基于海训救护系统的移动监护子系统数据采集部分的研制

苏秋玲，洪范宗，董少良，罗奕中，徐金荣

中国人民解放军第一八零医院 医学工程科，福建 泉州 362000

0 前言

多参数监护系统可以对患者多种生理参数包括心电（ECG）、有创血压（IBP）、无创血压（NBP）、体温（TEMP）、血氧饱和度（SPO2）、呼吸（RESP）等进行连续、长时、自动、实时的监测及各参数的异常报警、记录、存储及结果判断等，临床应用广泛[1-4]，便于医护人员及时发现患者隐藏的病情变化，是必要的护理和急救设备。目前，国内使用的多参数监护系统主要分为3类：基于PC机的监护系统、微型和便携式监护仪、采用嵌入式系统的监护仪，其中采用嵌入式系统的监护仪相对体积小、功耗低、可靠性高、实时性强，是目前市场发展的趋势[5]。

随着部队武器装备的发展、战法的创新，海军迫切需要进行以任务为向导、贴近实战的海上军事训练，而完成好海上训练的救护任务，为训练中的战士的生命安全提供保障，是卫勤机构的重要职责。为此，通过探讨海上救护的困难，根据主动定位求救和及时救护的需求构建了海训救护系统[6-7]。

本文主要研究海训救护系统中的移动监护子系统的研制，重点研究以STM32F103ZET6嵌入式微控制器为核心的参数控制部分，以实现对训练全过程中海军战士重要生理参数的监测，为制定合理的训练计划提供依据；同时可进行生理参数异常报警，以保证救护的及时性。

1 移动监护子系统总体设计

海训救护系统中的移动监护子系统包括主板控制和数据采集控制两部分，其中主板部分用于实现无线通信控制，数据采集部分用于实现重要生理参数的采集。系统框图，见图1。

图1 移动监护子系统框图

系统可以集生理参数信息，并将信息通过无线网络传输至岸基医院或救护艇；可以提供GPS信号定位，可以对溺水等海训中的异常情况进行主动定位报警；后续还可以建立战士生理数据库，为进一步分析战士生理、心理变化状况，完善训练方案提供依据。其中，数据采集部分可以集成到监护设备中，通过STM32F103ZET6嵌入式微控制器控制多个参数功能模块，配合信号采集的各个阀门与气泵、输入主板及监控端软件，完成对ECG、RESP、TEMP、NBP、SPO2、IBP等生理参数的采集与监测。STM32F103ZET6是基于ARM核心的32位带512 K字节闪存的微控制器[8]，具有高集成度、高可靠性、高性能、低成本、低功耗、小体积等特点，有多达112个快速I/O端口，是移动监护最优配置的可靠选择。根据电生理参数的强抗干扰需求，系统进行了多电源及隔离电路处理设计。主板控制无线通信模块接收数据采集板采集到的信息，并完成数据到监控终端的无线传输。数据采集板与处理控制板之间通过串口通讯完成数据的传递。

2 数据采集部分硬件电路实现

数据采集部分可完成ECG、SPO2、TEMP、IBP等的监测及12Vdc(TTL/RS232)控制，可通过JTAG接口完成PC机与数据采集板的程序读写。其中，NBP为气管接口，IBP、TEMP为可选模块；阀和泵均采用插座样式；DC电路可完成隔离电源模块与串口通信处理电路的电源转换。数据采集部分电路原理图，见图2。

图2 数据采集部分电路原理图

2.1 参数采集

参数采集具体由STM32F103ZET6芯片实现。其8、9引脚和23、24引脚采用可控硅，起调压作用。可控硅在交流电路中起开关作用，随着被触发的时间不同，通过它的电流就只有一个交流周期的一部分，从而使得通过它的电压只有全电压的一部分，以此调节输出电压；各IO端口编程实现控制功能，电路原理图见图3。其中A端口用于串口、CPU等接口的控制；B端口用于接口的输入输出控制；C端口用于ECG信号处理；D、G端口用于处理SPO2、INBP、TEMP信号；E端口可同时提供各检测信号的驱动选择处理；F端口用于TEMP信号的获取及ECG导联的选择。

图3 数据采集部分核心控制电路原理图

2.1.1 ECG电路

ECG电路完成对人体ECG信号的处理。信号经过输入电路、缓冲放大电路、右腿驱动电路、后级放大电路等之后，经过模数（A/D）转换，转换为数字信号；由CPU进一步处理形成心电波形。起搏脉冲经过起搏检测电路，通过中断信号通知CPU。

2.1.2 RESP电路

RESP电路由信号调制电路、检波放大电路、滤波放大电路和电平平移电路组成。振荡电路产生的载波信号加到RA-LL导联上后，形成调幅放大的正弦信号；经过小信号检波放大后，再进行滤波放大，形成呼吸波信号送到A/D进行采样。

2.1.3 TEMP电路

TEMP电路由开关控制电路、放大电路、滤波电路和探头脱落检测电路组成。模拟开关在CPU的控制下，可选择温度传感器，采集的信号经过放大、滤波后送到A/D进行采样。

2.1.4 SPO2电路

SPO2电路由恒流源驱动电路、D/A转换电路、红光/红外光开关电路、放大电路、平移电路组成。CPU通过D/A转换器和恒流源来控制发光二极管的发光强度和时间，以一定频率轮询地照射手指，此时，因血液中氧合血红蛋白（HbO2）和血红蛋白（Hb）对红光与红外光的吸收率不同，其透射光强度也不同，HbO2和Hb的比例信息将会以脉冲幅度调制的方式转换为电信号；CPU根据采样得到的红光和红外光数据，控制红光/红外光驱动电流的大小以控制发光强度，并调节平移电路的电压，使红光/红外光的数据保持在一个合适的范围内。

2.1.5 NBP电路

NBP电路由传感器驱动电路、差分放大电路、放大平移电路和过压保护电路组成。传感器的输出信号经过差分放大器的放大后输出袖带压信号；经过隔直电容及放大平移后，输出脉搏波信号。过压保护电路检测到压力超范围时，通过中断信号通知CPU。

2.1.6 IBP电路

IBP电路由滤波放大电路、通道切换开关电路组成。传感器的信号经过放大后形成压力信号送到A/D芯片，CPU通过开关控制2通道IBP压力信号的测量。

2.2 数字电路

数字电路的CPU是核心控制部分，由它分时对各个功能模块进行控制、管理、数据采样、数据分析及把相关计算结果通知给上位机。数字电路部分还有SRAM、EEPROM等芯片，主要是用于执行程序及数据存储。

3 数据采集板集成

（1）注意事项。为了减少数据采集板受到污染的可能性，必须在清洁的环境中进行安装；安装和使用数据采集板过程中必须进行静电防护，防止数据采集板受到静电损坏。

（2）机械安装说明。本板的机械尺寸设计为：120 mm×100 mm×25 mm。为了达到电气安全的要求，板的四周和底面要留出5 mm的空间，顶面要留出10 mm的空间，即安装空间水平方向为：125 mm×105 mm，垂直方向为40 mm。隔离区的定位柱及定位螺钉最好用非金属材料，若用金属螺钉，则要保证螺钉与隔离区的最小间隔＞5 mm，否则就达不到电气安全的要求。

4 功能测试

数据采集部分可以实时提供2道ECG波形、1道SPO2波形、1道RESP波形和2道IBP波形数据。通过分析计算，可以提供心率（HR）、SPO2、IBP、NBP等生理参数。

4.1 通讯测试

在确认数据采集板已经正确安装和连接后，将数据采集板通过串口和PC机进行通讯，将TTL/RS232接口和PC机串口连接好，启动测试软件，选择连接的串口，给数据采集板供电。如果在测试软件上看到6道（配有IBP）或4道（没有IBP）刷新的波形则说明通讯正常。

4.2 ECG/RESP功能测试

（1）测试工具。人体生理信号模拟器。

（2）测试步骤。① 用测量电缆将模拟器同数据采集板ECG插座相连；② 确定ECG波及RESP波正常显示；③ 设定模拟器参数值为：HR=30，RR=15；④ 检查显示的ECG、RESP波形以及HR、RR值是否正确；⑤ 改变模拟器的配置：HR=240，RR=120；⑥ 检查 ECG、RESP波及HR、RR值是否同模拟器设定的参数值一致；⑦ 使ECG导联脱落，数据采集板应立即报告导联脱落。

4.3 NBP漏气检测

（1）测试工具。模拟手臂。

（2）测试步骤。① 将袖带与模块的外接气孔连接好；② 把袖带缠在适当大小的模拟手臂上；③ 启动测试软件，选择漏气检测命令；④ 模块会自动充气到压力为180 mmHg；⑤ 大约20 s之后，系统会自动打开放气阀，标识漏气测量完成；⑥ 如果在NBP参数区没有提示信息，则表示系统不存在漏气现象；如果显示“泵漏气”，说明气路可能存在漏气故障。此时应检查整个连接是否有松动，当确认连接无误后，再重新进行一次漏气检测。如果仍有故障提示出现，请与厂家联系，进行维修。

4.4 SPO2功能测试

（1）测试工具。SPO2模拟器。

（2）测试步骤。① 将SPO2模拟器通过SPO2探头同数据采集板SPO2相接；② 设定SPO2模拟器参数值：SPO2=98，PR=70；③ 检查数据采集板SPO2及PR的显示值是否同模拟器一致；④ 改变SPO2模拟器SPO2及PR的设定值；⑤ 检查模块的显示值是否与设定值一致；⑥ 使 SPO2探头脱落，数据采集板应立即报告探头脱落。

4.5 测试结果

数据采集板通过JTAG接口与PC机连接，各项参数功能均能正常运行。

5 结语

移动监护子系统数据采集部分以STM32F103ZET6嵌入式微控制器为核心，可以监测海训中战士的重要生理参数，为制定合理的训练计划提供依据，同时可以进行生理参数异常的报警，保证救护的及时性；具有高性能、低功耗等特点，可以很方便地移植到监护仪中，具有良好的实用价值。

[1]陈武忠.阻抗呼吸监测系统在多参数监护仪中的应用[J].中国医疗设备,2013,28(3):118-121.

[2]贺翠娟.基于远程医疗的多参数监护系统中的血压监测系统设计[D].北京:北京邮电大学,2012.

[3]王平,汪金刚,何为,等.基于远程多参数的嵌入式监护系统研究[J].计算机仿真,2006,23(7):223-227.

[4]余波,何为,王平,等.基于嵌入式系统的远程多参数监护系统[J].计算机工程,2008,34(6):252-254.

[5]文军,何为,王平,等.基于嵌入式系统的便携式多参数监护仪的研究[J].电子技术应用,2009,(11):71-75.

[6]洪范宗,苏秋玲.海上训练救护存在的困难及对策[J].医疗卫生装备,2011,32(11):112,114.

[7]洪范宗,苏秋玲,罗奕中,等.基于嵌入式的海上训练救护系统研制[J].医疗卫生装备,2011,32(8):14-16.

[8]路保虎.基于STM32F103ZET6的动力电池管理系统设计[D].南京:南京理工大学,2013.