天津工业大学理学院 赵国辉 张光璐 徐胜亮 帅进良 王夏夏 杜远鹏

基于手机APP的实时PPG监测预警系统

天津工业大学理学院 赵国辉 张光璐 徐胜亮 帅进良 王夏夏 杜远鹏

心血管病患者发病突然，难以预测与救助的问题。该文提出一种基于手机APP与医院实时通信的可穿戴心脏监控预警系统。基于HT32单片机，利用光学模块获得光电容积脉搏波（PPG），结合智能手机，绘制PPG图。当心率有危险趋势时，手机会提醒患者，发信息给家属与医生。该系统便携，廉价，智能。将“患者--家庭—医生”构成有机的整体，提高患者的生存率与生活质量。

信号处理；光电容积；单片机；Android手机平台

1.引言

心血管病死亡成为首位死因，已成为重大的公共卫生问题[1]。大部分的心血管疾病的监护只能依靠医院的专业设备[2]，但是患者发病是在日常生活中的，所以急需一款可以实时监控心脏的便携仪器[3]。市场需求大，但市面上此类仪器昂贵，不便携，无法实时监测预警，市场反响冷淡。

传统测心率方式：心电图法测量需由专业人士操作；单导联ECG在体育界应用普遍，但不适于长期佩戴；传统压电式需紧贴胸部，常人难以完成[4]；现在，PPG广泛用于许多基础生物信息的探测。国内马俊领[6]等证明了通过PPG计算人体心率的可行性。

在此背景下，采用光电容积法，将单片机与智能手机结合，可实时信息交互的心脏监控预警系统。

2.原理分析

光学模块采集信号，HT32将模拟信号数字化，利用输入捕捉功能测心率值，由WIFI模块将编码后的PPG数字信号发出，手机接收数据， APP将数据转换成图像显示在手机上。当心率超出设定的阈值时，手机向医生和家属发送信息，并提醒患者。系统流程如图1所示：

图1 系统流程图

3.硬件电路设计

3.1 光电模块

分为信号采集电路，放大电路，转换电路。信号采集电路采集PPG模拟信号，将光信号转换为电信号；放大电路将采集到的模拟信号放大，便于对信号的处理；D1来显示电路工作状态；转换电路通过比较器电路将PPG模拟信号转换成同频率的PWM波，便于单片机频率测量。电路设计如图2所示：

图2 电路设计

3．1．1 信号采集电路

发射二极管串联偏置电阻发射光信号，接收二极管反向偏置接收光信号，再转换为电信号，电容C1隔除直流，便于对PPG信号进行放大；可通过Q1三极管来控制光电模块的工作状态。

3．1．2 信号放大电路

采集到的信号，经放大电路进行放大。端口3接前端信号采集电路的输出的电信号，并经过二阶有源放大器放大，通过R13分压，调节输出波形的幅值。经一个跟随器提高输入阻抗，减小输出阻抗，隔离前后端。

3.2 单片机系统

HT32对PPG模拟信号进行AD转换以及对PWM波进行输入捕捉测频率后进而得出心率值；通过串口将数字PPG信号发送给WiFi模块，再控制WiFi模块将数字PPG信号发送给手机。

3.3 WiFi模块

本模块是一款高性能的嵌入式WiFi模块，遵循无线网络协议IEEE802.11协议线以及TCP/IP协议线。

图3 单片机程序设计流程图

4.软件设计

根据系统的总体设计要求，将软件程序的编写总体分为两部分：单片机程序设计与APP设计。

4.1 单片机程序设计

单片机程序设计主要分为三部分：PPG信号AD转换，输入捕捉测频率，数据包的编码与PPG数据的无线发送。单片机程序设计的流程图如图3所示。

4．1．1 PPG信号ADC转换

采取定时器PDMA-ADC方式实现；设定定时器T0每0.017s采集一个数据，每分钟采集3530个点，正常人心率大致为每分钟70次，所以每个周期采集50个点，因此采样频率能满足需要。数据直接存储于RAM中，再将数据存储在数组中，完成数据的存储。

4．1．2 输入捕捉测脉冲频率

利用通用定时器1（T1）的输入捕获功能，设定T1为向上计数，上升沿触发捕获，捕获计数值为（V），系统时钟（PCLK）为72MHz，预分频（P）为1439，T1的计数时钟（T）的计算公式如下：

频率（F）为：

上式T1乘上10并转换为无符号长整型是为了提高所测频率的精度，理论上精度可以提高10倍。经验证，频率精度达到1HZ以下，因此可以满足测量的需求。

4．1．3 数据包的编码与PPG数字信号的无线发送

对数组中的数据进行编码，与APP中的解码方式相匹配；再将PPG数据进行打包，通过WiFi发送给手机。

4.2 手机APP

手机APP的软件设计分为两个部分：PPG波形的绘制方法，智能警告求救设计。手机APP工作流程图如图4所示：

图4 手机APP的软件设计

4．2．1 PPG波形绘制方法

设计APP绘制PPG时，将手机屏幕宽度作为y轴代表幅度值，屏幕的长度作为x轴代表时间值，通过算法使数据值在手机屏幕上依次打印出各个坐标（x，y）；再连线即为PPG波形。每次接收到的数据量在屏幕上绘的波形可以一次完整的覆盖整个屏幕并降低功耗。

4．2．2 智能警告求救设计

心率值显示在APP上，供查看，超出阈值时，APP会给发送短信求救，保证即时救助患者并提醒患者。

5.实验结果

该系统测得的PPG图像与心电监护仪器获得的ECG图像进行对比，并记录两个心率测量值，计算误差，如表1所示：

表1 多次测量数据对比

多组实际测量结果表明，此系统在早中晚的平均误差均在5%左右，因此可以实现所需要的精度，且PPG与ECG的峰值间隔无明显差异。经验证，达到初始目标。实测图像，如图5所示：

图5 实验结果

6.结语

多种技术和创新思维，将患者与家属，医生联系为整体进行多方位救助的新方法；还充分考虑舒适，性价比，实时，安全等设计制作；不同环境下，测量有5%左右的误差，此方案仍可行。在此基础上进行拓展，可以进行工厂的集中监测等多种应用。

[1]隋辉,陈伟伟,王文．《中国心血管病报告2014》要点介绍[J]．中华高血压杂志,2015,07:627-629．

[2]张培林,刘宪．医院全面成本管理与慢性病费用控制探讨[J]．慢性病学杂志,2010,01:2-3．

[3]胡大一．控制心血管疾病的根本出路在于预防[J]．医学与哲学(临床决策论坛版),2007,05:1-2．

[4]Jan-Hein Broeders and José Carlos Conchell．Wearable Electronic Devices Monitor Vital Signs,Activity Level,and More[OL]．http://www．analog．com/library/analogDialogue/archives/48-12/ wearable_electronics．html,2014．

[5]马俊领,王成,李章俊,赵宏垚．基于PPG的心率和呼吸频率的测量研究[J]．光学技术,2011,03:309-312．

天津工业大学市级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：201510058096。