人体多生理参数监护仪及远程监测系统研究与设计

刘彦伟，孟庆琰，张兰芹

1. 泰安市中心医院 设备科，山东 泰安 271000；2. 山东第一医科大学第二附属医院 医学装备部，山东 泰安 271000

引言

人体生理多参数监护仪可以实时监测病人的血压、血氧饱和度、心率和体温等人体生命体征[1-2]，对实时了解病人的状况具有很大的意义，随着Android手机的普及和物联网技术的发展，使通过手机远程监测病人的生理参数信息成为可能[3-4]。本文设计了一款多参数监护仪及远程监测系统，该监护仪可以准确测出人体的生理参数信息并将信息通过Wi-Fi上传到服务器。远程监测系统通过Android手机客户端实现多个病人的生理参数信息的查询、显示、保存本地手机SD卡及语音播报功能，方便及时了解病人的身体状况。

1 人体生理多参数监护仪硬件设计

本文设计的监护仪主要测量人体的血压、血氧饱和度、心率和体温四项生理参数信息，监护仪采用STM32F103作为系统的控制芯片，其主要功能是利用人体生理参数各部分的传感器及检测处理电路准确、快速测出人体的生理参数信息，STM32F103内部程序检测到生理参数信息采集完成后，将生理参数信息通过监护仪内部的Wi-Fi模块实时上传到服务器。本文设计的多参数监护仪硬件主要包括血压、血氧饱和度、心率和体温的检测及处理电路、Wi-Fi模块电路，监护仪硬件的结构框图如图1所示。

图1 监护仪硬件结构框图

1.1 人体多生理参数监护仪血压模块硬件设计

本文设计的人体血压测量是通过示波法的方法来检测的，该部分主要由电源电路、气泵和电磁阀驱动电路、血压检测及转换电路并配合外部袖带组成。该部分电路框图如图2所示。

图2 人体多生理参数监护仪血压测量电路框图

预先在控制芯片STM32F103程序中设置充气的最大压力值（本文设定220 mmHg），当STM32F103内部程序检测到血压测量按钮按下时，会通过控制气泵驱动电路来驱动气泵给袖带充气，当检测到压力达到220 mmHg时，停止给袖带充气，并开始控制放气电磁阀给袖带放气。当袖带开始放气时，血压检测电路内部的压力传感器实时检测压力值，当检测到脉搏波跳动强度随着血压袖带内部气体压力的减小而增强时，这个拐点测到的血压值为收缩压，当袖带继续放气达到某一点时，脉搏波跳动强度会随着袖带内气压得较小而减弱，这个拐点测到的血压值为平均压值，利用测出的收缩压和平均压可以计算出舒张压[5-6]。

1.2 人体多生理参数监护仪血氧饱和度硬件设计

本文设计的血氧检测探头由发红光和红外光的两个不同波长的二极管反向并联构成，红光和红外光的波长分别为660 nm和940 nm[7-8]。血氧检测探头的红光驱动电路由2个MMBT05L三极管和相应的电路组成，红外光的驱动电路由2个MMBT55LT1三极管和相应电路组成，利用控制芯片STM32F103的4个端口分别控制输出电压和二极管的发光强度。

当血氧传感器探头夹上手指后， STM32F103会产生两路时序脉冲信号驱动血氧探头内的两个不同波长的二极管交替发光[9]，发光二极管发出的光通过人体指端后由光电三极管接收并通过前置差分滤波及转换电路滤波放大后转换成数字信号反馈给STM32F103芯片，由控制芯片STM32F103根据血氧饱和度的计算公式测量出人体的血氧饱和度值。本文设计的血氧饱和度的电路框图如3所示。

图3 人体多生理参数监护仪血氧饱和度电路框图

1.3 人体多生理参数监护仪心率硬件设计

本文设计的血氧饱和度采集电路可以同时采集到人体指端的容积脉搏波信号，通过提取两个相邻脉搏波波峰点的采样点数，设为n，根据本文指端脉搏波采集设置的采样时间T=0.007s，即可计算出人体的心率值（Heart Rate，HR），HR的计算公式[10]如公式（1）所示。

1.4 人体多生理参数监护仪体温硬件设计

本论文设计体温测量电路由测温电桥电路、电压基准电路和差分放大反馈电路组成，其电路框图如图4所示。

图4 人体多生理参数监护仪体温测量电路框图

温度变化在较小范围内时，利用高精度铂电阻PT100的阻值与温度良好的线性关系（式2）与其他四个精密电阻组成测温电桥电路[11]，电压基准电路由电压基准芯片REF3030和相应电路组成，主要功能为测温电桥电路提供3.0 V标准基准电压，测温电桥电路测出电阻值由差分放大电路由差分放大反馈放大后，经模数转换电路转换成数字信号反馈给控制芯片STM32F103。

根据公式(2)，即可计算出人体的体温值T，如公式(3)所示。

当铂电阻的温度为0℃时，其阻值为100 Ω[12]，PT100阻值Rt与温度T的线性系数A为0.385。

1.5 人体多生理参数信息上传服务器硬件设计

人体生理参数信息采集后保存在存储器内，当STM32F103检测到所有数据采集完成后，把血压、血氧饱和度、心率和体温通过串口 UART依次发送到Wi-Fi模块ST-MW-08 S，Wi-Fi模块ST-MW-08 S将接收到的数据信息上传至服务器[13]。Wi-Fi模块的工作参数和工作方式可以通过串口软件实现配置，Wi-Fi模块ST-MW-08 S内部集成了Wi-Fi的驱动，同时支持 ARP、ICMP、UDP、TCP/IP、DHCP 客户端以及 DHCP 服务器等诸多协议，具备多路通用 I/O的输入输出接口，编程方便等优点[14]。

2 远程监测系统软件设计

本文设计的监护仪远程监测系统是一款基于Android手机的APP软件，它可以实现医生注册、登录，多病人历史信息查询、显示，病人生理参数信息数据保存和查询到的病人生理参数信息的语音播报，该APP软件结构框图如图5所示。

图5 监护仪远程监测系统框图

2.1 医生注册登录功能App软件设计

有注册权限的医生信息会预先保存在数据库中，当医生首次登陆时，软件会提示医生填写注册信息，注册信息包括用户名（真实姓名）、手机号、密码及性别的选择，当医生的信息与数据库中的信息匹配时，才能注册成功。当医生注册成功后，可通过用户名和密码实现登陆，若登陆信息忘记时，可以通过手机号找回密码，本文设计的App软件的注册、登录界面如图6所示。在设计注册界面时，添加了4个TableRow 表格行，在其中添加了4个TextView文本框 和4个EditText 编辑框控件，分别用来显示和填写用户名、手机号、密码和确认密码。在EditText 控件中的 android:singleLine = “true”表示单行输入文本， android:inputType= “password” 表示输入的内容为密码，并用 “ . ” 代替输入的内容，避免密码泄露。设计登录界面时，添加了2个TableRow 表格行，在其中添加了2个TextView文本框 和2个EditText 编辑框控件。

图6 远程监测系统注册及登录界面

2.2 人体生理参数信息查询显示App软件设计

该功能采用通过POST的请求方法同服务器进行交互，POST请求是把所有的要访问服务器提交的数据放在请求的请求体当中，POST向服务器提交的数据没有限制，可以大数据访问数据库数据。要实现POST请求，需在Manifest文件中注册打开访问网络的权限：＜uses-permission android:name =“android.permission.INTERNET” /＞， 输 入 病人名字后，点击查询按键，界面会跳转到病人生理参数信息显示界面，该界面会从上到下依次显示从服务器上获得的人体血压、血氧饱和度、心率和体温值，该界面如图7所示。

医生通过输入病人的姓名和床号查询病人的生理参数信息，通过POST方式将提交到服务器数据转换为JSON格式数据字符串，代码如下：

在主程序中利用text.setText("" + value)显示从服务器上返回的数据，其中text为定义的血压、血氧饱和度、心率和体温生理参数，value为从服务器上返回的生理参数数据。

2.3 人体生理参数信息数据保存App软件设计

点击图7界面上的保存按键，程序会检测手机本地的SD卡是否已准备好，若SD卡已准备就绪，系统内部程序利用File sdCardDir = Environment.getExternalStorageDirectory()得到SD卡根的目录，在SD卡的data文件夹下创建以病人名字命名的文件夹，程序如下所示：

图7 远程监测系统查询到的生理参数显示界面

病人的基本信息及生理参数信息会以日期+时间.txt文档的命名形式保存在手机的内部存储卡中，获得当前日期及时间的方法的程序如下：

获得当前日期的方法：

图8 保存在SD中的病人信息文档及生理参数信息

2.4 人体生理参数信息语音播报App软件设计

医生查看病人信息时，可以选择打开语音播报功能，打开后该APP软件会自动播报病人的信息，当医生忙碌无法观看手机时，该功能可以方便医生了解病人的情况。默认情况下，Android平台无法实现中文到语音的转换，必须安装中文文字转换语音Text To Speech（TTS）的语音包，并将该包引入到所建工程的buildPath中。导入第三方科大讯飞语音包的方法是右键工程，选择Build path，Configure Build Path，选择libraries选项卡中选择右侧的Add External JARs，然后选择要导入的第三方的jar 包，点击“确定”，语音jar包会被一起打包到apk中，本文采用第三方科大讯飞开发提供的TTS语音包，导入工程后如图9所示，下载并安装讯飞语音APK软件，安装成功后，在语音设置选项中打开系统识别接口、设置发音的方式、语速和音效，如图10所示。

图9 工程中导入讯飞语音包

图10 安装讯飞APK后及语音设置界面

当医生打开语音播报功能后，即可实现对病人信息的语音播报功能，语音播报的程序如下：

3 实验结果及分析

实验者静息5 min待身体完全放松后，采用医院常用的迈瑞PM 7000监护仪作为参照，分别用本文设计的监护仪和迈瑞PM 7000监护仪采集10名实验者的血压、心率、血氧饱和度和体温值。

利用Bland-Altman方法[15]对两种仪器测量的血压值进行一致性分析，分析结果是这10个数据均在一致性界限以内，其中收缩压和舒张压两者差值的均值和标准差分别为 -0.6000和-0.9000， 1.5793和 1.7640，收缩压和舒张压的95%一致性界限分别为（-3.6954，2.4954）和（-4.3575，2.5575）。两种仪器测出的10名实验者的心率的相关系数r=0.9830；血氧饱和度数据的最大绝对误差为1，最小绝对误差为0，最大相对误差为1.01%；体温值的最大绝对误差为0.5℃，最小绝对误差为0，最大相对误差为1.43%。

血压实验数据分析说明本论文设计的监护仪测出的血压值与迈瑞PM7000监护仪测出的血压具有很好的一致性。两种仪器测出的HR的相关性很大，说明本文设计的监护仪测出的HR具有很高的准确性[16]；两种仪器测出的血氧饱和度和体温值的相对误差均很小，说明了本论文设计的监护仪测出的血氧饱和度和体温值具有很高准确性，符合人体生理参数测量的要求。

4 结论

本文设计出了一款人体多生理参数的监护仪及远程监测系统，监护仪硬件部分能够快速测准确测出人体的血压、血氧饱和度、心率和体温值，利用迈瑞PM 7000监护仪作为对比，分析了10名实验者的测试数据，结果证明了本文设计的监护仪测量人体生理参数的可靠性和准确性，并实现了将病人基本信息和生理参数信息上传到服务器。本文设计的远程监测系统Android手机APP软件，实现了从服务器上查询病人历史信息并显示，实现了病人信息保 存到本地SD卡功能，实现了病人信息的语音播报功能，达到了本文设计的要求。