金乃庆 李翔伟 高翠云

摘 要：为解决目前市场上销售的便携式血压仪或部分品牌运动手环普遍存在的仅显示脉率和血压，不具备实时显示脉搏波形、存储数据及联网功能的问题，利用ARM1138与智能手机开发便携式脉搏波监测系统。利用红外脉搏传感器拾取脉搏信号，通过ARM1138片上A/D对信号进行采集，基于平均幅度差函数算法计算脉率值，并实时存储原始数据至SD卡。实验表明：系统脉率检测准确，触摸液晶屏和手机端可实时同步显示脉搏波形及脉率值，有助于实现面向家庭的可视化健康监护。

关键词：红外脉搏传感器;ARM1138;平均幅度差函数;脉率;可视化;监护

中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-000-03

0 引 言

随着社会的发展，中国老龄化现象严重，人均医疗资源紧缺的现象愈加突出[1]。因此，研制面向家庭的低成本、便携式健康监护产品十分必要。

心血管疾病是中老年人群最常见的疾病，脉搏波形特征能够在一定程度上反映心血管的健康状况，因此常被作为临床诊断和治疗的依据[2-4]，甚至作为仪器标准[5]。目前市场上销售的便携式血压仪或部分品牌运动手环虽具有脉率检测功能，但仅仅显示脉率和血压，不具备实时显示脉搏波形、存储数据及联网功能，因此无法满足智能家居及智能医疗的需求。为解决上述问题，本文参照相关标准[5]设计了面向家庭健康监护的便携式脉搏波监测系统[6-7]，該系统不仅可实现对脉搏信号的准确测量，同时还可与手机进行实时数据交互，不仅适合老年人实时监测自身脉搏，也可用于家庭成员的健康监测、社区健康医疗等，具有广泛的应用前景。

1 脉搏信号处理及脉率计算

如何对采集的脉搏信号进行滤除高频噪声、滤除基线漂移是脉搏信号处理的基本问题[8-10]，但若要对脉搏波监测并进行健康诊断，对脉率的准确计算至关重要。本文采用平均幅度差函数（AMDF）计算脉率[6，11]，处理流程如图1所示。

脉搏信号同浊音信号类似，是准周期信号，可将脉搏信号进行AMDF函数处理[12]，然后通过极值点以及采样率计算脉率。

以某位测试者为例，给出采样率为512 Hz时的AMDF处理后的结果，如图2所示。图2（a）为原始波形，可利用红外脉搏传感器采集;图2（b）为带通滤波后波形;图2（c）为对图2（b）波形采用AMDF变换后得到的波形，目的是寻找极小值点。

2 系统软件设计

系统框架如图3所示。系统以ARM1138作为主控制器，采用模块化思想设计，包含系统初始化模块、采样模块、信号去噪处理模块、脉率计算模块、按键扫描模块、SD卡读写模块、数据发送模块。

2.1 内部通信协议

该设备是健康智能家居的组成部分，因此ARM和手机之间的通信协议参照其通信协议进行[13]：一次传输一帧数据，每帧数据量在不同模块之间传输有所不同。每个设备的设备号唯一且不可更改，各设备根据通信协议对通信数据进行识别。协议帧组成见表1所列。

每个设备在解析协议帧时，会按照一帧数据中的每个位来判断该位数据代表的含义。并使用校验位来检验数据是否正确，如果错误，会放弃这一帧数据。

脉率仪向智能手机发送脉率值，协议帧数据为：{0xFF，0x90，0x04，0x09，0x00，“20160513”，“母亲”，“女”，“43”，65，检验位，0x91}，其表示脉率仪发送给智能手机测试的脉率值和被测者信息。

2.2 软件工作流程

系统开机后首先进行初始化，然后进入工作模式，系统提供两种工作模式选择和一种模式等待。模式选择分为开始测试模式和数据回放模式;模式等待为等待手机请求。系统工作在测试模式时，ARM处理器的A/D采样脉搏传感器输出电压信号，采样后对数据进行去噪处理，并将处理后的数据存入SD卡中，同时通过UART发送到液晶屏绘制脉搏波形，之后进行脉率计算并分别发送到液晶和手机端显示脉率值。系统进入数据回放模式后，开始读取储存在SD卡中的脉搏和被测者信息数据，然后将读取的数据发送到液晶屏上显示。当工作模式处于未选择状态时，系统均工作在等待模式中，当手机请求接收数据时，ARM读取SD卡数据并通过WiFi发送到手机端显示。软件框架流图如图4所示。

2.3 人机界面设计

为方便用户观察脉搏波形，采用Z2056触摸液晶屏进行人机界面设计。触摸显示屏将显示层分为两层，读写分别操作，在显示时叠加在一起。底层为第0层，顶层为第1层。在本设计中，底层界面存放图片作为监测界面背景，顶层主要实现数据显示和控件操作。当数据需要更新时，顶层刷新实现数据更新，底层保持不变。同时每一层又分为主界面和辅助界面，主页面有清屏效果，而辅助界面无法清屏，因此系统将图片放置在辅助界面，以避免切换界面时出现闪烁。系统共5个界面，主要界面如图5、图6所示。

3 系统实物与测试

将AMDF算法移植到ARM中，并与相应电路进行系统集成，在手机端设计相应的APP，系统包括WiFi通信模块、波形显示和存储模块。采用本文设计的系统和欧姆龙血压仪进行比对测试，具体如图7所示，数据见表2所列，表明脉率测试准确度较高。此外，图8所示为系统与手机同步显示实测的脉搏波形和脉率值。

4 结 语

本设计针对中国老龄化和医疗资源匮乏的现状，面向家庭血压检测仪或穿戴式运动产品存在的缺陷，根据国家标准与相关规定，设计并实现了面向手机的便携式脉搏波监测系统。该系统具有实时监测脉搏波形并计算脉率的功能，与手机的数据通信可为实现远程社区医疗和就诊提供基础数据服务。本文的研究工作对面向健康智能家居和社区医疗技术研究的同行具有一定的参考价值。鉴于中国的老龄化和医疗资源现状，该课题值得长期、深入研究。

注：本文通讯作者为高翠云。

参考文献

[1]佚名.中国人口老龄化、医疗水平对医疗行业未来发展趋势影响分析[EB/OL]. http：//www. chyxx.com/industry/201903/719411.html.

[2]罗志昌，张松，杨益民.脉搏波的工程分析与临床应用[M].北京：科学出版社，2006.

[3]赵秀秀，徐磊.光电容积脉搏波在监测心血管系统功能中的应用进展[J].临床麻醉学杂志，2020，36（1）：89-92.

[4] R B Menon，N M Mohan. System for ECG，PPG Signal Acquisition and Peak Detection [C]// 2017 14th IEEE India Council International Conference （INDICON），Roorkee，2017：1-6.

[5] 国家食品药品监督管理局·医用电器设备：医用脉搏血氧仪设备基本安全和主要性能专用要求：YY0784—2010 [S].北京：中国标准出版社，2010.

[6]储慧芳.脉搏波自动检测系统[D].合肥：安徽建筑大学，2015.

[7]李翔伟.面向智能手机的脉率检测仪[D].合肥：安徽建筑大学，2016.

[8]万相奎，唐文普，张赖，等.改进的三次样条插值心电基线漂移滤波法[J].生物医学工程学杂志，2016，33（2）：227-231.

[9] Y Yang，L Xu，L Zhao，et al.PPG signals processing using wavelet transform and adaptive filter [C]// Proceedings of the 32nd Chinese Control Conference，Xian，2013：3623-3627.

[10] Chatterjee A，Roy U K.PPG Based Heart Rate Algorithm Improvement with Butterworth IIR filter and Savitzky Golay FIR filter [C]// 2018 2nd International Conference on Electronics，Materials Engineering & Nano-Technology（IEMENTech），Kolkata，2018：1-6.

[11]江天，刘慧烜.多生理参数信号采集与处理虚拟仪器教学平台[J].高教学刊，2017，3（1）：94-97.

[12]張文耀，许刚，王裕国.循环AMDF及其语音基音周期估计算法[J].电子学报，2003，31（6）：886-890.

[13]虞永兵，高翠云.健康智能家居系统软件设计[J].物联网技术，2018，8（12）：75-78.