便攜式人體生命指征監(jiān)測系統(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實驗室，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

中國老齡化社會漸近，流行疾病年輕化趨勢漸盛，以醫(yī)院為中心的診斷治療模式無法適應(yīng)越來越多和越來越高的健康監(jiān)護(hù)需求，而以社區(qū)醫(yī)療（含家庭和個人保健）為中心的模式必將是未來健康監(jiān)護(hù)的方向[1]。遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)這種新的醫(yī)療模式是一項非常重要的技術(shù)，且具有很多的優(yōu)點：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、時間緊迫的城市人提供了一個隨時隨地的家庭醫(yī)療保健。人們攜帶無線傳感設(shè)備可以自由地移動，可以在熟悉的環(huán)境中時刻監(jiān)護(hù)他們的生理參數(shù)而無需去醫(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報警。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時的診斷和建議，也可以長期對病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)。另一方面，對健康人群的遠(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，本研究從社會需求出發(fā)，研發(fā)了低成本移動醫(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)測裝置與生理信息集成與通信方法，從人們對社區(qū)或家庭健康監(jiān)護(hù)的需求出發(fā)，基于掌上電腦、PDA或手機等無線移動終端實現(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，采集人體生理信號或參數(shù)，經(jīng)由短距離無線通信技術(shù)，傳送到無線移動終端，基于無線移動終端開發(fā)生理監(jiān)護(hù)信息管理系統(tǒng)，實現(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、顯示和信息處理，構(gòu)建監(jiān)護(hù)對象的生理監(jiān)護(hù)體域網(wǎng)，并基于無線移動終端進(jìn)行無線數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，建立健康監(jiān)護(hù)對象體域網(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)和自動控制技術(shù)，研制便攜式的生理信號采集與檢測處理模塊，實現(xiàn)穿戴式的生理信號傳感和與數(shù)據(jù)采集。

（3）采用信號處理技術(shù)，研究心電圖的各個波段特征參數(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，通信費用也較為昂貴。本系統(tǒng)采用由傳感器構(gòu)成獨立的網(wǎng)絡(luò)并將各種傳感器匯聚到掌上電腦、PDA或手機等無線終端，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)成熟并具有價格優(yōu)勢的藍(lán)牙技術(shù)，經(jīng)由短距離無線通信，實現(xiàn)心電監(jiān)測裝置、血氧和脈搏監(jiān)測裝置以及血壓監(jiān)測裝置與掌上電腦、PDA或手機等無線移動終端的數(shù)據(jù)通信。

（2）采用3G無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)掌上電腦、PDA或手機等無線移動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、及時地實現(xiàn)生理監(jiān)測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)庫語言和計算機軟件開發(fā)技術(shù)，開發(fā)基于無線移動終端平臺上的人機交互界面，完成生理監(jiān)測終端的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲和顯示，基于Windows操作系統(tǒng)開發(fā)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫和界面，實現(xiàn)遠(yuǎn)程健康管理。

1.3 生理監(jiān)測裝置、無線移動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）綜合各個監(jiān)護(hù)參數(shù)的子協(xié)議，制定完整的生理監(jiān)測裝置與無線移動終端之間的通信協(xié)議，同時考慮監(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)測數(shù)據(jù)完整性與可靠性的要求，根據(jù)無線移動終端的軟硬件特點，制定完整的無線移動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)計及檢測結(jié)果

本設(shè)計中心電的傳感部分由中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研制的多種皮膚電極和低噪聲多級放大及濾波專用集成芯片組成，對皮膚電極采用穿戴式設(shè)計；血氧飽和度傳感器采用多芯片封裝技術(shù)對雙波長半導(dǎo)體發(fā)光器件LED和光探測器間以及集成專用信號處理電路進(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)測的傳感設(shè)備；心電圖監(jiān)測裝置的信號采集與檢測模塊由帶有液晶顯示的監(jiān)測盒組成，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)測裝置也由帶有液晶顯示的監(jiān)測盒組成，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；無線遠(yuǎn)程傳輸模塊選用美國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，具有超低功耗、外圍元件少等特點，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)通信時被接通，對分立模塊進(jìn)行綜合管理和智能化設(shè)置，大幅度降低了整個系統(tǒng)的功耗。

在軟件設(shè)計上，移動終端采用基于安卓操作系統(tǒng)的智能手機或平板電腦，采用JAVA語言開發(fā)生理信息交互界面，并設(shè)計小型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)生理監(jiān)測終端的生理信息管理；移動終端采用3G通信制式實現(xiàn)其與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，通過高速率的無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時的生理信息共享；采用Visual C++語言實現(xiàn)基于Windows操作系統(tǒng)的服務(wù)器界面，采用SQL Server實現(xiàn)生理信息數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和管理。

該產(chǎn)品可以實現(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)由手機公共無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_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)到手機上，為監(jiān)護(hù)對象提供參考。實際采集信號如圖2所示。

圖2 便攜終端檢測結(jié)果示意

3 結(jié)束語

本文主要針對低成本健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)心電監(jiān)測終端、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)測裝置的信號采集是實施健康監(jiān)護(hù)的根本，關(guān)鍵研究適合于動態(tài)監(jiān)測的小型化低功耗生理信號采集模塊，進(jìn)一步集成各個功能模塊，從而實現(xiàn)可靠的生理信號與參數(shù)監(jiān)測。

（2）結(jié)合臨床護(hù)理的經(jīng)驗，研究后續(xù)的生理信號分析方法，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，從而可靠實現(xiàn)預(yù)警或報警。

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

（4）開發(fā)的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了健康監(jiān)測裝置的網(wǎng)絡(luò)化，重點研究開發(fā)了重要預(yù)警和報警信號的緊急傳送方法。

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