基于STM32的無線生命體征監測系統設計

許新建 許海樹 張志芳 湯棟生 毛坤劍*

基于STM32的無線生命體征監測系統設計

許新建①許海樹①張志芳②湯棟生①毛坤劍①*

目的：設計無線生命體征監測系統，實現可穿戴式和無線傳輸，提高醫療救治的有效性和準確性。方法：采用傳感器集成模塊，采集血氧飽和度、心電、體溫、血壓和呼吸等生命體征參數，以STM32為主控制器進行數據處理，并通過無線傳輸模塊將采集的數據發送到中央監測系統上，實時監測患者的生理狀態。結果：經過測試，無線生命體征監測系統可以及時監測患者的生命狀態信息，及時了解患者是否疲勞、寒冷及恐懼等不良狀態，為醫務人員制定治療方案和手術決策提供科學依據。結論：無線生命體征監測系統適合患者在運動過程中體征監測的應用。

生命體征；無線監測；STM32；無線傳輸；可穿戴設備

生命體征監測主要是對患者血氧飽和度、心電、體溫、血壓以及呼吸等生理參數進行監測[1]。目前，大部分監測主要是患者躺在病床上，采用心電監護儀進行監測，醫務人員根據設備報警了解患者的生理狀態信息，但無法實時的詳細了解患者各種生理參數的變動和變化趨勢。有些患者需要運動過程中進行監測，而心電監護儀由于自身的重量無法隨身穿戴，不利于患者在運動過程中的實時監測[2]。

基于上述情況，本研究設計一種無線生命體征監測系統，通過傳感器采集模塊，采集患者的各種生理信息，通過無線傳輸模塊將患者生理參數監測信息傳輸到中央監測站，第一時間掌握患者的各種參數變化，醫務人員可以根據監測信息及時了解患者是否處于不良狀態，提高醫療救治的有效性和準確性[3]。

1 無線生命體征檢測系統設計方案

無線生命體征監測系統由可穿戴式生命體征采集模塊、無線輸出模塊、監測中心處理服務器以及中央顯示終端組成。每個患者可以通過可穿戴式生命體征采集模塊監測的各種生理參數實時顯示在中央顯示終端上，其結構如圖1所示。

圖1 生命體征監測系統結構圖

可穿戴式生命體征采集模塊的信號處理系統的主控制芯片采用STM32，生命體征信號采集主要包括心電采集模塊、血氧采集模塊、體溫采集模塊和血壓采集模塊等，外圍電路包括控制模塊、顯示模塊、報警模塊和無線模塊等，其系統結構如圖2所示[4]。

圖2 可穿戴上生命體征采集模塊結構框圖

2 無線生命體征信號采集系統設計

本系統采用的主控微控制器單元(micro control unit，MCU)為STM32，其內置Cortex-M3，采用ARM V7架構，是一款超低功耗和無線應用型的芯片。整個監測系統通過主控MCU采集所有生命體征信號，一方面可以直接顯示在采集模塊的液晶顯示(liquid crystal display，LCD)上，并通過無線傳輸傳送到中央監測站上[5]。

2.1 心電采集模塊設計

心電信號是心臟興奮的產生、傳播和恢復的生物電變化，可經過人體組織傳到體表。本系統的心電信號通過電極片和心電導聯線采集，然后進行檢測、放大、濾波以及模數轉換后再通過STM32進行信號處理，為方便攜帶，采用三導導聯線進行心電采集，其采集結構如圖3所示。

圖3 心電采集結構框圖

人體采集的心電信號通常僅為0.05～5 mV，容易受外界環境的影響，為了增強心電信號中的有效成分，采用屏蔽保護電路進行抑制干擾信號[5]。采集的心電信號經過前置放大器進行初步放大送到0.03～100 Hz帶通濾波器，并通過陷波器消除50 Hz的工頻信號和35 Hz的肌電信號，再通過主放大器進行放大，通過模擬數字(analog digital，AD)轉換得出光滑的心電波形[6]。

2.2 血氧采集模塊設計

血壓采集信號采用脈搏血氧測定法，根據血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對紅光和紅外光的吸收光譜不同，監測血液對紅外光吸收量的變化，測量氧合血紅蛋白占全部血紅蛋白的百分比，從而得出血氧飽和度。血氧探頭的一側封裝2個發光二極管，一個發出660 nm的紅光，另一個發射940 nm的紅外光；另一側封裝一個光電檢測器，將檢測到的透過手指動脈血管的紅光和紅外光轉換成電信號。由于動脈血流中的氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白濃度隨著血液的動脈周期性的變化，從而引起光電檢測器輸出的信號強度隨之周期性變化，這些周期性變化的信號經過模數轉換后由STM32數據處理，就可測出對應的血氧飽和度，同時也計算出脈率[7]。

2.3 體溫采集模塊設計

溫度采集模塊采用負溫度系數的熱敏電阻作為溫度傳感器，其阻抗隨著溫度的變化而變化，將阻抗大小轉換為電平信號，再通過AD轉換，由STM32計算出體溫的大小。

2.4 血壓采集模塊設計

血壓采集信號采用震蕩測量法，其原理采用血壓袖帶充氣后達到一定壓力后完全阻斷動脈血流，又隨著壓力的減少，動脈血流將呈現完全阻閉逐漸開放到完全開放，動脈血管壁的脈搏將在血壓袖帶內產生壓力震蕩信號，通過壓力傳感器采集信號，經過放大器放大和AD轉換后由STM32數據處理[8]。在血壓測量過程中，主要測量收縮壓、平均壓及舒張壓，其血壓震蕩信號示意如圖4所示。

圖4 血壓震蕩信號示意圖

3 可穿戴式生命體征采集模塊的外圍電路設計

可穿戴式生命體征采集模塊采用12 V、2000 mAh的鋰電池供電，可采用輸出5 V變壓器或者USB接口進行充電；采集到的生命體征信號可以顯示在液晶屏上，也可以通過無線傳輸模塊傳輸到中央監測站上；各參數可以通過按鍵設定報警值，當監測到的數據超出報警值時發出報警聲以提示患者參數異常[9]。

3.1 無線傳輸模塊設計

本系統采用的無線傳輸模塊為NRF24L01，工作頻段為2.4～2.5 GHz，供電電壓為1.9～3.6 V，其極低的電流消耗，在發射模式下消耗電流僅9.0 mA，待機模式下僅為2.0 mA；其最大的傳輸速度為2 Mbps，可以實時將監測的數據輸出到中央監測站上[10]。在電路設計上，NRF24L01的VCC接電壓3.3 V；NRF_ CEN/RF_CS/NRF_IRQ連接在STM32的PG6/PG7/ PG8上，SPI2_SCK/SPI2_MOSI/SPI2_MISO則分別連接在STM32的PB13/PB15/PB14上，其電路如圖5所示。

圖5 無線傳輸模塊電路圖

3.2 顯示模塊電路設計

系統顯示模塊采用液晶顯示器將監測數據直接顯示出來，其數據傳輸通過FSMC D0～FSMC D15與STM32進行數據通訊；T_MISO/T_MOSI/T_PEN/ T_CS/T_CS用來實現對液晶觸摸屏的控制；LCD_ BL則控制LCD的背光；液晶復位信號RESET則是直接連接在開發板的復位按鈕上，和STM32共用一個復位電路，其電路如圖6所示[11]。

圖6 顯示模塊電路圖

3.3 控制模塊電路和報警模塊電路設計

本系統可以通過按鍵設置各參數的報警值，用于監測生命體征信號的異常。在電路中，KEY0、KEY1和KEY2用作普通按鍵輸入，分別連接在PE4、PE3和PE2上。WK_UP按鍵連接到PA0(STM32的WKUP引腳)，除了可以用作普通輸入按鍵外，還可以用作STM32的喚醒輸入，其電路如圖7所示[12]。

報警模塊電路采用2～5 kHz的震蕩電路驅動蜂鳴器，采用Q1放大電流，R60則是一個下拉電阻，避免MCU復位的時候，蜂鳴器可能發聲的現象，其電路如圖8所示[13]。

圖7 按鍵控制模塊電路圖

圖8 報警模塊電路圖

4 臨床應用

4.1 應用方法

本系統設計的無線生命體征監測系統操作簡單，使用方便。在使用過程中，患者將監測主機直接穿戴在腰間，連接監測連接線，如心電導聯線、血氧探頭、膚溫探頭以及血壓袖帶等，并打開模塊監測功能，進而完成監測功能。本系統還具備WiFi傳輸功能，患者如果需要將監測數據傳輸到中央監測站，可以打開WiFi功能，實現無線傳輸。

4.2 應用效果

本系統設計的無線生命體征監測系統用于患者在運動過程中心電、血氧、血壓以及體溫等生命體征信號監測時，監測數據準確，而且可以通過無線傳輸模塊將監測結果傳輸到中央監測站，不僅實現了實時監測患者的體征狀況，也實現了患者在運動過程中的監測，能夠及時了解患者是否疲勞、寒冷及恐懼等不良狀態，為醫務人員制定治療方案和手術決策等提供科學依據[14]。

5 結論

本系統針對目前大部分生命體征監測系統無法穿戴和無線傳輸等功能，導致一些患者無法在運動過程中實現生命體征的監測、無法了解患者生命體征參數變化的趨勢等問題，設計一款無線生命體征監測系統，實現可穿戴式和無線傳輸。整個系統低功耗、使用方便、穩定性高、便于攜帶，可以提高醫療救治的有效性和準確性[15]。

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Design of wireless vital signs monitoring system based on STM32/

XU Xin-jian, XU Hai-shu, ZHANG Zhi-fang, et al//
China Medical Equipment,2017,14(9):11-14.

Objective: To design a wireless vital signs monitoring system so as to achieve wearable and wireless transmission of monitoring system and increase the efficiency and accuracy of medical rescue. Methods: The integrated module of sensor was applied to collect series of vital sign parameters including oxyhemoglobin saturation, electrocardiograph, temperature, blood pressure, breathing and so on. STM32 was used as main controller to implement data processing, and then the collected data were sent to central monitoring system through wireless transmission module so as to constantly monitoring the physiological status of patients. Results: The test results showed that the wireless vital sign monitoring system could monitoring vital status information of patients in time, and could understand whether patients were in badness status, such as fatigue, cold, fear and so on in time, and could provide scientific basis for medical staff on therapeutic plan and surgical decision. Conclusion: The wireless vital sign monitoring system fits to be applied in movement process of patient for monitoring their vital sign.

Vital signs monitoring; Wireless monitoring; STM32; Wireless transmission; Wearable devices

Department of Medical Engineering, The 174thHospital of PLA(Chenggong Hospital Affiliated to Xiamen University, Xiamen 361003, China.

1672-8270(2017)09-0011-04

R-058

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.09.003

2016-10-25

①解放軍第174醫院(廈門大學附屬成功醫院)醫學工程科 福建 廈門 361003

②廈門市海滄醫院設備科 福建 廈門 361003

*通訊作者：herehere2012@163.com

許新建,男,(1986- ),本科學歷，助理工程師。解放軍第174醫院(廈門大學附屬成功醫院)醫學工程科，從事醫療設備的維修和質量控制方面的研究工作。