Cristi200134/vital-signs-monitor

# VitalMonitor 便携式四参数生命体征监护仪（ECG、SpO2、体温、呼吸），基于 ESP32 从零开始构建，为 UMFST "G.E. Palade" Targu Mures 生物医学工程学士学位项目而开发。它使用易获取的零件重现了临床患者监护仪的核心功能。这是一个可行的概念验证，而非经过认证的医疗设备。      ## 核心亮点 - 单平台支持四项生命体征：通过 ECG 获取心率、SpO2、体温，以及由脉搏信号推算出的呼吸率。 - QRS 检测在 MIT-BIH 心律失常数据库上经过验证（ANSI/AAMI EC57）：F1 分数 98.9%。 - 完整的工程资料包：原理图、含成本的物料清单（BOM）、3D 打印外壳、毕业论文。 - 荣获 Marisiensis 国际医学大会三等奖（UMFST，2026 年）。 ## 功能说明 - ECG 检测心跳、SpO2 与体温测量，以及由光学脉搏信号推算出的呼吸率。 - 本地 OLED 显示屏，以及通过设备自带 WiFi 热点提供的实时 Web 界面。 - 具备 LED 和蜂鸣器的三级报警系统，结合带实时时钟（RTC）的 microSD 卡会话记录功能。 ## 硬件 - ESP32（双核，FreeRTOS）。 - ECG：AD8232 仪表放大器和外部 16 位 ADC（ADS1115，250 SPS），采用 Butterworth 滤波器级联（高通 0.5 Hz，低通 40 Hz，陷波 50 Hz，在 50 Hz 处抑制约 66 dB）。 - SpO2 与呼吸：MAX30102 光学传感器（采用比值法；呼吸率通过红外直流调制提取）。 - 温度：DS18B20。时钟：DS3231。显示屏：128x64 OLED。存储：microSD。 - 电源：1800 mAh 锂聚合物电池，升压至 5 V，为模拟电路部分提供独立的 AMS1117 3.3 V 供电轨。 - 外壳：胶合板主体搭配 3D 打印 PLA 面板（图纸位于 `hardware/` 中）。 ## 固件 - 基于 FreeRTOS 的 C++/Arduino，根据临床优先级将八个任务固定分配在两个核心上，使用两个 mutex（用于数据和 I2C），I2C 频率为 400 kHz。 - ADS1115 以连续模式运行，确保 250 SPS 的 ECG 数据流不会阻塞共享的 I2C 总线。 - QRS 检测：简化的 Pan-Tompkins 算法（5 点求导、平方、148 ms 滑动窗口积分、自适应 SPKI/NPKI 阈值、200 ms 不应期、基于 16 个 RR 间期的平均值计算）。 ## 验证 心跳检测（简化的 Pan-Tompkins 算法）在 MIT-BIH 数据库上进行了测试，涵盖 30 条记录中的约 70,000 个标注心搏，匹配容差为 150 ms，遵循 ANSI/AAMI EC57 标准。 | 指标 | 数值 | 方法 | |---|---|---| | 敏感度 | 98.66% | MIT-BIH，30 条记录，约 70,000 次心搏 | | 阳性预测率 (+P) | 99.11% | 同上 | | F1 score | 98.9% | 同上 | | ECG 滤波器 | SNR > 60 dB，稳定（极点位于单位圆内） | 仿真 | ## 已知局限性（如实陈述） - SpO2 是在模拟数据上进行验证的，未在配备参考血氧计的受试者身上进行测试。 - 误报率高于我设定的目标。 - 延迟、CPU 负载和电池续航时间均为预算估计值，而非台架实测结果。 - QRS 检测是作为 MATLAB 重实现进行验证的（使用了与固件相同的系数和阈值），并非作为在芯片上运行的编译二进制文件进行验证。 - 它是一个研究原型，不是经过认证的医疗设备。 ## 仓库结构 - `firmware/` ESP32 源码（配置、传感器、FreeRTOS 任务、Web 服务器）。 - `hardware/` 原理图（PDF）、物料清单、外壳文件（STL）。 - `validation/` MATLAB 脚本和 MIT-BIH 验证。 - `docs/` 论文摘录、设备照片、验证截图。 ## 技术 ESP32、FreeRTOS、C++、AD8232、ADS1115、MAX30102、DS18B20、MATLAB、PlatformIO。 ## 作者 Cristi Dica，生物医学工程师，Targu Mures。LinkedIn：[在此填写你的链接]。 ## 许可证 MIT。详见 `LICENSE`。

标签：ESP32, 医疗设备, 嵌入式开发, 物联网应用, 生命体征监护, 生物医学工程