基于 LabVIEW 的無線生理參數監(jiān)測系統(tǒng)

引 言

隨著人民生活水平的提高，我國居民患高血壓、高血脂等慢性疾病的人數急劇增加 [1]。生理參數監(jiān)測系統(tǒng)逐漸進入醫(yī)療監(jiān)護領域，成為有效監(jiān)測慢性病及老年病的新途徑 [2]。現代通信技術飛速發(fā)展，如 WiFi，ZigBee，藍牙等無線通信技術得到了廣泛應用。WiFi 網絡覆蓋面積廣，使用簡便，傳輸速度快且輻射小。醫(yī)療監(jiān)護領域將傳統(tǒng)監(jiān)護器材與現代通信技術相結合，實現遠程監(jiān)護以及家庭監(jiān)護。微信小程序是現今火熱的手機應用，打開微信即可使用，非常適合作為家庭監(jiān)護系統(tǒng)中手機端的顯示應用。

針對上述情況，本文設計了相應的硬件模塊，實現了對心電、心率、脈搏、血氧飽和度和體溫等臨床生理信號的監(jiān)測 ；通過無線方式將采集的生理參數傳送至上位機 ；上位機采用 LabVIEW 實現無線生理參數監(jiān)測系統(tǒng)軟件，對生理參數信號進行處理和顯示（在手機端設計微信小程序顯示生理參數）。

1 系統(tǒng)總體設計

本文設計的無線生理參數監(jiān)測系統(tǒng)可分為三個模塊，分別為信號采集模塊、無線模塊以及上位機模塊。信號采集模塊與無線模塊構成系統(tǒng)的下位機。

（1）信號采集模塊由心電、脈搏、血氧、溫度傳感器組成，用于測量人體生理參數。

（2）無線模塊由單片機和無線模塊構成，實現下位機與上位機的數據通信。

（3）上位機模塊通過 LabVIEW環(huán)境實現，接收下位機模塊傳輸的生理參數數據，對生理參數數據進行處理、顯示以及心電信號的 QRS 波形檢測。

在手機端設計了微信小程序，可實現手機端的生理參數顯示。系統(tǒng)總體結構如圖 1 所示。

圖 1 系統(tǒng)總體結構

2 下位機模塊設計

系統(tǒng)下位機由信號采集模塊和無線模塊組成。除了需要完成對用戶生理參數數據的測量及預處理之外，它還需要通過 WiFi 模塊完成 TCP 客戶端的建立，與 LabVIEW 上位機TCP 服務器建立連接并發(fā)送數據至上位機。

2.1 下位機硬件設計

下位機采用 Arduino 單片機， 它是一款編程簡單、結構清晰的電子原型平臺 [3]，由硬件、軟件兩個主要部分組成 ：硬件部分為 Arduino 開發(fā)板 ；軟件部分為軟件開發(fā)環(huán)境Arduino IDE。

Arduino 具有三種供電方式，分別為通過 USB 接口供電、通過 DC 電壓輸入接口供電和通過電源接口處 V 或者 VIN 端口供電。

測量脈搏選取 PulseSensor 光電反射式模擬脈搏傳感器， 它能夠用于脈搏心率及脈搏波形測量 [4]。傳感器由光源和光電變換器組成，使用時將傳感器佩戴于手指、耳垂等處，通過導線連接，把采集到的信號傳輸給單片機，經過簡單計算后可得心率數值。

測量血氧飽和度采用具有集成血氧和心率監(jiān)測功能的生物傳感器模塊 MAX，它由光源、光電檢測器、電源構成， 通過標準 IC 兼容通信接口可將采集到的數值傳輸給單片機進行后續(xù)的心率、血氧計算。

測量溫度采用 DSB 傳感器，它具有體積小、硬件開銷低、精度高等優(yōu)點 [5]。采用單總線接口方式，僅需一條口線就能夠實現單片機與傳感器的雙向通信 [6]。

采用 AD 心電傳感器模塊測量心電波形。它是一款用于ECG 及其他生物電測量的集成信號調理模塊。該器件設計用于在具有運動或遠程電極放置產生噪聲的情況下提取、放大及過濾微弱的生物電信號[7]。

無線通信采用 ESP WiFi 模塊。ESP 支持無線 b/g/n 標準，支持基站 / 熱點 / 基站 + 熱點三種工作模式，內置 32 位MCU，可兼作應用處理器，單電源供電，可通過 AT 指令控制模塊。ESP 主要功能為串口透傳、PWM 調控、GPIO 控制。

下位機硬件結構如圖 2 所示，實物如圖 3 所示。

圖 2 下位機硬件結構

圖 3 下位機實物

2.2 下位機軟件設計

下位機軟件部分對生理參數傳感器采集的各項生理參數原始數據進行處理，得到符合要求的生理參數數據，通過AT指令建立 TCP客戶端，連接 WiFi網絡，與上位機平臺的TCP 服務器進行數據通信。

Arduino IDE 編程環(huán)境將單片機運行流程分為 set up 與loop 兩部分。在 set up 部分實現各模塊的初始化，配置 WiFi 模塊，連接 WiFi 網絡，建立 TCP 客戶端并與上位機平臺建立的服務器相連接 ；在 loop 部分配置血氧飽和度模塊使用的光傳感器，采集各項生理參數，調用 Arduino 庫函數對測得的原始數據進行處理，得到符合需求的生理參數數據，并通過 WiFi 無線模塊將數據包發(fā)送至上位機平臺。Loop 部分不斷循環(huán)執(zhí)行，不斷獲得用戶的生理參數數據。溫度、血氧信號為數字信號輸入，采用溫度傳感器 ESP8266，遵循單總線協(xié)議，血氧傳感器為 I2C 通信接口。心電信號和脈搏信號屬于模擬信號，Arduino 單片機自帶 10 位 ADC，采用analogRead 函數即可讀取輸入的模擬信號。

3 上位機平臺設計

3.1 上位機平臺總體設計

系統(tǒng)上位機平臺是與用戶人機交互的核心，需要完成用戶生理參數數據的接收及顯示，還需對心電信號進行 QRS 波綜合檢測。上位機軟件平臺的結構如圖 4 所示。

本系統(tǒng)上位機平臺主要功能 ：利用 LabVIEW 的 TCP 工具包建立 TCP 服務器，與單片機建立的 TCP 客戶端建立連接，接收來自單片機的用戶生理參數數據，軟件平臺將接收到的用戶生理參數數據實時顯示在主界面，并將心電數據進行 QRS 波綜合監(jiān)測，顯示在主頁面。

設計的無線生理參數監(jiān)測系統(tǒng)上位機平臺結合虛擬儀器技術與網絡技術，集成了無線通信、數據提取、數據處理及數據顯示功能。

系統(tǒng)上位機平臺由 TCP 通信模塊、測試數據提取模塊、心電信號處理模塊組成。

3.2 TCP 通信模塊設計

在 LabVIEW中可以利用 TCP協(xié)議進行網絡通信， LabVIEW 對 TCP協(xié)議的編程進行了高度集成，用戶通過簡單編程就可以在 LabVIEW 中實現網絡通信[9]。

上位機軟件平臺作為服務器端，首先指定網絡端口，并由“TCP 偵聽”節(jié)點建立 TCP 聽者，等待客戶機的連接請求， 完成初始化過程。當 WiFi模塊與上位機軟件平臺建立連接之后，使用“讀取 TCP數據”節(jié)點讀取指定長度的由 WiFi 模塊傳輸而來的用戶生理參數數據包，該節(jié)點中的屬性設置為 Immediate，當“讀取 TCP數據”節(jié)點接收到指定長度的數據后會立即讀出，以避免數據緩存區(qū)擁塞[2]。

3.3 用戶數據提取模塊

由于 TCP 通信所傳輸的用戶生理參數數據為字符串形式，所以需要按照硬件部分所發(fā)送的用戶生理參數格式對TCP 傳輸的數據包進行分解（“掃描字符串”函數）。硬件部分發(fā)送至上位機的數據格式為脈搏、心電 1 s 的波形數據以及心率、溫度、血氧的值，其中，前 50 個數據為脈搏、心電的波形數據，通過“，”分隔，后 3 個數據是心率、溫度、血氧的數值，以“ ”分隔。將硬件部分發(fā)送過來的字符串數據提取分解之后，通過循環(huán)索引將脈搏、心電波形整合為數組，為波形數據的顯示以及對心電信號進行QRS 檢測做準備。

3.4 心電信號處理模塊設計

本文采用離散極值點法進行 QRS 波形檢測。算法流程如下 ：

（1）判斷心電信號 R 波的閾值，若輸入信號有多個波峰， 則取所有波峰幅值的平均值作為 R 波的閾值 ；

（2）根據 R波的閾值，將輸入心電信號的所有波峰值與閾值比較，超過閾值的波峰點為 R 點 ；

（3）得到 R點的位置后，進行 Q，S點的檢測，求出心電信號中的所有波谷點，將波谷點的位置與 R點的位置進行比較，在 R點位置附近的兩個波谷點中前一個為 Q點，后一個為 S 點 [11]；

（4）將 QRS點的幅值及位置信息與輸入的心電信號合并顯示。

采用離散極值點法進行 QRS 檢測的流程如圖 5 所示。

3.5 微信小程序設計

隨著手機應用軟件的不斷發(fā)展，微信小程序是一種不需要下載便能夠使用的應用，適用于生理監(jiān)測系統(tǒng)手機端的顯示。本文利用微信小程序設計了手機端生理參數的顯示程序。

設計過程 ：安裝 ODBC 驅動，使得電腦能夠遠程連接服務器端的數據庫，在 LabVIEW 中使用庫鏈接工具包LabSQL，配置主機的 IP 及數據庫的用戶名和密碼，成功連接后，在前面板中寫入插入的 SQL 語句，在 LabVIEW 中進行格式轉換，使得 LabVIEW 中的數據能夠源源不斷地插入到數據庫中。在小程序端發(fā)送 Ajax 請求，服務器接收到請求后，使用 JDBC 驅動連接服務器上的 MySQL 數據庫，通過執(zhí)行 SQL 語句獲取數據庫最新數據，并將其轉存為 Json格式，返回給小程序端，在小程序得到數據后，將其展示到頁面上。程序流程如圖 6 所示。

4 實驗測試

對本文所設計的無線生理參數監(jiān)測系統(tǒng)進行功能測試。首先在放松狀態(tài)下，由人體佩戴硬件模塊，監(jiān)測人體的生理參數數據，實時監(jiān)測結果如圖 7 所示。由圖 7 可知，各項生理參數及心電信號的 QRS 點均能被準確檢測。手機端微信小程序顯示結果如圖 8 所示，其顯示結果與 PC 端同步。

圖 6 微信小程序流程

圖 7 用戶生理參數監(jiān)測情況

圖 8 手機端顯示界面

5 結 語

本文設計并實現了基于 LabVIEW 的無線生理參數監(jiān)測系統(tǒng)，通過生理參數傳感器測量用戶的生理參數，再利用WiFi 模塊將生理參數遠程、實時傳送至上位機平臺，上位機平臺處理并顯示用戶的生理參數，進行心電信號 QRS 波形檢測。此外，還可通過微信小程序進行手機端顯示。由于本系統(tǒng)體積較小，對用戶的行動能力限制較少，且佩戴后無不適感，同時還可通過手機獲取生理參數數據，十分便捷，因此非常適合作為監(jiān)測老年人身體生理參數的家用儀器。