面向家庭健康監護的便攜式脈搏波監測系統

金乃慶 李翔偉 高翠云

摘 要：為解決目前市場上銷售的便攜式血壓儀或部分品牌運動手環普遍存在的僅顯示脈率和血壓，不具備實時顯示脈搏波形、存儲數據及聯網功能的問題，利用ARM1138與智能手機開發便攜式脈搏波監測系統。利用紅外脈搏傳感器拾取脈搏信號，通過ARM1138片上A/D對信號進行采集，基于平均幅度差函數算法計算脈率值，并實時存儲原始數據至SD卡。實驗表明：系統脈率檢測準確，觸摸液晶屏和手機端可實時同步顯示脈搏波形及脈率值，有助于實現面向家庭的可視化健康監護。

關鍵詞：紅外脈搏傳感器;ARM1138;平均幅度差函數;脈率;可視化;監護

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-000-03

0 引 言

隨著社會的發展，中國老齡化現象嚴重，人均醫療資源緊缺的現象愈加突出[1]。因此，研制面向家庭的低成本、便攜式健康監護產品十分必要。

心血管疾病是中老年人群最常見的疾病，脈搏波形特征能夠在一定程度上反映心血管的健康狀況，因此常被作為臨床診斷和治療的依據[2-4]，甚至作為儀器標準[5]。目前市場上銷售的便攜式血壓儀或部分品牌運動手環雖具有脈率檢測功能，但僅僅顯示脈率和血壓，不具備實時顯示脈搏波形、存儲數據及聯網功能，因此無法滿足智能家居及智能醫療的需求。為解決上述問題，本文參照相關標準[5]設計了面向家庭健康監護的便攜式脈搏波監測系統[6-7]，該系統不僅可實現對脈搏信號的準確測量，同時還可與手機進行實時數據交互，不僅適合老年人實時監測自身脈搏，也可用于家庭成員的健康監測、社區健康醫療等，具有廣泛的應用前景。

1 脈搏信號處理及脈率計算

如何對采集的脈搏信號進行濾除高頻噪聲、濾除基線漂移是脈搏信號處理的基本問題[8-10]，但若要對脈搏波監測并進行健康診斷，對脈率的準確計算至關重要。本文采用平均幅度差函數（AMDF）計算脈率[6，11]，處理流程如圖1所示。

脈搏信號同濁音信號類似，是準周期信號，可將脈搏信號進行AMDF函數處理[12]，然后通過極值點以及采樣率計算脈率。

以某位測試者為例，給出采樣率為512 Hz時的AMDF處理后的結果，如圖2所示。圖2（a）為原始波形，可利用紅外脈搏傳感器采集;圖2（b）為帶通濾波后波形;圖2（c）為對圖2（b）波形采用AMDF變換后得到的波形，目的是尋找極小值點。

2 系統軟件設計

系統框架如圖3所示。系統以ARM1138作為主控制器，采用模塊化思想設計，包含系統初始化模塊、采樣模塊、信號去噪處理模塊、脈率計算模塊、按鍵掃描模塊、SD卡讀寫模塊、數據發送模塊。

2.1 內部通信協議

該設備是健康智能家居的組成部分，因此ARM和手機之間的通信協議參照其通信協議進行[13]：一次傳輸一幀數據，每幀數據量在不同模塊之間傳輸有所不同。每個設備的設備號唯一且不可更改，各設備根據通信協議對通信數據進行識別。協議幀組成見表1所列。

每個設備在解析協議幀時，會按照一幀數據中的每個位來判斷該位數據代表的含義。并使用校驗位來檢驗數據是否正確，如果錯誤，會放棄這一幀數據。

脈率儀向智能手機發送脈率值，協議幀數據為：{0xFF，0x90，0x04，0x09，0x00，“20160513”，“母親”，“女”，“43”，65，檢驗位，0x91}，其表示脈率儀發送給智能手機測試的脈率值和被測者信息。

2.2 軟件工作流程

系統開機后首先進行初始化，然后進入工作模式，系統提供兩種工作模式選擇和一種模式等待。模式選擇分為開始測試模式和數據回放模式;模式等待為等待手機請求。系統工作在測試模式時，ARM處理器的A/D采樣脈搏傳感器輸出電壓信號，采樣后對數據進行去噪處理，并將處理后的數據存入SD卡中，同時通過UART發送到液晶屏繪制脈搏波形，之后進行脈率計算并分別發送到液晶和手機端顯示脈率值。系統進入數據回放模式后，開始讀取儲存在SD卡中的脈搏和被測者信息數據，然后將讀取的數據發送到液晶屏上顯示。當工作模式處于未選擇狀態時，系統均工作在等待模式中，當手機請求接收數據時，ARM讀取SD卡數據并通過WiFi發送到手機端顯示。軟件框架流圖如圖4所示。

2.3 人機界面設計

為方便用戶觀察脈搏波形，采用Z2056觸摸液晶屏進行人機界面設計。觸摸顯示屏將顯示層分為兩層，讀寫分別操作，在顯示時疊加在一起。底層為第0層，頂層為第1層。在本設計中，底層界面存放圖片作為監測界面背景，頂層主要實現數據顯示和控件操作。當數據需要更新時，頂層刷新實現數據更新，底層保持不變。同時每一層又分為主界面和輔助界面，主頁面有清屏效果，而輔助界面無法清屏，因此系統將圖片放置在輔助界面，以避免切換界面時出現閃爍。系統共5個界面，主要界面如圖5、圖6所示。

3 系統實物與測試

將AMDF算法移植到ARM中，并與相應電路進行系統集成，在手機端設計相應的APP，系統包括WiFi通信模塊、波形顯示和存儲模塊。采用本文設計的系統和歐姆龍血壓儀進行比對測試，具體如圖7所示，數據見表2所列，表明脈率測試準確度較高。此外，圖8所示為系統與手機同步顯示實測的脈搏波形和脈率值。

4 結 語

本設計針對中國老齡化和醫療資源匱乏的現狀，面向家庭血壓檢測儀或穿戴式運動產品存在的缺陷，根據國家標準與相關規定，設計并實現了面向手機的便攜式脈搏波監測系統。該系統具有實時監測脈搏波形并計算脈率的功能，與手機的數據通信可為實現遠程社區醫療和就診提供基礎數據服務。本文的研究工作對面向健康智能家居和社區醫療技術研究的同行具有一定的參考價值。鑒于中國的老齡化和醫療資源現狀，該課題值得長期、深入研究。

注：本文通訊作者為高翠云。

參考文獻

[1]佚名.中國人口老齡化、醫療水平對醫療行業未來發展趨勢影響分析[EB/OL]. http：//www. chyxx.com/industry/201903/719411.html.

[2]羅志昌，張松，楊益民.脈搏波的工程分析與臨床應用[M].北京：科學出版社，2006.

[3]趙秀秀，徐磊.光電容積脈搏波在監測心血管系統功能中的應用進展[J].臨床麻醉學雜志，2020，36（1）：89-92.

[4] R B Menon，N M Mohan. System for ECG，PPG Signal Acquisition and Peak Detection [C]// 2017 14th IEEE India Council International Conference （INDICON），Roorkee，2017：1-6.

[5] 國家食品藥品監督管理局·醫用電器設備：醫用脈搏血氧儀設備基本安全和主要性能專用要求：YY0784—2010 [S].北京：中國標準出版社，2010.

[6]儲慧芳.脈搏波自動檢測系統[D].合肥：安徽建筑大學，2015.

[7]李翔偉.面向智能手機的脈率檢測儀[D].合肥：安徽建筑大學，2016.

[8]萬相奎，唐文普，張賴，等.改進的三次樣條插值心電基線漂移濾波法[J].生物醫學工程學雜志，2016，33（2）：227-231.

[9] Y Yang，L Xu，L Zhao，et al.PPG signals processing using wavelet transform and adaptive filter [C]// Proceedings of the 32nd Chinese Control Conference，Xian，2013：3623-3627.

[10] Chatterjee A，Roy U K.PPG Based Heart Rate Algorithm Improvement with Butterworth IIR filter and Savitzky Golay FIR filter [C]// 2018 2nd International Conference on Electronics，Materials Engineering & Nano-Technology（IEMENTech），Kolkata，2018：1-6.

[11]江天，劉慧烜.多生理參數信號采集與處理虛擬儀器教學平臺[J].高教學刊，2017，3（1）：94-97.

[12]張文耀，許剛，王裕國.循環AMDF及其語音基音周期估計算法[J].電子學報，2003，31（6）：886-890.

[13]虞永兵，高翠云.健康智能家居系統軟件設計[J].物聯網技術，2018，8（12）：75-78.