遠程心率監護及急救系統設計

摘要：介紹了一種遠程心率監護及急救系統，系統以STM32為核心設計了心率監測裝置，利用GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和BD2/GPS定位技術(shù)，實(shí)現了人體心率和位置的實(shí)時(shí)監測，并通過(guò)后臺監控軟件將人體的心率和位置顯示在百度地圖上，方便醫護人員及家人遠程了解病人狀況，并在發(fā)生異常狀況時(shí)采取快速有效的救援措施。

引言

心率是人體最重要的生理信號，反映了人的身體健康狀況。傳統的心電信號采集是通過(guò)十二導聯(lián)電極采集心電信號，只能在醫院內進(jìn)行。目前市場(chǎng)上的心率測量器可通過(guò)在指尖上佩戴傳感器測量人的心率，但這種設備不能對人體心率狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監測。對于老年人、孕婦等特殊人群的異常和突發(fā)狀況不能及時(shí)獲取并給予救治。因此設計一套能夠實(shí)現遠程監控病人身體狀況，并在病人心率發(fā)生異常時(shí)給予快速有效的救援系統有非常重要的現實(shí)意義。本文利用GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和 BD2/GPS定位技術(shù)將病人的實(shí)時(shí)心率和所在位置發(fā)送到監控中心，以便于醫護人員能夠實(shí)時(shí)了解患者身體狀況并在發(fā)生異常狀況時(shí)采取快速有效的措施。

1 系統總體結構

本系統由人體心率監測裝置和監控軟件兩部分組成。心率監測裝置包括定位裝置、心電采集模塊、急救按鈕、存儲器和GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。監控軟件運行在普通PC機或服務(wù)器上，用于遠程監護病人的身體狀況和位置信息。如圖1所示，監測裝置中的GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸模塊通過(guò)基站與監控軟件通信。

系統工作時(shí)有如下兩種情況：

①病人身體狀況良好且未按下急救按鈕時(shí)，設備將采集到的正常心電信號和定位信息存儲在本地存儲器MicroSD卡中，同時(shí)將心率和位置信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給監控軟件。

②當病人心率異?；虬聪录本劝粹o時(shí)，設備通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )向監控軟件發(fā)送報警指令。監控軟件收到報警指令后提醒患者家人和醫護人員采取急救措施，同時(shí)監控軟件將監測裝置發(fā)送的地理坐標轉換為位置信息并顯示在百度地圖上，以方便及時(shí)搶救病人。存儲于監測裝置MicroSD卡中的心電數據還可通過(guò)上位機軟件恢復成心電曲線(xiàn)，以方便醫護人員分析患者病情。

2 硬件系統

硬件系統結構圖如圖2所示，包括STM32主控制器、心電傳感器、急救按鈕、MicroSD存儲卡、UM220 BD2/GPS聯(lián)合定位模塊、SIM900A GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。本系統中UM220模塊和GPRS模塊分別連接STM32的串口2和串口3，MicroSD卡采用SPI接口與STM32的 SPl2接口相連。心電傳感器輸出的模擬信號連接單片機的ADC模塊進(jìn)行心電的采樣。

2.1 STM32主控制器

系統使用意法半導體公司基于A(yíng)RM內核的32位STM32F103RBT6微控制器，主頻可達72 MHz，內部集成有高達128 KB的Flash和20 KB的SRAM，供電電壓為2.0～3.6 V，并帶有可編程電壓監測器，有多個(gè)定時(shí)器和通信接口可用，其內部集成的2個(gè)12位模/數轉換器轉換時(shí)間僅1μs，輸入通道有16個(gè)之多。

2.2 心電采集

系統采用光電容積法采集病人的心電信號。光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)會(huì )造成透光率不同來(lái)采集心電信號。使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，光源一般采用對動(dòng)脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長(cháng)(500～700 nm)的發(fā)光二極管，由于血液循環(huán)與心臟的跳動(dòng)有關(guān)，所以光電變換器接收到的信號反映了心臟的心電信號。光電變換器采集到的模擬心電信號一般需要通過(guò)放大、濾波、采樣、量化4個(gè)過(guò)程轉換為數字信號。本系統的心電采集模塊集成了放大和濾波功能，采樣和量化由STM3 2F10 3RBT6微控制器完成。

光電容積法心率測量是監護測量中最普遍的方法之一，具有方法簡(jiǎn)單、佩戴方便、可靠性高和性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，便于普及推廣應用。

2.3 UM220定位

我國自行研制的北斗全球衛星導航定位通信系統，是世界上第3個(gè)成熟的衛星導航系統。系統采用和芯通星生產(chǎn)的單芯片BD2/GPS接收模塊UM220，可利用北斗衛星和GPS衛星進(jìn)行聯(lián)合定位?？臻g定位精度可達到3 m，有UART、SPI、I2C三種交互接口可用，輸出數據格式為NMEA 0183。系統將模塊串口與控制器串口相連，從$GNRMC語(yǔ)句中提取出經(jīng)緯度信息，經(jīng)GPRS模塊發(fā)送給監控軟件。

2.4 MicroSD卡和GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊

MicroSD卡是目前廣泛使用的移動(dòng)存儲設備，具有體積小、容量大的特點(diǎn)。系統將采集到的心電信號和位置信息備份到MicroSD卡中。

GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸模塊是本系統實(shí)現遠程監護的關(guān)鍵部分，GPRS網(wǎng)絡(luò )是在GSM網(wǎng)絡(luò )基礎上建立起來(lái)的，覆蓋范圍非常廣。系統使用的SIM900A GPRS無(wú)線(xiàn)模塊內置TCP/IP協(xié)議棧，非常適合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應用。系統使用該模塊發(fā)送UDP數據包，將位置和心率信息傳輸給監控軟件。

3 軟件系統

3.1 主控制器軟件部分

主控制器是心率監測裝置的核心部件，主要任務(wù)有：①將心電傳感器的模擬信號轉換為數字信號，并對該信號進(jìn)行卡爾曼濾波、波峰檢測、心率計算;②解析 UM220BD2/G PS模塊接收到的定位信息，并進(jìn)行均值濾波處理;③在MicroSD卡中建立FAT32文件系統，并將心電和位置數據存儲在其中;④控制SIM900A GPRS無(wú)線(xiàn)模塊正常工作，并利用它與后臺監控軟件進(jìn)行通信，將心率和位置信息發(fā)送到后臺監控軟件;⑤檢測心率是否異常及急救按鈕是否按下，若是，則向后臺監控軟件發(fā)送報警信號;⑥管理和協(xié)調以上5個(gè)任務(wù)合理工作。圖3是主控制器程序流程圖。

3.2 監控軟件

監控軟件采用Qt軟件編寫(xiě)，建立UDP服務(wù)器用來(lái)接收監測裝置發(fā)回的位置和心率數據，并在接收到急救命令時(shí)報警提醒患者家人和醫護人員采取救援措施。

監控軟件采用多線(xiàn)程以保證信息接收和界面響應的實(shí)時(shí)性。程序執行步驟如下：

①UDP服務(wù)器接收到監測裝置發(fā)回的數據，并進(jìn)行判斷，若是報警信息，則報警;

②將接收到的數據中的地理坐標通過(guò)百度地圖提供的HTTP接口轉換為百度坐標;

③調用JavaScript接口將百度坐標位置顯示在地圖上，并利用HTTP接口將百度坐標轉換為街道信息;

④顯示所有數據，并等待下一幀數據到來(lái)。

4 系統測試

圖4所示為根據上述原理設計制作的心率監護裝置，該裝置能夠實(shí)現心率的采集、濾波處理和存儲發(fā)送，以及BD2/GPS定位數據的正確解析和發(fā)送。

圖5為監控軟件根據存儲在MicroSD卡中的數據恢復出的心電曲線(xiàn)。圖6為上位機監控界面，能夠實(shí)時(shí)顯示病人的正常心率為每分鐘79次，以及此次的測試地點(diǎn)為蘭州大學(xué)飛云樓，蘭州大學(xué)所在地址甘肅省蘭州市天水南路222號。

結語(yǔ)

本文將GPRS無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )和BD2/GPS定位技術(shù)應用到遠程心率監護系統中，此系統不限于在室內使用，覆蓋范圍較廣，實(shí)用性較強。如果病人使用此系統，能夠將其心率和位置及時(shí)可靠地發(fā)送到監控上位機端，并且可以對異常情況進(jìn)行報警，具有很高的實(shí)用價(jià)值。