戰場救護與遠程醫療系統研究

□文｜翁興偉 陳衛東 薛夢琪 孔冰 楊磊 李磊

(作者單位： 西安思源學院)

本項目屬于遠程醫療技術領域，涉及一種戰場救護與遠程醫療系統及其控制方法。目的：提供一種戰場救護與遠程醫療系統，以解決我國在戰地救治方面的空白，士兵遠程治療難的問題。方法：基于無線傳感器網絡和ZigBee數傳模塊,對戰場醫療救護信息采集系統的內外部網絡結構、軟件模塊流程、系統模型、硬件構成等進行了研究設計。結果：該系統能在400米以內依靠心電、溫濕度等傳感器實時監控士兵的監測生命體征,并使用ZigBee模塊實現無線回傳數據，掌握戰場和士兵各種信息。結論：該系統具有成本低、便攜性、易操作、信息傳遞穩定等優勢特點,在戰場上對掌握士兵生命狀態情況和減少傷員有重要作用。

現代武器的殺傷力強，造成的傷員多，危害也大，第一次世界大戰期間，在戰場上死亡的人數約1000萬人，受傷人員達2000萬以上。第二次世界大戰期間，各交戰國因戰爭總共死亡5000萬人，傷亡的數量遠遠超過了第一次世界大戰。這充分說明了，在現代戰爭武器越來越先進，殺傷力越來越大的情況下，大力開展群眾性戰地救護就顯得更加重要。遠程現場處理系統主要由筆記本電腦、便攜式衛星通信終端等組成。目的是利用高速無線網絡建立遠程醫療會診和會診系統。目前美軍無線網絡的傳輸速率為256kpa，遠高于中國有線電話的傳輸速率。在這個速率下，視頻和圖像信息可以正常傳輸。這些小型、節能的現場遠程醫療系統是我國軍隊迫切需要的。美軍高度重視這一發展，包括正在開發的士兵生理狀態監測(WPsM)系統，這是實現這一目標的技術之一，被列為軍隊醫學優先發展的20大項目之一[1]。士兵生理狀態監測系統是將一系列微型無線傳感器佩戴在士兵的重要部位，其價格便宜，并且對士兵的行動不影響，例如：傳感器、體溫、血氧等，這些傳感器采集到的數據通過個人無線局域網傳到無線終端。DARPA（美國國防先進研究項目局）在去年九月份公布了一項讓士兵受傷治愈的研究計劃ElectRx,該計劃一度被人們所關注。它在概念上講就像一個小型的智能心臟起搏器，它可以監控士兵的身體情況，士兵在受傷時，該系統就會給予受傷士兵量身定做的藥物和刺激，以促進自身愈合，達到第一時間的救治。現在世界各國在戰地救護方面投入了很多的經歷和時間，但我國在這方面仍處于落后階段。現在配發給部隊的制式衛生急救包版本較為傳統，只能進行簡單的處置。目前，我國在戰地救治方面較為落后，仍然使用傳統的設備進行救治，研制新一代的戰場救護產品已經勢在必行。

Zigbee數傳模塊的運用

芯片5：選用型號STM32F103ZET6，采用了Zigbee模塊用來無線傳輸數據。該系統中加入了紅外對管、血氧傳感器、心電傳感器、溫濕度傳感器等可佩帶的傳感器系統。各傳感器采集的數據經由芯片5處理后，由無線網絡傳遞給后方醫院終端（野戰醫院）；由后方的醫生綜合各項生命體征數據，既往病史等，在預存在醫院終端的治療方案中選擇合適的方案反饋給前方戰場。

同時考慮到戰事一旦開啟，野戰醫院收治的傷員過多，所以本項目開發了以STM32F103ZET6芯片5為平臺的無線點滴監控自動報警系統，醫院的一個電腦終端可以監控全部病人的點滴有無、余量多少等信息，最大程度上節約了醫療力量。使用一個芯片5實現了組件單個作戰單元的生命體征信息采集回傳，直到住院的全套智能醫療系統。

ZigBee數傳模塊：選擇了ZigBee作為無線模塊用來傳輸數據。總之，Zigbee是一種高度可靠的無線數據網絡，類似于CDMA和GSM網絡。ZigBee數據傳輸模塊類似于移動網絡基站。通信范圍從標準的75米到幾百米和公里，并支持無線擴展。物理層采用擴頻技術，具有一定的抗干擾能力。MAC應用層具有應答和轉發功能。MAC層的CSMA機制使節點在發送之前監聽信道，可以避免干擾。當ZigBee網絡受到外界干擾無法正常工作時，整個網絡可以動態切換到另一個信道[2]。

使用ZigBee考慮到其有低功耗、低成本、短時延、高容量、高安全、免執照頻段等特點。在低電耗待機模式下2節5號電池可支持一個節點工作6～24個月，節點只需30ms即可接入網絡，節約電能，而藍牙需要3～10s。

圖1 用于戰場救護的遠程醫療系統的模塊連接示意圖

由于前線距離后方醫院距離過遠，可能超出了ZigBee節點之間的傳輸距離。如圖1所示，本項目設置了戰場單兵--連衛生員--團衛生隊--野戰醫院的傳輸結構，即芯片5的數據依次通過連級ZigBee數傳模塊6和團級ZigBee數傳模塊7無線傳輸至后方的醫院終端8。同時為確保信息能夠穩定傳輸，在連級ZigBee數傳模塊6和團級ZigBee數傳模塊7上增加發射功率增強器，增加其傳輸距離。[3]

心電傳感器的運用

心電傳感器3：傳統的脈搏測量方法主要有三種，一是從心電信號中提取；二是脈搏率是通過測量血壓時壓力傳感器測量的波動來計算的。第三，光電容積法。前兩種提取的信號如果長期使用，不僅會限制患者的活動，而且會增加患者的生理和心理不適。本課題采用光電體積法設計的心電傳感器3脈沖傳感器，具有方法簡單、易磨損、可靠性高等特點。

光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管中搏動時的透射率差來測量脈搏。它使用傳感器和光電轉換器兩部分,通過綁定或夾在病人的手指或耳垂,光源,一般用于動脈的血氧和血紅蛋白選擇性特定波長(500 nm - 700 nm)發光二極管(led),當光束通過人類外周血管,由于動脈搏動充血容積變化導致這束光的透光率發生改變，由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也有周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率[4]。

溫濕度傳感器的運用

溫濕度傳感器4：本項目溫濕度傳感器4采用AM2302濕敏電容數字溫度模塊，這是一個溫度和濕度傳感器校準數字信號輸出。采用特殊的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有高可靠性和優良的長期穩定性。傳感器包括電容式水分傳感器和高精度水分傳感器。該產品具有響應快、抗干擾能力強等特點用來配合心電傳感器測量單兵基本單元的體溫[5]。

體點滴速度檢測模塊的運用

體點滴速度檢測模塊1：考慮到戰事一旦開啟，傷病員數量激增，而野戰醫院醫療力量有限，難以照顧到所有病人，為節省醫療力量，搶救重點人員，設計了液體點滴速度檢測模塊1，液體點滴速度檢測模塊1的電路如圖2所示。配合心電傳感器3、溫濕度傳感器4來監控傷病員情況，如果有哪項指標低于額定值，會在系統中自動報警。

圖2 用于戰場救護的遠程醫療系統液體點滴速度檢測模塊中的電路圖

利用紅外管ST180檢測液滴是否下落。在滴管兩側固定紅外對管，接收管和發射管的光軸成直線，所述紅外對管通過液滴連續滴落產生與液滴頻率相同的電脈沖信號來計算液體的速度。為減小誤差，在對管處包裹一層黑色膠布，使外界對紅外對管傳感器的影響最小[6]。

本項目的用于戰場救護的遠程醫療系統通過主站控制從站的輸液速度，及時掌握輸液余量。既方便醫生、護士照顧病患，又能讓病人安心治療，不必擔心輸液瓶液滴倒流，引起血液倒流。[7]

本項目的用于戰場救護的遠程醫療系統的有益效果

使傳統設備具備智能和互聯功能。在點滴輸液管上加入了紅外對管用來測量滴速，同時加入壓力傳感器測量點滴余量，并使用無線模塊將信息及時回傳給主機。通過主機來無線控制從機的變化。通過建立上位機，從而實現定點和巡回監測點滴剩余情況和病人的生理狀態。

將遠程醫療與電子醫療設備結合。系統中加入了PulseSensor、DHT22 AM2302 電子醫療傳感器，實時監控士兵的生命體征，并使用ZigBee模塊實現無線回傳數據，掌握戰場和士兵的各種信息，較少傷亡，避免意外發生，實現了單兵的智能可穿戴。

借用物聯網系統，傳輸生命體征數據。使用ZigBee進行無線組網，將戰場上各個點的信息匯總，該物聯網可以集中數萬個子節點，充分滿足了戰場需求，同時具有穩定傳輸數據的功能，具有高安全性。讓指揮官了解戰局的發展，控制戰場的局勢。

在傳輸結構方面進行了簡潔化創新。信息具有時效性，過于復雜的信息傳輸結構不利于信息的傳輸。為了方便指揮員及時掌握戰場信息，系統設置了野戰醫院——團指揮所——連衛生員的三級機構，最大程度上保障了信息的及時傳遞，有助于指揮員做出反應。

本項目的目的是提供一種戰場救護與遠程醫療系統，以解決我國在戰地救治方面的空白，士兵遠程治療難的問題。與現代技術相比，具有成本低、便攜性、易操作、信息傳遞穩定等優勢特點。