生理参数监测和远程监护系统的研究

艾红 张素凯

摘 要： 文中阐述远程监护系统总体方案，描述远程监护系统节点结构图和节点组网功能。说明血压测量站点设计、血压测量模块命令和血压测量流程图，并进行血氧测量站点和心电测量站点设计。以S5PV210为核心的Tiny210嵌入式平台，采用Linux操作系统，基于Qt Creator 软件进行远程监护系统界面设计。将测量的生理数据显示在界面上。ZigBee网络能够接收并传递测量的生理数据，监护平台的图形界面能够正常显示接收的生理数据，实现对心电数据的实时曲线的绘制，并且能够实现数据的存储和远程通信的功能。

关键词： 血压测量； 心电图； ZigBee网络； 远程通信； 嵌入式系统

中图分类号： TN926?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）08?0150?05

Study on physiological parameter monitoring and remote monitoring system

AI Hong， ZHANG Sukai

（Automation Institute， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： The overall scheme of the remote monitoring system （RMS） is expounded in this paper. The node structure diagram and node networking function of RMS are described. The design of blood pressure measurement station， command of blood pressure measurement module and flowchart of blood pressure measurement are illustrated. And the blood oxygen saturation measurement station and electrocardiograph （ECG） measurement station are designed. The S5PV210 is taken as the core of Tiny210 embedded platform， in which Linux operating system is adopted. The RMS interface is designed by means of Qt Creator. The measured physiological data is displayed in the interface， and can be received and transfered by ZigBee network. The graphical interface on the monitoring platform can display the received physiological data normally， realize the real?time curve drawing of ECG data， and achieve the functions of data storage and remote communication.

Keywords： blood pressure measurement； electrocardiograph； ZigBee network； remote communication； embedded system

0 引 言

生理参数监测在远程监护系统中作为远程医疗的重要组成部分，用于实现患者生理数据的采集和实时传输。近年来，生物医学传感器和监护终端趋向小型化和便携化，与无线远程传输网络结合起来，使患者可以在一定范围内自由移动，而不必受监护装置的限制。国内外关于远程监护的研究主要集中在几个方面，围绕传感器设计和远程通信等技术问题，围绕特定疾病的远程医疗方案及其临床评价；包括便携式、低功耗的传感器节点设计，传感器节点的软硬件平台体系结构研究和基于网络的远程通信方法等问题。可以通过对特定慢性病实施常规远程监护有效降低患者的再入院率。利用网络和传感器技术实现医学信息的测量和远程传输，供医院的专家进行远程诊断，也可以用于动态跟踪病态发展。远程监护的无线传感器节点主要用于采集人体生理指标，并通过一定方式将数据传输到监护平台。本地终端程序完成对数据的采集并无线传送，主控监护平台接收数据并实时显示。应用程序通过发送AT指令使数据发往远程终端。

本文的特点是应用无线网络，基于ZigBee传送血压和血氧参数，并基于WiFi传送心电信号，在嵌入式系统平台上可以显示出各个参数和相应曲线。采集的血压模块，心电模块，血氧饱和度等参数通过串口与ARM处理器连接。再通过GPRS模块发送到手机上。可对远端患者的主要生理参数，如心电、血压、血氧饱和度等进行监测。适合自理能力较差的老年人，可以脱离监护人员的视线自由活动。

1 远程监护系统总体方案设计

远程监护系统主要由ZigBee网络、主控监护平台和远程通信三部分组成。ZigBee网络的功能是完成各个生理数据的采集，将数据发送到主控监护平台，在主控监护平台的界面中显示出来，并存储到数据库中，主控监护平台通过对GPRS模块进行AT指令控制，将测量的生理数据传送到远程终端。系统框图如图1所示。

图1 远程监护系统框图

系统选用ZigBee技术作为主要的短距离数据传输技术，ZigBee传输数据可靠性高、容易实现、功耗低、成本低，对于实时传输大量数据，则可能会出现传输速率低，存在迟滞延时的问题。系统设计中的心电数据以实时数据包形式发送，要求显示实时数据曲线，因此加入WiFi技术，WiFi传输数据速度快，可靠性高，灵活性以及无线覆盖范围广，但功耗较大使用成本较高。为节约成本，只使用WiFi技术传输心电数据。因此本设计采用两种短距离无线传输技术，根据采集到的不同信号特点选择传输方式，能够使传输数据更加安全、可靠，也能够降低成本。系统的主控监护平台以S5PV210为核心，采用Linux操作系统。与PC机比较，嵌入式系统的优点可以概括为体积小、成本低、可靠性高、稳定性好及功耗低等，嵌入式Linux源代码开放、系统内核可裁剪、内核网络结构完整，所以选择它作为操作系统。监护平台的界面程序是基于Qt/Embedded设计开发的，Qt/Embedded开源免费，采用Qt/Embedded开发工具，能够使在PC机上开发的应用程序在稍加修改的情况下就能够运行在基于Qt/Embedded的嵌入式平台上，应用程序具有高度的可移植性。系统的远程通信部分采用GPRS远程传输技术，GPRS技术具有传输速率高、覆盖范围广、操作简单等特点，在远程数据传输中具有独特的优势，只需要对GPRS模块进行相应的指令控制就能够实现远程通信。

2 血压测量站点设计

2.1 血压测量模块常用指令

血压测量站点由血压测量板和血压传感器两部分组成，血压测量模块为SUPER NIBP 200A，支持成人、小儿、新生儿三种病人模式，测量范围宽。SUPER NIBP 200A通过串口与微处理器通信，接收外部命令，完成相应操作，返回系统状态和相应数据。数据格式为起始位+8位数据位+1位停止位，波特率设为4 800 b/s。

SUPER NIBP 200A的当前状态可由微处理器通过相应的指令进行控制。

微处理器向传感器发送的命令格式为：

ab；；cd

其中：为ASCII码的正文起始标志，其值为02；ab为命令代码对应的ASCII码值；符号；为“；”对应的ASCII码值；cd为2位十六进制校验和对应的 ASCII 码值，校验和是此前各位数值之和的低8位，不包括； 为ASCII码的正文结束标志，其值为03。在程序中定义一个结构体，用于存放微处理器发送的指令格式。

SUPER NIBP 200A模块测量方式有自动测量、手动测量和连续测量等，自动测量方式又可以按照周期不同进行细致划分，可设置47条指令用于控制SUPER NIBP 200A的模块功能。部分指令如表1所示。

2.2 血压测量流程图

血压测量站点的应用层主要完成血压数据的采集，通过对血压测量模块通信协议和指令的分析，实现血压数据的采集。血压测量流程图如图2所示。

血压测量站点实物图如图3所示。

2.3 血氧测量站点设计

血氧测量站点由血氧测量板和血氧传感器两部分组成，实物图如图4所示。

血氧饱和度SPO2，即血液中血氧的浓度，是血液中被氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比，是反映血液循环系统和呼吸循环的重要参数之一。SPO2监测是一种无创性技术通过测量所选光波波长的吸收来测定氧合血红蛋白及脉率。测量的具体方法是将指尖部位插入在指套式传感器，使其位于两个发光管和一个光探测器之间，测量时两个发光管交替发光，光探测器接收透射光信号，获取脉搏波然后通过数字处理，根据血氧饱和度的测量模型计算血氧饱和度。

血氧板能够提供快速准确的血氧饱和度和脉率的测量。血氧板通过串口与微处理器通信，数据格式为起始位+8位数据位+1位停止位，波特率设为4 800 b/s。血氧板将测量的数据以数据包的形式发送给微处理器，数据包为5 B格式，每秒钟发送60个包。程序设计中定义一个结构体，用来存放血氧板发送的数据包，血氧板可以测量的生理数据有脉率和动脉血氧饱和度等。

2.4 心电测量站点设计

心电测量板集成了ZigBee模块CC2530、WiFi模块和心电测量模块Mini8001等，ZigBee模块实现加入ZigBee协调器创建的网络。由于心电测量的数据要求实时显示，数据包大，ZigBee已经满足不了需求，采用WiFi模块进行心电数据的传输。心电测量模块主要是用来测量心电数据。模拟心电信号发生器产生模拟人体心电动态信号，顺序产生P波、RS波、T波等正常人的连续心电信号。

2.4.1 心电测量原理

心电监护是检测和预防心律失常的重要手段。心律失常是一种极其常见而又非常重要的心电活动异常状态，常见的综合症状有血液循环失常、心动过缓、心动过速等，严重的甚至会猝死。心电图指的是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化图形（ECG），心脏有节奏的收缩和舒张，使心肌产生的电激动沿着特殊的传导系统下传，产生一系列的电生理变化，通过在体表放置两个电极，获取这些电信号，两点电极之间的电位差，形成一条连续的曲线，这条连续的曲线就是ECG。一个完整的 ECG 波反映了心脏跳动不同阶段的状态，一般有由P波、QRS 综合波、T波和U波组成。

2.4.2 心电测量模块

系统采用Mini8001心电测量模块通过异步串行通信与微处理器进行通信，数据格式为起始位+8位数据位+1位停止位，波特率设为57 600 b/s。发送数据包格式如表2所示。

表2 数据包格式

基本格式说明：

（1） 01H是包开始标志，之后的是数据字节，都大于0x80。

（2） 高位字节包含了后面字节的最高位bit7，Bit0是ECG的bit7，Bit1是心率低字节的bit7，Bit2是心率高字节的bit7，Bit3是心率STATUS的bit7，Bit4～Bit6没有使用，Bit7固定是1。

（3） ECG心率低字节、心率高字节，它们的Bit7固定为1，数据的bit7在高位字节中：

心率 = 心率高字节[×]256 +心率低字节

在程序中定义一个结构体用来存储心电测量模块测量的数据。

typedef struct ECGReceivePacket{

unsigned char ucHead；

unsigned char ucHighByte；

unsigned char ucECG；

unsigned char ucHeartRateLowByte；

unsigned char ucHeartRateHighByte；

unsigned char ucStatus；

}ECGReceivePacket；

心电测量站点程序设计主要是对ZigBee协议栈的应用层设计，在应用层需要完成心电数据的采集和传输。心电数据是实时显示，采用WiFi传输。心电测量模块Mini8001将模拟心电信号发生器产生的数据发送给WiFi模块。心电数据显示流程图如图5所示。

2.5 远程监护系统界面设计

远程监护系统监护平台界面程序是基于嵌入式Linux操作系统平台，使用Qt Creator软件设计实现显示和存储数据功能。界面设计分为欢迎界面、显示界面、远程通信界面和数据库存储界面。首先进入欢迎界面，延时3 s后进入到显示界面，此时给各个测量站点上电，可以将测量的生理数据显示在界面上。进入远程通信界面，执行相应操作可将生理数据传输到远程终端，进入数据库存储界面可查看测量历史数据。显示界面显示测量的生理数据，并且提供到各个界面的跳转功能。

2.5.1 监护系统界面设计工作流程图

血氧和脉率的数据通过血氧测量站点测得，血压数据通过血压测量站点测得，这两者都是通过协调器串口传送到主控监护平台。测量的心电数据通过WiFi直接传送给主控监护平台，并以实时曲线的方式显示。监护系统界面设计工作流程图如图6所示。

2.5.2 远程通信功能

远程通信界面模拟手机的基本功能，实现了对测量数据的远程发送。设置0～9十个数字键，按下相应的按钮，就会在对应的文本框中显示相应的数字。利用信号和槽机制，按下按钮激活click（）信号，执行相应的槽函数。对GPRS模块进行AT指令的控制。当按下sendMsg按钮时，click（）信号被触发，则调用相应的槽函数gprs_send_message（）。

当测量数据上传到监护平台后，在显示界面的相应位置显示出来，同时将数据存储到数据库中，方便医生和病患日后查看。系统中的数据库是针对某个病人设计的，数据存储量较小。使用数据库软件设计生成数据库文件look_history.db，并将该文件拷贝到应用程序工程中。在界面程序中，需要添加SQLITE数据库驱动，并且将数据库名称设置成需要的数据库文件名。将远程监护系统的程序在虚拟机的Fedroa14环境下编译，将生成的可执行文件yuancheng和数据库文件look_history.db通过SD卡拷贝到开发板目录/bin，改变这两个文件的可执行权限，编写脚本文件setqt4env，配置Qt4.7的环境变量。将此应用程序设置成开机自启动，将文件/etc/init.d/rcS中的/bin/qtopia &替换成需要执行的程序。这样，每次开机，程序就会自动执行并进入到远程监护系统的欢迎界面。搭建好远程监护系统，系统上电，各测量站点和协调器上电，等待几秒，待ZigBee组网成功后，依次按下各测量站点的测量按键进行测量，每个站点测量完成后将数据发送给协调器，如果此时点击“远程通信”按钮，进入远程通信界面如图7所示。

远程通信界面中短信编辑区可以显示测量数据，在电话号码编辑区输入手机号，点击“sendMsg”按钮，将测量信息发送出去，或者点击“call”按钮，建立通话连接。如果点击“历史记录”按钮，进入数据库界面，发现已经将测量的数据存入了数据库中如图8所示。

3 结 语

远程监护系统的设计研究具有十分重要的意义。对患者的生理参数可以进行实时监测，并通过无线网络将数据传送至主控监护平台，主控监护平台对数据进行实时处理和分析。通过主控监护平台的显示屏随时了解健康状况。远程监护借助于ARM处理器、传感技术和现代无线通信技术，是一种体积小、功耗低、实时安全的便携式人体健康参数无线监测系统。对正常人的生理参数进行监护，可以评估个人的健康状况，适时调整生活习惯，从而达到预防疾病的目的。

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