本發(fā)明屬于醫(yī)療設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及新生兒驚厥監(jiān)控設(shè)備。

背景技術(shù)：

在新生兒驚厥發(fā)作是最常見的神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙的跡象,需要立即就醫(yī)。醫(yī)生通過對驚厥發(fā)生時(shí)狀態(tài)的判斷，來為新生兒進(jìn)行早期的干預(yù)治療。大量臨床研究表明，在發(fā)生驚厥癥狀的新生兒當(dāng)中，約有50%患有各種腦功能失調(diào)；發(fā)生驚厥癥狀的新生兒的死亡率更是達(dá)到30%。新生嬰兒的研究表明,1% -5%的嬰兒患有驚厥癥狀，而低出生體重嬰兒更容易出現(xiàn)驚厥癥狀，約6%-13%。因此,新生兒驚厥監(jiān)控對于新生兒具有重要意義。

目前在新生兒重癥看護(hù)病房（NICU）中通過腦電圖（EEG）來檢測新生兒驚厥，心電圖（ECG）為新生兒驚厥的檢測提供了額外的參考。然而這些測量需要在臨床實(shí)驗(yàn)室這樣一個(gè)高度結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中進(jìn)行，不僅操作復(fù)雜而且價(jià)格昂貴。在NICU進(jìn)行長期監(jiān)控的嬰兒，為獲得EEG等關(guān)鍵參數(shù)，需要在他們脆弱的皮膚上接3-5個(gè)電極或者粘貼電極片，通過許多導(dǎo)線連接到外部的監(jiān)視器。由于新生兒,尤其是早產(chǎn)兒的體表面積很小,沒有足夠的地方粘貼電極片,并且由于新生兒的皮膚很嬌嫩,貼上電極片后容易使得新生兒的皮膚潰爛,對其健康不利。大量的導(dǎo)線會(huì)引起嬰兒的不適，并且對皮膚造成刺激，影響新生兒睡眠。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，醫(yī)院對新生兒不能全天監(jiān)控，尤其是腦電圖（EEG）和心電圖（ECG），通常只能在特定需要情況下才給予監(jiān)控。 因而，新生兒驚厥的發(fā)生常常被忽略，驚厥發(fā)生時(shí)的關(guān)鍵生理參數(shù)常常是缺失的，這都給對其及時(shí)給予恰當(dāng)?shù)母深A(yù)、治療造成困難。

新生兒驚厥也可以通過四肢和眼睛的異常運(yùn)動(dòng)來診斷。通常有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生通過觀察嬰兒動(dòng)作的速度、頻率、幅度和自然程度來判斷新生兒驚厥的發(fā)生情況以及分析驚厥的類型。然而這樣的判斷需要大量的經(jīng)驗(yàn)和長時(shí)間的觀察。另一方面，當(dāng)嬰兒身邊無人照看的時(shí)候，新生兒驚厥的發(fā)生很容易被漏判。此外，由于新生兒大部分時(shí)間是包裹在襁褓中，所以當(dāng)嬰兒發(fā)生驚厥時(shí)，襁褓阻礙了嬰兒異常動(dòng)作的發(fā)生，妨礙的醫(yī)生對驚厥的診斷。

現(xiàn)有驚厥監(jiān)控主要采用攝像頭對新生兒進(jìn)行視頻記錄，在驚厥發(fā)生后由有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生對視頻進(jìn)行分析。這樣的方法不僅需要大量的時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)，還容易錯(cuò)過嬰兒干預(yù)治療的最佳時(shí)期。

概括說，現(xiàn)有問題包括：1，監(jiān)控設(shè)備大部分昂貴且需要專業(yè)人員操作配合；2. 驚厥監(jiān)護(hù)依賴醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)，醫(yī)生判別工作量大；3，嬰兒的監(jiān)控環(huán)境不舒適；4，現(xiàn)有驚厥監(jiān)控系統(tǒng)不能持續(xù)24小時(shí)監(jiān)控，漏判現(xiàn)象嚴(yán)重；5，驚厥檢測方法單一；6，新生兒驚厥數(shù)據(jù)匱乏，沒有很好的儲(chǔ)存和分享的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種進(jìn)行全天候、全方位監(jiān)控，監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)全、監(jiān)護(hù)效果好的可穿戴新生兒驚厥監(jiān)控系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的可穿戴新生兒驚厥監(jiān)控系統(tǒng)，包括智能服飾、監(jiān)控?cái)z像頭和系統(tǒng)軟件三大部分。智能服飾用于對新生兒運(yùn)動(dòng)信號(hào)、心電信號(hào)采集、發(fā)送；智能服飾包括嬰兒服飾、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)發(fā)送模塊、供電模塊；其中，信號(hào)采集模塊（包括運(yùn)動(dòng)傳感器和柔性電極等）集成在嬰兒服飾當(dāng)中，信號(hào)處理模塊、信號(hào)發(fā)送模塊、供電模塊以外掛附件的形式連接在嬰兒服飾上，以減少對新生兒的干擾；監(jiān)控?cái)z像頭放置在新生兒周圍，用于對新生兒進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；軟件系統(tǒng)用于接收、分析和儲(chǔ)存智能服裝測得的數(shù)據(jù)，并結(jié)合運(yùn)動(dòng)和心電數(shù)據(jù)來判斷驚厥的發(fā)生；當(dāng)新生兒驚厥發(fā)生時(shí)，軟件做出判斷并給相關(guān)監(jiān)護(hù)人員警報(bào)提醒。監(jiān)護(hù)人員可通過實(shí)時(shí)視頻，對新生兒驚厥進(jìn)行二次確認(rèn)。智能服飾中含電路部分是可拆卸部分，方便洗滌。

本發(fā)明中，信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)發(fā)送模塊、供電模塊為系統(tǒng)的硬件部分，如圖4所示。其中：

信號(hào)采集模塊又分為心電信號(hào)采集模塊、運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集模塊，以及視頻采集模塊。信號(hào)處理模塊、信號(hào)發(fā)送模塊由心電信號(hào)生物模擬前端、單片機(jī)、藍(lán)牙模塊組成。供電模塊由鋰離子電池和穩(wěn)壓模塊組成。系統(tǒng)的工作原理如下：單片機(jī)定時(shí)通過SPI總線與各信號(hào)采集模塊（除視頻采集模塊）通訊，發(fā)出采樣指令，以較高的采樣率收集數(shù)據(jù)并對之進(jìn)行抽樣低通濾波，實(shí)現(xiàn)降采樣。同時(shí)，單片機(jī)通過R波檢測算法實(shí)時(shí)計(jì)算心率。上述降采樣的ECG、運(yùn)動(dòng)、心電信號(hào)和心率計(jì)算值通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至上位機(jī)。與之并行地，視頻采集模塊實(shí)時(shí)采集視頻信號(hào)，并通過流媒體鏈路上傳網(wǎng)路。

信號(hào)采集模塊包括柔性電極和心電傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器（兼具采樣體表溫度功能）以及視頻采集攝像機(jī)，除攝像機(jī)外均通過SPI總線與微處理器進(jìn)行通信。

柔性電極和心電傳感器，用于收集新生兒心電數(shù)據(jù)。所述柔性電極像衣服一樣緊貼在新生兒心臟左右兩側(cè)。

運(yùn)動(dòng)傳感器組成慣性測量單元（IMU），用于收集新生兒的身體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括采集運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度信號(hào)和溫度信號(hào)等。

視頻采集攝像機(jī)將圖像通過IP網(wǎng)絡(luò)傳至流媒體系統(tǒng)，軟件直接讀取流媒體數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。

信號(hào)處理模塊、信號(hào)發(fā)送模塊由心電模擬生物前端、單片機(jī)和藍(lán)牙模塊組成。其中，心電模擬生物前端對采入的單通道心電信號(hào)通過測量放大器進(jìn)行差分放大、低通濾波、ADC轉(zhuǎn)換，傳輸數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，同時(shí)運(yùn)動(dòng)傳感器采集的運(yùn)動(dòng)信號(hào)也以數(shù)字信號(hào)的方式傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)將心電、運(yùn)動(dòng)兩種數(shù)字信號(hào)進(jìn)行低通濾波并且通過R波檢測算出心率，將這些信號(hào)打包，以數(shù)據(jù)流的形式傳輸至藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊通過4.0協(xié)議進(jìn)行無線傳輸至上位機(jī)。

嬰兒服飾的非洗滌部分可拆卸，上半身為雙層材料設(shè)計(jì)，通過魔術(shù)貼將兩層材料粘合，便于硬件的放置和拆卸。

本發(fā)明中，傳感器可以拓展，在服飾上預(yù)留了傳感器拓展孔，可以額外添加傳感器，包括柔性電極、運(yùn)動(dòng)傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、聲音傳感器等。

本發(fā)明中，軟件系統(tǒng)包括以下模塊：

多用戶列表模塊：本軟件支持多用戶同時(shí)監(jiān)控，軟件可同時(shí)接收多個(gè)智能服飾的數(shù)據(jù)。該模塊用于管理被監(jiān)控用戶，添加被監(jiān)控用戶、刪除被監(jiān)控用戶、查看被監(jiān)控用戶基本狀態(tài)(圖10-a)。

生命信號(hào)展示模塊：該模塊用于查看被測用戶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)被可視化展示，所展示的數(shù)據(jù)包括溫度、心率、心率直方圖、心電圖、左手加速度、右手加速度、周圍濕度、聲音頻率(圖10-b)。

驚厥警報(bào)模塊：該模塊用于發(fā)出新生兒驚厥警報(bào)。當(dāng)軟件判斷出新生兒驚厥發(fā)生時(shí)，自動(dòng)發(fā)出嗡鳴警報(bào)，并在生命信號(hào)展示模塊中標(biāo)記(圖10-c)。

驚厥記錄模塊：該模塊用于存儲(chǔ)新生兒驚厥發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)。當(dāng)驚厥發(fā)生時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)截取驚厥發(fā)生時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)事件記錄和保存，歷史驚厥事件也可以通過發(fā)生時(shí)間來查找和查看。

歷史數(shù)據(jù)模塊：該模塊用于歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查看。所以數(shù)據(jù)都將存儲(chǔ)在云端，可供看護(hù)人員需要時(shí)查看。

視頻同步模塊：該模塊用于視頻與數(shù)據(jù)的同步，軟件接受監(jiān)控?cái)z像頭所發(fā)出的數(shù)據(jù)流，與心電數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)同步顯示。

本發(fā)明的特點(diǎn)：

1、本發(fā)明提出一種新的監(jiān)控新生兒驚厥發(fā)生的方法，通過新生兒運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來判斷驚厥的發(fā)生，心電數(shù)據(jù)作為輔助手段，提高診斷的準(zhǔn)確率；

2、本發(fā)明用柔性電極替代傳統(tǒng)的粘貼電極片，用于采集心電數(shù)據(jù)；

3、本發(fā)明把信號(hào)采集模塊與其他模塊（信號(hào)處理模塊、信號(hào)發(fā)送模塊、供電模塊）分開。只將信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)在衣服，通過減少硬件的重量和體積來提升服裝的舒適度；

4、本發(fā)明設(shè)計(jì)的傳感器拓展模塊，拓展模塊可與主模塊連接，提供更多的身體特征數(shù)據(jù)，所述拓展模塊可包括柔性電極、運(yùn)動(dòng)傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、聲音傳感器；

5、本發(fā)明將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、心電數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)同步儲(chǔ)存，同步顯示。

本發(fā)明技術(shù)效果

發(fā)生驚厥的新生兒的比例占到了全部新生兒的5%，然而世界上大部分貧困地區(qū)的出現(xiàn)驚厥的新生兒沒有條件獲得專業(yè)的監(jiān)護(hù)，他們往往因?yàn)殄e(cuò)過最佳治療時(shí)間而在后期的發(fā)育過程中產(chǎn)生后遺癥，例如腦癱、智力低下、甚至死亡。而本發(fā)明用傳感器和芯片制造出的可傳感器新生兒驚厥監(jiān)控系統(tǒng)不僅不需要專業(yè)的醫(yī)生，而且成本也能控制在千元以內(nèi)。這樣更多的新生兒有機(jī)會(huì)受到監(jiān)護(hù)，也將會(huì)挽救更多的新生命。此外本發(fā)明對現(xiàn)有醫(yī)院的技術(shù)也是一種補(bǔ)充，為醫(yī)院提供完整的數(shù)據(jù)，全天的監(jiān)控，驚厥自動(dòng)警報(bào)，個(gè)人病程日志。很大程度上提高的監(jiān)護(hù)的有效性。

1、本發(fā)明可進(jìn)行長期持續(xù)的監(jiān)控。嵌入式硬件系統(tǒng)（不含視頻采集系統(tǒng)）的功耗主要包括信號(hào)采集模塊功耗、信號(hào)處理模塊功耗、信號(hào)發(fā)送模塊功耗。而本系統(tǒng)采用的都是低功耗，微處理器采用MSP430高速、低功耗微處理器，傳感器體動(dòng)信號(hào)采集采用自適應(yīng)變采樣率，根據(jù)設(shè)定閾值調(diào)節(jié)采樣率，極大程度上降低了硬件功耗，無線傳輸部分采用藍(lán)牙4.0低功耗協(xié)議，所以系統(tǒng)整體都是節(jié)能、低功耗的，能進(jìn)行長期監(jiān)控。

2、本發(fā)明可以通過新生兒的運(yùn)動(dòng)和心電數(shù)據(jù)對驚厥做出判斷?，F(xiàn)在的新生兒驚厥監(jiān)控系統(tǒng)并沒有通過新生兒的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。而本發(fā)明為判斷新生兒驚厥提供了一種新的辦法。

3、傳感器拓展模塊使得監(jiān)控系統(tǒng)變得可定制化，根據(jù)不同用戶的不同需求搭配不同的傳感器拓展模塊，大大減少的系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

4、本發(fā)明用柔性導(dǎo)電布代替?zhèn)鹘y(tǒng)粘貼電極，增加了新生兒的舒適度。

附圖說明

圖1-為服裝主體。

圖2-硬件主體模塊。

圖3-傳感器拓展模塊。

圖 4傳感器硬件框架。

圖 5 ADS1292讀寫命令寄存器指令時(shí)序。

圖 6 MPU9250讀寫數(shù)據(jù)格式。

圖 7視頻傳輸流程。

圖 8MSP430F5529的工作流程圖。其中，（a）內(nèi)核主程序 （b）定時(shí)器終端服務(wù)程序 （c）中斷標(biāo)志位和定時(shí)器循環(huán)變量說明，（d）DMA中斷服務(wù)函數(shù)。

圖 9 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

圖10加速度驚厥檢測算法流程圖。

圖中標(biāo)號(hào)：1為魔術(shù)貼，2為孔眼，3為信號(hào)處理模塊，4為信號(hào)發(fā)送模塊，5為供電模塊，6為導(dǎo)線；7、8為運(yùn)動(dòng)傳感器，9、11為柔性電極，10、12為導(dǎo)線連接搭扣，13為導(dǎo)線連接搭扣，14為運(yùn)動(dòng)傳感器/溫度傳感器/濕度傳感器/聲音傳感器。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步介紹本發(fā)明。

將運(yùn)動(dòng)傳感器（7、8），柔性紡織電極（9、11）和導(dǎo)電線（6）嵌入在硬件主體模塊（圖2）中，（圖2） 通過魔術(shù)貼（2）粘貼在服裝主體（圖1）上。運(yùn)動(dòng)傳感器與柔性電極采集到數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)處理模塊（1），與此同時(shí)監(jiān)控?cái)z像頭將影像數(shù)據(jù)通過IP網(wǎng)絡(luò)傳至流媒體系統(tǒng)。信號(hào)處理模塊（1）在收集多個(gè)信號(hào)后，將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包形式通過信號(hào)傳輸模塊（2）傳至系統(tǒng)軟件中。系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，并提取流媒體系統(tǒng)中的影像數(shù)據(jù)。與此同時(shí)軟件進(jìn)行驚厥檢測算法的運(yùn)算。當(dāng)判斷出驚厥發(fā)生的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)提醒醫(yī)護(hù)人員。所有的數(shù)據(jù)將自動(dòng)存儲(chǔ)在電腦中，通過軟件可隨時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)硬件主要分為4個(gè)模塊（如圖4所示），信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)發(fā)送模塊、供電模塊。信號(hào)采集模塊又分為心電信號(hào)、運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集模塊，以及視頻采集模塊。信號(hào)處理、發(fā)送模塊由MSP430單片機(jī)和CC2564藍(lán)牙雙模模塊組成。供電模塊由鋰離子電池和穩(wěn)壓模塊組成。系統(tǒng)的工作原理如下：MSP430單片機(jī)定時(shí)通過SPI總線與各信號(hào)采集模塊（除視頻采集模塊）通訊，發(fā)出采樣指令，以較高的采樣率收集數(shù)據(jù)并對之進(jìn)行抽樣低通濾波，實(shí)現(xiàn)降采樣。同時(shí)，MSP430單片機(jī)通過R波檢測算法實(shí)時(shí)計(jì)算心率。上述降采樣的ECG、運(yùn)動(dòng)、心電信號(hào)和心率計(jì)算值將通過藍(lán)牙4.0模塊發(fā)送至上位機(jī)。與之并行地，視頻采集模塊實(shí)時(shí)采集視頻信號(hào)，并通過流媒體鏈路上傳網(wǎng)路。

下面將分別介紹各模塊功能和工作流程。

1.1信號(hào)采集模塊。

信號(hào)采集模塊由心電信號(hào)采集前端ADS1292（配合柔性電極）、運(yùn)動(dòng)傳感器MPU9250（兼具采樣體表溫度功能）以及視頻采集攝像機(jī)DS-2CD1201D-I3組成，除攝像機(jī)外均通過SPI總線與微處理器MSP430進(jìn)行通信。

（1）SPI接口

SPI（Serial Peripheral Interface），即串行外圍設(shè)備接口，是Motorola公司推出的一種同步串行通訊方式。本項(xiàng)目硬件采用四線制SPI。由于SPI協(xié)議簡單，單片機(jī)外圍硬件成熟，因而SPI通訊軟件接口實(shí)現(xiàn)簡單，易于配合中斷、DMA等方法使用，有利于節(jié)省內(nèi)核時(shí)間。

（2）心電信號(hào)采集前端ADS1292（配合柔性電極）

ADS1292是TI開發(fā)的用于生物電勢測量的低功耗、2通道、24位模擬前端。它具有低噪聲、高精度、高分辨率、高共模抑制比、高傳輸速率等特性，借助于其高度集成度和出色的性能，ADS1292可在大大減小尺寸、功耗和總體成本的前提下實(shí)現(xiàn)可升級醫(yī)療儀器系統(tǒng)的創(chuàng)建，適合在可穿戴設(shè)備中應(yīng)用該芯片。該芯片采用SPI協(xié)議與微處理器通信。

ADS1292讀寫命令寄存器指令時(shí)序如圖5所示。寄存器讀取數(shù)據(jù)時(shí)，首先選通信號(hào) 置為0后，數(shù)據(jù)輸入兩個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)表示讀取的寄存器首地址，第二個(gè)字節(jié)表示將要讀取的寄存器數(shù)量n再減去一，緊接著輸出n個(gè)字節(jié)對應(yīng)相應(yīng)數(shù)量的寄存器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。寄存器寫入數(shù)據(jù)時(shí)，首先選通信號(hào)置為0，數(shù)據(jù)輸入兩個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)表示寫入的寄存器首地址，第二個(gè)字節(jié)表示將要寫入數(shù)據(jù)的寄存器數(shù)量n再減去一，緊接著輸入n個(gè)字節(jié)對應(yīng)相應(yīng)數(shù)量的寄存器即將寫入的數(shù)據(jù)。

（3）運(yùn)動(dòng)加速度信號(hào)和溫度信傳感器MPU9250

MPU9250是Invense公司開發(fā)的九軸運(yùn)動(dòng)跟蹤裝置，其融合了3軸加速度、3軸陀螺儀以及3軸磁力計(jì)，兼容SPI、I2C兩種傳輸協(xié)議，能夠同時(shí)輸出九軸的全部數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目使用其中的3軸加速度計(jì)，其角加速度與磁力加速度計(jì)的功能可以為之后系統(tǒng)的功能擴(kuò)展提供空間。該芯片采用SPI協(xié)議與微處理器通信。

MPU9250讀寫寄存器格式如圖6所示。數(shù)據(jù)以字節(jié)形式高位優(yōu)先存儲(chǔ)，地址同樣以字節(jié)形式存儲(chǔ)，其中最高位為1表示讀取，最高位為0表示寫入。

（4）視頻采集

為了獲得清晰的同步視頻圖像，系統(tǒng)采用了?？低旸S-2CD1201D-I3攝像機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸流程如圖7所示，攝像機(jī)將圖像通過IP網(wǎng)絡(luò)傳至流媒體系統(tǒng)，軟件直接讀取流媒體數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。?？低暠O(jiān)控專用存儲(chǔ)系統(tǒng)集成了錄像軟件，視頻圖像前端設(shè)備以流媒體協(xié)議直接寫入存儲(chǔ)。這種以流媒體協(xié)議寫入存儲(chǔ)的架構(gòu)模式，可以使存儲(chǔ)有更多的靈活性，可以做更多的工作，比如視頻切割，視頻歸檔，多畫面回放等等，同時(shí)使得視頻點(diǎn)播變得更加簡單快捷。

1.2信號(hào)處理模塊。

（1）MSP430F5529簡介

MSP430系列單片機(jī)是TI公司于1996年開始推出的超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的16bit混合信號(hào)處理器。與其他單片機(jī)相比，該系列單片機(jī)具有超低功耗、片上外設(shè)豐富等優(yōu)勢，非常適合心電信號(hào)的處理。本系統(tǒng)選用MSP430F5529作為控制芯片。在MSP430系列芯片中，MSP430F5529不僅能夠滿足功能要求，整體的功耗和成本也是較低的。

（2）微處理器工作流程

MSP430F5529的工作流程如圖8所示。首先初始化外圍設(shè)備和SPI配置，然后通過寄存器讀入配置傳感器并且初始化圖中的四個(gè)標(biāo)志位，并且讀取濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，準(zhǔn)備就緒后開啟全局中斷。當(dāng)?shù)屯V波開啟標(biāo)志位LPF_START為1時(shí)，將存入的隊(duì)列進(jìn)行低通濾波處理，并且進(jìn)行心率的運(yùn)算，同時(shí)將低通濾波標(biāo)志位恢復(fù)為0。同時(shí)，處理完畢后，若DMA傳輸標(biāo)志位DMA_Done為1，則通過DMA方式將數(shù)據(jù)總線直接連接至藍(lán)牙端，發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，為了保證系統(tǒng)能夠自動(dòng)中斷、自動(dòng)運(yùn)作，我們設(shè)置定時(shí)器定時(shí)將中斷標(biāo)志位清零，通過計(jì)時(shí)器和循環(huán)變量，四個(gè)標(biāo)志位順次清零。

（a）程序構(gòu)架

程序由占用內(nèi)核的主程序和兩個(gè)硬件中斷服務(wù)程序組成，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)采樣、定時(shí)發(fā)送、數(shù)據(jù)抽樣濾波、心率計(jì)算等多個(gè)任務(wù)的調(diào)度。如圖9所示，通過四個(gè)全局標(biāo)志位，系統(tǒng)工作在一個(gè)受限的有限狀態(tài)機(jī)內(nèi)，在硬件工作正常的情況下可以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，而軟件的阻塞式設(shè)計(jì)也保證了系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)入冗余狀態(tài)。在該構(gòu)架下，采樣、濾波、發(fā)送的任務(wù)分別執(zhí)行，除了特定檢查點(diǎn)外互不影響，即保證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，又增強(qiáng)了程序可讀性，提高了修改、移植效率。

（b）標(biāo)志位

有限狀態(tài)機(jī)的良好運(yùn)行依賴于標(biāo)志位的狀態(tài)正確性。作為內(nèi)核程序與中斷服務(wù)程序的消息接口，標(biāo)志位起到了類似于操作系統(tǒng)中信號(hào)量的作用。各標(biāo)志位的定義如下表1（各標(biāo)志位定義及功能）：

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（c）中斷服務(wù)

定時(shí)器中斷

定時(shí)器采用Timer_A，工作于增計(jì)數(shù)模式，每2ms產(chǎn)生一個(gè)中斷。

定時(shí)器中斷服務(wù)程序完成采樣和發(fā)送操作。采樣每2ms進(jìn)行一次，采滿5組數(shù)據(jù)后暫停采樣，等待主程序中將采樣數(shù)據(jù)移入待算隊(duì)列后繼續(xù)。發(fā)送每10ms進(jìn)行一次，在發(fā)送前先檢查主程序是否將發(fā)將發(fā)送隊(duì)列填寫完畢，如果填寫完畢則啟動(dòng)DMA發(fā)送程序，將數(shù)據(jù)由發(fā)送隊(duì)列自動(dòng)地填寫至UART發(fā)送至寄存器。

DMA中斷

采用DMA_0通道單次地發(fā)送指定長度數(shù)據(jù)至串口發(fā)送寄存器，由串口發(fā)送完成中斷標(biāo)志位的上升沿觸發(fā)。在單次發(fā)送完成后進(jìn)入DMA中斷服務(wù)函數(shù)。該函數(shù)的任務(wù)是改變DMA_Done標(biāo)志位為1，以便告知主程序發(fā)送已經(jīng)完成。

（3）硬件算法

（a）FIR低通濾波

FIR低通濾波器是一種數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域廣為使用的數(shù)字濾波器，它有線性相位、有限啟動(dòng)時(shí)間、穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此特別適合運(yùn)算能力有限的單片機(jī)使用。

本項(xiàng)目中，由于心電信號(hào)和加速度信號(hào)存在高頻噪聲，且藍(lán)牙4.0傳輸帶寬有限，需要使用FIR低通濾波器對采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣濾波以達(dá)到去除噪聲、減小帶寬的目的。低通濾波器參數(shù)如下表2（FIR低通濾波器參數(shù)）：

由于UART發(fā)送速率為100Hz，信號(hào)的實(shí)際帶寬必須控制在50Hz以內(nèi)以防發(fā)生混疊。由此設(shè)計(jì)的抽樣濾波器如下式：

其中，x[n]為原始采樣序列，y[n]為低通濾波后的序列，z[n]為對y[n]進(jìn)行M倍降采樣得到的序列，M=5。

上述LPF的特征滿足對帶寬的要求。

采用抽樣濾波器的一個(gè)好處是，濾波器只需要每10ms計(jì)算出一個(gè)輸出即可，這大大減輕了FIR濾波算法設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。實(shí)際系統(tǒng)中，為充分利用MSP430F5529硬件乘法器的優(yōu)勢，我們采用了TI官方的DSPlibforMSP430。該庫使用32位定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)測可以滿足本項(xiàng)目的速度要求。

（b）心率計(jì)算

MSP430利用采集到的ECG數(shù)據(jù)計(jì)算心率，發(fā)送至上位機(jī)。心率的計(jì)算采用R波檢測法[10,11]，具體算法如下：

R波提取：對輸入序列x[n]，抽取y[n]為x[n]>TH1的一個(gè)子序列，TH1為設(shè)定的閾值。同時(shí)，記錄y[n]對應(yīng)的絕對時(shí)間T[n]。在y[n]中找到y(tǒng)_max [n]=max({y[n]},n=0,±1,±2,…)，

在其兩側(cè)尋找最長的子序列{L[n]}，滿足y_max[n]-L[n]<TH2, TH2為設(shè)定的閾值。設(shè){L[n]}長度為M，記錄對應(yīng)的絕對時(shí)間至H[n]。

心率計(jì)算：對于H[n]的每5個(gè)元素組成的子列，即為間隔時(shí)間，經(jīng)過對分鐘的換算即可得到心率。

1.3信號(hào)發(fā)送模塊。

（1）CC2564藍(lán)牙模塊

CC2564是TI開發(fā)的雙模式藍(lán)牙芯片，同時(shí)支持藍(lán)牙3.0和藍(lán)牙4.0的傳輸，設(shè)備兼容性好，易于與電腦、手機(jī)、平板電腦等設(shè)備建立連接。本項(xiàng)目使用商業(yè)化藍(lán)牙開發(fā)基板，上有CC2564和為該芯片提供藍(lán)牙協(xié)議棧軟件驅(qū)動(dòng)的ARMCortex-M0微處理器。微處理器運(yùn)行SPP協(xié)議（Serial Port Profile），可作為串口透傳的發(fā)送端使用[12]。藍(lán)牙模塊的串口與MSP430F5529的串口相連，因此，以下分析均針對UART串口。

（2）數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式從串口發(fā)送。為了保證通訊安全，避免信道干擾對于數(shù)據(jù)的影響，同時(shí)結(jié)合異步串口的傳輸特點(diǎn)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包如表3（發(fā)送數(shù)據(jù)包格式）所示：

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本項(xiàng)目中采用定長數(shù)據(jù)包，HEAD_H=0x88, HEAD_L=0x71，LENGTH=22，CHECK為奇偶校驗(yàn)，數(shù)值為前21位的位異或。

數(shù)據(jù)段格式見下表4（數(shù)據(jù)段格式，ACCEL為左右手運(yùn)動(dòng)傳感器的各軸加速度值，TEMP為溫度,HEART RATE為心率）：

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（3）數(shù)據(jù)傳輸速率

串口波特率：115200

傳輸速率：100packge/s = 2200byte/s = 22000bit/s。

軟件部分主要包括以下6個(gè)模塊：多用戶列表模塊，生命信號(hào)展示模塊，驚厥警報(bào)模塊，驚厥記錄模塊，歷史數(shù)據(jù)模塊，視頻同步模塊。

多用戶列表模塊設(shè)計(jì)：在該模塊中，看護(hù)人員可以管理被監(jiān)控用戶，添加被監(jiān)控用戶、刪除被監(jiān)控用戶、查看被監(jiān)控用戶基本狀態(tài)。

在多用戶列表模塊中，看護(hù)人員可以添加、刪除被監(jiān)控用戶。添加被監(jiān)控用戶：點(diǎn)擊添加按鈕，模塊彈出新增用戶信息界面。看護(hù)人員可以記錄被測用戶姓名、出生日、性別、父母聯(lián)系電話、被監(jiān)控用戶照片.完成信息填寫并確認(rèn)后，多用戶列表模塊中出現(xiàn)新增被監(jiān)控用戶信息簡介。 用戶信息簡介包括被檢測用戶照片、各個(gè)參數(shù)的狀態(tài)，參數(shù)包括手部運(yùn)動(dòng)、心率、溫度、濕度、聲音。

生命信號(hào)展示模塊：該模塊用于查看被測用戶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)被可視化展示，所展示的數(shù)據(jù)包括溫度、心率、心率直方圖、心電圖、左手加速度、右手加速度、周圍濕度、聲音頻率。

該模塊與硬件中藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，接收藍(lán)牙數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)通過可視化處理，變成隨時(shí)間發(fā)生變化得動(dòng)態(tài)曲線或折線。

驚厥警報(bào)模塊：該模塊用于發(fā)出新生兒驚厥警報(bào)。當(dāng)軟件判斷出新生兒驚厥發(fā)生時(shí)，自動(dòng)發(fā)出嗡鳴警報(bào)，并在生命信號(hào)展示模塊中標(biāo)記。

在該模塊中，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行算法驗(yàn)算，當(dāng)判斷出新生兒驚厥發(fā)生時(shí)，發(fā)出嗡鳴警報(bào)?？醋o(hù)人員可在生命信號(hào)展示模塊中看到標(biāo)紅曲線或折現(xiàn)，標(biāo)紅曲線或折現(xiàn)為驚厥發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊標(biāo)紅曲線或折現(xiàn)，可以查看驚厥發(fā)生時(shí)具體的先關(guān)數(shù)值。

驚厥記錄模塊：該模塊用于存儲(chǔ)新生兒驚厥發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)。當(dāng)驚厥發(fā)生時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)截取驚厥發(fā)生時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)事件記錄和保存，歷史驚厥事件也可以通過發(fā)生時(shí)間來查找和查看。

該模塊中，所有驚厥事件都以列表形式展示，每個(gè)驚厥事件都標(biāo)記有發(fā)生時(shí)間，發(fā)生類型?？醋o(hù)人員可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)的事件查看驚厥發(fā)生時(shí)候的詳細(xì)信息。詳細(xì)信息包括驚厥發(fā)生時(shí)所有數(shù)據(jù)的曲線或折線圖。

歷史數(shù)據(jù)模塊：該模塊用于歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查看。所以數(shù)據(jù)都將存儲(chǔ)在云端，可供看護(hù)人員需要時(shí)查看。

該模塊中，看護(hù)人員可以根據(jù)時(shí)間查看歷史的所有數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可通過滑動(dòng)查看，也可以區(qū)域放大查看詳情。

視頻同步模塊：該模塊用于視頻與數(shù)據(jù)的同步，軟件接受監(jiān)控?cái)z像頭所發(fā)出的數(shù)據(jù)流，與心電數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)同步顯示。

進(jìn)入該模塊中，自動(dòng)連接安裝在新生兒周圍的移動(dòng)攝像頭，提供同步的視頻顯示，醫(yī)生可以根據(jù)視頻與數(shù)據(jù)的對比，來對嬰兒驚厥做出更準(zhǔn)確的判斷。

軟件中數(shù)據(jù)分析算法

根據(jù)得到的原始數(shù)據(jù)，我們通過手腕運(yùn)動(dòng)加速度、心率相關(guān)特征，進(jìn)行初步的驚厥算法的設(shè)定。

（a）心率驚厥檢測算法

我們使用一種基于心率變異性（Heart Rate Variability）的方法實(shí)現(xiàn)對驚厥的自動(dòng)檢測。該算法分為以下幾步：

（1）從實(shí)時(shí)心電信號(hào)中提取出R-R間期；

（2）R-R間期及其經(jīng)過插值和重采樣后得到的反映HRV的信號(hào)。（我們用此信號(hào)提取出有用的特征。其中，插值和重采樣的目的是消除R-R間期的倒數(shù)中原來含有的調(diào)和干擾成分）；

（3）從時(shí)間域（Time Domain）和時(shí)間-頻率域（Time-frequency Domain）提取并選擇特征（基于生理信號(hào)非平穩(wěn)的固有特征，將時(shí)間域信號(hào)映射到時(shí)間-頻率域上，獲得其頻率成分隨時(shí)間變化的信息）；

（4）使用一種統(tǒng)計(jì)分類器來對選擇后的特征進(jìn)行判別，檢測驚厥的發(fā)生與否。

對檢測結(jié)果的正確性提出評價(jià)準(zhǔn)則。

用s(t)代表處理過后的反映HRV的信號(hào)，T代表我們考察的時(shí)間長度。

時(shí)間域上，計(jì)算以下特征：

，其給出標(biāo)準(zhǔn)化的幅值的度量；

，其給出信號(hào)波形斜率與其幅值之比的“平均”度量；

，其給出斜率的變化率的度量；

頻率域上，使用多普勒時(shí)延核，將時(shí)域信號(hào)映射到時(shí)間-頻率域上：多普勒時(shí)延核表示為：

，其中代表Gamma函數(shù)，β是可調(diào)正系數(shù)。

（b）加速度驚厥檢測算法

加速度信號(hào)采集之后，首先通過低通濾波器，去除了高頻噪聲和工頻干擾，得到一個(gè)帶限的預(yù)處理信號(hào)。

由癲癇引發(fā)的抽搐動(dòng)作與正常的夜間動(dòng)作在動(dòng)作強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間上都有很大的不同，基于這一點(diǎn)，該算法主要在強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度高持續(xù)時(shí)間長的動(dòng)作的同時(shí)抑制持續(xù)時(shí)間短但有時(shí)強(qiáng)度較高的動(dòng)作[14]。為了達(dá)到這個(gè)目的，將經(jīng)過預(yù)處理后的加速度信號(hào)取平方后加上滑動(dòng)平均濾波。選擇幀長為N，上肢動(dòng)作閾值為θ。

其中y序列表示平均能量，θ為設(shè)定的閾值，超過該閾值即判定發(fā)生驚厥。關(guān)于θ值的設(shè)定，需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。目前只是在按照成人數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。

該算法的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖（10）所示。