫的實時變化情況。第三，需要加大對電源電路的研究力度，確定好通信協議。

4.2 集成模擬前端心電采集電路設計過程

心電集成模擬前端芯片ADS1293 是重要的前提之一，能夠同時輸出3 通道24 位的高分辨率圖像信息，無需經過2 次放大過程，能夠大幅度縮減板級應用空間，降低采集部分的能源消耗情況，豐富心電采集設備的使用性能，規避單導聯穿戴式心電采集系統特征參數較少、采集信號可靠性較差的缺點，改善系統線路復雜、穿戴效果不佳的問題[1]。

該系統擁有4 個差分信號輸入端口，分別與人體的右側單臂、左側單臂、右側腿部及左側腿部連接，簡稱為RA、LA、LL、RL。在本設計中，RA、LA、LL、RL 分別被連接到差分輸入引腳中，由內部集成電路連接到儀器放大裝置中，具有較高的輸入阻抗性與輸出阻抗性，能夠有效降低耦合過程產生的共模干擾，緩解輸電線路中的噪聲壓力。可以運用少量電流改善CMRR 系統，進一步抑制噪聲干擾的影響。可以運用采樣技術及抽取濾波技術將心電信號中的低頻噪聲轉移到高頻噪聲階段，在經過多次過濾作用之后降低輸出信號中夾雜聲音信號的影響[3]。

通過對寄存器的配置過程，能夠在每個通道內部設置特定的采樣率與帶寬標準值，提高了不同場合下采集裝置的靈活性與低能耗性。在此設計系統中，采樣率大小為200 Hz，帶寬大小為40 Hz，最小分辨率水平為0.16 mA，在高分辨率數字采樣信號的作用下，能夠將控制電路的SPI 接口和外部的MCU 連接起來，提高控制器內部的數據處理效率，使得穿戴式心電監護設備滿足信號可靠、可攜帶、低能耗的特點[1]。

4.3 系統低能耗的具體設計分析

在穿戴式心電監護系統發展過程中，電池持續續航能力及能耗問題是重要的影響因素。為了達到低能耗的管理目標，該系統設置了電源管理模塊，選用超低能耗的MCU控制器，單機片的接口十分豐富，支持快速及低功耗讀寫過程。BLE 低能耗藍牙模塊運用無線收發集成芯片完成研發任務，能夠與SPP 藍牙串口協議協同工作，投入資金較少，占據體積較小，收發過程中的靈敏程度較高[1]。同時，可以通過電源管理模塊進一步降低藍牙模塊的能量消耗，提高無線傳輸模塊的效率。

4.4 設計電源管理電路

運用低壓差的線性穩壓電源能夠設計出電源管理模塊，可以運用3.7 V 的鋰電池完成供電任務，降低輸出電源過程中產生的噪聲。該款芯片的壓力差較小，輸出電壓水平較差，能耗較低，具有較高的紋波抑制率，采用LDO多線路供電能夠排除各個模塊電源的相互影響，提高系統運行過程的穩定性。休眠時的消耗電流較低，約為0.1 μA，可以通過邏輯控制的方式控制電壓電路的閉合，大幅提高各個管理模塊的續航能力。在此過程中，運用超小型的SNT-6A 進行封裝，運用單鍵開關即可控制設備的開關狀態，進一步縮小電源模塊的板級空間[3]。為了滿足穿戴式心電監護系統的持續使用需求，需要運用充電芯片管理鋰電池，增強電池續航的可持續性。

5 對心電監護設備數據信息的分析

心電圖的不同波形代表著不同的含義，最早記錄心電圖波形信息的為荷蘭生物學家，用弦線電流計在感光片長記錄下了人體表面的心電圖裝置。在將不同的電極材料放置在人體各個部位時會產生形狀相異的心電圖波形。第一，當心電圖波形為P 波時，正常的心率會從心竇房開始變化，呈現出了左右心房的去極化過程，起初形狀為波形，呈現出一個較小的拱形。該種波形在心電圖中的寬度展現出了整個心房去極化所消耗的時間。第二，P-R周期展現了心房、房室結及房室束的電擊時間，正常的持續時間為0.12～0.2 s 之間[2]。隨著人類年齡的增長，P-R的間期也會逐漸增加。第三，P-R 段反映出了從心房到心室的傳播過程，期間并未伴隨著明顯的電位變化，難以在心電圖中展現出波形的起伏狀況。第四，QRS 波群是由3個連續的心電波組成的，正常持續時間少于0.04 s，振幅數值位置在0.15 mV 之下。該波群表示著左右心室去除電極時的電位變化，持續時間維持在0.06～0.1 s 之間，表示心肌興奮的傳輸時間。不同的QRS 波群特征相異，是心電圖的最基本波形。第五，S-T 波段是一個位于QRS和T 波之間的心電圖波段數據，反映了從心室除極結束之后的復雜過程。在實際應用過程中，該段波形線為心電圖的基準線，會因人而異在此基準線上下波動，正常情況下不會超過0.5 mA。若波段值偏高，說明患者具有心肌缺血或者心肌梗塞等嚴重病變過程[3]，需要及時就醫診治。第六，T 型波說明了心室復極時的電位變化情況，表明不同細胞復級趨勢不同步。正常情況下，T 型波的前支較長且移動十分緩慢，頂部十分圓潤，是醫學診斷過程中的重要參考標準之一。如果患者心電圖中的T 型波出現倒置情況，說明患者發生了心肌梗死病變過程。

6 便捷式多體征參數監護系統研究成果及效益

隨著人們生活水平的不斷提高，科技進步速度不斷加快，嵌入式產品在日常生活中具有極為重要的應用價值。人們更加重視計算機技術的應用價值，人際關系的變革速度不斷加快，需要做好人體生理特征監護工作，加快健康醫療的進步速度[1]。該系統能夠為更多中老年人提供福利，使其足不出戶即可享受身體監測治療，減少去醫院的次數，避免出現交叉感染現象。

7 結束語

綜上所述，在現代醫學發展迅速的背景之下，需要積極引入數字信號處理技術、電子電路設計技術與無線電通信技術，加快便攜式多體征參數監護系統的研發腳步，盡快完成實驗分析驗證工作，使其具備更強的運行穩定性與可重復性，給用戶提供良好的體驗感。