基于4G網絡的人體多生理參數便攜檢測設備設計

郭 棟，邱力軍，徐 穎

(西京學院 理學院，陜西 西安 710123)

0 引言

如今的生理檢測產品大多數只能在醫院使用，而市面上的檢測儀普遍存在以下缺點。(1)監護設備操作過程煩瑣、市場價格高昂，尤其是高端的進口儀器。(2)監護儀器的設計基本面向醫療機構，適用于家庭和個人監測的成熟醫療產品非常少。(3)適合家庭使用的醫療儀器多為固定單一參數的產品且功能少，參考價值有限。(4)目前，適合家庭的大多數醫療儀器不能把所測量的生理參數及時發送給醫生進行診斷，這種及時診斷對于家住在偏遠地區和不方便去醫院的病人十分必要。針對上述情況，設計一套便攜式生理參數遠程實時監測系統用于家庭日常監測，并可以把測量到的生理參數發送給醫生進行在線診斷，讓使用者及時了解自己的身體狀況，真正做到預防潛在疾病。

1 系統整體技術方案

一種基于4G網絡的便攜式多生理參數遠程監測系統，本系統由3個系統組成：脈搏血氧檢測系統、無創血壓檢測系統、心電檢測系統。監控裝置的硬件結構如圖1所示。該裝置用于探測人體脈搏的血液氧氣，利用光學-頻率傳感器探測指尖的光脈脈沖，利用發光驅動回路調整脈沖-血-氧探測回路的紅色和紅色光的發射定時，并將最后的感測器接收的信號經脈沖-氧氣回路傳輸至微處理器，由微處理器進行處理，從而得出身體的脈搏和血氧飽和度等參數。[1]在測量人體的血壓時，使用了一個血壓監測線路，通過對空氣泵和閥門進行充氣，使其在一個特定的內部壓力范圍之內，通過血壓測量回路對血壓進行放大、過濾，最后由微處理器進行處理，得出舒張壓和收縮壓。在ECG的探測方面，本研究的心電檢測系統是將由導線電極收集的心電圖進行放大和過濾，過濾掉其中的基線和工頻的擾動，從而獲得較不潔凈的心電信號，再由微處理機進行處理，進行心電測量。單片機對用戶的生理指標進行采集和處理，然后利用電容式串口屏幕把生理數據傳輸到4 G模塊的服務器上。移動端上位機跟PC端上位機分別出讀出服務器端的數據[2]。系統整體框架如圖1所示。

圖1 系統整體框架

2 子系統設計

本系統主要由主控單元、脈搏血樣檢測系統、無創血壓檢測系統和心電檢測系統組成。

2.1 主控單元電路設計

主控制器采用基于帶浮點單元的Cortex@-M4內核的STM32F411RET6單片機，其工作頻率可達100 MHz并具備出色的低功耗性能。STM32F411ZET6具有高達512 KB 的Flash存儲器和高達128 KB的SRAM。擁有豐富的外設資源：3路USART，5路SPI，3個IC，12位ADC等。

2.2 脈搏血氧檢測系統

傳統的脈搏血氧飽和度檢測電路設計主要采用模擬電子技術來實現系統中的一系列環節，如雙光束分離、交直流分離、濾波放大、檢測等。這些復雜的電路硬件環節不可避免的增加了系統的干擾，使檢測電路變得更加不穩定、測量隨機誤差增加。本設計將采用一種光-頻率轉換脈搏數字系統來解決以上問題，降低系統的噪聲干擾和隨機誤差。光-頻率脈搏血氧電路結構，如圖2所示。本設計采用STM32微控制器的PE2和PE3 GPIO口來控制時序，發射管發出紅光和紅外光信號的工作由H橋電路來分時驅動完成；手指將這些信號光吸收衰減后，接收頭使用光頻轉換器件TSL237，將被手指吸收衰減后的透射光信號轉換成頻率信號，然后傳輸到微控制器的信號采集端，最終由微控制器進行脈沖頻率信號的捕捉，并對采集到的信號進行計數和分析[3]。

圖2 光-頻率脈搏血氧電路結構

2.3 無創血壓檢測系統

本系統血壓的測量是通過血壓傳感器將人體的血壓生理信號轉換成電壓信號，然后經過放大、濾波等信號調理電路轉送到單片機的A/D模塊中，最后經過單片機信號處理后顯示到電容式串口屏上并通過4G模組發送至服務器端供上位機讀取。具體工作框如圖3所示[4]。

圖3 無創血壓檢測系統

2.4 心電信號檢測系統

心電信號(EGC)能反映人體生理狀態的信息參數。它是心臟生物電活動在人體表面的體現：ECG信號是微弱的低頻信號，非常容易受到噪聲干擾。其頻率范圍為0.05～100 Hz，信號幅度為0～5 mV。由于心電信號主要來自人體，人體是一個復雜的環境，不可避免地會受到大量的噪聲干擾，因此合理設計心電信號檢測電路是獲得正確心電信號的關鍵。心電信號的檢測過程相當復雜，一般來說除了呼吸信號、肌電信號、人體運動等內部噪聲信號的干擾外，還受到50 Hz工頻干擾、電極接觸等環境干擾[5]。

心電信號采集電路的系統框圖設計，如圖4所示。電極采集的體表心電信號通常需要經過前級放大電路適當放大，再經過由低通濾波器和高通濾波器組成的帶通濾波器；通過雙T陷波器對50 Hz工頻干擾進行濾波，最終將心電信號提取到合適的電壓范圍并發送到單片機。

圖4 心電信號采集電路的系統

2.5 采集參數信息上傳服務器設計

當檢測完成后，系統先將檢測到的血氧、心電等信息存儲在儲存器中，再將存儲器中的血壓、心率等數據通過UART串口向WiFi模塊st-mw-08s依次發送，最后上傳至服務器。使用串口配置軟件可以修改WiFi模塊st-mw-08s工作時的參數和模式。WiFi模塊st-mw-08s的優點在于它自身集成了驅動程序，并且支持多種協議，如DHCP客戶端和DHCP服務器、TCPIP、ARP、ICMP、UDP等。其IO輸入輸出接口具備通用性，編程條件具備方便性。

2.6 電源模塊

系統需要的電源電壓有3.3 V和1.8 V。因為本設計的便攜性，主要考慮其體積以及功率的需求，采用LM3674MF-ADJ可調穩壓器一開關式穩壓器。其電壓輸出范圍1～3.3 V，最大輸出電流600 mA，采用SOT-23-5封裝，體積小。可以通過改變反饋電阻電容的大小就能改變輸出電壓的大小，具體3.3 V和1.8 V穩壓電路如圖5所示

圖5 穩壓電路

3 結語

本系統應用時下流行的單片機作為控制核心實現了多生理參數采集儀的設計，使采集儀體積微小化。運用4G模組實現了采集參數上傳遠端服務器來進行遠程監控，使得人們的生理參數可以隨時進行查看。當突發疾病時能及時就醫，為無人看護者提供了健康安全保證。