便攜式人體生命指征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

楊耿煌，李 享，曹明哲，鄭文棟

（天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

中國(guó)老齡化社會(huì)漸近，流行疾病年輕化趨勢(shì)漸盛，以醫(yī)院為中心的診斷治療模式無(wú)法適應(yīng)越來(lái)越多和越來(lái)越高的健康監(jiān)護(hù)需求，而以社區(qū)醫(yī)療（含家庭和個(gè)人保健）為中心的模式必將是未來(lái)健康監(jiān)護(hù)的方向[1]。遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)這種新的醫(yī)療模式是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，且具有很多的優(yōu)點(diǎn)：首先，它極大地方便了廣大的病患者，尤其是一些特殊的人群，如行動(dòng)不便的殘疾病人和患慢性病的老年人，需要定期檢查的孕婦和兒童，需要長(zhǎng)期到醫(yī)院復(fù)查病情的慢性病患者（如心臟病患者），遠(yuǎn)離醫(yī)院交通不便的病人等；其次，這種新的遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)模式也有效地降低醫(yī)院門診的工作負(fù)荷，使得醫(yī)院門診可集中精力于危急重癥和疑難雜癥，有效地配置和使用有限的醫(yī)療資源，為生活節(jié)奏緊張、時(shí)間緊迫的城市人提供了一個(gè)隨時(shí)隨地的家庭醫(yī)療保健。人們攜帶無(wú)線傳感設(shè)備可以自由地移動(dòng)，可以在熟悉的環(huán)境中時(shí)刻監(jiān)護(hù)他們的生理參數(shù)而無(wú)需去醫(yī)院[2-6]。這樣不僅可以輔助治療，還能在患者病情突然惡化時(shí)報(bào)警。醫(yī)護(hù)人員可以在遠(yuǎn)端的監(jiān)護(hù)中心觀察病人的健康狀況并提供實(shí)時(shí)的診斷和建議，也可以長(zhǎng)期對(duì)病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)。另一方面，對(duì)健康人群的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，還可以發(fā)現(xiàn)疾病的早期癥狀，從而達(dá)到保健和預(yù)防疾病的目的。為此，本研究從社會(huì)需求出發(fā)，研發(fā)了低成本移動(dòng)醫(yī)療與遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，以期解決人們需要的健康監(jiān)護(hù)問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究將綜合電子信息技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)，研究人體生理監(jiān)測(cè)裝置與生理信息集成與通信方法，從人們對(duì)社區(qū)或家庭健康監(jiān)護(hù)的需求出發(fā)，基于掌上電腦、PDA或手機(jī)等無(wú)線移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)，即根據(jù)監(jiān)護(hù)的生理參數(shù)需求，開發(fā)分立的小型化裝置，采集人體生理信號(hào)或參數(shù)，經(jīng)由短距離無(wú)線通信技術(shù)，傳送到無(wú)線移動(dòng)終端，基于無(wú)線移動(dòng)終端開發(fā)生理監(jiān)護(hù)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)心電、脈搏、血氧飽和度、血壓等健康監(jiān)護(hù)參數(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和信息處理，構(gòu)建監(jiān)護(hù)對(duì)象的生理監(jiān)護(hù)體域網(wǎng)，并基于無(wú)線移動(dòng)終端進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，建立健康監(jiān)護(hù)對(duì)象體域網(wǎng)與監(jiān)護(hù)服務(wù)器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，開發(fā)服務(wù)器端的健康管理系統(tǒng)，從而構(gòu)建面向社區(qū)或家庭健康監(jiān)護(hù)的低成本健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)由3部分組成：健康監(jiān)測(cè)裝置、健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)通信協(xié)議。

1.1 監(jiān)護(hù)終端

（1）采用自行研制的生理信號(hào)傳感及前端調(diào)理集成芯片，研究心電、脈搏、血氧飽和度、血壓等生理信號(hào)的傳感、提取、傳輸或處理方法。

（2）結(jié)合微電子技術(shù)、電子信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，研制便攜式的生理信號(hào)采集與檢測(cè)處理模塊，實(shí)現(xiàn)穿戴式的生理信號(hào)傳感和與數(shù)據(jù)采集。

（3）采用信號(hào)處理技術(shù)，研究心電圖的各個(gè)波段特征參數(shù)提取方法以及心率、脈搏、血氧飽和度、血壓等生理參數(shù)的測(cè)量方法。

1.2 健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)需要大量的硬件和軟件支持，通信費(fèi)用也較為昂貴。本系統(tǒng)采用由傳感器構(gòu)成獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)并將各種傳感器匯聚到掌上電腦、PDA或手機(jī)等無(wú)線終端，再將體域網(wǎng)與外部其他智能單元數(shù)據(jù)通信，這樣可以避免體域網(wǎng)內(nèi)部通信造成的費(fèi)用問題。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接方式：

（1）采用技術(shù)成熟并具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的藍(lán)牙技術(shù)，經(jīng)由短距離無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)心電監(jiān)測(cè)裝置、血氧和脈搏監(jiān)測(cè)裝置以及血壓監(jiān)測(cè)裝置與掌上電腦、PDA或手機(jī)等無(wú)線移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)通信。

（2）采用3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)掌上電腦、PDA或手機(jī)等無(wú)線移動(dòng)終端與健康管理服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信，研究合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可靠、及時(shí)地實(shí)現(xiàn)生理監(jiān)測(cè)裝置到健康管理服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。

（3）基于數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言和計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)技術(shù)，開發(fā)基于無(wú)線移動(dòng)終端平臺(tái)上的人機(jī)交互界面，完成生理監(jiān)測(cè)終端的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示，基于Windows操作系統(tǒng)開發(fā)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)和界面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程健康管理。

1.3 生理監(jiān)測(cè)裝置、無(wú)線移動(dòng)終端與健康管理服務(wù)器通信協(xié)議

在健康監(jiān)護(hù)體域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信技術(shù)以及各個(gè)健康監(jiān)護(hù)體域網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信技術(shù)中，已經(jīng)有直接與基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信的方案，如歐洲MobiHealth項(xiàng)目采用2.5G與3G解決方案。在通信的高層協(xié)議中，IEEE 1073發(fā)揮著較大的作用。國(guó)內(nèi)醫(yī)療監(jiān)護(hù)過程中的數(shù)據(jù)管理模式多樣化，本研究將簡(jiǎn)化復(fù)雜的協(xié)議內(nèi)容，使之滿足普通家庭用戶的需求。這方面的研究主要包括以下方面：

（1）深入醫(yī)院充分調(diào)研，參考醫(yī)生對(duì)健康臨床監(jiān)護(hù)中的生理參數(shù)要求，根據(jù)常見健康監(jiān)護(hù)參數(shù)，制定單一監(jiān)護(hù)參數(shù)的子協(xié)議。

（2）綜合各個(gè)監(jiān)護(hù)參數(shù)的子協(xié)議，制定完整的生理監(jiān)測(cè)裝置與無(wú)線移動(dòng)終端之間的通信協(xié)議，同時(shí)考慮監(jiān)護(hù)內(nèi)容的可擴(kuò)展性，制定整體協(xié)議。

（3）根據(jù)生理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完整性與可靠性的要求，根據(jù)無(wú)線移動(dòng)終端的軟硬件特點(diǎn)，制定完整的無(wú)線移動(dòng)終端與健康管理服務(wù)器之間的通信協(xié)議。

2 硬件軟件設(shè)計(jì)及檢測(cè)結(jié)果

本設(shè)計(jì)中心電的傳感部分由中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研制的多種皮膚電極和低噪聲多級(jí)放大及濾波專用集成芯片組成，對(duì)皮膚電極采用穿戴式設(shè)計(jì)；血氧飽和度傳感器采用多芯片封裝技術(shù)對(duì)雙波長(zhǎng)半導(dǎo)體發(fā)光器件LED和光探測(cè)器間以及集成專用信號(hào)處理電路進(jìn)行高密度微型化的混合封裝，降低器件的功耗和體積，進(jìn)行小型化便攜式或可穿戴改進(jìn)，制作出方便連續(xù)監(jiān)測(cè)的傳感設(shè)備；心電圖監(jiān)測(cè)裝置的信號(hào)采集與檢測(cè)模塊由帶有液晶顯示的監(jiān)測(cè)盒組成，核心控制電路采用德州儀器公司（Ti）生產(chǎn)的嵌入式微處理器MSP430F5529；脈搏和血氧監(jiān)測(cè)裝置也由帶有液晶顯示的監(jiān)測(cè)盒組成，其核心控制電路采用德州儀器公司（Ti）生產(chǎn)的嵌入式微處理器MSP430F439；無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸模塊選用美國(guó)安普德有限公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌意法半導(dǎo)體公司射頻芯片的微型藍(lán)牙模塊，它采用內(nèi)部天線設(shè)計(jì)，具有超低功耗、外圍元件少等特點(diǎn)，該模塊的供電電源由外部控制其通斷，只在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)被接通，對(duì)分立模塊進(jìn)行綜合管理和智能化設(shè)置，大幅度降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

在軟件設(shè)計(jì)上，移動(dòng)終端采用基于安卓操作系統(tǒng)的智能手機(jī)或平板電腦，采用JAVA語(yǔ)言開發(fā)生理信息交互界面，并設(shè)計(jì)小型數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)生理監(jiān)測(cè)終端的生理信息管理；移動(dòng)終端采用3G通信制式實(shí)現(xiàn)其與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，通過高速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的生理信息共享；采用Visual C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)基于Windows操作系統(tǒng)的服務(wù)器界面，采用SQL Server實(shí)現(xiàn)生理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)和管理。

該產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)人體心電數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)上傳和醫(yī)囑下達(dá)。通過手機(jī)上的鍍銀電極直接接觸人的雙掌、手掌與手臂或者手掌與胸部，即可采集標(biāo)準(zhǔn)單通道心電圖，并經(jīng)由手機(jī)公共無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器進(jìn)行診斷，并最終將診斷和相關(guān)的醫(yī)囑下達(dá)到手機(jī)上，為監(jiān)護(hù)對(duì)象提供參考。實(shí)際采集信號(hào)如圖2所示。

圖2 便攜終端檢測(cè)結(jié)果示意

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)低成本健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)心電監(jiān)測(cè)終端、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)并較好地解決了以下問題：

（1）生理監(jiān)測(cè)裝置的信號(hào)采集是實(shí)施健康監(jiān)護(hù)的根本，關(guān)鍵研究適合于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的小型化低功耗生理信號(hào)采集模塊，進(jìn)一步集成各個(gè)功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)可靠的生理信號(hào)與參數(shù)監(jiān)測(cè)。

（2）結(jié)合臨床護(hù)理的經(jīng)驗(yàn)，研究后續(xù)的生理信號(hào)分析方法，獲取社區(qū)或家庭護(hù)理中常見突發(fā)性或慢性疾病在異常情況下，心電信號(hào)所表征的特征量，將采集分析出的特征量構(gòu)建成專用數(shù)據(jù)庫(kù)，從而可靠實(shí)現(xiàn)預(yù)警或報(bào)警。

（3）研究生理監(jiān)測(cè)裝置中通信模塊與生理信號(hào)采集模塊之間的無(wú)縫連接方法，特別是解決軟件和功耗方面的沖突，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置與掌上電腦、PDA或手機(jī)的數(shù)據(jù)互聯(lián)。

（4）開發(fā)的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了健康監(jiān)測(cè)裝置的網(wǎng)絡(luò)化，重點(diǎn)研究開發(fā)了重要預(yù)警和報(bào)警信號(hào)的緊急傳送方法。

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