一种基于树莓派的生理参数监测系统

1.本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种基于树莓派的生理参数监测系统。


背景技术：

2.由于多数老年人有着慢性疾病的困扰和衰老带来的各项生理机能退化，普遍存在健康问题，需要对其身体状况进行长期的监护。受制于现实条件，老年人在没有重大健康问题发生时很少会长期在医院等医疗机构接受监护。
3.传统的监测人体生理参数的仪器，往往功能较为单一、智能化水平低或体积大，功耗高，不易携带且价格昂贵(如心电监测仪)，并且只在特定条件下才能进行参数的测量，因而限制了它们的适用范围。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于树莓派的生理参数监测系统，旨在解决现有仪器功能单一无法满足现实需要的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于树莓派的生理参数监测系统，包括心电采集模块、脉搏采集模块、控制电路和显示模块，所述心电采集模块和所述脉搏采集模块分别与所述控制电路连接，所述显示模块与所述控制电路连接；
6.所述心电采集模块，用于采集心电信号并进行滤波，得到心电信号；
7.所述脉搏采集模块，用于采集脉搏波信号并进行滤波，得到脉搏信号；
8.所述控制电路，用于获取心电信号并计算心率，还用于获取脉搏信号并计算血氧饱和度；
9.所述显示模块，用于对所述心率和所述血氧饱和度进行显示。
10.其中，所述脉搏采集模块包括手指夹探头和脉搏采集前端，所述脉搏采集前端包括led驱动电路、第一前置放大电路、第一滤波电路、第一adc电路、第一控制器、第一输出口和第一定时器，所述led驱动电路和所述第一前置放大电路分别与所述手指夹探头连接，所述第一滤波电路与所述第一前置放大电路连接，所述第一adc电路与所述第一滤波电路连接，所述第一adc电路与所述第一滤波电路连接，所述第一控制器与所述第一adc电路连接，所述第一输出口的一端与所述第一控制器连接，所述第一输出口的另一端与所述控制电路连接，所述第一定时器与所述第一控制器连接。
11.其中，所述心电采集模块包括三电极电缆和心电采集前端，所述心电采集前端包括第二前置放大电路、模拟右腿驱动器、第二滤波电路、第二adc电路、第二控制器、第二输出口和第二定时器，所述模拟右腿驱动器和所述第二前置放大电路分别与所述三电极电缆连接，所述第二滤波电路与所述第二前置放大电路连接，所述第二adc电路与所述第二滤波电路连接，所述第二控制器与所述第二adc电路连接，所述第二输出口的一端与所述第二控制器连接，所述第二输出口的另一端与所述控制电路连接，所述第二定时器与所述第二前置放大电路、所述第二滤波电路、所述第二adc电路和所述第二控制器连接。
12.其中，所述基于树莓派的生理参数监测系统还包括控制台，所述控制台与所述控制电路无线连接；所述控制台用于获取所述心率和所述血氧饱和度并存储和回放。
13.其中，所述控制电路包括微控制器和树莓派4b，所述微控制器与所述心电采集模块和所述脉搏采集模块连接，所述树莓派4b与所述微控制器连接；
14.所述微控制器，用于对所述心电信号和所述脉搏信号进行计算，并分别获取心率和血氧饱和度；
15.所述树莓派4b用于获取心率和血氧饱和度并输出到所述显示模块。
16.其中，所述微控制器包括心率计算器和血氧饱和度计算器；
17.所述心率计算器，用于基于心电信号计算心率；
18.所述血氧饱和度计算器，用于基于脉搏信号计算血氧饱和度。
19.其中，所述心率计算器包括获取单元、差分单元、绝对值单元、搜索单元、定位单元和心率计算单元，所述获取单元、所述差分单元、所述绝对值单元、所述搜索单元、所述定位单元和所述心率计算单元依次连接；
20.所述获取单元，用于持续获取心电信号；
21.所述差分单元，用于计算一阶差分；
22.所述绝对值单元，用于计算一阶差分后的心电信号的绝对值；
23.所述搜索单元，用于搜索波形峰值点；
24.所述定位单元，用于定位r波；
25.所述心率计算单元，用于计算心率。
26.其中，所述血氧饱和度计算器包括采集单元、倒置单元、归一化单元、均值单元、血氧饱和度计算单元，所述采集单元、所述倒置单元、所述归一化单元、所述均值单元、所述血氧饱和度计算单元依次连接；
27.所述采集单元，用于采集红光ppg信号和红外光ppg信号；
28.所述倒置单元，用于去除红光ppg信号和红外光ppg信号中的直流信号并将信号倒置；
29.所述归一化单元，用于获取红光ppg信号和红外光ppg信号中的波峰波谷值，并归一化；
30.所述均值单元，用于取红光ppg信号和红外光ppg信号的均值，得到红光均值和红外光均值；
31.所述血氧饱和度计算单元，用于基于红光均值和红外光均值计算血氧饱和度。
32.第二方面，本发明还提供一种手指夹探头，包括支撑组件、调节组件和测量组件，所述支撑组件包括下夹板、上夹板、压紧弹簧、滑动板、转杆和支撑板，所述支撑板与所述下夹板固定连接，并位于所述下夹板的一侧，所述滑动板与所述支撑板滑动连接，并位于所述支撑板的一侧，所述转杆与所述滑动板转动连接，并位于所述滑动板的一侧，所述上夹板与所述转杆固定连接，并位于所述下夹板的一侧，所述压紧弹簧设置在所述上夹板和所述滑动板之间；所述调节组件包括调节杆和稳定弹簧，所述调节杆与所述滑动板螺纹连接，并与所述下夹板转动连接，所述稳定弹簧设置在所述滑动板与所述下夹板之间，所述测量组件包括两个红外传感器，两个所述红外传感器分别设置在所述上夹板和所述下夹板上。
33.本发明的一种基于树莓派的生理参数监测系统，将本系统携带在使用者身上，然
后通过所述心电采集模块对使用者身上的心电信号进行采集，此处可以采用ecg传感器对心电信号进行采集，然后所述脉搏采集模块可以用于采集使用者身上的脉搏波信号，从而可以得到脉搏信号，所述控制电路可以由兆易创新gd32 mcu和树莓派4b组成，使用所述控制电路可以基于这两种信号得到心率以及血氧饱和度，然后通过所述显示模块可以实时显示出来，即可将采集到的脉搏和心电等原始信号在上位机平台进行接收并显示，该部分在pc端进行功能设计与实现，进行软件编写，实现实时监测和记录用户在日常生活状态下的生理信息数据的变化，达到长时间、连续监测的目的，同时使人们可以避免到大医院排队，不会影响人们正常的生活、工作、学习，并提高了用户对自身身体状况的了解以及医生对患者病情的诊断准确性。本系统的多生理参数系统可以给各个年龄段人群实时监护，改善人们的生活健康水平和质量，成为长期有效且花费较低的医疗监护，解决现有仪器功能单一无法满足现实需要的问题。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本发明的一种基于树莓派的生理参数监测系统的结构图；
36.图2是本发明的心电采集模块的结构图；
37.图3是本发明的脉搏采集模块的结构图；
38.图4是本发明的心率计算器的结构图；
39.图5是本发明的血氧饱和度计算器的结构图；
40.图6是本发明的心率计算器的计算流程图；
41.图7是本发明的血氧饱和度计算器的计算流程图；
42.图8是本发明的手指夹探头的结构图；
43.图9是本发明的手指夹探头的左侧结构图；
44.图10是本发明的手指夹探头的右侧结构图。
45.1-心电采集模块、2-脉搏采集模块、3-控制电路、4-显示模块、5-控制台、6-支撑组件、7-调节组件、8-测量组件、11-三电极电缆、12-心电采集前端、21-手指夹探头、22-脉搏采集前端、31-微控制器、32-树莓派4b、61-下夹板、62-上夹板、63-压紧弹簧、64-滑动板、65-转杆、66-支撑板、67-保护垫、68-辅助块、69-夹紧杆、71-调节杆、72-稳定弹簧、81-红外传感器、111-第二前置放大电路、112-模拟右腿驱动器、113-第二滤波电路、114-第二adc电路、115-第二控制器、116-第二输出口、117-第二定时器、221-led驱动电路、222-第一前置放大电路、223-第一滤波电路、224-第一adc电路、225-第一控制器、226-第一输出口、227-第一定时器、311-心率计算器、312-血氧饱和度计算器、3111-获取单元、3112-差分单元、3113-绝对值单元、3114-搜索单元、3115-定位单元、3116-心率计算单元、3121-采集单元、3122-倒置单元、3123-归一化单元、3124-均值单元、3125-血氧饱和度计算单元。
具体实施方式
46.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
47.请参阅图1～图7，本发明提供一种基于树莓派的生理参数监测系统，包括：
48.心电采集模块1、脉搏采集模块2、控制电路3和显示模块4，所述心电采集模块1和所述脉搏采集模块2分别与所述控制电路3连接，所述显示模块4与所述控制电路3连接；
49.所述心电采集模块1，用于采集心电信号并进行滤波，得到心电信号；
50.所述脉搏采集模块2，用于采集脉搏波信号并进行滤波，得到脉搏信号；
51.所述控制电路3，用于获取心电信号并计算心率，还用于获取脉搏信号并计算血氧饱和度；
52.所述显示模块4，用于对所述心率和所述血氧饱和度进行显示。
53.在本实施方式中，将本系统携带在使用者身上，然后通过所述心电采集模块1对使用者身上的心电信号进行采集，此处可以采用ecg传感器对心电信号进行采集，然后所述脉搏采集模块2可以用于采集使用者身上的脉搏波信号，从而可以得到脉搏信号，所述控制电路3可以由兆易创新gd32 mcu和树莓派4b32组成，使用所述控制电路3可以基于这两种信号得到心率以及血氧饱和度，然后通过所述显示模块4可以实时显示出来，即可将采集到的脉搏和心电等原始信号在上位机平台进行接收并显示，该部分在pc端进行功能设计与实现，进行软件编写，实现实时监测和记录用户在日常生活状态下的生理信息数据的变化，达到长时间、连续监测的目的，同时使人们可以避免到大医院排队，不会影响人们正常的生活、工作、学习，并提高了用户对自身身体状况的了解以及医生对患者病情的诊断准确性。本系统的多生理参数系统可以给各个年龄段人群实时监护，改善人们的生活健康水平和质量，成为长期有效且花费较低的医疗监护，解决现有仪器功能单一无法满足现实需要的问题。
54.进一步的，所述脉搏采集模块2包括手指夹探头21和脉搏采集前端22，所述脉搏采集前端22包括led驱动电路221、第一前置放大电路222、第一滤波电路223、第一adc电路224、第一控制器225、第一输出口226和第一定时器227，所述led驱动电路221和所述第一前置放大电路222分别与手指夹探头21连接，所述第一滤波电路223与所述第一前置放大电路222连接，所述第一adc电路224与所述第一滤波电路223连接，所述第一adc电路224与所述第一滤波电路223连接，所述第一控制器225与所述第一adc电路224连接，所述第一输出口226的一端与所述第一控制器225连接，所述第一输出口226的另一端与所述控制电路3连接，所述第一定时器227与所述第一控制器225连接。
55.在本实施方式中，光透射式的指套式光电传感器负责采集脉搏波(ppg)信号，通过所述led驱动电路221对所述手指夹探头21中的发光二极管进行驱动，然后所述第一前置放大电路222放大获取的光电信号，并通过所述第一滤波电路223进行滤波，然后所述第一adc电路224进行模数转换得到数字信号，所述第一控制器225控制第一前置放大器、滤波器及模数转换器对采集到的心电信号进行放大、滤波及模数转换处理，并负责信号的同步收发，通过所述第一控制器225处理后，通过所述第一输出口226输出到所述控制电路3进行计算，所述第一输出口226可以是spi口。
56.进一步的，所述心电采集模块1包括三电极电缆11和心电采集前端12，所述心电采
集前端12包括第二前置放大电路111、模拟右腿驱动器112、第二滤波电路113、第二adc电路114、第二控制器115、第二输出口116和第二定时器117，所述模拟右腿驱动器112和所述第二前置放大电路111分别与三电极电缆11连接，所述第二滤波电路113与所述第二前置放大电路111连接，所述第二adc电路114与所述第二滤波电路113连接，所述第二控制器115与所述第二adc电路114连接，所述第二输出口116的一端与所述第二控制器115连接，所述第二输出口116的另一端与所述控制电路3连接，所述第二定时器117与所述第二前置放大电路111、所述第二滤波电路113、所述第二adc电路114和所述第二控制器115连接。
57.在本实施方式中，所述三电极电缆11传感器负责采集心电信号，其中两路信号通过所述第二前置放大电路111放大，并经过所述第二滤波电路113滤波，通过所述第二adc电路114转换成数字信号，所述第二控制115控制前置的放大器、滤波器及模数转换器对采集到的ppg信号进行放大、滤波及模数转换处理，并负责信号的同步收发，通过所述第二控制器115处理后，可以通过所述第二输出口116输出原始心电信号数据到所述控制电路3进行计算，所述定时器用于对所述第二前置放大电路111、所述第二滤波电路113、所述第二adc电路114以及所述第二控制器115进行计时保持同步，所述第二输出口116可以是spi口。
58.进一步的，所述基于树莓派的生理参数监测系统还包括控制台5，所述控制台5与所述控制电路3连接；所述控制台5用于获取所述心率和所述血氧饱和度并存储和回放。
59.在本实施方式中，所述控制台5可以通过无线或者有线的方式与所述控制电路3连接，使得可以获取所述心率和所述血氧饱和度，从而可以保持在所述控制台5端，提高数据存储的可靠性，并可以进行远程诊断，还可以通过所述控制电路3随时进行回放，从而查看更加方便。
60.进一步的，所述控制电路3包括微控制器31和树莓派4b32，所述微控制器31与所述心电采集模块1和所述脉搏采集模块2连接，所述树莓派4b32与所述微控制器31连接；
61.所述微控制器31，用于对所述心电信号和所述脉搏信号进行计算，并分别获取心率和血氧饱和度；
62.所述树莓派4b32用于获取心率和血氧饱和度并输出到所述显示模块4。
63.在本实施方式中，所述微控制器31的型号可以是兆易创新gd32e103cbt6mcu，通过将原始的心电信号和脉搏信号输入所述微控制器31中，并写入算法，就可以对心率和血氧饱和度进行计算，然后将计算出的数值通过uart串口上传到所述树莓派4b32中，所述树莓派4b32是微型计算机系统，以sd/microsd卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4个usb接口和一个10/100以太网接口(a型没有网口)，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和hdmi高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有pc的基本功能只需接通显示器和键盘，就能执行如电子表格、文字处理、玩游戏、播放高清视频等诸多功能，因此可以将信号传输到所述显示模块4，并驱动所述显示模块4进行显示。
64.进一步的，所述微控制器31包括心率计算器311和血氧饱和度计算器312；
65.所述心率计算器311，用于基于心电信号计算心率；
66.所述血氧饱和度计算器312，用于基于脉搏信号计算血氧饱和度。
67.所述心率计算器311包括获取单元3111、差分单元3112、绝对值单元3113、搜索单元3114、定位单元3115和心率计算单元3116，所述获取单元3111、所述差分单元3112、所述
绝对值单元3113、所述搜索单元3114、所述定位单元3115和所述心率计算单元3116依次连接；
68.所述获取单元3111，用于持续获取心电信号；
69.所述差分单元3112，用于计算一阶差分；
70.所述绝对值单元3113，用于计算一阶差分后的心电信号的绝对值；
71.所述搜索单元3114，用于搜索波形峰值点；
72.所述定位单元3115，用于定位r波；
73.所述心率计算单元3116，用于计算心率。
74.在本实施方式中，心电图上的每一次qrs波都代表有一次心跳，通过算法计算一分钟内心电图中qrs波产生的次数，就是心率。本发明采用差分阈值算法，使用心电信号计算心率。该算法是一种监测qrs波群检测的方法，该算法利用r波形的上升斜率和下降斜率比其他波形斜率变化更为显著，首先通过所述获取单元3111持续获取预处理后的心电信号，然后计算一阶差分，取绝对值，搜索波形峰值点并定位r波，最后计算出心率，并持续监测采集模块的传感器是否在持续采集生理信号，如果没有采集了就结束计算。
75.进一步的，所述血氧饱和度计算器312包括采集单元3121、倒置单元3122、归一化单元3123、均值单元3124、血氧饱和度计算单元3125，所述采集单元3121、所述倒置单元3122、所述归一化单元3123、所述均值单元3124、所述血氧饱和度计算单元3125依次连接；
76.所述采集单元3121，用于采集红光ppg信号和红外光ppg信号；
77.所述倒置单元3122，用于去除红光ppg信号和红外光ppg信号中的直流信号并将信号倒置；
78.所述归一化单元3123，用于获取红光ppg信号和红外光ppg信号中的波峰波谷值，并归一化；
79.所述均值单元3124，用于取红光ppg信号和红外光ppg信号的均值，得到红光均值和红外光均值；
80.所述血氧饱和度计算单元3125，用于基于红光均值和红外光均值计算血氧饱和度。
81.在本实施方式中，指套式光电传感器，所发出的光分别是660nm的红光和940nm的红外光，这时测量到的ppg信号有两种，分别是红光ppg信号和红外光ppg信号，依照光谱法的理论朗伯-比尔定律，用红光和红外光ppg信号就可以实现血氧饱和度的计算，通过采集单元3121采集红光ppg信号和红外光ppg信号，然后分别去掉直流信号并将信号倒置，然后得到每个ppg波峰波谷值，并将波峰波谷值归一化，然后计算归一化后的均值，其中红光均值为red_average；红外光均值为ir_average，计算公式如下：
82.r＝red_average/ir_average
83.spo2＝-45.060*r*r/10000+30.354
84.其中r是计算比率，spo2为血氧饱和度。
85.第二方面，请参阅图8～图10，本发明提供一种手指夹探头，包括支撑组件6、调节组件7和测量组件8，所述支撑组件6包括下夹板61、上夹板62、压紧弹簧63、滑动板64、转杆65和支撑板66，所述支撑板66与所述下夹板61固定连接，并位于所述下夹板61的一侧，所述滑动板64与所述支撑板66滑动连接，并位于所述支撑板66的一侧，所述转杆65与所述滑动
板64转动连接，并位于所述滑动板64的一侧，所述上夹板62与所述转杆65固定连接，并位于所述下夹板61的一侧，所述压紧弹簧63设置在所述上夹板62和所述滑动板64之间；所述调节组件7包括调节杆71和稳定弹簧72，所述调节杆71与所述滑动板64螺纹连接，并与所述下夹板61转动连接，所述稳定弹簧72设置在所述滑动板64与所述下夹板61之间，所述测量组件8包括两个红外传感器81，两个所述红外传感器81分别设置在所述上夹板62和所述下夹板61上。
86.在本实施方式中，通过所述上夹板62和所述下夹板61在所述压紧弹簧63的作用下对测试者的手指进行夹持，考虑到每个人的手指粗细不同，如果夹持不合适会导致测量精度降低，因此在测试时可以转动所述调节杆71使得所述滑动板64可以上下移动，从而带动所述上夹板62、所述转杆65和所述压紧弹簧63移动而调节对手指的压紧力，从而方便适合不同的人使用，然后通过两个所述红外传感器81收集人体血液流动信号，从而可以通过计算得出脉搏等信息，使得测试更加准确。
87.进一步的，所述支撑组件6还包括两个保护垫67、辅助块68和夹紧杆69，两个所述保护垫67分别设置在所述上夹板62和所述下夹板61上，所述辅助块68与所述转杆65固定连接，并位于所述滑动板64的一侧，所述夹紧杆69与所述滑动板64螺纹连接，并接触所述辅助块68。
88.在本实施方式中，所述保护垫67由柔性材质比如泡棉构成，通过所述保护垫67可以对病人的手指进行保护，避免造成不适，然后在夹持后，为了避免患者手指晃动，在所述上夹板62转动夹持后，通过转动所述夹紧杆69在摩擦力的作用下将所述辅助块68夹紧，使得所述上夹板62相对固定，使得测试更加稳定。
89.本发明的工作原理及使用流程：请参阅图1和图2，本发明安装好过后，将本系统携带在使用者身上，然后通过所述心电采集模块1对使用者身上的心电信号进行采集，此处可以采用ecg传感器对心电信号进行采集，然后所述脉搏采集模块2可以用于采集使用者身上的脉搏波信号，从而可以得到脉搏信号，所述控制电路3可以由兆易创新gd32 mcu和树莓派4b32组成，使用所述控制电路3可以基于这两种信号得到心率以及血氧饱和度，然后通过所述显示模块4可以实时显示出来，即可将采集到的脉搏和心电等原始信号在上位机平台进行接收并显示，该部分在pc端进行功能设计与实现，进行软件编写，实现实时监测和记录用户在日常生活状态下的生理信息数据的变化，达到长时间、连续监测的目的，同时使人们可以避免到大医院排队，不会影响人们正常的生活、工作、学习，并提高了用户对自身身体状况的了解以及医生对患者病情的诊断准确性。本系统的多生理参数系统可以给各个年龄段人群实时监护，改善人们的生活健康水平和质量，成为长期有效且花费较低的医疗监护。
90.以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。