一種老年心電突變系統(tǒng)的研究

朱樂 徐學(xué)軍

文章編號(hào)： 2095-2163（2018）03-0084-04中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

摘要： 關(guān)鍵詞： （School of Physical & Electronic Science， Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114， China）

Abstract： Faced with the situation of China′s elderly people and combined with today′s maturing wireless communication technology， the paper researches a convenient monitoring elderly people′s ECG mutation system. The system uses the MAX30102 sensor to collect elderly ECG data. The STM32 microcontroller is used as a control unit equipped with MAX30102 sensor， GPS module and bluetooth transceiver. And data are exchanged between STM32 and mobile client via the bluetooth 4.0. Based on the above， the paper establishes a mobile client through the use of Android platform. The system can perform real-time monitoring of the ECG changes of the elderly and achieve accurate location. Simultaneously， the system is simple in operation and low in price， which provides a great convenience for improving the aged care service. And it is of great significance and has a broad application prospect.

Key words：

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期： 引言

20世紀(jì)后期，控制人口急劇增長(zhǎng)的推進(jìn)和人口出生率的迅速下降，加快了中國(guó)人口老齡化的進(jìn)程。根據(jù)2000年第五次人口普查情況得知，65歲及以上的群體占總?cè)丝诘?.96%[1]。同1990年第四次全國(guó)人口普查[2]相比，比重上升了1.39%。而2010年第六次人口普查中，65歲及以上的人口占據(jù)總體數(shù)量的8.89%[3]，比2000年又上升了1.93%。截止到2017年，中國(guó)老年人口總數(shù)進(jìn)一步增長(zhǎng)，65歲及以上老年人口占比飆升至11.4%[4]。與2010年第六次人口普查相比，所占比重動(dòng)態(tài)攀升了2.51%。這一系列數(shù)據(jù)皆已明確指出中國(guó)的人口老齡化現(xiàn)象越來越突出。目前，中國(guó)的老年人口呈現(xiàn)出基數(shù)大、增速快、高齡化、失能化、空巢化傾向明顯的格局態(tài)勢(shì)，再加上國(guó)內(nèi)未富先老的國(guó)情和家庭小型化的結(jié)構(gòu)，養(yǎng)老問題異常嚴(yán)峻。

老年人由于各項(xiàng)生理機(jī)能逐步退化，健康狀況普遍不佳，在身邊缺少親人或醫(yī)護(hù)人員照料的情況下容易發(fā)生意外[5]。此外，老年人認(rèn)知新事物的能力日趨減弱，因而無法迅速、熟練地使用智能復(fù)雜的通信設(shè)備。

綜合上述特點(diǎn)分析可知，為了確保老年人獨(dú)處時(shí)身體突發(fā)不適可以在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)出消息并及時(shí)獲得救援，本文設(shè)計(jì)提出了一套適用于老年人心電突變的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，一定程度上可以緩解社會(huì)和子女對(duì)老年人健康監(jiān)護(hù)的壓力與困擾，表現(xiàn)出良好的可行性和可操作性。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

圖1是老年心電突變系統(tǒng)的總體框圖。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心，通過貼近皮膚的MAX30102傳感器實(shí)時(shí)采集老人的心電信號(hào)，再通過藍(lán)牙將采集后的心電數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)客戶端。與此同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)將采集后的心電數(shù)據(jù)與正常的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)老人的心電數(shù)據(jù)和正常的數(shù)據(jù)存在一定偏差、即出現(xiàn)異常時(shí)，就立刻通過手機(jī)客戶端將老人的心電異常信息和位置信息發(fā)送給養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的工作人員和老人親屬，確保老人可以在最短時(shí)間得到援助。養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的工作人員或者老年人親屬也可以隨時(shí)登錄手機(jī)客戶端查看老年人的實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)。

1.1QRS波群

正常的心電波形如圖2所示。一個(gè)正常心動(dòng)周期內(nèi)的心電圖由P波、QRS波群、T波和微小的U波組成。QRS波群代表著心室除極時(shí)的體表電位差變化，持續(xù)時(shí)間約為0.06～0.10 s，正常成人不超過0.12 s[6]。QRS波群時(shí)間能反映出心室、心房有無心律失常。該系統(tǒng)就是利用QRS波群持續(xù)時(shí)間以及2次R波時(shí)間間隔作為手機(jī)客戶端判斷心電突變的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。如果老人心電有突變，則QRS波群也會(huì)呈現(xiàn)相應(yīng)變化。例如：老人心跳停止時(shí)，QRS波群不會(huì)再有電位的變化；老人心跳加快時(shí)，QRS波群電位變化的頻率也會(huì)增加等。

1.2心電采集模塊

本系統(tǒng)采用Maxim公司2016年推出的MAX30102傳感器模塊采集老人的心電信號(hào)。MAX30102是脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)內(nèi)嵌于其中的生物傳感器模塊。該傳感器模塊集成了多個(gè)LED、光電檢測(cè)器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路，且具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C兼容的通信接口。工作時(shí)，采用1.8 V的單電源供電，同時(shí)內(nèi)部LED采用單獨(dú)的5.0 V電源供電。該模塊可通過手機(jī)客戶端關(guān)斷電源，待機(jī)狀態(tài)的電流消耗幾乎為零，可以始終保持電源提供一個(gè)恒定的電壓值。這里，研究給出了MAX30102傳感器的模塊原理如圖3所示。圖3MAX30102原理圖

Fig. 3MAX30102 schematic

1.3微控制器

微控制器是系統(tǒng)的核心，主要用于實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)、坐標(biāo)信息獲取以及數(shù)據(jù)通信等功能。考慮到成本、功耗以及處理速度等因素，該系統(tǒng)選用STM32L021D4微控制器作為設(shè)計(jì)中樞。這款微控制器具有體積小（僅有14個(gè)引腳）、功耗低（工作電流為76 μA/MHz）、運(yùn)行速度快（最高主頻為32 MHz），支持I2C接口和藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。該微控制器可以保證心電數(shù)據(jù)在采集模塊和手機(jī)客戶端之間的穩(wěn)定傳輸，符合整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求。

1.4無線傳輸模塊

本系統(tǒng)中，STM32微控制器與手機(jī)客戶端通過hc05藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，hc05藍(lán)牙模塊的內(nèi)部電路組成如圖4所示。其中，TX和RX引腳分別與STM32上的RX和TX引腳用串口構(gòu)建連接，配置達(dá)成數(shù)據(jù)交換（傳送心電數(shù)據(jù)）目的[7]。而在設(shè)計(jì)研究后，hc05將通過AT指令與手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)通信。

1.5定位模塊

GPS信號(hào)處理單元通過GPS定位模塊實(shí)時(shí)獲取老年人的位置信息，位置信息處理單元通過訪問服務(wù)器地址，將坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到手機(jī)客戶端。

2軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)客戶端采用Eclipse作為軟件開發(fā)平臺(tái)，使用Java語(yǔ)言開展程序編寫調(diào)試。手機(jī)客戶端將傳入的老人心電數(shù)據(jù)與正常心電數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)老人心電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。客戶端運(yùn)行界面和監(jiān)測(cè)界面則可分見圖5（a）和（b）。

（a）運(yùn)行界面 （b）監(jiān)測(cè)界面

（a）Operation interface（b）Monitoring interface

手機(jī)客戶端與微控制器通過藍(lán)牙成功連接后，點(diǎn)擊運(yùn)行界面中的開始監(jiān)測(cè)，就會(huì)對(duì)使用該系統(tǒng)的老年人的心電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)界面最下方會(huì)顯示實(shí)時(shí)心電波形圖，Rate是每分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)，RRave是2次心跳的間隔，Errnum是異常心拍的次數(shù)。當(dāng)2次心跳間隔過長(zhǎng)或者過短，都會(huì)記錄異常心拍的次數(shù)和發(fā)生的時(shí)間，Errnum會(huì)隨著異常心拍次數(shù)的增加而逐次累積。在手機(jī)客戶端中設(shè)置了Errnum的臨界值。超過此臨界值，則判定老年人心電信號(hào)出現(xiàn)了異常，手機(jī)會(huì)自動(dòng)給親屬和養(yǎng)老院的工作人員發(fā)送老人心電異常和實(shí)時(shí)位置的提示短信。

3結(jié)束語(yǔ)

本文較為系統(tǒng)地研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)老年人心電突變的智能監(jiān)控，提供了一種關(guān)于老年人心電突變方面更先進(jìn)實(shí)效、且貼近人性化的監(jiān)測(cè)方法。該系統(tǒng)會(huì)在老年人心電異常時(shí)及時(shí)向親屬和養(yǎng)老院工作人員發(fā)送老年人的確切位置。不僅可以為老年人的日常生活帶來便利，大幅提升了全社會(huì)關(guān)于老年人行為和健康監(jiān)控的解決力度，增加了解決途徑。而且，基于物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，即使得本文中設(shè)計(jì)提出的老年心電突變系統(tǒng)也必將具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的社會(huì)推廣價(jià)值。

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