基于社區醫療的無線多參數遙測監護系統的設計與實現

鄭傳權 王春淵

基于社區醫療的無線多參數遙測監護系統的設計與實現

鄭傳權①王春淵①

目的：充分利用社區醫療和醫院的醫生資源，提供遠程監測診斷，為患者和醫院提供更便利高效、安全的醫療服務。方法：設計專用新型無線保真(WiFi)技術的多參數遙測監護系統，包含專用新型WiFi模塊、佩戴式多參數遙測監護儀盒、無線中繼網絡和醫療監視軟件等，使用無線網絡對心電、血氧及呼吸等進行檢測及數據傳輸。結果：患者能夠在正常生活的狀態下進行監護，隨時隨地將電生理數據發送到醫院，醫生可以根據患者的電生理數據進行遠程診斷及做進一步的治療。對系統運行的穩定性、可靠性及各參數的準確性進行嚴格的測試，數據傳輸準確率達到了98%以上。結論：該系統通過臨床試驗反饋良好，具有廣闊應用前景和重要臨床意義。

社區醫療；無線傳輸；多參數監護；家庭監護；遠程診斷

[First-author’s address] Houjie Hospital Affiliated to Guangdong Medical College, Dongguan 523945, China.

目前，隨著社會的發展心腦血管疾病的發病率逐年攀升，由于其疾病的隱蔽性和突發性，使患者心電、血氧及呼吸等參數的長期監護具有重要的醫學預防意義，但長期的住院治療給患者帶來了沉重的經濟負擔。無線遠程醫療系統，使用無線網絡進行數據傳輸，患者能在正常生活的狀態下進行監護，隨時隨地將電生理數據發送到醫院，醫生可根據患者的電生理數據進行遠程診斷及做進一步的治療。

由于醫療技術、工程技術、傳感技術、通信技術及計算機技術的高速發展，監護設備不斷更新換代，已逐步在普通病房、社區及家庭廣泛應用。無線保真(Wire1ess Fide1ity，WiFi)網絡由于其價格低廉、傳輸速率高，可結合未來互聯網與無線通信的高速融合，基于社區醫療的無線多參數遙測監護系統可通過公共網絡傳送心電、血氧和呼吸等遠程多參數監護信號，具有高速傳輸且不受空間限制、準確性高，是未來無線醫療器械監測的方向。

1 多參數遙測監護系統原理及功能結構

本研究設計一種基于WiFi網絡的遠程多參數監護系統，利用WiFi的高速傳輸速度與低成本接入的特點，結合未來打造WiFi的城市計劃與WiFi網絡間無縫連接的優勢，建立心電圖、血氧、呼吸及體溫等數據的實時傳輸系統。由受監護人身上佩帶一個心電、血氧、呼吸和體溫等多參數信號采集器，先將其數據采集到微處理器(STM32L151)中，同時將以上微處理器采集到的多參數模擬信號進行A/D轉換及相關計算后將其結果傳給主控微處理器單片機(STM32F103)，提供至LCD顯示屏顯示，無線數據通過微處理器MCU通過I2C接口與主控微處理器MCU進行連接，定時將存儲在主控微處理器MCU內部的數據傳給無線數據通信微處理器MCU，并通過主控微處理器MCU控制無線通信芯片上傳數據與接收下發控制命令，主控微處理器單片機首先驅動WiFi模塊加入AP所在的局域網并與網內服務器建立連接，受監護人的多參數信號成功上傳至服務器，可通過以太網傳至醫生電腦進行診斷。

圖1 無線多參數遙測監護系統功能模塊原理圖

1.1 多參數監護系統功能模塊

無線多參數遙測監護系統功能模塊包括：①血壓測量與實時時鐘；②心電與呼吸、體溫測量；③血氧飽和度測量；④主控MCU(數據收發與顯示)；⑤LCD顯示屏；⑥無線數據通信；⑦電源供給(如圖1所示)。

1.2 多參數監護系統線路連接

各功能模塊通過數據通信接口與主控微處理器MCU(STM32F103)連接。

(1)血壓測量。血壓測量微處理器MCU(STM32L151)通過I2C接口與主控微處理器MCU(STM32F103)連接，實時時鐘通過I2C接口送到主控微處理器MCU并在顯示屏顯示，血壓測量命令通過I2C接口送傳到血壓測量微處理器MCU，血壓測量微處理器MCU控制氣泵、氣閥動作進行血壓測量，得到數據后回傳到主控微處理器MCU并在在LCD顯示屏顯示。

(2)心電、呼吸和體溫測量。微處理器MCU經過數據電氣隔離芯片使用SPI接口與主控微處理器MCU連接，測量的心電、呼吸和體溫數據回傳主控微處理器MCU(STM32F103)并在顯示屏顯示，導聯切換命令通過SPI傳給心電與呼吸、體溫測量MCU并執行控制。

(3)血氧測量。血氧測量通過I2C接口與主控微處理器MCU(STM32F103)連接，實時時鐘通過I2C接口送到主控微處理器MCU并在LCD顯示屏顯示。

(4)LCD顯示屏。通過并行接口與主控微處理器MCU連接，所有信息在顯示屏顯示。

1.3 多參數監護系統電源供給

多參數監護系統電源包括：①3.7 V鋰電池經過穩壓芯片(BL8021)穩壓后輸出3.3 V，供給多參數監護系統主控微處理器MCU和LCD顯示屏；②無線數據通信，經過DC-DC隔離電源模塊并穩壓后供給心電與呼吸、體溫測量；③氣泵、氣閥由另一個穩壓芯片提供3.3 V電壓；④實時時鐘采用后備電池。

2 多參數遙測監護系統主要核心控制模塊

2.1 主控微處理器MCU

主控微處理器MCU采用(STM32F103)為32位增強型ARM微控制器，其內核是Cortex-M3，該系列芯片按片內F1ash的大小可分為三大類：小容量(16 K和32 K)、中容量(64 K和128 K)和大容量(256 K、384 K和512 K)。芯片集成定時器，具有CAN、ADC、SPI、I2C、USB及UART等多種功能，具備睡眠、停機和待機模式以及低功耗、雙采樣和保持功能。

2.2 微處理器單片機

微處理器單片機(STM32L151)基于Cortex-M3內核，該系列性能卓越和超低功耗，與STM8L系列共享意法半導體獨有的超低泄漏電流制程和優化架構，內置電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)和停止模式下保存數據的后備寄存器，頻率范圍廣，功耗較低(270 nA)，適用于便攜式醫療設備。

2.3 嵌入式芯片

通信模塊CC3000是Simp1eLink產品線下的WiFi嵌入式芯片，是設備齊全的無線網絡處理器，可簡化互聯網連通的執行過程。Simp1eLinkTMWiFi可減少主機微控制器(MCU)軟件需求，包含完整的TCP/IP通信棧和WiFi驅動，使其成為使用任何低成本和低功耗MCU的嵌入式應用的理想解決方案。

2.4 穩壓電路

BL8021穩壓電路是高效率的DC-DC降壓開關穩壓器，提供高達1.2 A的輸出電流，工作輸入電壓為2.6～7.0 V，并提供了從輸出電壓0.6 V至輸入電壓(VIN)，使得BL8021理想的低電壓電源轉換。

2.5 隔離電源模塊

B0303S-W25隔離電源模塊體積小、功率密度高和效率高；輸出紋波噪聲低、熱穩定性能好；工作溫度為-40～85 ℃，隔離電壓高達1000 Vdc、可靠性高。

3 多參數遙測監護系統的實現及關鍵技術

便攜式多參數監護儀采集到患者心電、血壓、呼吸及體溫等信息通過WiFi模塊上傳至單片機，并加入AP所在的局域網并與網內服務器建立連接，再將實時的多參數模擬信號轉換為數字信號交給WiFi模塊傳至服務器，并在廣域網內的服務器上保存；總院專科醫生可利用遠程監測軟件實時從服務器中下載患者數據并顯示相關數據和波形進行顯示和分析，達到遠程實時監測患者生理信息和診斷。同時，在患者出現危急時告警提示，以便醫生及時進行醫療處理(如圖2所示)。

圖2 遠程無線多參數遙測監護系統實現步驟圖

(1)采集段部分。完成心電數據的A/D轉換，并將數據寫入單片機內部緩存等待發送。通過串口用單片機驅動WiFi模塊，以控制幀的方式向串口寫入數據，完成WiFi模塊對多參數電生理數據的發送。

(2)存儲空間。設計外部存儲空間，以避免在斷開連接或在AP切換時造成數據丟失。

(3)結合心電數據的格式。在客戶端與服務器端用軟件解析相應的心、電及血氧等波形，并對傳輸過程中的準確率與完整性進行測試。

(4)專用WiFi模塊。采用最新省電技術，提高聯網接入速度，縮短掉線恢復時間和掉線期間的數據恢復技術。

(5)組網方式。組網設計采用數個無線AP，以橋接方式連接組成有相同SSID和密碼認證的局域網，通過路由連接到外網。為保證高質量的傳輸信號，應有效設置AP切換條件，避免頻繁切換AP。

(6)便攜式多參數監護儀數據庫的開發。心電、血氧及呼吸等算法的研究、后臺軟件數據庫開發和后臺客戶端軟件設計包含如下主要功能：①實時顯示測量參數和波形；②保存測量參數和波形數據，可供查看；③可進行告警參數配置和導聯切換；④提供心率、血壓及血氧的趨勢圖；⑤有打印記錄功能。

4 多參數遙測監護系統的優點及應用結果

多參數遙測監護系統的優點：①高速的數據傳輸速率；②不受空間限制，只要有連接網絡的計算機進行通信，就能實現實時的遠程監護；③能將數據傳至互聯網指定網站并共享，使患者能同時得到多方監護及專家會診；④信號覆蓋范圍較廣、安裝方便、無需穿墻打孔及不需重新布線；數據傳輸過程中穩定性高、抗干擾能力強。

基于以上設計理念，本研究進行相關相應的組裝及調試，并由廣州銳迪醫療儀器公司生產出樣機，對系統運行的穩定性、可靠性及各參數的準確性進行嚴格的測試，數據傳輸準確率達到98%，臨床試驗結果證明，本方案具有臨床應用價值。

5 結論

本研究通過對便攜式無線多參數遙測監護儀的設計，實現了遠程診斷系統對心電、血氧、呼吸以及體溫等電生理數據的采集，并采用專用WiFi模塊最新省電技術，聯網接入及組網設計，使其具有高質量的信號傳輸。無線多參數監護儀輕便，方便患者隨身攜帶，成本低廉，操作簡單，可在臨床、社區及家庭廣泛推廣應用，為醫院管理其社區醫療服務站的監護管理帶來便利。然而，本設計在電生理參數具體的檢測策略、心率失常等診斷分析及有效消除噪聲干擾方面還待進一步的優化；可根據臨床需要增加導聯(五導聯、七導聯、十二導聯等)和發射功率，提高無線傳輸距離、儀器的穩定性及數據處理速度，使得遠程電生理診斷功能更加完善。

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Design and implementation of wireless multi parameter remote monitoring system based on community health care

ZHENG Chuan-quan,WANG Chun-yuan

China Medical Equipment,2014,11(7):34-37.

Objective:In order to achieve the use of community medical care and branch doctor resources, to provide monitoring of remote diagnosis, providing more convenient, safe and efficient medical service for patients and hospital objective. Methods: Multi parameter remote monitoring system design of special model of WIFI wireless technology, including special new WIFI module, wearable multi parameter telemetry monitor, wireless relay box network and medical monitoring software, testing and data transmission of ECG, respiration, blood oxygen using a wireless network, can the patient monitoring in normal life condition. Results: Whenever and wherever possible the electrophysiological data sent to the hospital, the doctor can according to the electrophysiological data of the patient for remote diagnosis and further treatment. The accuracy of the stability, the reliability of the system and the parameters of the tested strictly, data transmission accurate rate reaches more than 98%. Conclusion: The patients and doctors have been received good feedback, clinical trials, has very practical clinical significance.

Community health care; Wireless transmission; Multi parameter monitoring; Family care; Remote diagnosis

1672-8270(2014)07-0034-04

R197.324

A

鄭傳權，男，(1979- )，本科學歷，工程師。廣東醫學院附屬厚街醫院設備科主任，從事醫療設備管理、維護、維修及研發工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.07.012

2014-01-17

①廣東醫學院附屬厚街醫院設備科 廣東 東莞 523945