基于物聯(lián)網(wǎng)的患者遠程監(jiān)測系統(tǒng)測量生命體征

時間：2024-11-11 18:17:30

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng) MAX30100 Arduino Nano 33 傳感器

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[導讀]當我們談論人體的主要生命體征時，我們需要了解四個主要參數(shù)，它們是體溫，心率，呼吸頻率，血壓，由于COVID，氧飽和度已成為我們需要了解的主要參數(shù)。在本教程中，我們將制作一個簡單的Arduino Nano 33基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，具有多個傳感器。該裝置可以測量人體的一些重要參數(shù)。該設(shè)備就像你在icu中看到的DIY多參數(shù)監(jiān)視器，簡單得多，由廉價的傳感器制成，不適合實際醫(yī)療用途。我們將為此目的使用新的Arduino Nano 33 IOT，我們將嘗試使這個設(shè)備盡可能簡單。

當我們談論人體的主要生命體征時，我們需要了解四個主要參數(shù)，它們是體溫，心率，呼吸頻率，血壓，由于COVID，氧飽和度已成為我們需要了解的主要參數(shù)。在本教程中，我們將制作一個簡單的Arduino Nano 33基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，具有多個傳感器。該裝置可以測量人體的一些重要參數(shù)。該設(shè)備就像你在icu中看到的DIY多參數(shù)監(jiān)視器，簡單得多，由廉價的傳感器制成，不適合實際醫(yī)療用途。我們將為此目的使用新的Arduino Nano 33 IOT，我們將嘗試使這個設(shè)備盡可能簡單。

在我們之前的文章中，我們還構(gòu)建了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的樹莓派心跳監(jiān)測系統(tǒng)，如果你感興趣，你也可以看看。在本文中，我們將構(gòu)建一個完整的基于物聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以測量和監(jiān)測人體的所有重要參數(shù)。那么，我們開始吧。

我們的遠程病人監(jiān)測系統(tǒng)所需的組件

該項目所需的組件非常簡單，可以在當?shù)氐膼酆蒙痰暾业?。要使用物?lián)網(wǎng)構(gòu)建此特定的健康監(jiān)控系統(tǒng)，您將需要以下組件。

?Arduino Nano 33 IOT

?MLX90614(數(shù)字非接觸式紅外測溫儀)

?AD8232(心率監(jiān)測器)

?MAX30100脈搏血氧儀和心率傳感器

?音頻(可選)

?Perfboard

?跳線。

Arduino Nano 33 IoT

Arduino Nano 33 IoT是一款相對較新的Arduino板，我們會稍微介紹一下。它是對原始Arduino Nano的直接升級，目前可以在Arduino Store上獲得。它比原始的Arduino Nano便宜，但Nano的克隆價格要便宜得多。那么，當你可以買到上一代的克隆板時，你應該買這款新板嗎?這些升級值得嗎?

老實說，這取決于你的要求。如果你想在一個緊湊的外形中使用Wi-Fi和BT傳感器作為原型，建議你這樣做。從這個角度來看，單獨購買所有物品并連接它們可能會比Nano 33物聯(lián)網(wǎng)花費更多的時間和金錢。

那么，新主板有哪些升級呢?很多!最初的Nano沒有傳感器，沒有連接，什么都沒有。相比之下，升級后的Nano 33 IoT在相同的外形下包含了許多功能和功能。

?主板的主處理器是低功耗Arm Cortex-M0 32位SAMD21。

?Wi-Fi 2.4G和藍牙連接由U-Blox NINA-W102低功耗芯片組提供。

?Wi-Fi / BT模塊天線采用金屬配件的形式，通過一滴熱敏膠防止振動。

?微芯片ATECC608A加密芯片，保證通信安全，6軸IMU LSM6DS3

MAX30100 -脈搏血氧儀和心率傳感器

MAX30100也是一個基于Microchip的傳感器模塊。它使用一種叫做PhotoPlethysmography的概念來測量生命數(shù)據(jù)，作為輸出，它給出了一個PPG圖。它的工作原理如下圖所示。

正如你所看到的，紅外/紅/綠LED在被攝者的手指上發(fā)光。根據(jù)心跳、血液中的氧氣擴散和其他一些參數(shù)，入射波的吸收值或速率會發(fā)生變化。通過識別這些變化，我們可以確定氧氣水平。

然后由接收器測量傳輸?shù)牟?，接收器根?jù)接收到的光量給出電壓信號。當光穿過生物組織時，它會被骨骼、皮膚色素以及靜脈血和動脈血吸收。由于血液對光的吸收比周圍組織更強，因此PPG傳感器可以將血流的變化檢測為光強度的變化。

PPG的電壓信號與流經(jīng)血管的血流量成正比。使用這種方法，即使血容量的微小變化也可以被檢測到，盡管它不能用于量化血的量。PPG信號有幾個組成部分，包括與心臟活動相關(guān)的動脈血容量變化，調(diào)節(jié)PPG信號的靜脈血容量變化，顯示組織光學特性的直流成分，以及體內(nèi)細微的能量變化。

MAX30100傳感器具有紅外和紅色LED。通常，測量心率和SPO2參數(shù)，我們將嘗試測量一個額外的參數(shù)- HRV或心率變異性。

MLX90614 -體溫傳感器

MLX90614體溫傳感器來自Melexis，它使用紅外技術(shù)來測量人的體溫。通常被稱為熱像儀，這種傳感器類似于單像素熱像儀，但具有小于3厘米的非常小的范圍。此外，與其他紅外設(shè)備一樣，傳感器讀取誤差隨著受試者與傳感器之間的距離而增加。傳感器的圖像如下所示。

AD8232心電圖傳感器

AD8232是一種簡單的心率傳感器，可以作為心電圖繪制圖表。ECG是心電圖的縮寫。該傳感器將其信號輸出為模擬信號。3.5mm插孔用于生物醫(yī)學墊連接。

模擬MIC模塊

這是一個簡單的傳感器，記錄音頻幅度和輸出他們作為模擬變化。這在測量呼吸信號時很有用，但它需要大量的信號處理和濾波。因此，它將在單獨的博客中進行介紹。注意，有很多模塊不具有模擬輸出(通常稱為拍傳感器)。它們可以識別特定振幅以上的聲音，但超過這個振幅就沒有用了。

128X64 OLED顯示屏

我們將在這個項目中使用1.3英寸的OLED I2C顯示器。市場上有很多通用的OLED，所以你的OLED可能和我的有點不同。我們將使用的Uglib2庫幾乎支持您遇到的所有顯示器，因此將任何OLED顯示器與此庫進行接口非常簡單。

遠程病人監(jiān)護系統(tǒng)電路圖

構(gòu)建遠程健康監(jiān)測系統(tǒng)的完整示意圖如下所示。

上面的原理圖顯示了與Arduino Nano 33 IoT的所有必要連接。使用的兩種類型的傳感器是模擬(麥克風，OLED顯示器和AD8232)和I2C (mlx90614和MAX3010X)。使用的Arduino Nano 33物聯(lián)網(wǎng)引腳如下：

A0 - ECG模塊AD8232的模擬輸出

A1 -麥克風模塊的模擬輸出

A4 - sda

A5 - SCL

在使用傳感器和這個板時，您需要記住一些事情。上述原理圖中的工作電壓為3V3，因為ECG模塊工作在3V3，我們不希望進行不必要的電壓轉(zhuǎn)換。上述原理圖中使用的電阻器為4.7k。它們應該足以滿足3V3的工作電壓。我們不會使用額外的引腳LO+， LO- or來減少不必要的復雜性，因為這個項目已經(jīng)有許多傳感器一起工作。您可以參考SparkFun ECG博客了解其使用方法。MLX90614可作為傳感器或傳感器模塊使用。如果您使用裸傳感器，您將不得不拉起SCL和SDA線，如原理圖所示。此外，請檢查您正在購買的MLX90614傳感器系列，因為根據(jù)功率輸入，類型等，有許多變體可供選擇，如下所示。

根據(jù)原理圖組裝板后，板看起來像下圖。為了方便，我為這個項目開發(fā)了一個簡單的GP板，因為接口有太多的模塊，使用一個面包板處理多個項目是很困難的。為您經(jīng)常使用的微控制器提供GP板也很有用，以節(jié)省時間和不必要的返工，在使用您之前已經(jīng)與之接口的傳感器的項目中。

我建議您放置MLX90614和MAX3010X傳感器，使它們重合，并且您可以同時用一根手指將它們覆蓋在一起。至于編碼部分，我會盡量簡潔的解釋。

測量和監(jiān)測生命體征的Arduino代碼

構(gòu)建人體視覺信號檢測器的完整代碼如下所示，但在繼續(xù)編寫代碼之前，我們需要安裝所需的庫，您可以在Arduino板管理器中找到幾乎所有必要的庫，我們將從那里安裝庫，我們需要安裝以下庫。

Arduino SAMD板

Arduino_LSM6DS3或Sparkfun LSM6DS3 Breakout(供高級使用)

Arduino WifiNINA

Arduino祝福

現(xiàn)在讓我們安裝庫。

除此之外，我們還使用了OLED模塊。所以，我們還需要安裝OLED庫。脈搏血氧計傳感器計算SPO2，心率和HRV使用的概念稱為PPG或PhotoPlethysmoGraphy，如前所述。MAX3010X庫可以使用回調(diào)函數(shù)識別反射率的脈沖或變化。該函數(shù)是一個中斷，每次檢測到心跳時都會調(diào)用該中斷。存儲連續(xù)兩次心跳之間的時間間隔來計算HRV參數(shù)。每個REPORTING_PERIOD_MS間隔都會計算心率。由于手指用于測量體溫，我們對MLX90614傳感器測量的值進行了補償。

設(shè)置功能:

循環(huán)功能:

循環(huán)函數(shù)連續(xù)獲取信號變量(IR， RED， ECG， mic值)，并定期計算參數(shù)變量(HR, SPO2， HRV，環(huán)境溫度，對象溫度)(存儲為REPORTING_PERIOD_MS)。一旦計算出所有變量和信號值，就會顯示在OLED上。因為變量HR和HRV對時間非常敏感，并且依賴于在實際心跳之后調(diào)用心跳中斷函數(shù)的速度，所以我們不能連續(xù)更新顯示。因此，我們在定期間隔(= DISPLAY_INTERVAL* REPORTING_PERIOD_MS)之后更新它。所有變量和信號值也以CSV格式串行推送，用于數(shù)據(jù)采集、繪圖和存儲。示例輸出如下所示。遙測格式：hr， spo2, hrv, object_temp, ambient_temp, ir_signal/100, red_signal/100。