無線遠程醫療監護系統的設計

繆鵬程，孫鳳飛

（1.西華師范大學 物理與電子信息學院，四川 南充 637000；2.南充市中心醫院，四川 南充 637007）

遠程醫療監護是利用遠程通信技術和計算機技術實現遠距離的疾病診斷、疾病治療和健康護理等多種醫學功能的一種醫療模式。它實時、連續、長時間地監測病人重要的生命體征參數，使得醫護人員獲悉病人狀態，以便做出正確的判斷和處理，在患有突發性和危險性疾病病人的監護、戰爭及自然災害中傷病員的搶救等領域均具有重要的作用[1-2]。目前，遠程監護主要基于電話網、Internet及無線通信網絡，因移動通信網絡覆蓋廣、運行費用低，將無線通信技術與Internet技術相結合已成為無線遠程醫療監護研究的熱點[3-4]。為了實現低成本、小型化和移動靈活的特點，系統設計以SPCE061A為主控芯片，將采集模塊和GPRS（General Packet Radio Service）通信模塊相結合，實現生理參數的無線傳輸。數據通過無線網絡傳到設在中心醫院的監護中心，利用中心醫院先進的醫療技術和專家隊伍，保證病人在院內和院外得到及時地、有效地、專業地救治。

1 監護系統的總體結構

系統設計由智能監護終端、GPRS通信模塊 （GPRS網絡）、Internet公共網絡、數據服務器、醫院局域網及醫院監護中心等部分組成，其框圖如圖1所示。其中，監護中心服務器端隨時處于監聽狀態，實時響應用戶發出的連接請求與讀取請求，與之建立連接。智能監護終端可應用到家庭、急救車、救災或戰爭急救現場，對病人的生理參數進行采集、處理、顯示并作遠距離傳輸。在救護車、救災或戰爭急救現場監護終端利用GPRS模塊以無線的方式連接到Internet；社區及附屬醫院通過獨立上網或者以無線的方式連接到Internet；在中心醫院內由醫院的局域網將數據傳輸到監護中心，監護中心專家對數據進行統計觀察及時地為病人診斷和提供救治指導，實現遠程醫療。

2 監護終端的硬件設計

圖1 無線遠程醫療監護系統Fig.1 Wireless remote medical monitoring system

監護終端以心電采集模塊為核心，擴展血壓測量OEM模塊、血氧飽和度OEM模塊、大容量FLASH存儲器和無線傳輸GPRS模塊等外圍設備。其中，心電采集模塊以16位SPCE061A單片機為控制芯片，擴展前置放大電路、濾波電路、工頻陷波電路及心電導聯等部分。SPCE061A是一款臺灣凌陽公司推出的具有語音處理μ’nspTM結構的微控制器，采用Soc構架，芯片帶有硬件乘法器，能夠實現乘法、內積等復雜運算。 CPU 時鐘為 0.32～49.152 MHz（2.4～3.6 V）；內置 2K字SRAM和32 K字FLASH；32位可編程的多功能I/O端口；14個中斷源；兩個16位定時/計數器；可編程音頻處理；7通道10位電壓模/數轉換器；雙通道10位DAC方式的音頻輸入功能，只需外接功放即完成語音播放，方便實現系統的語音功能[5]。

監護終端完成生理信號的采集和處理一方面在現場顯示，另一方面發送給GPRS模塊，利用單片機控制GPRS模塊的啟動、連接、模式轉換等，并在資料模式下將經過加密和容錯處理后的數據實時發送到監護中心服務器，實現系統功能。硬件結構如圖2所示。

圖2 監護終端硬件結構圖Fig.2 Schematic diagram of hardware architecture for monitoring terminal

2.1 心電采集和調理模塊

心電信號是一種低頻率的微弱雙極性信號，帶寬集中在0.05～100 Hz，幅度只有mV量級[6]，快速檢測并提取清晰的心電信號是進行監護和分析診斷的基礎。實際采集到的心電信號常混有直流和高頻干擾及人體運動、呼吸引起的基線漂移和肌電干擾[7]，系統設計利用心電導聯線獲取心電信號，經AD623差分放大器完成前置放大，經后續的多級放大、濾波電路和陷波電路完成信號的調理，再送入單片機的電壓模/數轉換器完成心電信號的數字化。在采集端設有導聯脫落檢測語音報警電路，避免因患者移動造成導聯脫落。心電信號的采集調理電路結構如圖3所示。

圖3 心電信號調理示意圖Fig.3 Schematic diagram of ECG singal conditioning

由于心電信號是高內阻的微弱信號源，源阻抗不穩定，受周圍電磁干擾（50 Hz工頻信號）大[8]。因此，前置放大器要求具有高增益且可調節、高輸入阻抗和高共模抑制比，以消除工頻及電極化電壓的干擾；輸入失調電壓和偏置電流小、溫漂小、以保證信號的穩定性。系統設計采用ADI公司的儀表放大器AD623作為心電信號前置放大器的核心器件，其內設過壓保護和高精度偏置與反饋電阻，輸入失調電壓漂移1μV/℃，輸入偏置電流最大25 nA，CMRR抑制頻率高達200 Hz，只需在1和8引腳間接入合適電阻Rg，就可以得到1～1 000 dB之間的增益。考慮到極化電壓的影響，增益不能太高，這一級的增益設定為10，否則會導致放大器飽和。電路如圖4所示。

圖4 前置放大和右腿驅動電路圖Fig.4 Circuit of preamplifier and right-leg-driven

為了使信號能滿足A/D轉換要求，須將信號放大至數伏量級，設置次級放大的增益為100倍左右，設計采用具有寬增益、低失調電壓和漂移的運算放大器OP2335。為了消除高頻干擾、低頻干擾和50 Hz的工頻干擾，在次級放大電路的前端采用二階有源帶通濾波器濾除0.03 Hz以下和100 Hz以上的低高頻噪聲。同時，采用經典的雙T有源陷波電路濾除50 Hz工頻干擾。限于篇幅，具體電路就不一一介紹。

2.2 血壓與血氧模塊

血壓模塊與血氧模塊分別采用北京邁創通元電子儀器有限公司的BTN602無創血壓測量模塊和BTN604血氧模塊。BTN602模塊可以測到收縮壓、平均壓、舒張壓和脈壓，其接收外部命令后，完成相應操作，返回系統狀態和相應數據。BTN604模塊單電源3.3 V供電，可以檢測到動脈血氧飽和度、脈率、體積掃描圖、棒圖、信號強度和狀態信息，它的通訊協議和BCI通訊協議兼容、數據傳送波特率為4 800 bps，傳送格式為：8位數據位+奇偶校驗位+1個停止位，每秒向MCU發送60個數據包，每個數據包為5個字節。由于兩個模塊均采用串口協議與MCU通信，信號電平為TTL電平，可以直接與心電模塊單片機SPCE061A相連，利用單片機普通I/O口模擬串口協議分別與兩模塊通信。

2.3 GPRS傳輸通信模塊

智能監護終端心電、血壓及血氧模塊采集的數據經單片機處理后，以數據流形式通過串行方式連接到GPRS通訊模塊SIM300上，SIM300模塊以TCP/IP數據包的形式通過GPRS網絡與中國移動的內部網，由中國移動GPRS服務節點（GSN），把數據發送到Internet上一個指定的IP地址服務器即系統監控中心服務器，監控中心專家通過Internet訪問Web服務器，就可以瀏覽到監護病人的各種生理參數信息。

SIM300是Simcom公司研制的GSM/GPRS通信產品，內嵌強大的TCP/IP協議棧，實現語音、SMS、數據和傳真信息的高速傳輸。SIM300模塊上電后就會自動附著在GPRS網絡上，通過按鍵對SIM300的PowerKEY引腳輸入一個大于1 500 ms的低脈沖，開啟SIM300模塊。模塊開啟后，設計采用SPCE061A作為微處理器發送AT命令，完成對SIM300模塊的控制和數據的收發。應用電路如圖5所示。

2.4 顯示與存儲模塊

系統設計選用MSP-G320240DBCW-211N大規模點陣式液晶顯示模塊，實現各監護參數和波形的顯示。該液晶顯示模塊采用功能強大的SED1335F0A控制器，具有較強的I/O口緩沖器和豐富的指令系統，最大驅動能力達640×256點陣，能夠實現圖形和文本的混合顯示。由于SPCE061A片內的Flash存儲器只有32K字，不能滿足長時間測量的需要，系統擴展了一片4Mb總線閃存器SPR4096。硬件連接如圖5所示。

3 監護系統軟件設計

系統軟件設計主要包括監護終端的軟件設計和監護中心監控軟件的開發。監護終端軟件由C語言編寫，主要實現各采集模塊的數據采集、顯示和存儲以及串行口數據的接收和發送。由單片機心電采集程序、單片機與血壓及血氧模塊的軟串口程序、基于GPRS模塊的通信程序、數據存儲與顯示程序、語音報警程序組成。為了實時有效地完成多參數的采集，充分利用了多種中斷方式來完成系統功能，包括定時中斷、串口中斷、鍵盤輸入中斷等。

圖5 SPCE061A外圍電路圖Fig.5 Periphery circuit of SPCE061A

監護中心監控軟件部分主要由數據通訊模塊、數據處理顯示模塊、診斷報警模塊、醫學數據庫模塊等組成，通過LabVIEW平臺建立Web服務器，方便醫院局域網里的專家對監測數據進行調用和處理，應用軟件開發框圖如圖6所示。

圖6 系統軟件模塊圖Fig.6 Diagram of system software module

客戶端界面是提供給醫生和患者使用的軟件界面，利用密碼進行登錄，不同的用戶給予不同的權限。醫生用戶可以查看到他所管理的所有病人的信息、生理參數測量值和波形圖；患者用戶則只能看到測量信息和醫生的建議。數據通訊模塊隨時處于監聽狀態，響應智能終端的連接請求，接收終端傳輸的加密數據，并存入相應的緩沖區。數據處理顯示模塊依靠LabVIEW提供的各種分析函數和顯示控件將接收到的生理參數及處理的結果顯示在計算機的屏幕上，使醫護人員能夠實時了解病人的生理狀況。當生理信號出現異常時，診斷報警模塊將發出報警信息，提示醫護人員。數據庫模塊記錄了醫生信息、病人信息及各測量參數，方便查詢和診斷，為建立病人病歷、分析長期生理檢測結果提供保障。

4 結束語

基于GPRS技術和Internet技術的無線遠程醫療監護系統，經多次測試基本實現了生理信號的采集、數據處理、存儲、顯示和傳輸功能。系統結構簡單、功耗低、成本低，可實時、連續、長時間地監測病人心電、血壓、脈搏、血氧等生理參數。GPRS技術和Internet技術的應用實現了將中心醫院的先進醫療技術、醫療服務擴展到家庭、社區、救災或戰爭急救，形成一種全新的基于網絡的醫療體系。同時，有助于緩解我國社區及廣大農村地區醫療力量薄弱，醫療資源分布不均的矛盾，實現醫療資源的共享。

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