基于海訓(xùn)救護(hù)系統(tǒng)的移動監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分的研制

蘇秋玲，洪范宗，董少良，羅奕中，徐金榮

中國人民解放軍第一八零醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，福建 泉州 362000

0 前言

多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以對患者多種生理參數(shù)包括心電（ECG）、有創(chuàng)血壓（IBP）、無創(chuàng)血壓（NBP）、體溫（TEMP）、血氧飽和度（SPO2）、呼吸（RESP）等進(jìn)行連續(xù)、長時、自動、實時的監(jiān)測及各參數(shù)的異常報警、記錄、存儲及結(jié)果判斷等，臨床應(yīng)用廣泛[1-4]，便于醫(yī)護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn)患者隱藏的病情變化，是必要的護(hù)理和急救設(shè)備。目前，國內(nèi)使用的多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要分為3類：基于PC機的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、微型和便攜式監(jiān)護(hù)儀、采用嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)護(hù)儀，其中采用嵌入式系統(tǒng)的監(jiān)護(hù)儀相對體積小、功耗低、可靠性高、實時性強，是目前市場發(fā)展的趨勢[5]。

隨著部隊武器裝備的發(fā)展、戰(zhàn)法的創(chuàng)新，海軍迫切需要進(jìn)行以任務(wù)為向?qū)А①N近實戰(zhàn)的海上軍事訓(xùn)練，而完成好海上訓(xùn)練的救護(hù)任務(wù)，為訓(xùn)練中的戰(zhàn)士的生命安全提供保障，是衛(wèi)勤機構(gòu)的重要職責(zé)。為此，通過探討海上救護(hù)的困難，根據(jù)主動定位求救和及時救護(hù)的需求構(gòu)建了海訓(xùn)救護(hù)系統(tǒng)[6-7]。

本文主要研究海訓(xùn)救護(hù)系統(tǒng)中的移動監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)的研制，重點研究以STM32F103ZET6嵌入式微控制器為核心的參數(shù)控制部分，以實現(xiàn)對訓(xùn)練全過程中海軍戰(zhàn)士重要生理參數(shù)的監(jiān)測，為制定合理的訓(xùn)練計劃提供依據(jù)；同時可進(jìn)行生理參數(shù)異常報警，以保證救護(hù)的及時性。

1 移動監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)總體設(shè)計

海訓(xùn)救護(hù)系統(tǒng)中的移動監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)包括主板控制和數(shù)據(jù)采集控制兩部分，其中主板部分用于實現(xiàn)無線通信控制，數(shù)據(jù)采集部分用于實現(xiàn)重要生理參數(shù)的采集。系統(tǒng)框圖，見圖1。

圖1 移動監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)可以集生理參數(shù)信息，并將信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至岸基醫(yī)院或救護(hù)艇；可以提供GPS信號定位，可以對溺水等海訓(xùn)中的異常情況進(jìn)行主動定位報警；后續(xù)還可以建立戰(zhàn)士生理數(shù)據(jù)庫，為進(jìn)一步分析戰(zhàn)士生理、心理變化狀況，完善訓(xùn)練方案提供依據(jù)。其中，數(shù)據(jù)采集部分可以集成到監(jiān)護(hù)設(shè)備中，通過STM32F103ZET6嵌入式微控制器控制多個參數(shù)功能模塊，配合信號采集的各個閥門與氣泵、輸入主板及監(jiān)控端軟件，完成對ECG、RESP、TEMP、NBP、SPO2、IBP等生理參數(shù)的采集與監(jiān)測。STM32F103ZET6是基于ARM核心的32位帶512 K字節(jié)閃存的微控制器[8]，具有高集成度、高可靠性、高性能、低成本、低功耗、小體積等特點，有多達(dá)112個快速I/O端口，是移動監(jiān)護(hù)最優(yōu)配置的可靠選擇。根據(jù)電生理參數(shù)的強抗干擾需求，系統(tǒng)進(jìn)行了多電源及隔離電路處理設(shè)計。主板控制無線通信模塊接收數(shù)據(jù)采集板采集到的信息，并完成數(shù)據(jù)到監(jiān)控終端的無線傳輸。數(shù)據(jù)采集板與處理控制板之間通過串口通訊完成數(shù)據(jù)的傳遞。

2 數(shù)據(jù)采集部分硬件電路實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集部分可完成ECG、SPO2、TEMP、IBP等的監(jiān)測及12Vdc(TTL/RS232)控制，可通過JTAG接口完成PC機與數(shù)據(jù)采集板的程序讀寫。其中，NBP為氣管接口，IBP、TEMP為可選模塊；閥和泵均采用插座樣式；DC電路可完成隔離電源模塊與串口通信處理電路的電源轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集部分電路原理圖，見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集部分電路原理圖

2.1 參數(shù)采集

參數(shù)采集具體由STM32F103ZET6芯片實現(xiàn)。其8、9引腳和23、24引腳采用可控硅，起調(diào)壓作用。可控硅在交流電路中起開關(guān)作用，隨著被觸發(fā)的時間不同，通過它的電流就只有一個交流周期的一部分，從而使得通過它的電壓只有全電壓的一部分，以此調(diào)節(jié)輸出電壓；各IO端口編程實現(xiàn)控制功能，電路原理圖見圖3。其中A端口用于串口、CPU等接口的控制；B端口用于接口的輸入輸出控制；C端口用于ECG信號處理；D、G端口用于處理SPO2、INBP、TEMP信號；E端口可同時提供各檢測信號的驅(qū)動選擇處理；F端口用于TEMP信號的獲取及ECG導(dǎo)聯(lián)的選擇。

圖3 數(shù)據(jù)采集部分核心控制電路原理圖

2.1.1 ECG電路

ECG電路完成對人體ECG信號的處理。信號經(jīng)過輸入電路、緩沖放大電路、右腿驅(qū)動電路、后級放大電路等之后，經(jīng)過模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；由CPU進(jìn)一步處理形成心電波形。起搏脈沖經(jīng)過起搏檢測電路，通過中斷信號通知CPU。

2.1.2 RESP電路

RESP電路由信號調(diào)制電路、檢波放大電路、濾波放大電路和電平平移電路組成。振蕩電路產(chǎn)生的載波信號加到RA-LL導(dǎo)聯(lián)上后，形成調(diào)幅放大的正弦信號；經(jīng)過小信號檢波放大后，再進(jìn)行濾波放大，形成呼吸波信號送到A/D進(jìn)行采樣。

2.1.3 TEMP電路

TEMP電路由開關(guān)控制電路、放大電路、濾波電路和探頭脫落檢測電路組成。模擬開關(guān)在CPU的控制下，可選擇溫度傳感器，采集的信號經(jīng)過放大、濾波后送到A/D進(jìn)行采樣。

2.1.4 SPO2電路

SPO2電路由恒流源驅(qū)動電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、紅光/紅外光開關(guān)電路、放大電路、平移電路組成。CPU通過D/A轉(zhuǎn)換器和恒流源來控制發(fā)光二極管的發(fā)光強度和時間，以一定頻率輪詢地照射手指，此時，因血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）對紅光與紅外光的吸收率不同，其透射光強度也不同，HbO2和Hb的比例信息將會以脈沖幅度調(diào)制的方式轉(zhuǎn)換為電信號；CPU根據(jù)采樣得到的紅光和紅外光數(shù)據(jù)，控制紅光/紅外光驅(qū)動電流的大小以控制發(fā)光強度，并調(diào)節(jié)平移電路的電壓，使紅光/紅外光的數(shù)據(jù)保持在一個合適的范圍內(nèi)。

2.1.5 NBP電路

NBP電路由傳感器驅(qū)動電路、差分放大電路、放大平移電路和過壓保護(hù)電路組成。傳感器的輸出信號經(jīng)過差分放大器的放大后輸出袖帶壓信號；經(jīng)過隔直電容及放大平移后，輸出脈搏波信號。過壓保護(hù)電路檢測到壓力超范圍時，通過中斷信號通知CPU。

2.1.6 IBP電路

IBP電路由濾波放大電路、通道切換開關(guān)電路組成。傳感器的信號經(jīng)過放大后形成壓力信號送到A/D芯片，CPU通過開關(guān)控制2通道IBP壓力信號的測量。

2.2 數(shù)字電路

數(shù)字電路的CPU是核心控制部分，由它分時對各個功能模塊進(jìn)行控制、管理、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)分析及把相關(guān)計算結(jié)果通知給上位機。數(shù)字電路部分還有SRAM、EEPROM等芯片，主要是用于執(zhí)行程序及數(shù)據(jù)存儲。

3 數(shù)據(jù)采集板集成

（1）注意事項。為了減少數(shù)據(jù)采集板受到污染的可能性，必須在清潔的環(huán)境中進(jìn)行安裝；安裝和使用數(shù)據(jù)采集板過程中必須進(jìn)行靜電防護(hù)，防止數(shù)據(jù)采集板受到靜電損壞。

（2）機械安裝說明。本板的機械尺寸設(shè)計為：120 mm×100 mm×25 mm。為了達(dá)到電氣安全的要求，板的四周和底面要留出5 mm的空間，頂面要留出10 mm的空間，即安裝空間水平方向為：125 mm×105 mm，垂直方向為40 mm。隔離區(qū)的定位柱及定位螺釘最好用非金屬材料，若用金屬螺釘，則要保證螺釘與隔離區(qū)的最小間隔＞5 mm，否則就達(dá)不到電氣安全的要求。

4 功能測試

數(shù)據(jù)采集部分可以實時提供2道ECG波形、1道SPO2波形、1道RESP波形和2道IBP波形數(shù)據(jù)。通過分析計算，可以提供心率（HR）、SPO2、IBP、NBP等生理參數(shù)。

4.1 通訊測試

在確認(rèn)數(shù)據(jù)采集板已經(jīng)正確安裝和連接后，將數(shù)據(jù)采集板通過串口和PC機進(jìn)行通訊，將TTL/RS232接口和PC機串口連接好，啟動測試軟件，選擇連接的串口，給數(shù)據(jù)采集板供電。如果在測試軟件上看到6道（配有IBP）或4道（沒有IBP）刷新的波形則說明通訊正常。

4.2 ECG/RESP功能測試

（1）測試工具。人體生理信號模擬器。

（2）測試步驟。① 用測量電纜將模擬器同數(shù)據(jù)采集板ECG插座相連；② 確定ECG波及RESP波正常顯示；③ 設(shè)定模擬器參數(shù)值為：HR=30，RR=15；④ 檢查顯示的ECG、RESP波形以及HR、RR值是否正確；⑤ 改變模擬器的配置：HR=240，RR=120；⑥ 檢查 ECG、RESP波及HR、RR值是否同模擬器設(shè)定的參數(shù)值一致；⑦ 使ECG導(dǎo)聯(lián)脫落，數(shù)據(jù)采集板應(yīng)立即報告導(dǎo)聯(lián)脫落。

4.3 NBP漏氣檢測

（1）測試工具。模擬手臂。

（2）測試步驟。① 將袖帶與模塊的外接氣孔連接好；② 把袖帶纏在適當(dāng)大小的模擬手臂上；③ 啟動測試軟件，選擇漏氣檢測命令；④ 模塊會自動充氣到壓力為180 mmHg；⑤ 大約20 s之后，系統(tǒng)會自動打開放氣閥，標(biāo)識漏氣測量完成；⑥ 如果在NBP參數(shù)區(qū)沒有提示信息，則表示系統(tǒng)不存在漏氣現(xiàn)象；如果顯示“泵漏氣”，說明氣路可能存在漏氣故障。此時應(yīng)檢查整個連接是否有松動，當(dāng)確認(rèn)連接無誤后，再重新進(jìn)行一次漏氣檢測。如果仍有故障提示出現(xiàn)，請與廠家聯(lián)系，進(jìn)行維修。

4.4 SPO2功能測試

（1）測試工具。SPO2模擬器。

（2）測試步驟。① 將SPO2模擬器通過SPO2探頭同數(shù)據(jù)采集板SPO2相接；② 設(shè)定SPO2模擬器參數(shù)值：SPO2=98，PR=70；③ 檢查數(shù)據(jù)采集板SPO2及PR的顯示值是否同模擬器一致；④ 改變SPO2模擬器SPO2及PR的設(shè)定值；⑤ 檢查模塊的顯示值是否與設(shè)定值一致；⑥ 使 SPO2探頭脫落，數(shù)據(jù)采集板應(yīng)立即報告探頭脫落。

4.5 測試結(jié)果

數(shù)據(jù)采集板通過JTAG接口與PC機連接，各項參數(shù)功能均能正常運行。

5 結(jié)語

移動監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分以STM32F103ZET6嵌入式微控制器為核心，可以監(jiān)測海訓(xùn)中戰(zhàn)士的重要生理參數(shù)，為制定合理的訓(xùn)練計劃提供依據(jù)，同時可以進(jìn)行生理參數(shù)異常的報警，保證救護(hù)的及時性；具有高性能、低功耗等特點，可以很方便地移植到監(jiān)護(hù)儀中，具有良好的實用價值。

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