嵌入式技術(shù)下智能胸貼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)探究

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[摘要]目的：設(shè)計(jì)一套基于嵌入式技術(shù)的智能胸貼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人體體征數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸與存儲(chǔ)以及可視化。方法：采用Max30001三導(dǎo)聯(lián)傳感器采集心電、呼吸及心率數(shù)據(jù)，Max30208傳感器采集體溫?cái)?shù)據(jù)，并通過(guò)ESP32芯片自帶藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以Exynos4412型號(hào)為監(jiān)護(hù)處理的中央處理器(CPU)，實(shí)現(xiàn)多線程并發(fā)處理數(shù)據(jù)。結(jié)果：經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體體征參數(shù)，在連續(xù)48h內(nèi)系統(tǒng)處理速度與精度皆良好；整個(gè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)能力、上層數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)良好且數(shù)據(jù)精度與預(yù)期偏差＜5%，能夠及時(shí)了解患者的狀態(tài)，為醫(yī)護(hù)人員精確診治提供依據(jù)。在事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可極大節(jié)省救治時(shí)間。結(jié)論：智能胸貼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下運(yùn)行順暢，能夠?qū)崟r(shí)以圖形或數(shù)字形式顯示人體體征數(shù)據(jù)，并快速處理，確保數(shù)據(jù)安全有效。

[關(guān)鍵詞]嵌入式技術(shù)；ESP32主控芯片；體征數(shù)據(jù)

目前，隨著醫(yī)療科技水平提升，我國(guó)老年人數(shù)量激增，聯(lián)合國(guó)有關(guān)報(bào)告預(yù)測(cè)，至2050年全球?qū)⒂?0億老年人口[1]。然而，隨之而來(lái)的是老年病、獨(dú)居老年人的安全問(wèn)題，在老年人病發(fā)或出現(xiàn)事故時(shí)，醫(yī)生能夠第一時(shí)間獲得傷患的體征數(shù)據(jù)極為重要，對(duì)于后續(xù)治療起著關(guān)鍵作用[2]。在車(chē)禍?zhǔn)鹿手校F(xiàn)場(chǎng)便攜式醫(yī)療設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體數(shù)據(jù)，可為醫(yī)生手術(shù)計(jì)劃或治療方案的制定節(jié)省大量時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)護(hù)人員能夠根據(jù)傷患不同的體征狀態(tài)進(jìn)行采取相應(yīng)的治療措施[3-4]?；诖?，本研究設(shè)計(jì)一種基于嵌入式技術(shù)的體征數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)Max30001與Max30208傳感器采集傷患各種體征數(shù)據(jù)，通過(guò)ESP32芯片實(shí)時(shí)控制兩個(gè)傳感器。并通過(guò)內(nèi)嵌的藍(lán)牙模塊將體征數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1智能胸貼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式技術(shù)的體征數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由Exynos4412作為主控芯片，搭載Linux系統(tǒng)支持的Qt嵌入式(Qtembedded，QTE)圖形庫(kù)，實(shí)時(shí)顯示體征信號(hào)，并且該系統(tǒng)支持傳輸控制協(xié)議/Internet協(xié)議(transmissioncontrolprotocol/internetprotocol，TCP/IP)傳輸模塊，能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送或某段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)打包傳至指定IP地址。該IP通常為醫(yī)院后臺(tái)服務(wù)器地址，醫(yī)生可通過(guò)醫(yī)院信息系統(tǒng)(hospitalinformationsystem，HIS)調(diào)用服務(wù)器數(shù)據(jù)，第一時(shí)間掌握患者信息，及時(shí)制定治療方案，提高救治的有效性和準(zhǔn)確性[5]。

1.1整體框架

智能胸貼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由底層胸貼采集系統(tǒng)、上層監(jiān)護(hù)顯示終端及遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)三大部分組成，其中由ESP32芯片控制Max30001傳感器(美國(guó)MaximIntegrated公司)與Max30208傳感器(美國(guó)MaximIntegrated公司)采集體征數(shù)據(jù)，由內(nèi)嵌藍(lán)牙模塊每秒發(fā)送數(shù)據(jù)包，監(jiān)護(hù)終端接收并通過(guò)算法處理數(shù)據(jù)包、顯示數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，考慮硬盤(pán)大小，該套系統(tǒng)搭載SQlite小型數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)護(hù)終端可設(shè)置實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至醫(yī)院服務(wù)器或一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)包，再由醫(yī)生通過(guò)網(wǎng)頁(yè)Web查看患者信息。智能胸貼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)整體框架見(jiàn)圖1。

1.2底層采集系統(tǒng)

智能胸貼底層采集系統(tǒng)其主控芯片為樂(lè)鑫ESP32芯片，內(nèi)部包含了藍(lán)牙與WiFi模塊，體征采集主要包含心電采集模塊、呼吸采集模塊及體溫采集模塊等，外圍電路包含電壓轉(zhuǎn)換模塊、供電模塊及心電模塊導(dǎo)聯(lián)線連接口模塊，其中降壓芯片MP2012DQ將5V電源電壓轉(zhuǎn)換為1.8V與3.3V，且由ESP32芯片提供外部Flash存儲(chǔ)器，該模塊為NandFlash外部存儲(chǔ)器,確保讀寫(xiě)速度與心電的采樣頻率同步。上層系統(tǒng)監(jiān)護(hù)顯示系統(tǒng)，主控芯片為Exynos4412芯片，該芯片支持操作系統(tǒng)，能夠多線程并發(fā)處理數(shù)據(jù)，本方案中使用基于Linux5.0版本內(nèi)核的QTE系統(tǒng)，整個(gè)UI界面由QTCreator5.12版本開(kāi)發(fā)，主要包含各個(gè)體征數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)保存、TCP傳輸、藍(lán)牙等功能，由于測(cè)量值心電、呼吸及體溫，故心率測(cè)量還需通過(guò)算法進(jìn)行計(jì)算。遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)主要包含TCP服務(wù)器模塊開(kāi)發(fā)，使其運(yùn)行在某個(gè)醫(yī)院的服務(wù)器上。智能胸貼底層系統(tǒng)框架見(jiàn)圖2。

2智能胸貼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

樂(lè)鑫ESP32主控芯片集成了2.4GHzWiFi和低功耗藍(lán)牙功能，整個(gè)芯片功耗低。通過(guò)ESP32芯片為心電采集模塊提供時(shí)序信號(hào)，Max30001傳感器與ESP32芯片共用同一晶振，方便主控部分與采集心電模塊數(shù)據(jù)同步，標(biāo)準(zhǔn)化心電采樣頻率，防止各個(gè)芯片間電壓干擾對(duì)心電采集產(chǎn)生影響，需要對(duì)心電模塊單獨(dú)供電，標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓為5V，心電模塊需1.8V和3.3V，故由MP2012DQ電壓轉(zhuǎn)換模塊供電。

2.1電壓轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)

MP2012電壓轉(zhuǎn)換模塊是一個(gè)完全集成且內(nèi)部補(bǔ)償1.2MHz固定頻率脈沖寬度調(diào)制(pulsewidthmodulation，PWM)降壓轉(zhuǎn)換器，輸入范圍為2.7～6V。系統(tǒng)采用5V的鋰離子電池供電，由于其他模塊需要1.8V與3.3V電壓供電，故需降壓轉(zhuǎn)換。5V轉(zhuǎn)1.8V電路以及5V轉(zhuǎn)3.3V電壓電路見(jiàn)圖3。ESP32主控芯片最低可輸出電壓0.8V，輸出電壓大小可由圖3與圖4顯示，通過(guò)計(jì)算芯片外部電阻R3(R9)、R2(R7)及R4(R10)的值改變輸出電壓大小，輸出電壓值[6]計(jì)算為公式1：Vout=0.8×(1+)(1)R2R4

2.2心電采集模塊電路設(shè)計(jì)

Max30001傳感器是一個(gè)集生物電勢(shì)和生物電阻抗(BioZ)檢測(cè)的可穿戴芯片，其可以檢測(cè)心電圖(electrocardiogram，ECG)、心率等，由于考慮精確度，設(shè)計(jì)的心率信號(hào)需要通過(guò)算法計(jì)算，且該芯片的單路生物電阻抗能夠測(cè)量呼吸[7]。Max30001外圍硬件電路見(jiàn)圖4。心電采集模塊電路中的芯片引腳ECGN、ECGP、BIN及BIP分別為心電信號(hào)的負(fù)正輸入，生物電阻抗的正負(fù)輸入，芯片引腳DRVP、DRVN為生物電阻抗激勵(lì)的正負(fù)極，測(cè)量時(shí)需要將心電三導(dǎo)聯(lián)的隨機(jī)接入(randomaccess，RA)ECGN_BIN引腳，本地回環(huán)(localloopback，LL)協(xié)議接入ECGP_BIP接口，Interlaken協(xié)議(Interlaken，LA)接口接入共模電壓(voltagecommonmode，VCM)引腳，其中VCM為共模緩沖器輸出，需要外接10μFX5R(C43)陶瓷電容后，將其連接到印刷電路板(printedcircuitboard，PCB)。

2.3體溫采集模塊電路設(shè)計(jì)

Max30208溫度傳感器是一款專(zhuān)用于體溫檢測(cè)的溫度傳感器，在30～50℃范圍內(nèi)，精度為±0.1℃。使用I2C接口進(jìn)行通信。為方便測(cè)量人體腋下標(biāo)準(zhǔn)體溫，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，使用軟板將體溫模塊以0.5cm寬延伸10cm，使得再使用時(shí)能夠達(dá)到舒適度要求[9]。Max30208外圍電路見(jiàn)圖5。2.4ESP32外圍電路設(shè)計(jì)主控芯片ESP32負(fù)責(zé)對(duì)采集傳感器內(nèi)部寄存器的控制，兩個(gè)傳感器通信模式均為內(nèi)部集成電路總線(inter-integratedcircuit，IIC)通信，因其需要擴(kuò)展外部Flash及兩個(gè)傳感器，這三者使用的時(shí)鐘頻率不一樣，而ESP32芯片的時(shí)鐘(clock，CLK)接口只有一個(gè)，需要對(duì)其擴(kuò)展，利用GPIO16、GPIO17接口模擬數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)于過(guò)大時(shí)鐘信號(hào)可能會(huì)失真。Max30001需要32.768kH的時(shí)鐘信號(hào)，擴(kuò)展后的FCLK引腳連接至傳感器的FCLK引腳。ESP32外部Flash最大可支持16M，主要用來(lái)緩存心電信號(hào)數(shù)據(jù)，防止發(fā)生數(shù)據(jù)丟包，造成不可逆的后果。ESP32外圍時(shí)鐘信號(hào)擴(kuò)展口見(jiàn)圖6，ESP32外部Flash外圍電路見(jiàn)圖7，ESP32IO接口部分電路見(jiàn)圖8。

3智能胸貼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)

監(jiān)護(hù)系統(tǒng)圖形用戶(hù)界面(graphicaluserinterface，GUI)模塊主要包含藍(lán)牙與底層ESP32連接模塊，體征數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，傳輸控制協(xié)議(transmissioncontrolprotocol，TCP)客戶(hù)端等。系統(tǒng)基于Exynos4412搭載linux5.0版本內(nèi)核的QTE圖形界面系統(tǒng)，QT庫(kù)為4.7.1版本，該庫(kù)在制作內(nèi)核鏡像文件時(shí)直接進(jìn)行連接編譯，不做過(guò)多內(nèi)核制作介紹。監(jiān)護(hù)用戶(hù)界面(userinterface，UI)顯示軟件由QTCreator開(kāi)發(fā)，之后通過(guò)修改啟動(dòng)文件/etc/init.d/rcS文件，最后一行添加開(kāi)機(jī)直接啟動(dòng)該執(zhí)行文件即可。

3.1主界面窗口設(shè)計(jì)

主界面的顯示主要包含實(shí)時(shí)顯示、患者數(shù)據(jù)、藍(lán)牙、TCP傳輸?shù)饶K，且左邊預(yù)留了用于升級(jí)兼容超聲的模塊[10]。主界面左右分別對(duì)應(yīng)退回和關(guān)閉按鈕，且實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)時(shí)間。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主界面及用戶(hù)界面顯示見(jiàn)圖9。圖9監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主界面及用戶(hù)界面顯示圖在監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主界面，程序啟動(dòng)后初始化按鈕及其他動(dòng)作，創(chuàng)建Stackwidget窗口容器，主要用于各個(gè)頁(yè)面的切換，該容器初始頁(yè)面只添加一個(gè)主界面，其他頁(yè)面當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到按鈕事件時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)子頁(yè)面，當(dāng)返回主頁(yè)面時(shí)子頁(yè)面所有資源被回收，防止內(nèi)存占用率過(guò)高，導(dǎo)致軟件卡頓或卡死。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)界面主程序流程見(jiàn)圖10。

3.2實(shí)時(shí)顯示窗口設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)顯示界面模塊主要包含體溫、心率、呼吸和心電信號(hào)的顯示，其中心電信號(hào)與呼吸信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔40ms，此時(shí)間可能會(huì)受到多線程處理數(shù)據(jù)的影響。當(dāng)點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕后，系統(tǒng)首先判斷是否有底層胸貼藍(lán)牙連接，無(wú)連接時(shí)會(huì)以對(duì)話(huà)的方式提醒用戶(hù)，否則開(kāi)啟一條子線程，子線程通過(guò)藍(lán)牙下發(fā)控制指令，使得底層開(kāi)始采集體征數(shù)據(jù)，同時(shí)調(diào)用心電處理模塊，提取特征值，計(jì)算心率值，同時(shí)繪制波形及相關(guān)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)顯示窗口見(jiàn)圖11。

3.3患者數(shù)據(jù)窗口設(shè)計(jì)

當(dāng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主界面接收到患者數(shù)據(jù)按鈕被按下時(shí)間，創(chuàng)建新的Widget，初始化數(shù)據(jù)庫(kù)，使用的是小型SQlite數(shù)據(jù)庫(kù)。醫(yī)護(hù)人員可以通過(guò)患者姓名、身份識(shí)別(identification，ID)等進(jìn)行索引。每個(gè)患者信息都是每次藍(lán)牙進(jìn)行重連接時(shí)需要手動(dòng)輸入患者基本信息，同時(shí)醫(yī)護(hù)人員也可對(duì)患者信息進(jìn)行修改?；颊邤?shù)據(jù)庫(kù)界面見(jiàn)圖12。

4智能胸貼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

4.1應(yīng)用方法

智能胸貼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)操作和使用方法簡(jiǎn)單，醫(yī)護(hù)人員在現(xiàn)場(chǎng)將胸貼粘貼于人體左肺上方5cm處，具體需要實(shí)際情況而定，保證軟排線體溫模塊能夠放置到腋下。連接三導(dǎo)聯(lián)線，將導(dǎo)聯(lián)線按三導(dǎo)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)分別放置在右鎖骨中線與第2肋間之交點(diǎn)、左鎖骨中線與第2肋間之交點(diǎn)及左下腹[11]。打開(kāi)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，連接藍(lán)牙并下發(fā)開(kāi)始指令，系統(tǒng)開(kāi)始工作，當(dāng)正常檢測(cè)時(shí)，胸貼終端綠色發(fā)光二極管(lightemittingdiode，LED)燈亮起，否則為紅色。若需要遠(yuǎn)程支持或數(shù)據(jù)傳輸，打開(kāi)TCP功能即可。

4.2應(yīng)用效果

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要服務(wù)對(duì)象為老年病、老年安全及車(chē)禍?zhǔn)鹿尸F(xiàn)場(chǎng)，兼容檢測(cè)體溫、心電、呼吸、心率等體征數(shù)據(jù)。通過(guò)室內(nèi)檢測(cè)和室外檢測(cè)，整個(gè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)能力、上層數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)良好且數(shù)據(jù)精度與預(yù)期偏差＜5%，并且使用模擬數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試，在連續(xù)48h內(nèi)系統(tǒng)處理速度與精度皆良好，超過(guò)48h，中央處理器(centralprocessingunit，CPU)內(nèi)存占用率激增，數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，波形顯示出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，后續(xù)將繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。TCP數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)傳輸時(shí)具有延時(shí)，暫時(shí)可通過(guò)手動(dòng)傳輸時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)。后續(xù)將繼續(xù)改進(jìn)各個(gè)模塊算法，優(yōu)化系統(tǒng)，擴(kuò)大測(cè)試面積。

5結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的智能胸貼監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，是針對(duì)大型醫(yī)療設(shè)備無(wú)法攜帶且部分監(jiān)護(hù)設(shè)備、無(wú)法實(shí)現(xiàn)多參數(shù)檢測(cè)，導(dǎo)致醫(yī)護(hù)人員無(wú)法第一時(shí)間獲得傷患的體征數(shù)據(jù)而耽誤治療時(shí)間。整個(gè)系統(tǒng)方便攜帶、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)及測(cè)量參數(shù)多且精度高，可有效提高事故現(xiàn)場(chǎng)救治的準(zhǔn)確度。

作者:張?zhí)i 王玉珍 王能才 張海英 單位:蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院