可穿戴式多参数监护仪的设计

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多多猪 2025-11-06 4 859.9KB 6 页
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窑医疗卫生装备窑2018 年6月第 39 卷第 6期悦澡蚤灶藻泽藻酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼允燥怎则灶葬造窑灾燥造援39窑晕燥援6窑June窑2018
0引言
可穿戴设备即基于人体自然能力之上的，借助
计算机科技实现对应业务功能的设备
[1]
。或者可更通
俗地理解为直接穿在身上，或是整合到用户的衣服
或配件上的一种便携式设备。可穿戴技术起源于计
算机技术与电子技术的结合，目前广泛应用于医疗
健康、游戏娱乐、教育文化、军事等领域
[2]
。可穿戴技
术的出现使医疗仪器的应用不再局限于医院内部，
也不再受限于就诊时间，方 便 了医患双方。
正因如此，可穿戴式健康监测仪/系统的设计、
开发在近年来受到了广泛关注，心电监护就是其中
最受关注的研究热点之一。目 前 ，心 血管 病 死亡 占 城
乡居民总死亡原因的首位，农村为45.01%，城市为
42.61%。心血管病的疾病负担日渐加重，已成为重大
的公共卫生问题
[3]
。据2015—2016 年院前急救患者
流行病学分析，心脑血管疾病居院前急救第2位
[4]
，
急性冠状动脉综合征、心律失常等心血管疾病在院
外发生率高达70豫
[5]
。由此可见，提高院外患者的监
护水平，
做到早发现、早治疗，甚至
“治未病”，是解决
心血管疾病死亡率居高不下的重要手段。
可穿戴技术的出现有望有效解决这一难题。可
穿戴设备具有以下优点：（ 1 ）体 积小、质量轻 ，佩戴方
便，几乎不影响患者的日常生活；（ 2 ） 免去患者频繁
往返医院之苦，监测获取的数据可通过智能移动终
可穿戴式多参数监护仪的设计
毛 伟
1
袁沈 桂
2
渊1.浙江医药高等专科学校医疗器械学院袁浙江宁波315100曰
2.宁波市奉化区中医院心电图科袁浙江宁波315500冤
[摘要]目的院针对心血管疾病死亡率居高不下、人口老龄化程度不断加剧的情况，研制一种用于心脏病监测、老年
人居家养老等场合的可穿戴式多参数监护仪。方法院以MSP430F5529 微控制器为核心，由ADS1292R 芯片双通道模
拟前端采集心电、呼吸信号，
ADXL345 传感器采集体态信息，再通过蓝牙 4.0 模块将实时采集的数据发送至智能移
动终端，并同时存储于TF 卡中，实现人体生理信号的采集、传输与存储。
结果院设计的可穿戴式多参数监护仪可连续
工作 24h以上，能 同时 监测 患 者的 心电、呼吸、体态等参数，为医生诊断提供更多的辅助信息。
结论院可穿戴式多参数
监护仪体积小、易穿戴，基本能满足患者心电监护的需要，在移动医疗领域有一定的应用前景。
[关键词]可穿戴式；多 参 数监 护仪；心电监护；呼吸检测；移动医疗
[中国图书资料分类号]R318.6曰TH772.2 [文献标志码]A[文章编号]1003-8868渊2018冤06-0033-06
DOI院10.7687/j.issn1003-8868.2018.06.033
Designofwearablemulti-parametermonitor
MAOWei1,SHENGui2
(1.SchoolofMedicalDevices,ZhejiangPharmaceuticalCollege,Ningbo315100,ZhejiangProvince,China;
2.ECGDepartment,FenghuaTCMHospitalofNingbo,Ningbo315500,ZhejiangProvince,China)
Abstract Todevelopawearablemulti-parametermonitortofacilitatecardiacmonitoringoftheaged.
ThemonitorhadMSP430F5529microcontrollerasthecoreunit,whichrealizedphysiologicalsignalsacquisition,
transmissionandstoragewithADS1292Rchip2-channelanalogfront-endtoacquireECGandrespiratorysignals,ADXL345
sensortocollectposturalinformation,andBluetooth4.0moduletosendtheacquireddatatotheintelligentmobileterminal
andstoretheminTFcard. Thedevelopedmonitorhadthecontinuousworkingtimebeing24hrs,andprovided
auxiliarydiagnosisbymonitoringECG,respirationandpostureparameters. Themonitorbehaveswellinsmall
sizeandhighwearability,andgainsprospectsinECGmonitoringinthefieldofmobilemedicine. [悦澡蚤灶藻泽藻酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责鄄
皂藻灶贼允燥怎则灶葬造袁2018袁39渊6冤院33-38]
Keywords wearable;multi-parametermonitor;ECGmonitoring;respirationinspection;mobilemedicine
基金项目院浙江省高等学校访问工程师项目渊FG2014007冤
作者简介院毛伟渊1981要冤袁男袁硕士袁讲师袁主要从事医
疗电子仪器开发尧医疗器械专业与课程建设方面的研究
工作袁E-mail院mw852@163.com遥
栽澡藻泽蚤泽
论著 ·33·
窑医疗卫生装备窑2018 年6月第 39 卷第 6期悦澡蚤灶藻泽藻酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼允燥怎则灶葬造窑灾燥造援39窑晕燥援6窑June窑2018
端上传至云平台，医生通过网络
就可随时随地查看患者的监测
数据，并根据情况指导患者就
医；（ 3 ） 通过智能移动终端，患者
亦能随时查看自己的心电、呼吸
等生理参数，对普通民众而言医
疗仪器不再是神秘的
“黑匣子”，
而是可看、可读的，有 利于提高患者就医的配合度和
自我保健意识，提升医患双方的满意度。
目前国内在可穿戴设备的监护研究方面以心电
监护为主，并提出了基于不同平台的解决方案
[6-9]
；
也
有学者将研究重点聚焦在电极材料上
[10-11]
，因为电极
是直接接触人体的部分，其性能直接影响着信号质
量和患者的舒适度，甚至将电极、传感器整合到服装
中
[12]
。在医院医疗监护和管理中引入可穿戴设备，可
提高医护人员的工作效率和医院的服务质量
[13]
，表
明可穿戴医疗设备具有良好的应用前景。
本文设计了一种可穿戴式的多参数监护仪，对
诸如心脏病等需要 24h连续监测心电信号的患者
有较高的应用价值，现报道如下。
1总体设计
根据本监护仪的实际用途，可能需要连续工作
至少24h，因此在设计时应重点考虑方案的小型化、
轻便化以及低功耗要求。本设计方案采用集成度较
高的ADS1292R 芯片完成前端模拟心电信号和呼吸
波的采集，并由MSP430F5529 低功耗单片机完成心
电、呼吸信号的采样，数据处理、存储及发送。最终的
数据由蓝牙模块发送给智能移动终端
（如手机）中 的
App，App 接收数据后可实时显示心电、呼吸波形和
相应的心率、呼吸频率以及患者的体态等信息。这些
信息可存储于智能移动终端中，亦可通过无线网络
上传至云平台，供医生、专家诊断。本文的研究内容
主要涉及从患者的生理信号采集到蓝牙模块的部
分，如图1的虚线框所示。
1.1 心电尧呼吸信号采集电路
传统的心电采集电路往往由缓冲放大、低通滤
波、陷波、仪用放大电路等环节构成模拟电路部分，
然后通过模/数转换，将数字化后的心电信号传输给
单片机进行进一步的处理分析
[14]
。本方案考虑到可
穿戴的要求，选用了TI 公司的ADS1292R 芯片。该
芯片是为生物电信号测量而设计的具有双通道、
24bit 模/数转换器的模拟前端，
采样精度高，内置可
编程增益放大器
（
programmablegainamplifier，PGA）。
该芯片体积小
（约5mm伊5mm伊1mm），但集成度很
高，可完成心电信号和呼吸阻抗信号的实时采样。心
电、呼吸等采集参数可以通过配置内部寄存器进行
灵活设置，亦可通过读取寄存器来判断当前的某些
状态，如电极是否脱落。该芯片为低功耗设计，单个
通道功耗仅为335 滋W
[15]
。因此，ADS1x9x 系列芯片
已成为心电采集系统小型化的理想选择。
心电信号从2个电极ERA、ELA 以差分方式输
入，通道1用阻抗法采集呼吸信号，通道2采集心电
信号。该芯片提供了右腿驱动电路及相关设置，用户
可编程选择合适的负反馈回路以减少心电信号中的
共模干扰。呼吸信号和心电信号分别由通道1和通
道2内部的PGA 放大6倍（默认值，可编程调整
），
再分别经过模/数转换为数字信号后，由串行外设
接口
（
serialperipheralinterface，SPI）输入到单片机
中，如图2所示。
1.2 体态信息采集电路
三轴加速度传感器被越来越多地应用于跌倒检
测
[16]
、步态检测
[17]
、倾角测量
[18]
等方面。本设计方案利
用其检测患者所处的体态——
—
静止、走路、运动等状
态，以确定发生心电信号异常时患者所处的身体状
态，从 而帮 助医生更加全面地分析病因。本方案采用
ADI 公司的ADXL345 数字加速度传感器，测量范围
达依16g。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加
速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。该
传感器拥有高分辨力，能够测量不到1.0毅的倾斜角
度变化
[19]
。
本方案通过记录X、Y、Z3个方向上加速度的
变化值，表征人体运动状态变化的剧烈程度，变化值
越大表明人体运动状态越剧烈。设计的电路如图3
所示。
1.3 单片机控制电路
本监护仪采用MSP430F5529 作为微控制器
实现对心电信号、呼吸信号和三轴加速度信号的
采集、处理，并以一定的数据格式发送给蓝牙模块。
MSP430F5529 是TI 公司的一款16bitRISC（reduced
图1系统整体设计示意图
患
者
可充电锂电池电源模块 体态信息
ADS1292R
心电、呼吸
采集
MCU
MSP430F5529 蓝牙
模块
TF 存储 LED 指示
智能移动终
端（ 手机
）
医
生
、
专
家
端
云平台
栽澡藻泽蚤泽 论著
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窑医疗卫生装备窑2018 年6月第 39 卷第 6期悦澡蚤灶藻泽藻酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼允燥怎则灶葬造窑灾燥造援39窑晕燥援6窑June窑2018
图4 MSP430F5529 外围电路
instructionsetcom-
puter）结 构的微控
制单元（microcont-
rolunit，MCU），工作
电压为1.8~3.6V，
它具有 MSP430 系
列单片机的超低功
耗和工作模式可切换的优点，适用于采
用电池供电、对功耗有要求的便携式或
可穿戴式设备。本设计方案中，通过
MSP430F5529 的SPI 实现与ADS1292R、
ADXL345 的SPI 通信，分别获得其采
集的24bit 心电、呼吸信号数据以及三
轴加速度数据，并将获得的数据进行处
理、存储和发送。单片机外围电路如图4
所示。
图4中的LED1 为红绿双色发光二
极管
（
lightemittingdiode，LED），该电路
即为LED 指示电路。通过控制单片机5、
6引脚的高低电平以显示红光或绿光，
并用不同颜色的光和闪烁的频率来指示
设备当前的工作状态，如绿光2s闪烁 1
次表示设备当前工作正常，红光1s闪
烁1次表示电极脱落等
。
1.4 蓝牙模块
蓝牙模块是沟通可穿戴式设
备与智能移动终端的桥梁，它将
单片机处理完毕的数据通过“无
线”方 式 发送出去，从 而使设备摆
脱“有线”的 束缚，提高可穿戴设
备的舒适性。据笔者实验观察，
蓝牙模块是监护仪中功耗较大
的模块之一（尤其是在发送数据
时）。 因此，选择低功耗的蓝牙模
块就显得极有必要。本设计方案
中的蓝牙模块采用基于CC2541
芯片的蓝牙4.0 模块，工作频率
为2.4GHz，调制方式是高斯频移
键控
（
Gaussfrequencyshiftkeying，
GFSK）；待机电流为0.4~1.5mA，
传输时电流约为8.5mA；供电电
压为3.3V，与单片机的供电电压
一致。
蓝牙模块的TXD、RXD 引脚与MSP430F5529
主控芯片UART 串口引脚连接进行通信，将接收的
数据以无线方式发送给移动终端
（手机）的App。蓝
牙4.0 模块与单片机的连接示意图如图5所示。
1.5 TF 卡模块
TF 卡又称为microSD 卡，其体积约为11mm伊
15mm伊1mm，在 很多电子设备中作为存储介质广为
图2心电尧呼吸信号采集电路
图3体态信息采集电路
栽澡藻泽蚤泽
论著 ·35·

标签： #监护 #多参数 #多参数监护仪

摘要：

窑医疗卫生装备窑2018年6月第39卷第6期悦澡蚤灶藻泽藻酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼允燥怎则灶葬造窑灾燥造援39窑晕燥援6窑June窑20180引言可穿戴设备即基于人体自然能力之上的，借助计算机科技实现对应业务功能的设备[1]。或者可更通俗地理解为直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件上的一种便携式设备。可穿戴技术起源于计算机技术与电子技术的结合，目前广泛应用于医疗健康、游戏娱乐、教育文化、军事等领域[2]。可穿戴技术的出现使医疗仪器的应用不再局限于医院内部，也不再受限于就诊时间，方便了医患双方。正因如此，可穿戴式健康监测仪/系统的设计、开发在近年来受到了广泛关注，心电监护就是其中最受...

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