基于脉搏心率传感器的无线患者报警系统设计

黄泽彬（通信作者），梁伟玲

惠州市中心人民医院医学工程部 （广东惠州 516001）

随着我国逐渐步入老龄化社会及成年人亚健康的生活方式，心血管疾病出现了严重化和年轻化的趋势。同时，近年来突发心脏病猝死的新闻时有报道，这引起医护人员对于患者在非重症监护病房住院期间健康监护的关注。现阶段医院常规病房一般采用床旁接入监护仪的方式进行患者监护，这种监护方式存在无法实时传输患者数据至护士站或搭建中央监护站费用昂贵等问题[1]。

脉搏信号作为人体的基本生理信号，反映了人体重要的生理与病理信息。随着现代技术在人体生理信号传感器方面的快速发展，脉搏波的检测方式逐渐向小型化与可移动方向迈进。国内外的许多工作者对脉搏信号的获取、分析和处理进行了研究[2]。 本研究通过采用脉搏心率传感器与Zigbee无线传输网络模块技术，设计了一种低成本、在线实时传输患者心率的报警系统。

1 系统总体设计

该无线患者报警系统由脉搏心率传感器（Pulse Sensor）、无线传输模块（Zigbee模块）、控制电路（Arduino Nano）和护士站报警显示器组成，图1为系统框图。

图1 系统框图

本系统通过脉搏心率传感器采集患者的信号，通过控制电路识别处理后，在下位机部分以LED闪烁指示脉搏信号，同时通过无线传输方式将处理后的脉搏信号传输到护士站报警显示器的上位机部分。当下位机控制电路发现患者出现异常脉搏信号时，及时在下位机蜂鸣器发出报警信号，同时将报警信号发送至护士站报警器[3]。

2 系统模块结构

2.1 控制电路部分

在硬件方面，Arduino本质为易于上手电路开发平台。其上面装有专用集成电路的电路板，同时为方便开发，将功能引脚引出集成电路的外部，并且电路板集成了USB接口方便连接下载程序。在开发IDE方面，Arduino专门提供了集成开发环境Arduino IDE。本设计中下位机由于需要考虑处理传感器数据和功耗续航问题，选用了模块体积较小的Arduino Nano，以提升便携能力。上位机部分为Arduino UNO，其以ATmega 328 MCU控制器为基础，是最为常见的Arduino开发平台，具有6个模拟输入端口、UART通信和SPI通信端口、14个数字输入/输出端口，可直接采用USB的5 V供电等特点，且集成库众多，可以满足上位机的开发需求。

2.2 无线传输模块

Zigbee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，具有低成本、短时延、免执照频段等数据传输特点[4]。本设计的数据无线传输部分采用的Zigbee模块具有以下优势：（1）近距离无线通信可实现自组网功能，该模块在区域间隔大的临床病房中可以通过重新寻找通信对象的方式，实时刷新网络链路；（2）相较于Wifi芯片的封装尺寸较大和功耗高的问题，Zigbee模块的发射功率仅为1 mW，仅靠两节5号电池即可维持6个月的使用时间；（3）Zigbee传输协议的速率为250 kbps，可以满足本设计需传输的脉搏信号数据。

2.3 脉搏心率传感器

在人体的生理信号中，脉搏信号有强度较弱、抗干扰能力差和采集难度较大等特点。现阶段常见的脉搏采集方式有光电式脉搏传感器、压电晶体压力脉搏传感器、应变式压力脉搏传感器等[5]。结合现有技术和佩戴方便的需求，本设计采用了光电式脉搏心率传感器Pulse Sensor。

Pulse Sensor是一款用于脉搏心率测量、脉搏波形测量和HRV分析的光电反射式模拟传感器，其使用的光电容积法原理为人体组织在血管搏动的同时会造成血管透光率不同。此传感器是利用560 nm波长的光波可良好反映皮肤浅部微脉动信息的特点，通过在发光部分采用峰值波长为515 nm的绿光发射器，同时在光接收器部分采用感受峰值波长为565 nm的环境光感受器，实现了良好的血管搏动信号获取。其佩戴方式如图2。

图2 脉搏心率传感器佩戴方式

3 数据采集与处理

本设计通过脉搏心率传感器实时采集患者佩戴传感器期间的脉搏信号，通过采集输出的脉搏电压波动曲线后，由硬件系统的设计程序计算得出心率值。图3为Arduino Nano采集的脉搏波形中截取出的6 s波形。

图3 脉搏电压波动曲线

其中心率值（BPM）可由2个连续的心拍之间的时间差（IBI）通过公式（1）得出：

BPM=60/IBI （1）

若单独以波形识别方式识别图3中的波形波峰，直接用于计算IBI值，易因脉搏波在动脉中的生理性反射出现的重搏波而引起干扰。为提升数值获取的准确性，可在处理器实现跟踪脉搏上升时，通过加入0.6个IBI值的间隔后再进行跟踪，以避免重搏波的影响。

由于对脉搏电压搏动信号进行识别的过程中，容易受到非脉搏上升信号的干扰，因此本设计引入均值迭代算法，通过迭代更新的脉搏波均值阈值作为判断有效搏动信号的标准。均值迭代阈值法常用于图形的阈值分隔，其计算方法为：（1）初始化数据，采集初始化2 s内的脉搏信号值，计算平均值加上固定值后作为初始阈值T0；（2）当下一时刻信号采集时，将新采集的信号t1与前一时刻的初始阈值T0进行比较，若t1＞T0，则记为1次有效搏动信号；（3）通过加入该时刻的信号t1值，计算得出新阈值T1；（4）对之后传入的信号进行重复步骤1～3，循环比较搏动信号与当前阈值Tt。加入均值阈值T后，得出均值阈值曲线如图4。

图4 均值阈值T曲线

4 试验与分析

为检验本设计的无线患者报警系统的有效性，通过软件设置将心率报警值高值限制设置为90次/min，低值为75次/min。针对患者可能发生的报警情况，设置了模拟卧床、端坐、步行3种可能出现情况的对比测试试验。通过让受试者在手指佩戴本设计的下位机硬件部分，设置了单类行为试验上限值与下限值模拟各10次的方式，进行检出试验，其测试结果见表1。

表1 试验分析

表1显示，由于步行状态下手指与传感器位移较大，因此识别成功率相对较低；而在卧床与端坐状态下，由于手指位置较为固定，检测报警的成功率较高。

5 总结

本设计是通过脉搏心率传感器采集患者脉搏信号后，再通过控制电路的实时运算及软件上去除干扰的设计，可准确地进行实时报警。

本设计目前仍处于研发阶段，下一步将考虑增加多个传感器，实现多名患者同时监测的功能，并通过优化测算方式，进一步提高检出准确性。同时为提高佩戴的舒适性，需继续对硬件部分进行小型化。