遠程心率監(jiān)護及急救系統(tǒng)設計

摘要：介紹了一種遠程心率監(jiān)護及急救系統(tǒng)，系統(tǒng)以STM32為核心設計了心率監(jiān)測裝置，利用GPRS無線網絡和BD2/GPS定位技術，實現(xiàn)了人體心率和位置的實時監(jiān)測，并通過后臺監(jiān)控軟件將人體的心率和位置顯示在百度地圖上，方便醫(yī)護人員及家人遠程了解病人狀況，并在發(fā)生異常狀況時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(tǒng)的心電信號采集是通過十二導聯(lián)電極采集心電信號，只能在醫(yī)院內進行。目前市場上的心率測量器可通過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行實時跟蹤監(jiān)測。對于老年人、孕婦等特殊人群的異常和突發(fā)狀況不能及時獲取并給予救治。因此設計一套能夠實現(xiàn)遠程監(jiān)控病人身體狀況，并在病人心率發(fā)生異常時給予快速有效的救援系統(tǒng)有非常重要的現(xiàn)實意義。本文利用GPRS無線網絡和 BD2/GPS定位技術將病人的實時心率和所在位置發(fā)送到監(jiān)控中心，以便于醫(yī)護人員能夠實時了解患者身體狀況并在發(fā)生異常狀況時采取快速有效的措施。

1 系統(tǒng)總體結構

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

系統(tǒng)工作時有如下兩種情況：

①病人身體狀況良好且未按下急救按鈕時，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，同時將心率和位置信息通過網絡發(fā)送給監(jiān)控軟件。

②當病人心率異?；虬聪录本劝粹o時，設備通過無線網絡向監(jiān)控軟件發(fā)送報警指令。監(jiān)控軟件收到報警指令后提醒患者家人和醫(yī)護人員采取急救措施，同時監(jiān)控軟件將監(jiān)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，以方便及時搶救病人。存儲于監(jiān)測裝置MicroSD卡中的心電數(shù)據還可通過上位機軟件恢復成心電曲線，以方便醫(yī)護人員分析患者病情。

2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)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無線傳輸模塊。本系統(tǒng)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模塊進行心電的采樣。

2.1 STM32主控制器

系統(tǒng)使用意法半導體公司基于ARM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(jiān)測器，有多個定時器和通信接口可用，其內部集成的2個12位模/數(shù)轉換器轉換時間僅1μs，輸入通道有16個之多。

2.2 心電采集

系統(tǒng)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時會造成透光率不同來采集心電信號。使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，光源一般采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長(500～700 nm)的發(fā)光二極管，由于血液循環(huán)與心臟的跳動有關，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放大、濾波、采樣、量化4個過程轉換為數(shù)字信號。本系統(tǒng)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(jiān)護測量中最普遍的方法之一，具有方法簡單、佩戴方便、可靠性高和性價比高等特點，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(wèi)星導航定位通信系統(tǒng)，是世界上第3個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。系統(tǒng)采用和芯通星生產的單芯片BD2/GPS接收模塊UM220，可利用北斗衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星進行聯(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(shù)據格式為NMEA 0183。系統(tǒng)將模塊串口與控制器串口相連，從$GNRMC語句中提取出經緯度信息，經GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控軟件。

2.4 MicroSD卡和GPRS無線通信模塊

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

GPRS無線傳輸模塊是本系統(tǒng)實現(xiàn)遠程監(jiān)護的關鍵部分，GPRS網絡是在GSM網絡基礎上建立起來的，覆蓋范圍非常廣。系統(tǒng)使用的SIM900A GPRS無線模塊內置TCP/IP協(xié)議棧，非常適合移動互聯(lián)網應用。系統(tǒng)使用該模塊發(fā)送UDP數(shù)據包，將位置和心率信息傳輸給監(jiān)控軟件。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 主控制器軟件部分

主控制器是心率監(jiān)測裝置的核心部件，主要任務有：①將心電傳感器的模擬信號轉換為數(shù)字信號，并對該信號進行卡爾曼濾波、波峰檢測、心率計算;②解析 UM220BD2/G PS模塊接收到的定位信息，并進行均值濾波處理;③在MicroSD卡中建立FAT32文件系統(tǒng)，并將心電和位置數(shù)據存儲在其中;④控制SIM900A GPRS無線模塊正常工作，并利用它與后臺監(jiān)控軟件進行通信，將心率和位置信息發(fā)送到后臺監(jiān)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(jiān)控軟件發(fā)送報警信號;⑥管理和協(xié)調以上5個任務合理工作。圖3是主控制器程序流程圖。

3.2 監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件采用Qt軟件編寫，建立UDP服務器用來接收監(jiān)測裝置發(fā)回的位置和心率數(shù)據，并在接收到急救命令時報警提醒患者家人和醫(yī)護人員采取救援措施。

監(jiān)控軟件采用多線程以保證信息接收和界面響應的實時性。程序執(zhí)行步驟如下：

①UDP服務器接收到監(jiān)測裝置發(fā)回的數(shù)據，并進行判斷，若是報警信息，則報警;

②將接收到的數(shù)據中的地理坐標通過百度地圖提供的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(shù)據，并等待下一幀數(shù)據到來。

4 系統(tǒng)測試

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

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

結語

本文將GPRS無線通信網絡和BD2/GPS定位技術應用到遠程心率監(jiān)護系統(tǒng)中，此系統(tǒng)不限于在室內使用，覆蓋范圍較廣，實用性較強。如果病人使用此系統(tǒng)，能夠將其心率和位置及時可靠地發(fā)送到監(jiān)控上位機端，并且可以對異常情況進行報警，具有很高的實用價值。