可穿戴多参数监护仪的关键技术

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Chinese Journal of Medical Instrumentation 2020 年44 卷 第 4期
文章编号：1671-7104(2020)04-0307-04
可穿戴多参数监护仪的关键技术
【作 者】 刘阳，刘丽霞，王钟达，吴健辉
湖南可孚芯驰医疗科技有限公司，长沙市， 410007
【摘 要】 多参数监护仪是在医院得到广泛应用的医疗器械产品，具有重要的临床价值。论述了一种微型的可穿戴多
参数监护仪的关键技术，展望了它的应用前景。除了传统的应用场合，当它与网络化健康服务平台的结
合，在大数据和人工智能技术的背景下，其应用场合将得到极大的扩展。该产品的实验室样机已经完成，
并实现了预期的设计目标。
【关 键 词】 可穿戴；多参数监护仪；前端采样；过采样；大数据；人工智能
【中图分类号】 R319；TH776
【文献标志码】 A doi: 10.3969/j.issn.1671-7104.2020.04.005
Core Technology of Wearable Multi-parameter Patient Monitor
【Writers 】LIU Yang, LIU Lixia, WANG Zhongda, WU Jianhui
Hunan Cofoe XinChi Medical Technology Co. Ltd., Changsha, 410007
【Abstract 】Multi-parameters patient monitors are widely used in hospitals as medical device products, which have
important clinical value. It expounds the core technologies of a miniature wearable multi-parameters
patient monitor, and looks forward to its application prospects. In addition to traditional applications,
when combined with a networked health service platforms, its applications will be greatly expanded in the
context of big data and artificial intelligence technologies. The laboratory prototype of this product has
been completed and has achieved the anticipative design goal.
【Key words 】wearable, multi-parameters patient monitors, front-end sampling, oversampling, big data, artificial
intelligence
0引言
以心血管病为代表的慢病逐步成为影响我国
人均寿命的重要因素。《中国循环杂志》发布的
“中国心血管病报告2018 ”中指出：我国心血
管病患病率持续上升，心血管病患病人数达2.9
亿，2016年心血管病死亡率仍居首位，高于肿瘤
及其他疾病，每5例死亡中就有2例死于心血管疾
病[1] 。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二位[2] ，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％[3] 。很明显，对院外实施监护和疾
病预警，或对疾病早发现、早治疗，具有重要的
临床价值。
多参数监护仪一般是指对心电图、无创血
压、血氧饱和度、呼吸、体温和脉搏等生理参数
收稿日期：2019-10-25
作者简介：刘阳，E-mail: 13908452304@163.com
通信作者：刘丽霞，E-mail: liulixia@cofoe.com
进行监护的仪器，在医院科室、手术室、ICU 、
CCU 、病房、急诊室、救护车等医用场合已经
得到有效的运用，它在帮助临床发现问题以保障
患者的生命安全，尤其是针对心脑血管患者，具
有重要的临床应用价值。
李佳等[4]在分别研究了心电、血压、血糖等
单一参数监测在家庭应用的重要性后，认为单一
参数的家庭监护仪已不能满足需要，家庭监护仪
应逐渐向多参数、网络化和智能化方向发展。董
骁[5]认为常见监护仪因其不良的便携性、操作复
杂和价格昂贵等问题而不适用于家庭监护，而具
有生理信号的采集和处理、信号特征提取和数据
保存传输等功能的可穿戴式多生理参数监护系
统，对家庭更具有实际的临床意义。
讨论一种微型可穿戴多参数监护仪（以下简
称本仪器），它把六参数监护仪的功能集成到比
烟盒还小的体积内，同时可直接连接到网络化健
307
设 计 与 制 造
308
— — 二 — —
输入
Chinese Journal of Medical Instrumentation 2020 年44 卷 第 4期
康服务平台（以下简称平台），下面描述其关键
技术，并展望了它的应用前景。
1可穿戴多参数监护仪的关键技术和实现
1.1 全数字化技术
“全数字化技术 ”是本仪器里最重要的一项
关键技术，它采用“硬件软化 ”和“前端采样 ”
理念，即：让软件替代硬件完成信号调理功能，
模数转换器最大程度靠近信号输入端，以减少硬
件电路规模，该技术在微型化、可穿戴、抗恶劣
环境、低成本等方面有不可替代的优势。以心电
图机为例，传统心电图机的信号调理通常由高频
低通滤波、阻抗变换、隔直高通滤波、信号放
大、带阻滤波、基线回零等电路构成，图1是全
数字化心电图机采样电路构架图，图中虚线部分
信号调理电路。对于12导联心电图机，至少需要
8路信号通道，可见：全数字化电路构架的硬件
规模将大幅度压缩。另一方面，由于心电信号具
有微弱、高共模噪声和高极化电压的特点，图1
电路中不对信号放大而直接采样，很大程度上避
免了共模干扰因增益误差而转化为差模干扰，以
便处理器对采样信号实施“软共模对消”，实现
良好的共模噪声抑制效果。
图1全数字化心电图机采样电路构架
Fig.1 Full digital electrocardiograph sampling circuit architecture
1.2 智能数字滤波算法
智能数字滤波算法是配合全数字化构架的重
要技术，由于去掉了大部分硬件信号调理电路，
数据中会含有大量的干扰，智能数字滤波算法的
作用是在噪声干扰中精密提取有用信号，同时必
须控制数字滤波算法的运算量，否则高速运算的
要求将增加产品成本和功耗。智能数字滤波算法
不仅仅是传统意义上的数字滤波器，而是根据被
测信号和干扰信号的特点，增加智能判断，并根
据判断结果实时调整滤波算法，以达到滤波效果
和低运算量的协调统一。
1.3“过采样”技术
“过采样 ”是指采用超过实际需要数据输出
速率的频率去采样数据，这样可以降低抗混叠滤
波器的硬件代价和模拟零件精度要求，图1中仅
使用了一阶抗混叠滤波器，硬件规模得到良好的
压缩。理论上，奈奎斯特频率以上的信号成分残
留将带来不可恢复的混叠噪声，采样频率应该高
于信号最高频率的2倍。基于滤波效果和硬件代
价折中考虑，传统的心电图机设计方法是考虑二
阶低通滤波器作为抗混叠滤波器，采样频率取5
倍于其截止频率，以保证混叠噪声在可以接受的
范围内。
我们以心电图机常见的150 Hz截止频率为
例，由Electronic Workbench软件仿真一阶RC和
二阶RC滤波器在不同采样率下奈奎斯特频点上
残留信号的幅度，来评价混叠噪声的效果，仿
真的电路图如图2和图3所示，仿真值如表1和表
2所示。
10.8 kΩ
0.1 μF
输 入 二输 出
图2一阶RC低通滤波器电路
Fig.2 First-order RC low-pass filter circuit
6.9 kΩ
输出
0.1 μF
图3二阶RC低通滤波器电路
Fig.3 Second-order RC low-pass filter circuit
表1一阶RC低通滤波器奈奎斯特频点处的增益
Tab.1 Gain at the Nyquist frequency of the first-order RC low-pass filter
采样频率/Hz
奈奎斯特频点/Hz
奈奎斯特频点处的
信号增益(%)
500
250
50
750
375
37
1 200
600
24
设 计 与 制 造
6.9 kΩ
0.1 μF
处理器
高频
一阶低通滤波
一阶抗混叠
低通滤波
阻抗变换
309
Chinese Journal of Medical Instrumentation 2020 年44 卷 第 4期
表2二阶RC低通滤波器奈奎斯特频点处的增益
Tab.2 Gain at the Nyquist frequency ofthe second-order RC low-pass filter
采样频率/Hz
奈奎斯特频点/Hz
奈奎斯特频点处的信
号增益(%)
500
250
44
750
375
26
1 200
600
13
结果显示：采用一阶RC低通滤波器在1 200
Hz采样时，混叠噪声水平优于二阶低通滤波器
在750 Hz（5倍于滤波器截止频率）采样时的混
叠噪声水平2% ，这意味着保证整体性能的前提
下，可以采用较低精度的RC零件。最后，在对
信号“过采样 ”并完成数字滤波后，按需要降速
输出数据。
模拟滤波器的效果在很大程度上依赖零件的
精度和稳定度，从模拟滤波器需要的零件来看，
尽管运放和电阻可以通过牺牲成本来达到设计要
求，电容的精度问题却很难解决，除了高精密电
容成本极其昂贵外，电容还容易随着温度、湿度
等环境因素的变化产生容值误差和漏电，导致模
拟滤波器性能劣化。本仪器设计中，由于模拟零
件的减少和对精度的不敏感，降低了模拟零件在
因环境变化造成信号劣化的程度，最为重要的是
大部分信号的调理由软件完成，极大提高了产品
对恶劣环境的适应性。
1.4 智能化数据有效性判别
智能化数据有效性判别是另一个关键技术，
本仪器的有效性评价算法能够根据预定的传感器
接入、信噪比、数据长度、可信度等准则自动评
定数据是否满足要求，满足要求后停止采样，并
启动后续显示、上传等模块，这项技术的应用极
大地简化了使用过程。
1.5 低功耗设计
由于本仪器的小体积和可穿戴需要，因此必
须考虑低功耗策略，除了选择低功耗的零件外，
尽量减少电源变换的环节并提高电源效率、及时
关闭非工作状态的部件、研发低运算量的数字滤
波器、提高软件的运行效率，在满足运算要求的
前提下，降低处理器的工作电压和时钟频率。
1.6 实验室样机实现
本 仪器具有 12 导联心电 、无创血压 、
血氧饱和度 、呼吸 、体温 、脉搏等 6个参
数，同时还内置电子听诊器 ，核心零件是
TI 公司的ADS 12 5 8 模数转换器和ST 公司的
STM32F205RGT6微处理器。
ADS1258是24位高精度模数转换器，具有16
个高速模拟转换通道，我们设定它工作在单端
对16个通道循环采样方式，每通道的采样率为
1 200 Hz ，它的工作时钟由STM32F205RGT6提
供，省去了32 K外围晶振，可以根据情况随时
关闭不用的通道，并通过降低时钟保持每通道
1 200 Hz的采样率，以降低功耗。
STM32F205RGT6是32位微处理器，处理
单元功耗仅为188 μA/MHz ，同时它集成了丰富
的外设和高容量的RAM和FLASH存储器，高
容量RAM是满足数字滤波器的需要，而高容量
FLASH不仅存储程序，还存储了字库、图片和
设定的参数等，STM32F205RGT6工作电压设计
为2.8 V ，工作频率为60 MHz。
本仪器主机采用一片2.4 in彩色液晶显示
屏，内置WiFi模块、TF卡和超薄喇叭 ，主机
由一片2 000 mAh的锂电池供电，充满电后可
以连续工作20 h 以上 ，主机电路被设计在5 2
mm ×83 mm 的四层印刷电路板上，主机体积约
95 mm ×55 mm ×13 mm，约为烟盒体积的2/3。
血压计被设计在袖带上，通过3芯软护套线
与主机相连，由主机控制其工作方式。血氧饱
和度被设计在指套内，通过5芯护套线与主机相
连。我们还设计了“复合电极”，例如：在心电
电极中预置体温传感器，同步完成心电电极和体
温传感器放置；在胸导电极中预置声音传感器，
同步完成心电和心音传感器的放置。
本仪器经过多参数测试仪、心电图机性能测
试仪、漏电流测试仪、电解质强度测试仪等仪器
进行测试，技术性能可以满足多参数监护仪、心
设 计 与 制 造

标签： #监护 #多参数 #多参数监护仪

摘要：

ChineseJournalofMedicalInstrumentation2020年44卷第4期文章编号：1671-7104(2020)04-0307-04可穿戴多参数监护仪的关键技术【作者】刘阳，刘丽霞，王钟达，吴健辉湖南可孚芯驰医疗科技有限公司，长沙市，410007【摘要】多参数监护仪是在医院得到广泛应用的医疗器械产品，具有重要的临床价值。论述了一种微型的可穿戴多参数监护仪的关键技术，展望了它的应用前景。除了传统的应用场合，当它与网络化健康服务平台的结合，在大数据和人工智能技术的背景下，其应用场合将得到极大的扩展。该产品的实验室样机已经完成，并实现了预期的设计目标。【关键词】可穿戴；多参...

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