一種基于ZigBee 的無線心率血氧實時監測系統研究

姚立平，劉偉章，譚仲威，唐元梁，雷 鵬，吳文明，顧 珩

（1.廣東省科學院生物與醫學工程研究所 國家醫療保健器具工程技術研究中心 廣東省醫用電子儀器設備及高分子材料制品重點實驗室，廣州 510500；2.華南農業大學 數學與信息學院，廣州 510642）

近年來，人們的生活壓力加大，加上較少的戶外運動，導致心血管的發病率逐年增加。研究發現血氧飽和度、心輸出量和心率等生命體征與心血管系統緊密相關，可作為臨床診斷和治療的依據，因此對人體進行生命體征監測十分重要[1-2]。血氧飽和度作為血氧氧含量的表征，人體動脈中的氧含量是人體是否缺氧的直觀反映，而心率在一定程度上可以反映心血管健康問題，目前大部分醫院使用血氧儀檢測患者的血氧，使用心電監護器監測心率，通過人工登記到電腦上[3]。這種心率和血氧檢測方式次數有限，增加了護士的工作量，同時也增加了錯誤數據的發生率。此外，心電檢測這種方式在患者身上布置很多線，嚴重影響患者的舒適度。本文提出了一種基于ZigBee 的無線心率血氧實時監測系統，以STM32 微控制器為控制核心，使用MAX30102 血氧心率集成芯片傳感器采集脈搏波信號，由于采集的原始脈搏波信號攜帶著低頻基線漂移和高頻的噪聲抖動，因此需經過STM32 微控制器的信號預處理，對得到干凈的脈搏波信號進行特征提取，從而計算當前的心率及血氧飽和度。系統的液晶顯示屏實時顯示當前測得的心率及血氧飽和度值，并使用ZigBee 無線傳輸與PC 端上位機進行數據交互，從而實現了系統對心率血氧實時的無線遠程監控，并具有對檢測到異常的心率血氧值的報警提示功能，具有準確度高、連續監測、抗干擾能力強及具有高度的自適應能力，為醫院護士站對患者的心率血氧實時監測提供了一種解決方案。

1 心率及血氧飽和度監測原理

心率是指人心臟每分鐘跳動的次數，正常人安靜狀態下的心率值一般為60～100 次/min[4]。本文依據k個周期內紅外光源接收的發射光信號各個相鄰波峰之間的平均間隔來計算心率，計算的公式如下

式中：peaki為k 個周期的第i 個峰值橫坐標；aνg_dist表示k 個周期內相鄰2 波峰的間隔平均值；fs 為采樣率，fs=100 Hz。

血氧飽和度是指血液中被氧結合的氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部可結合的血紅蛋白的百分比，即血液中的氧含量[5]。氧通過呼吸進入細胞進而被血紅蛋白氧合，如果吸入的氧氣不足，生命可能會出現危險。及時測量脈搏血氧飽和度大小，是判斷人體是否缺氧或者出現相關疾病的重要措施[6]。

在脈搏血氧測量方法中，忽略動脈血管中其他成分影響僅考慮氧和血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（Hb），結合朗伯比爾定律及光電學容積脈搏波描記法作為理論基礎。因此血氧飽和度定義[7]為：

式中：CHbO2為血紅蛋白（HbO2）的含量。

根據朗伯比爾定律可知，一定波長的光射到體表，其透射的光強度為

式中：投射光強度I 包括恒定直流脈動部分（DC）和交流脈動部分（AC）；I0為初始光強度；D1，D2分別為直流脈動光程和交流脈動光程；ε0、C0分別表示指端組織中非脈動成分和靜脈血總的吸光系數及吸收光的物質含量；εHbO2、CHbO2分別表示動脈血液中血紅蛋白HbO2的吸光系數和含量；εHb、CHb則分別表示動脈血液中還原血紅蛋白Hb 的吸光系數和含量。

采用2 種不同波長λ1=660 nm 和λ2=990 nm 的光進行照射，則吸光率變化比值定義為

聯系式（3），可以得到脈搏血氧測量方法中的血氧飽和度值為

因此，血氧飽和度的計算公式在實際應用當中可以用線性函數或者二次函數關系式表達。

2 無線心率血氧實時監測系統

圖1 無線心率血氧實時監測系統基本組成

2.1 系統硬件設計

本系統的硬件電路是基于STM32 處理器為控制核心，使用MAX30102 血氧心率檢測傳感器采集脈搏波信號，輔以TFTLCD 液晶屏顯示、無線ZigBee 單元及聲光提示等外圍電路構建的檢測系統。其中，MAX30102 血氧心率傳感器是一個集成高靈敏度脈搏血氧儀和心率生物傳感器的模塊，含有多個LED、光電檢測器、光學器件以及帶環境光抑制的低噪聲電子電路，電路中包含1.8 V 的集成穩壓芯片，為血氧傳感器提供工作電壓，驅動2 路不同波長的LED 交替照射患者手腕處，入射光經由皮膚組織吸收后，由光敏三極管接收，將接收到的光信號放大后進行A/D 轉換，然后存放到內部先入先出（FIFO）存儲器中，STM32 微處理器通過IIC 接口配置傳感器寄存器，并讀取內部FIFO 存儲器的脈搏波信號，應用電路如圖2 所示。

圖2 MAX30102 血氧心率傳感器基本電路

系統的主控芯片選用STM32F103RCT6，供電范圍2.0～3.6 V，最高主頻72 MHz，265 Kb 程序存儲器，擁有豐富的片內外設資源，大量應用在嵌入式設備中。使用GPIO 口模擬8080 總線方式操作TFTLCD 液晶顯示屏，用于顯示當前測得實時的血氧飽和度值和心率值等人體特征信息。ZigBee 是一種基于IEEE.802.15.4 無線傳輸協議標準研發的無線網絡協議，主要工作頻段在2.4 GHz。本系統使用CC2530F256 低功耗無線控制器作為傳感器節點，可配置為點對點或者廣播工作模式，與上位機端實現無線數據交互，實現心率及血氧飽和度值的遠程監控。使用高電平驅動的無源蜂鳴器和LED 閃爍燈作為系統運行狀態指示；當系統監測到異常的心率值和血氧飽和度值時，會產生聲光報警指示。此外，系統電源模塊由USB 供電或者外接電源輸入供電，由ASM117 直流穩壓供電模塊[11]輸出3V3 電壓為主芯片供電，系統的微處理器電路部分如圖3 所示。

圖3 系統微處理器部分外圍電路

2.2 系統軟件設計

首先系統上電進行程序初始化，包括系統時鐘、MAX30102 傳感器、TFT 液晶顯示屏、ZigBee 無線單元和定時器中斷等的初始化配置；接著，STM32 微控制器使用IIC 接口操作MAX30102 傳感器讀取FIFO 寄存器中采集的脈搏波信號，采樣頻率100 kHz，采樣時間設定5 s，對原始的脈搏波信號進行濾波預處理，對干凈的脈搏波信號進行特征點提取，從而計算當前的心率、血氧飽和度值，系統液晶屏顯示當前的心率、血氧飽和度值，并進行異常檢測，使用無線ZigBee 與上位機進行數據交互，如圖4 所示。

圖4 系統程序基本流程圖

由于原始的脈搏波信號在采集過程中伴有高頻抖動噪聲和低頻基線漂移，因此本系統采用移動均值濾波方法對脈搏波信號展開濾波處理，采集的原始脈搏波信號x（k）（k=1，2，…，n），將信號進行去均值化處理，如式（7）所示。

式中：k∈（1，2，…，n）；x（′k）是去均值化的濾波信號。

采用m 點移動平均濾波，則脈搏波信號x′（k）經過移動均值濾波得到濾波信號y（k），如式（8）所示。

式中:k 為當前的信號點數；m 為移動平均濾波器的點數；y（k）為移動平均濾波脈搏波信號。

獲得干凈的脈搏波信號后，程序通過計算各點的斜率，檢測上升支部分大于設定閾值的點的位置，再檢測信號第一個下降的位置，從而檢測到信號的極大值點。此外，對于信號平坦部分使用變量width 累加跳過脈搏波信號這部分沒有極值點的區域；類似地，采用斜率法提取脈搏波信號的波谷極值點。

確定好脈搏波信號的各個極值點后，從而確定好信號上下包絡線，則上下包絡線的均值為直流分量，上下包絡間的差值為交流分量，然后再代入血氧飽和度計算公式，如式（6）所示，從而計算當前測量的血氧飽和度值；依據心率計算公式（2），即可計算出當前測得心率值。系統顯示當前測得心率血氧飽和度值，同時使用無線ZigBee 模塊與上位機進行數據交互，實現了系統對心率、血氧飽和度值等生命體征進行遠程監控。此外，系統會對得到的當前的心率血氧值進一步異常判斷，如果測得心率值小于60 或者大于100、血氧值小于94%，則判定體征異常[12]，便執行系統的聲光報警裝置程序，同時將異常信號使用ZigBee無線傳輸到上位機中，實現了對個體的生理體征的遠程監控功能。

3 實驗結果及分析

本文設計了一種以STM32 微控制器為控制核心，使用MAX30102 傳感器采集脈搏波信號，通過STM32微處理器對采集的脈搏信號進行濾波、特征提取，從而計算當前的心率及血氧飽和度值，并顯示在液晶顯示屏上。此外，使用ZigBee 將實時的心率及血氧飽和度無線傳輸到上位機，實現了對心率血氧實時的無線遠程監控。

為了檢測系統的測量準確性，將設計的系統與魚躍式指夾式血氧儀YX102 檢測設備作對比。選擇5 名實驗者，每名實驗者測試前靜坐在椅子上，使用本文設計的心率血氧監測系統和指夾式血氧儀設備進行心率血氧測量，每個實驗者測試5 次，并記錄好測試結果，本系統5 次測試結果和血氧儀YX102 設備的測試結果見表1—表4，對測試結果進行統計誤差分析見表5。

從表1 和表2 的心率測試結果值可以看出，本系統與指夾式血氧儀YX102 檢測設備單點的心率測量誤差在±5 次/min 之間，約99%的單點心率誤差在±3次/min 內，約84%的單點心率誤差在±2 次/min 內；從表3 和表4 的血氧測試數據可以得出，本系統與指夾式血氧儀YX102 檢測設備單點的血氧測量誤差在±2%以內，約84%的單點血氧誤差值在±1%以內。從表5 的心率血氧測試平均誤差值可以看出，5 次的心率平均誤差值最大為±1.8 次/min，5 次的血氧平均誤差值最大為1.4%。實驗結果表明，設計的系統對心率及血氧測量結果較為準確，具有一定的穩定性和抗干擾能力，且系統的成本低、操作簡易方便，為醫院生命體征的采集和監控提供了一種智能化解決方案。

表1 本系統心率測試值

表2 YX102 設備心率測試值

表3 本系統血氧測試值

表4 YX102 設備血氧測試值

表5 本系統與YX102 設備心率血氧測試平均誤差值

4 結束語

針對當前醫院主要使用血氧儀檢測住院患者的心率血氧值，并人工登記在電腦上，這種檢測方法次數有限，增加了護士的工作量，也增加了錯誤數據的發生率。因此，本文提出了一種基于ZigBee 的無線心率血氧實時監測系統，設計的系統以STM32 微控制器為控制核心，使用MAX30102 傳感器采集指尖脈搏波信號，并通過STM32 對脈搏波信號的濾波處理和特征點提取，從而計算當前的心率及血氧值，并對系統的異常心率血氧值進行聲光報警提示。系統的液晶屏顯示當前的心率血氧值，并伴有聲光運行狀態提示，使用ZigBee單元與上位機實現無線數據交互，實現對人體生命體征心率血氧的實時遠程監控。經過實驗測試，該系統能夠準確地監測心率血氧值，具有操作簡易方便，成本低等特點，為醫院護士站對患者的心率血氧實時監測提供了一種解決方案。