智能健康监护仪的研究.docx
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智能健康监护仪的研究
摘 要
随着生活水平的不断提高，人们对健康保健和常规检查越来越重视。
而且社会老龄化的不断加剧，老年人健康问题也成为了深受社会关注的问题。
但是目前的医疗设施水平还远远不能满足社会需求。
因此，研究一种新的医疗设备势在必行。
智能健康监护仪就成为解决上述问题的有效途径。
本文研究的智能健康监护仪可以实现对病人血压、体温、心电、心音、脉搏等参数的实时监护，具有良好的可扩展性和灵活性。
本智能健康监护仪可对多项人体生理参数（体温、血压、脉搏、心电、心音）进行采集和分析，从中得到关于用户健康状况的信息。
同时，本系统还可通过多种接口将信息传送至PC，并可以通过3G网络将信息发送至手机等移动式设备。
本产品扩展性强、便携、易用，在个人保健等方面有较好的发展前景。
本文研发的智能健康监护仪克服了传统监护仪体积大、附件多、有线检测传输方式、组网不方便、检测参数单一等缺点。
其主要功能包括人体血压、心率、体温、脉搏、心音等生理参数的检测和显示，并提供无线接口，用户可以转发监护仪上传的健康数据。
关键词：
监护仪；3G网络；生理参数；心音测量；检测传输
ABSTRACT
Withthecontinuousimprovementoflivingstandards,peoplepaymoreattentiontothehealthandregularexamination.Andthegrowingagingsociety,theelderlyhealthproblemshavebecomeapopularsocialconcerns.However,thecurrentlevelofhealthcarefacilitiescannotsatisfytheneedsofsociety.Therefore,thestudyofanewmedicalequipmentisimperative.Intelligenthealthmonitorhasbecomeaneffectivewaytoresolvetheseissues.Inthispaper,intelligenthealthmonitorallowsthepatientbloodpressure,bodytemperature,heartsounds,pulseandotherparametersofthereal-timemonitoring,hasgoodscalabilityandflexibility.
Theintelligenthealthmonitorcananumberofphysiologicalparameters（bodytemperature,bloodpressure,pulse,ECG,heartsound）forcollectionandanalysis,deriveinformationonthehealthstatusoftheuser.Atthesametime,thesystemcantransmittheinformationthroughavarietyofinterfacestothePC,andcansendinformationthroughthe3Gnetworktothemobilephoneormobiledevice.Thisproductisextensible,portable,easytouse,inthepersonalcaresuchasbetterprospectsfordevelopment.
Thispaper,theintelligenthealthmonitortoovercomethetraditionalbulkymonitors,accessoriesandmore,cabletesttransmission,networkingisnotconvenient,singletestparametersandothershortcomings.Itsmainfunctionsincludehumanbloodpressure,heartrate,bodytemperature,pulse,heartsounddetectionandotherphysiologicalparametersanddisplay,andwirelessinterfaces,theusercantransmitmonitoruploadhealthdata.
Keywords:
Monitor;3Gnetwork;physiologicalparameters;heartsoundmeasurement;
testtransmission
目录
引言1
1国内外的研究现状3
1.1国内的研究和开发现状3
1.2国外的研究和开发现状3
1.3本文的主要工作和研究内容4
2智能健康监护仪的总体设计方案5
2.1功能描述5
2.2总体设计方案5
2.3智能健康监护仪的硬件系统设计6
2.4S3CEB2410开发板介绍7
3心电信号采集及调理模块电路设计9
3.1心电信号波形及特点9
3.2心电信号采集及调理电路具体实现10
4心音信号调理模块电路设计14
4.1心音信号波形及特点14
4.2心音信号采集及调理电路具体实现14
5体温信号调理模块电路设计17
5.1温度传感器的选择17
5.2体温信号采集及调理电路具体实现17
6脉搏信号调理模块电路设计19
6.1脉搏信号特点19
6.2脉搏信号采集及调理电路具体实现19
7血压信号调理模块电路设计21
7.1血压检测方法21
7.2血压信号采集及调理电路具体实现22
8生理信号采集板电路设计27
结论29
参考文献30
致谢32
引言
随着我国国民经济的发展，人们对健康关注程度在不断提高。
诸如痢疾、鼠疫等特定传染病已经得到了有效控制，主要疾病也逐渐从急性传染病变为慢性传染病。
诸如高血压、心脏病、糖尿病和癌症等疾病的防治与愈后康复，已成为需要解决的主要问题。
世界卫生组织估算，慢性疾病的发病率呈现快速上升趋势，预计到2020年，慢性病将成为人类失能（Disability）的主要原因。
人口的老龄化是一种全球性的发展趋势，中国也不例外。
1990年以来，我国老龄人口以平均每年3.32%的速度增长，2000年我国60岁以上人口达1.3亿，占我国总人口的10.09%，全国开始进入老龄化社会。
据推测，2025年我国老龄人口将达到20.00%，2050年将达到25.50%。
我国人口结构由成年型转向老年型，发展速度之快，老年人口之多，世界罕见。
老龄人口的增加将给社会生活的许多方面，尤其给健康护理带来巨大的压力。
我国老年人的健康状况不容乐观。
根据各地老年人健康普查表明，无重要脏器疾病的所谓健康老年人仅占20—25%。
老年人患病率高，发病率较高的慢性病依次为高血压、糖尿病、慢性支气管炎肺气肿、关节炎等。
根据我国城市老年人医疗服务调查，老年人2周就诊率为23.75%远远高于其他年龄组14.66%的水平;老年人住院率为7.62%，比其他年龄4.36%高得多。
另外，据中国零点调查公司的统计资料显示，目前我国城市空巢老人家庭已占整个老年家庭的一半以上。
如何保证他们家居生活的健康，提高生活质量，减少护理费用，是一个非常值得关注的问题。
我国目前的医疗状况是患多医少、看病难、费用高。
因此，健康监护成为了一个重要课题。
但现有的监测仪器大多基于台式机，成本高、体积大、移动不灵活，仅限于固定场所对病人进行监护和病情分析，且大多数为国外产品，设备费用较为昂贵，只在较为大型的医疗机构里才能配备，不能满足人们的需求，智能健康监护仪能有效解决这一问题。
目前也有人在研制健康监护仪，但大多基于单片机，功能有限。
因此研制成本低、体积小、方便灵活、功能强大、能够实现家庭与医疗机构之间的数据远程传输的健康监护仪器具有很强的现实意义和较大的实用价值。
拥有智能健康监护仪，人们可以根据数据自己判断被监护人员的身体状况。
对于大病初愈的用户，可以观察到手术和治疗效果；对于慢性病就可以在早期得以发现，医生采取相应的医疗措施进行解决；对于突发型病，监护人可以采取一些自救措施，同时也可以通过远程通信，将监护人的状况通知到监护人的家属及通知到社区医生甚至通知到医院的医生，此时医生也可以通过网络给监护人或其家属简单的应急医嘱，使监护人能够得到及时的诊断和救治。
本文基于以上原因，研究一种能对心电、血压、体温等生理参数进行长期监测的智能健康监护仪，以满足患者在家中对身体状况进行监护的要求，同时由于现在社会的快节奏，许多人缺少锻炼，处在亚健康状态，中国医师协会的统计数据表明，我国目前真正生病的人数占15%，真正健康的人也占15%，70%的人都处于亚健康状态。
因此亚健康者也会成为家庭监护的监护对象，通过对亚健康者的生理参数进行监护有助于疾病的早期发现和及时治疗。
综上所述，智能健康监护仪的主要服务对象为：
1．手术后在家中恢复的病人。
2．残疾人和老年人。
3．高发病人群。
4．健康人的家庭监护。
1国内外的研究现状
智能健康监护仪以其特有的优越性，得到了世界各国政府和研究机构的重视。
尤其是近几年，随着科技的不断进步，其优越性更加明显，成为各国解决社会老龄化问题，节约医疗开支和提高国民生命质量的重要途径。
1.1国内的研究和开发现状
我国在这一领域的研究起步较晚，但也取得了一定的成果。
如深圳普泰科技有限公司（深圳职业技术学院），推出一种家庭健康监护系统，系统由嵌入式监测仪、家庭端PC机、医生端PC机和后台网络服务器组成，能对家庭成员的体温、血压、脉搏和心电图等多种人体生理指标进行监测，监侧内容可传到后台网络服务器上，医生在网上即可进行分析并反馈咨询意见。
以上系统代表了国内目前该研究领域的较高水平，但是这些系统的家庭端为“PC+监护仪”的结构，监护仪多用8位单片机实现，不能脱离PC工作，这在一定程度上制约了其发展和推广。
总之，我国医用监护仪在特殊品种和某些性能指标上尚存在差距；在外壳设计和工艺、主要硬件结构和功能指标方面，已经达到或接近国外先进产品水平可以满足一般临床需要，部分产品和指标甚至达到国际领先。
但是，至今没有研发出便于携带的智能健康监护仪。
1.2国外的研究和开发现状
国外较早的开展了这一领域的研究，并取得了很多优秀成果。
国外几个大的公司，GE、西门子、飞利浦等代表着国际医用监护仪的一流技术水平，相继推出了自己的多参数监护系统，如荷兰Philips的Home-baseTelemonitoringsystem,英国HomeTelehealthLimited的CareCompanionHomeMonitoringSystem以及美国AmerieanTeleeare的LireviewVideoPatientMonitorSystem等。
这些系统应用了目前较先进的计算机技术及通信技术，能够根据病人需要配置监护参数，实现多参数的实时监护。
但是这些系统都是采用声耦合方式调制到音频使用电话线传输，生理参数模块通过串口连接终端，且整个设备的价格不菲，不适应我国的国情。
同样，他们现在也没有研发出体积小的健康智能监护仪。
1.3本文的主要工作和研究内容
在参阅大量相关文献的基础上，研制一款便携式的智能健康监护仪。
该智能健康监护仪能对患者进行实时监护，包括对心电、心音、脉搏、体温等生理信号的采集、显示、分析处理、网络传输等。
该监护仪能通过因特网实时的将数据传输到监护中心，以实现远程实时监护，监护中心端软件实现包括对各病人生理信号数据的接收、显示、管理、分析处理等。
本项目研究包括心电、血压、脉搏、体温、呼吸、脑电等生命指征信号提取、识别及传输方法；研制人体生命指征信号检测处理模块；开发基于远程医疗信息交互系统。
2智能健康监护仪的总体设计方案
2.1功能描述
本项目采用3G技术，设计一种创新型的网络式监护装置，是一种创新型的智能健康监护仪。
智能健康监护仪由专用传感器构成，传感器对所需要监测的人体生理指标比如血压、脉搏、体温、心电、心音等数据进行采集。
通过Internet网络可以将数据传输至远程医疗监护中心，由专业医疗人员对数据进行统计观察，提供必要的信息反馈和咨询服务，实现智能健康监护。
此款智能健康监护仪具有外观精致，小巧玲珑，便于携带，操作方便、简单，检测准确，性价比高等特点。
它使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间，在获得较准确的测量指标的同时，免除人们在家庭与医院之间奔波的劳苦。
在异常的生命指征信号出现时，患者本人可以采取一些自救措施，同时也可以通过远程通信，将患者的状况通知到患者的家属及通知到社区医生甚至通知到医院的医生，此时医生也可以通过网络给患者或其家属简单的应急医嘱，使患者能够得到及时的诊断和救治，为个体、社区的远程医疗服务。
同时，智能健康监护仪，通过Internet网络可以构建远程医疗信息网，不仅有利于发达地区的人获得保健服务，也有利于贫困地区的人获得必要的医疗健康服务。
她将面向个体、面向社区，是移动医疗与远程医疗网络的关键技术之一，是医疗、社区服务领域的发展方向。
2.2总体设计方案
本系统由血压、心音、脉搏、心电、温度传感器、模拟信号处理部分、数字信号处理部分、数据通信部分、语音告警及LCD显示等六部分组成，除完成对血压、体温、脉搏、心电、心音进行检测监护外，还有语音告警、蓝牙传输、数据储存等功能。
该系统可对生理参数的实时采集和处理，并将生理参数和处理结果无失真的传送到医院服务器。
医院服务器将智能终端传送来的数据存储并显示，供医生进一步分析诊断。
医生可将诊断结果和意见通过网络发送给智能终端。
诊断结果可在终端上显示，供病人或监护对象参考。
多参数检测系统由腕带和附着在腕带上的监测盒组成，采用双微处理器，MCU-2完成各项生命指征信号采集和分析，MCU-1完成人机交互和数据通信。
智能健康监护仪检测终端的整体设计方案如图2-1、图2-2所示：
图2-1智能健康监护仪检测终端方案（MCU-1）
图2-2智能健康监护仪检测终端方案（MCU-2）
2.3智能健康监护仪的硬件系统设计
本系统的主机MPU采用Samsung公司生产S3C2410处理器，S3C2410处理器为ARM920T内核CPU，最高支持的频率达200M，并具有MMU虚拟内存管理单元，可以轻松的运行起嵌入式Linux，同时拥有丰富的片内外设，具有很高的性价比。
图2-3为硬件系统总体框图，由于S3C2410芯片内部己经包含了UART、LCD、网卡、SDRAM、FLASH等驱动控制器，这样就大大简化了主机的外围电路，而且采集卡利用了ATmega8单片机上集成的A/D采集和串口通信，只要设计了生理信号调理电路就能完成采集卡的电路设计，总体电路简洁，可以实现监护仪的小型化要求。
图2-3硬件系统总体框图
2.4S3CEB2410开发板介绍
现在国内基于三星的S3C2410的开发平台大多采用三星公司的公板架构，因为采用公板架构在成本、稳定性等方面有保证，而且国内外的资料也比较多，如韩国的MIZI公司网站等，都有公开的资料可以获得，所以我们可在开发阶段时采用开发板制造公司己经做好的开发板，当产品在开发板上已经调试成功，我们再在这个开发板电路的基础上进行删减及改进，最后完成总体电路板的设计。
在国内的开发板的价格较低的前提下，这可以在一定程度上降低开发的成本。
因此在本次开发中，为降低开发成本并缩短开发和调试时间，我们选用深圳市英蓓特S3CEB2410开发板作为主机的开发平台。
它的CPU为S3C2410处理器，并具有丰富的板载资源和各种外围接口设备，完全可以满足开发此系统的硬件要求。
开发板主要资源如下:
系统时钟:
使用外部12MHz晶振，CPU内部倍频至200MHz+;
IntelStrataFlash:
E28F128J3A16MB
ATMEL公司的ZMbyteNORFLASHAT49BV1614A（兼容AMD公司ZM/4MbyteNOR
FLASHAM29LV16ODB/320DB）
SDRAM:
64Mbyte（32MbyteXZ）
.3通道UART串口接口，还可跳接为MODOM方式
.2通道USBHOST和1通道USBDEVICE
.SmartMediaCard控制器
.JTAG接口
.640X48OTFT触摸屏LCD
.SD卡/MMC卡主机控制器
.8通道10位ADC模数转换接口
.SPI接口
.HS数字音频输入/输出接口
.10M以太网接口
.EXBUS全扩展接口
在进行开发工作时，将开发板与其配套的JATG仿真器Unet1CE相结合进行开发，当编写完应用程序后，用UnetICE将可执行文件下载到开发板上调试。
最后当完成程序的开发工作，用UnetICE将程序固化到开发板的NANDFlash中。
3心电信号采集及调理模块电路设计
3.1心电信号波形及特点
心脏各部分兴奋过程中出现的电位变化的方向、途径、次序和时间等均有一定规律。
由于人体为一个容积导体，这种电位变化亦必然扩布到身体的表面。
鉴于心脏在同一时间内产生大量电信号，将心脏产生的电位变化以时间为函数记录下来，这记录曲线称为心电图（ECG）。
图3-1所示为典型心电波形图。
心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。
图3-1典型心电波形图
正常心电图波形包括:
1.P波:
一般为钝形，有时有轻度切迹但波峰间距小于0.03秒。
VIVZ导联顶部尖。
宽度:
0.06-0.115，高度:
小于O.25mV。
2.PR间期:
0.12-0.205，不同导联测量的P-R间期可略有差别。
3.QRS波群:
正常时有些导联可出现小Q波，但其深度小于0.25R，宽度小于0.045。
宽度:
0.06-0.105，高度:
V1的R波小于10mV，VS的R波小于25mV。
4.ST段:
正常人的ST段下移不超过0.05mV，ST段上升不超过0.lmV。
而V1-V3上升不超过0.3mV。
5.T波:
波形平滑不对称，上升慢而下降快。
高度:
QRS主波向上的导联T波不应低于同导联R波的1/10。
6.QT间期:
正常人当心率在60-100次/分时，QT间期正常值为0.32-0.445。
因此心电信号是由P、QRS、T波和静息期组成，各波频率特性不尽相同。
它是一种非平稳信号，在采样过程中，常常掺杂各种噪声和干扰。
心电信号的主要特点是:
微弱:
mv级;
超低频:
心电的主要成分<50Hz;
信噪比低，对放大器要求严格;
3.2心电信号采集及调理电路具体实现
心电数据采集及调理模块包括前端放大和右腿驱动电路、高通滤波电路和二级放大电路、二阶低通滤波电路、双T有源陷波器、电平提升电路等。
总体设计框图如图3-2所示。
图3-2心电采集电路框图
1.前端放大、右腿驱动电路设计
由于心电信号的微弱、干扰大、低频等特性，所以在进行心电前级放大电路的设计中，对放大器的选择有严格的要求，如:
高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声，低漂移等特性。
为了满足这些要求，本设计中选择ADI公司生产的仪用放大器AD620A作前级放大芯片。
AD62OA是一款低价格、高精度的仪用放大器，有非常优良的性能，是生物放大器设计中的经典之作。
由于AD620A的低功耗、低电压和小封装使其在便携式仪器应用中非常有用;同时，低偏置电流、低电流噪声和低电压噪声等优良性能增强了它的动态性能。
一般来说，共模抑制比（CMRR）随增益（G）增大而有所提高，但考虑到前置级对整个放大电路噪声的贡献，放大器的噪声性能一般随第一级增益的提高而明显变差，特别是集成器件噪声性能一般比分立元件差。
因此第一级增益不宜取值过度，一般G<20为宜。
本文将前置放大增益设置为7。
由式3-1可确定R。
（RS）的值为8.25K。
（3-1）
另外为增加人体和仪器在使用时的安全性，在左右手的导联输入与前置放大器之间增加了由二级管Dl、D2、D3、D4组成保护电路。
当正常情况下的工频共模干扰可达300mV左右，而两个反向并联的硅二极管的导通电压为士600mV左右，因此在正常情况下二极管是处于截止状态，不会影响心电信号的采集，只有当两个输入导联的电压超过保护电压的闭值时，二极管才处于导通状态，保护人体和仪器不受损坏。
为提高前置放大器的共模抑制效果，本文采用了右腿驱动电路取代直接接地，它是心电信号提取中非常有用的方法，这种方法能够使50Hz共模工频干扰电压降低到1%以下。
而且不会损失心电信号中的50Hz的有用信号成分，与右腿接地的方法比较，右腿驱动技术对抑制交流干扰的效果更好，但由于存在交流干扰电压的反馈环路，经过人体形成不安全因素，因此在使用时需外接限流电阻Rz，本文Rz取220K。
图3-3为前置放大、右腿驱动电路。
图3-3前置放大、右腿驱动电路
2.二级放大、滤波电路及电压提升电路设计
心电放大的倍数一般在1000倍左右，经过前级放大器的放大，信号还需要进一步放大;为了去除心电信号中的低频、高频和50Hz的工频干扰信号，还需要进行高通、低通和陷波等模拟滤波器的设计。
图3-4为高通滤波、二级放大、有源二阶低通滤波电路电阻R7、RS、R9及放大器U3构成了一个同相放大器，放大增益由式3-2确定
（3-2）
图3-4高通滤波、二级放大、有源二阶低通滤波电路
由于ECG信号带宽为0.05-250HZ，因此在本文设计的高通滤波器的下限频率fL为0.05HZ，低通滤波器的上限频率坛为250Hz。
在设计滤波器时，因为电容标称值的分档较少，比较难配，一般从选定电容器入手，电阻相对分档较多，相对好配。
在选配电容时可根据频率按照表3-1选择适当电容值。
表3-1滤波器工作频率与电容值选择对应表
f
（1-10）Hz
（10-102）Hz
（102-103）Hz
（1-10）kHz
（10-102）kHz
（102-103）kHz
c
（20-10）uF
（10-0.1）uF
（0.1-0.01）uF
（104-103）pF
（103-102）pF
（102-10）pF
上图中C2、R6构成了一阶高通滤波器，其下限频率由式3-3计算可得。
（3-3）
低通滤波器采用了适合于生理信号特征的巴特沃兹有源二阶滤波器，它由电阻R10、R11、R12、R13，电容C3、C4及放大器U4组成，其上限频率由式3-4计算可得。
（3-4）
工频干扰在生理参数采集中的干扰是最为普遍的，为消除工频千扰（我国工频干扰为50Hz）对ECG信号的采集时的影响，在本设计中加入了双T有源陷波器，可以把频带中50Hz的信号分量滤除，但它同时也会滤除所采集的ECG信号中有用的50Hz信号分量，因此在工频干扰不大或消失的情况下，应将此滤波器在ECG信号调理电路中切除，本设计采用跳线的方法来实现。
电路如图3-5所示，其滤除频率f由式3-5确定。
（3-5）
图3-5双T有源带阻滤波电路
当ECG信号经过上述的处理后仍然不能直接送到ATmega8进行A/D转换，因为此
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