基于 LabVIEW 的無線生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

引 言

隨著人民生活水平的提高，我國居民患高血壓、高血脂等慢性疾病的人數(shù)急劇增加 [1]。生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)逐漸進入醫(yī)療監(jiān)護領域，成為有效監(jiān)測慢性病及老年病的新途徑 [2]?，F(xiàn)代通信技術(shù)飛速發(fā)展，如 WiFi，ZigBee，藍牙等無線通信技術(shù)得到了廣泛應用。WiFi 網(wǎng)絡覆蓋面積廣，使用簡便，傳輸速度快且輻射小。醫(yī)療監(jiān)護領域?qū)鹘y(tǒng)監(jiān)護器材與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)遠程監(jiān)護以及家庭監(jiān)護。微信小程序是現(xiàn)今火熱的手機應用，打開微信即可使用，非常適合作為家庭監(jiān)護系統(tǒng)中手機端的顯示應用。

針對上述情況，本文設計了相應的硬件模塊，實現(xiàn)了對心電、心率、脈搏、血氧飽和度和體溫等臨床生理信號的監(jiān)測 ；通過無線方式將采集的生理參數(shù)傳送至上位機 ；上位機采用 LabVIEW 實現(xiàn)無線生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)軟件，對生理參數(shù)信號進行處理和顯示（在手機端設計微信小程序顯示生理參數(shù)）。

1 系統(tǒng)總體設計

本文設計的無線生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)可分為三個模塊，分別為信號采集模塊、無線模塊以及上位機模塊。信號采集模塊與無線模塊構(gòu)成系統(tǒng)的下位機。

（1）信號采集模塊由心電、脈搏、血氧、溫度傳感器組成，用于測量人體生理參數(shù)。

（2）無線模塊由單片機和無線模塊構(gòu)成，實現(xiàn)下位機與上位機的數(shù)據(jù)通信。

（3）上位機模塊通過 LabVIEW環(huán)境實現(xiàn)，接收下位機模塊傳輸?shù)纳韰?shù)數(shù)據(jù)，對生理參數(shù)數(shù)據(jù)進行處理、顯示以及心電信號的 QRS 波形檢測。

在手機端設計了微信小程序，可實現(xiàn)手機端的生理參數(shù)顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 下位機模塊設計

系統(tǒng)下位機由信號采集模塊和無線模塊組成。除了需要完成對用戶生理參數(shù)數(shù)據(jù)的測量及預處理之外，它還需要通過 WiFi 模塊完成 TCP 客戶端的建立，與 LabVIEW 上位機TCP 服務器建立連接并發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機。

2.1 下位機硬件設計

下位機采用 Arduino 單片機， 它是一款編程簡單、結(jié)構(gòu)清晰的電子原型平臺 [3]，由硬件、軟件兩個主要部分組成 ：硬件部分為 Arduino 開發(fā)板 ；軟件部分為軟件開發(fā)環(huán)境Arduino IDE。

Arduino 具有三種供電方式，分別為通過 USB 接口供電、通過 DC 電壓輸入接口供電和通過電源接口處 V 或者 VIN 端口供電。

測量脈搏選取 PulseSensor 光電反射式模擬脈搏傳感器， 它能夠用于脈搏心率及脈搏波形測量 [4]。傳感器由光源和光電變換器組成，使用時將傳感器佩戴于手指、耳垂等處，通過導線連接，把采集到的信號傳輸給單片機，經(jīng)過簡單計算后可得心率數(shù)值。

測量血氧飽和度采用具有集成血氧和心率監(jiān)測功能的生物傳感器模塊 MAX，它由光源、光電檢測器、電源構(gòu)成， 通過標準 IC 兼容通信接口可將采集到的數(shù)值傳輸給單片機進行后續(xù)的心率、血氧計算。

測量溫度采用 DSB 傳感器，它具有體積小、硬件開銷低、精度高等優(yōu)點 [5]。采用單總線接口方式，僅需一條口線就能夠?qū)崿F(xiàn)單片機與傳感器的雙向通信 [6]。

采用 AD 心電傳感器模塊測量心電波形。它是一款用于ECG 及其他生物電測量的集成信號調(diào)理模塊。該器件設計用于在具有運動或遠程電極放置產(chǎn)生噪聲的情況下提取、放大及過濾微弱的生物電信號[7]。

無線通信采用 ESP WiFi 模塊。ESP 支持無線 b/g/n 標準，支持基站 / 熱點 / 基站 + 熱點三種工作模式，內(nèi)置 32 位MCU，可兼作應用處理器，單電源供電，可通過 AT 指令控制模塊。ESP 主要功能為串口透傳、PWM 調(diào)控、GPIO 控制。

下位機硬件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，實物如圖 3 所示。

圖 2 下位機硬件結(jié)構(gòu)

圖 3 下位機實物

2.2 下位機軟件設計

下位機軟件部分對生理參數(shù)傳感器采集的各項生理參數(shù)原始數(shù)據(jù)進行處理，得到符合要求的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，通過AT指令建立 TCP客戶端，連接 WiFi網(wǎng)絡，與上位機平臺的TCP 服務器進行數(shù)據(jù)通信。

Arduino IDE 編程環(huán)境將單片機運行流程分為 set up 與loop 兩部分。在 set up 部分實現(xiàn)各模塊的初始化，配置 WiFi 模塊，連接 WiFi 網(wǎng)絡，建立 TCP 客戶端并與上位機平臺建立的服務器相連接 ；在 loop 部分配置血氧飽和度模塊使用的光傳感器，采集各項生理參數(shù)，調(diào)用 Arduino 庫函數(shù)對測得的原始數(shù)據(jù)進行處理，得到符合需求的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過 WiFi 無線模塊將數(shù)據(jù)包發(fā)送至上位機平臺。Loop 部分不斷循環(huán)執(zhí)行，不斷獲得用戶的生理參數(shù)數(shù)據(jù)。溫度、血氧信號為數(shù)字信號輸入，采用溫度傳感器 ESP8266，遵循單總線協(xié)議，血氧傳感器為 I2C 通信接口。心電信號和脈搏信號屬于模擬信號，Arduino 單片機自帶 10 位 ADC，采用analogRead 函數(shù)即可讀取輸入的模擬信號。

3 上位機平臺設計

3.1 上位機平臺總體設計

系統(tǒng)上位機平臺是與用戶人機交互的核心，需要完成用戶生理參數(shù)數(shù)據(jù)的接收及顯示，還需對心電信號進行 QRS 波綜合檢測。上位機軟件平臺的結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

本系統(tǒng)上位機平臺主要功能 ：利用 LabVIEW 的 TCP 工具包建立 TCP 服務器，與單片機建立的 TCP 客戶端建立連接，接收來自單片機的用戶生理參數(shù)數(shù)據(jù)，軟件平臺將接收到的用戶生理參數(shù)數(shù)據(jù)實時顯示在主界面，并將心電數(shù)據(jù)進行 QRS 波綜合監(jiān)測，顯示在主頁面。

設計的無線生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)上位機平臺結(jié)合虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡技術(shù)，集成了無線通信、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)顯示功能。

系統(tǒng)上位機平臺由 TCP 通信模塊、測試數(shù)據(jù)提取模塊、心電信號處理模塊組成。

3.2 TCP 通信模塊設計

在 LabVIEW中可以利用 TCP協(xié)議進行網(wǎng)絡通信， LabVIEW 對 TCP協(xié)議的編程進行了高度集成，用戶通過簡單編程就可以在 LabVIEW 中實現(xiàn)網(wǎng)絡通信[9]。

上位機軟件平臺作為服務器端，首先指定網(wǎng)絡端口，并由“TCP 偵聽”節(jié)點建立 TCP 聽者，等待客戶機的連接請求， 完成初始化過程。當 WiFi模塊與上位機軟件平臺建立連接之后，使用“讀取 TCP數(shù)據(jù)”節(jié)點讀取指定長度的由 WiFi 模塊傳輸而來的用戶生理參數(shù)數(shù)據(jù)包，該節(jié)點中的屬性設置為 Immediate，當“讀取 TCP數(shù)據(jù)”節(jié)點接收到指定長度的數(shù)據(jù)后會立即讀出，以避免數(shù)據(jù)緩存區(qū)擁塞[2]。

3.3 用戶數(shù)據(jù)提取模塊

由于 TCP 通信所傳輸?shù)挠脩羯韰?shù)數(shù)據(jù)為字符串形式，所以需要按照硬件部分所發(fā)送的用戶生理參數(shù)格式對TCP 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行分解（“掃描字符串”函數(shù)）。硬件部分發(fā)送至上位機的數(shù)據(jù)格式為脈搏、心電 1 s 的波形數(shù)據(jù)以及心率、溫度、血氧的值，其中，前 50 個數(shù)據(jù)為脈搏、心電的波形數(shù)據(jù)，通過“，”分隔，后 3 個數(shù)據(jù)是心率、溫度、血氧的數(shù)值，以“ ”分隔。將硬件部分發(fā)送過來的字符串數(shù)據(jù)提取分解之后，通過循環(huán)索引將脈搏、心電波形整合為數(shù)組，為波形數(shù)據(jù)的顯示以及對心電信號進行QRS 檢測做準備。

3.4 心電信號處理模塊設計

本文采用離散極值點法進行 QRS 波形檢測。算法流程如下 ：

（1）判斷心電信號 R 波的閾值，若輸入信號有多個波峰， 則取所有波峰幅值的平均值作為 R 波的閾值 ；

（2）根據(jù) R波的閾值，將輸入心電信號的所有波峰值與閾值比較，超過閾值的波峰點為 R 點 ；

（3）得到 R點的位置后，進行 Q，S點的檢測，求出心電信號中的所有波谷點，將波谷點的位置與 R點的位置進行比較，在 R點位置附近的兩個波谷點中前一個為 Q點，后一個為 S 點 [11]；

（4）將 QRS點的幅值及位置信息與輸入的心電信號合并顯示。

采用離散極值點法進行 QRS 檢測的流程如圖 5 所示。

3.5 微信小程序設計

隨著手機應用軟件的不斷發(fā)展，微信小程序是一種不需要下載便能夠使用的應用，適用于生理監(jiān)測系統(tǒng)手機端的顯示。本文利用微信小程序設計了手機端生理參數(shù)的顯示程序。

設計過程 ：安裝 ODBC 驅(qū)動，使得電腦能夠遠程連接服務器端的數(shù)據(jù)庫，在 LabVIEW 中使用庫鏈接工具包LabSQL，配置主機的 IP 及數(shù)據(jù)庫的用戶名和密碼，成功連接后，在前面板中寫入插入的 SQL 語句，在 LabVIEW 中進行格式轉(zhuǎn)換，使得 LabVIEW 中的數(shù)據(jù)能夠源源不斷地插入到數(shù)據(jù)庫中。在小程序端發(fā)送 Ajax 請求，服務器接收到請求后，使用 JDBC 驅(qū)動連接服務器上的 MySQL 數(shù)據(jù)庫，通過執(zhí)行 SQL 語句獲取數(shù)據(jù)庫最新數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)存為 Json格式，返回給小程序端，在小程序得到數(shù)據(jù)后，將其展示到頁面上。程序流程如圖 6 所示。

4 實驗測試

對本文所設計的無線生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)進行功能測試。首先在放松狀態(tài)下，由人體佩戴硬件模塊，監(jiān)測人體的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測結(jié)果如圖 7 所示。由圖 7 可知，各項生理參數(shù)及心電信號的 QRS 點均能被準確檢測。手機端微信小程序顯示結(jié)果如圖 8 所示，其顯示結(jié)果與 PC 端同步。

圖 6 微信小程序流程

圖 7 用戶生理參數(shù)監(jiān)測情況

圖 8 手機端顯示界面

5 結(jié) 語

本文設計并實現(xiàn)了基于 LabVIEW 的無線生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，通過生理參數(shù)傳感器測量用戶的生理參數(shù)，再利用WiFi 模塊將生理參數(shù)遠程、實時傳送至上位機平臺，上位機平臺處理并顯示用戶的生理參數(shù)，進行心電信號 QRS 波形檢測。此外，還可通過微信小程序進行手機端顯示。由于本系統(tǒng)體積較小，對用戶的行動能力限制較少，且佩戴后無不適感，同時還可通過手機獲取生理參數(shù)數(shù)據(jù)，十分便捷，因此非常適合作為監(jiān)測老年人身體生理參數(shù)的家用儀器。