嵌入式技术下智能胸贴监护系统探究
[摘要]目的：设计一套基于嵌入式技术的智能胸贴监护系统，实现人体体征数据采集、处理、传输与存储以及可视化。方法：采用Max30001三导联传感器采集心电、呼吸及心率数据，Max30208传感器采集体温数据，并通过ESP32芯片自带蓝牙模块将数据传输至监护系统。监护系统以Exynos4412型号为监护处理的中央处理器(CPU)，实现多线程并发处理数据。结果：经测试系统能够实时监测人体体征参数，在连续48h内系统处理速度与精度皆良好；整个系统采集数据能力、上层数据处理系统良好且数据精度与预期偏差＜5%，能够及时了解患者的状态，为医护人员精确诊治提供依据。在事故现场进行实时监测，可极大节省救治时间。结论：智能胸贴监护系统在长时间工作状态下运行顺畅，能够实时以图形或数字形式显示人体体征数据，并快速处理，确保数据安全有效。
[关键词]嵌入式技术；ESP32主控芯片；体征数据
目前，随着医疗科技水平提升，我国老年人数量激增，联合国有关报告预测，至2050年全球将有20亿老年人口[1]。然而，随之而来的是老年病、独居老年人的安全问题，在老年人病发或出现事故时，医生能够第一时间获得伤患的体征数据极为重要，对于后续治疗起着关键作用[2]。在车祸事故中，现场便携式医疗设备实时监测人体数据，可为医生手术计划或治疗方案的制定节省大量时间，现场医护人员能够根据伤患不同的体征状态进行采取相应的治疗措施[3-4]。基于此，本研究设计一种基于嵌入式技术的体征数据实时监测系统，通过Max30001与Max30208传感器采集伤患各种体征数据，通过ESP32芯片实时控制两个传感器。并通过内嵌的蓝牙模块将体征数据发送至监测系统。
1智能胸贴监护系统设计
嵌入式技术的体征数据实时监测系统由Exynos4412作为主控芯片，搭载Linux系统支持的Qt嵌入式(Qtembedded，QTE)图形库，实时显示体征信号，并且该系统支持传输控制协议/Internet协议(transmissioncontrolprotocol/internetprotocol，TCP/IP)传输模块，能够将数据实时发送或某段时间内数据打包传至指定IP地址。该IP通常为医院后台服务器地址，医生可通过医院信息系统(hospitalinformationsystem，HIS)调用服务器数据，第一时间掌握患者信息，及时制定治疗方案，提高救治的有效性和准确性[5]。
1.1整体框架
智能胸贴监护系统主要由底层胸贴采集系统、上层监护显示终端及远程医疗系统三大部分组成，其中由ESP32芯片控制Max30001传感器(美国MaximIntegrated公司)与Max30208传感器(美国MaximIntegrated公司)采集体征数据，由内嵌蓝牙模块每秒发送数据包，监护终端接收并通过算法处理数据包、显示数据和存储数据，考虑硬盘大小，该套系统搭载SQlite小型数据库。监护终端可设置实时传输数据至医院服务器或一个周期内的数据包，再由医生通过网页Web查看患者信息。智能胸贴监护系统整体框架见图1。
1.2底层采集系统
智能胸贴底层采集系统其主控芯片为乐鑫ESP32芯片，内部包含了蓝牙与WiFi模块，体征采集主要包含心电采集模块、呼吸采集模块及体温采集模块等，电路包含电压转换模块、供电模块及心电模块导联线连接口模块，其中降压芯片MP2012DQ将5V电源电压转换为1.8V与3.3V，且由ESP32芯片提供外部Flash存储器，该模块为NandFlash外部存储器,确保读写速度与心电的采样频率同步。上层系统监护显示系统，主控芯片为Exynos4412芯片，该芯片支持操作系统，能够多线程并发处理数据，本方案中使用基于Linux5.0版本内核的QTE系统，整个UI界面由QTCreator5.12版本开发，主要包含各个体征数据的实时显示、数据库保存、TCP传输、蓝牙等功能，由于测量值心电、呼吸及体温，故心率测量还需通过算法进行计算。远程医疗系统主要包含TCP服务器模块开发，使其运行在某个医院的服务器上。智能胸贴底层系统框架见图2。
2智能胸贴监护系统硬件电路设计
乐鑫ESP32主控芯片集成了2.4GHzWiFi和低功耗蓝牙功能，整个芯片功耗低。通过ESP32芯片为心电采集模块提供时序信号，Max30001传感器与ESP32芯片共用同一晶振，方便主控部分与采集心电模块数据同步，标准化心电采样频率，防止各个芯片间电压干扰对心电采集产生影响，需要对心电模块单独供电，标准输入电压为5V，心电模块需1.8V和3.3V，故由MP2012DQ电压转换模块供电。
2.1电压转换模块电路设计
MP2012电压转换模块是一个完全集成且内部补偿1.2MHz固定频率脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，PWM)降压转换器，输入范围为2.7～6V。系统采用5V的锂离子电池供电，由于其他模块需要1.8V与3.3V电压供电，故需降压转换。5V转1.8V电路以及5V转3.3V电压电路见图3。ESP32主控芯片最低可输出电压0.8V，输出电压大小可由图3与图4显示，通过计算芯片外部电阻R3(R9)、R2(R7)及R4(R10)的值改变输出电压大小，输出电压值[6]计算为公式1：Vout=0.8×(1+)(1)R2R4
2.2心电采集模块电路设计
Max30001传感器是一个集生物电势和生物电阻抗(BioZ)检测的可穿戴芯片，其可以检测心电图(electrocardiogram，ECG)、心率等，由于考虑精确度，设计的心率信号需要通过算法计算，且该芯片的单路生物电阻抗能够测量呼吸[7]。Max30001硬件电路见图4。心电采集模块电路中的芯片引脚ECGN、ECGP、BIN及BIP分别为心电信号的负正输入，生物电阻抗的正负输入，芯片引脚DRVP、DRVN为生物电阻抗激励的正负极，测量时需要将心电三导联的随机接入(randomaccess，RA)ECGN_BIN引脚，本地回环(localloopback，LL)协议接入ECGP_BIP接口，Interlaken协议(Interlaken，LA)接口接入共模电压(voltagecommonmode，VCM)引脚，其中VCM为共模缓冲器输出，需要外接10μFX5R(C43)陶瓷电容后，将其连接到印刷电路板(printedcircuitboard，PCB)。
2.3体温采集模块电路设计
Max30208温度传感器是一款专用于体温检测的温度传感器，在30～50℃范围内，精度为±0.1℃。使用I2C接口进行通信。为方便测量人体腋下标准体温，在设计PCB时，使用软板将体温模块以0.5cm宽延伸10cm，使得再使用时能够达到舒适度要求[9]。Max30208电路见图5。2.4ESP32电路设计主控芯片ESP32负责对采集传感器内部寄存器的控制，两个传感器通信模式均为内部集成电路总线(inter-integratedcircuit，IIC)通信，因其需要扩展外部Flash及两个传感器，这三者使用的时钟频率不一样，而ESP32芯片的时钟(clock，CLK)接口只有一个，需要对其扩展，利用GPIO16、GPIO17接口模拟数字时钟信号，对于过大时钟信号可能会失真。Max30001需要32.768kH的时钟信号，扩展后的FCLK引脚连接至传感器的FCLK引脚。ESP32外部Flash最大可支持16M，主要用来缓存心电信号数据，防止发生数据丢包，造成不可逆的后果。ESP32时钟信号扩展口见图6，ESP32外部Flash电路见图7，ESP32IO接口部分电路见图8。
3智能胸贴监护系统图形用户界面设计
监护系统图形用户界面(graphicaluserinterface，GUI)模块主要包含蓝牙与底层ESP32连接模块，体征数据实时显示，数据库存储，传输控制协议(transmissioncontrolprotocol，TCP)客户端等。系统基于Exynos4412搭载linux5.0版本内核的QTE图形界面系统，QT库为4.7.1版本，该库在制作内核镜像文件时直接进行连接编译，不做过多内核制作介绍。监护用户界面(userinterface，UI)显示软件由QTCreator开发，之后通过修改启动文件/etc/init.d/rcS文件，最后一行添加开机直接启动该执行文件即可。
3.1主界面窗口设计
主界面的显示主要包含实时显示、患者数据、蓝牙、TCP传输等模块，且左边预留了用于升级兼容超声的模块[10]。主界面左右分别对应退回和关闭按钮，且实时显示系统时间。监护系统主界面及用户界面显示见图9。图9监护系统主界面及用户界面显示图在监护系统主界面，程序启动后初始化按钮及其他动作，创建Stackwidget窗口容器，主要用于各个页面的切换，该容器初始页面只添加一个主界面，其他页面当监听到按钮事件时会创建一个子页面，当返回主页面时子页面所有资源被回收，防止内存占用率过高，导致软件卡顿或卡死。监护系统界面主程序流程见图10。
3.2实时显示窗口设计
实时显示界面模块主要包含体温、心率、呼吸和心电信号的显示，其中心电信号与呼吸信号数据点间隔40ms，此时间可能会受到多线程处理数据的影响。当点击开始按钮后，系统首先判断是否有底层胸贴蓝牙连接，无连接时会以对话的方式提醒用户，否则开启一条子线程，子线程通过蓝牙下发控制指令，使得底层开始采集体征数据，同时调用心电处理模块，提取特征值，计算心率值，同时绘制波形及相关数据。实时显示窗口见图11。
3.3患者数据窗口设计
当监护系统主界面接收到患者数据按钮被按下时间，创建新的Widget，初始化数据库，使用的是小型SQlite数据库。医护人员可以通过患者姓名、身份识别(identification，ID)等进行索引。每个患者信息都是每次蓝牙进行重连接时需要手动输入患者基本信息，同时医护人员也可对患者信息进行修改。患者数据库界面见图12。
4智能胸贴监护系统应用测试
4.1应用方法
智能胸贴监护系统设计操作和使用方法简单，医护人员在现场将胸贴粘贴于人体左肺上方5cm处，具体需要实际情况而定，保证软排线体温模块能够放置到腋下。连接三导联线，将导联线按三导联标准分别放置在右锁骨中线与第2肋间之交点、左锁骨中线与第2肋间之交点及左下腹[11]。打开监护系统，连接蓝牙并下发开始指令，系统开始工作，当正常检测时，胸贴终端绿色发光二极管(lightemittingdiode，LED)灯亮起，否则为红色。若需要远程支持或数据传输，打开TCP功能即可。
4.2应用效果
本系统设计主要服务对象为老年病、老年安全及车祸事故现场，兼容检测体温、心电、呼吸、心率等体征数据。通过室内检测和室外检测，整个系统采集数据能力、上层数据处理系统良好且数据精度与预期偏差＜5%，并且使用模拟数据对监护系统性能进行了测试，在连续48h内系统处理速度与精度皆良好，超过48h，中央处理器(centralprocessingunit，CPU)内存占用率激增，数据出现偏差，波形显示出现卡顿现象，后续将继续进行优化。TCP数据传输，实时传输时具有延时，暂时可通过手动传输时间段内数据。后续将继续改进各个模块算法，优化系统，扩大测试面积。
5结论
本研究设计的智能胸贴监护系统，是针对大型医疗设备无法携带且部分监护设备、无法实现多参数检测，导致医护人员无法第一时间获得伤患的体征数据而耽误治疗时间。整个系统方便携带、待机时间长及测量参数多且精度高，可有效提高事故现场救治的准确度。
作者:张太鹏 王玉珍 王能才 张海英 单位:兰州理工大学电气工程与信息工程学院
