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      基于藍牙和智能手機的人體多生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)

      2015-07-02 13:10:14周開利張偉王旭
      物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2015年6期
      關(guān)鍵詞:藍牙智能手機

      周開利 張偉 王旭

      摘 要:針對傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護手段難以對患者進行遠程實時監(jiān)護的問題,基于藍牙和智能手機設(shè)計了一種人體多生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng),通過可穿戴智能感知節(jié)點,對患者體溫、脈搏等多種生理參數(shù)進行采集和分析處理,然后以藍牙方式無線傳輸至患者的智能手機,再通過3G將數(shù)據(jù)上傳到指定服務(wù)器。通過設(shè)計相應(yīng)的應(yīng)用軟件,監(jiān)護人員使用手機、PC等智能終端即可實現(xiàn)對患者多種生理參數(shù)的遠程無線監(jiān)測、異常情況報警、查詢歷史數(shù)據(jù)等功能,大大提高醫(yī)療監(jiān)護水平。

      關(guān)鍵詞:醫(yī)療監(jiān)護;生理參數(shù);智能手機;藍牙

      中圖分類號:TP391 文獻標識碼:A 文章編號:2095-1302(2015)06-00-03

      0 引 言

      隨著人類平均年齡的升高和老齡化速度的加快,慢性疾病發(fā)病人數(shù)大量增長,現(xiàn)代醫(yī)療的重心已逐步由原來的治療為主轉(zhuǎn)為預(yù)防、病后監(jiān)護恢復(fù)為主,這就需要對患者在遠離醫(yī)院的家居或者戶外環(huán)境中進行實時監(jiān)護,以便在出現(xiàn)異常情況時能夠得到及時救護和治療,而傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護手段難以滿足這一需求。隨著科學技術(shù)的發(fā)展,對患者進行遠程實時監(jiān)護成為可能[1-4]。

      遠程監(jiān)護的關(guān)鍵是對患者多種生理參數(shù)的監(jiān)測,在對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析的基礎(chǔ)上,才能采取相應(yīng)的救護與治療措施。本文基于藍牙和智能手機,設(shè)計了一種人體多生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng),通過可穿戴智能感知節(jié)點,對患者體溫、血壓等多種生理參數(shù)進行采集和分析處理,然后以藍牙方式無線傳輸給患者攜帶的智能手機。采集的數(shù)據(jù)通過3G上傳到指定服務(wù)器。監(jiān)護人員可以使用手機或PC客戶端應(yīng)用軟件,從服務(wù)器獲取監(jiān)測數(shù)據(jù),實時監(jiān)測患者的生理參數(shù),在患者生理狀況異常時獲得報警信號,查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史記錄等[5-7]。

      1 系統(tǒng)組成及工作原理

      系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由智能感知模塊、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)護終端三部分組成。

      (1)智能感知模塊:由n個感知節(jié)點和智能手機組成。各感知節(jié)點設(shè)置成從節(jié)點,患者智能終端(手機)采用輪詢的方式,獲取從各感知節(jié)點采集的多種人體生理參數(shù),再傳輸給服務(wù)器。

      (2)傳輸網(wǎng)絡(luò):患者智能終端通過3G接入Internet將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器,監(jiān)護人員可以使用智能終端設(shè)備(智能手機、筆記本電腦、PC等),通過3G、LAN、WiFi等多種方式上網(wǎng),獲取存儲在服務(wù)器上的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

      (3)監(jiān)護終端:監(jiān)護終端可以是智能手機、筆記本電腦、PC等智能終端設(shè)備,通過設(shè)計相應(yīng)的客戶端應(yīng)用程序,獲取和利用患者生理參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

      圖1 系統(tǒng)組成框圖

      2 智能感知模塊設(shè)計

      本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于可穿戴智能感知節(jié)點的設(shè)計,在硬件設(shè)計方面需要合理選用各種器件、精心設(shè)計PCB,以滿足體積小、重量輕、能耗低、精度高、易穿戴等基本設(shè)計要求。除此之外,在軟件方面需要研究數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化算法,以進一步降低能耗、提高采集數(shù)據(jù)的精度。

      2.1 傳感器與佩戴方式選擇

      根據(jù)患者需要監(jiān)護的生理參數(shù),可以選擇脈搏、心電、體溫、呼吸、血壓、血氧、血糖等多種傳感器,針對不同傳感器測量的要求,確定不同的佩戴方式。目前,實時移動檢測血壓、血糖等生理參數(shù)的傳感器尚不成熟,本文僅以脈搏、體溫、心電檢測為例進行設(shè)計。

      (1)脈搏傳感器

      脈搏采集選用CJMCU-pulse sensor傳感器,該傳感器采用光電容積法——利用人體組織在血管搏動時造成透光率的不同來進行脈搏測量,它只有電源、地和信號三根引線,體積超小,可以采用圖2(a)所示方法,將脈搏傳感器用綁帶纏繞在手指上(或設(shè)計成指套),三根導(dǎo)線連接在智能感知模塊的主板上,主板可以與手環(huán)設(shè)計于一體進行佩戴。

      (2)體溫傳感器

      體溫采集選用ZMD TSic506F單線數(shù)字高精度溫度傳感器,該傳感器測溫范圍為-10°C~60°C,分辨率為0.1°C,在40°C范圍內(nèi)精度為±0.1°C,滿足人體體溫測量的需要。它也有電源、地和信號三根引線,體積超小,可以將溫度傳感器與體溫感知節(jié)點進行一體化設(shè)計,采用圖2(b)所示方法,將體溫感知節(jié)點做成臂帶纏繞在手臂上,使溫度傳感器置于腋下,進行體溫的精確測量。

      (3)心電傳感器

      心電采集選用BMD101微型心電傳感器,該傳感器可使用兩個金屬干性電極直接進行心電信號采集,僅有電源、地和兩個電極四根引線,具有藍牙傳輸功能,采用圖2(c)所示佩戴方式,將兩個電極和主板安裝于胸帶的合適位置,使用時收緊胸帶,使兩個電極能夠很好地接觸皮膚。

      (a)脈搏感知節(jié)點 (b)體溫感知節(jié)點 (c)心電感知節(jié)點

      及佩戴方式 及佩戴方式 及佩戴方式

      圖2 智能感知節(jié)點及佩戴方式

      2.2 感知節(jié)點硬件設(shè)計

      感知節(jié)點組成框圖如圖3所示,由生理參數(shù)傳感器、單片機和藍牙模塊組成,其中,藍牙模塊需要設(shè)置成從模塊。

      以脈搏智能感知節(jié)點為例,其硬件電路如圖4所示。脈搏傳感器CJMCU-pulse sensor的信號線直接連接到單片機的IO口(P1.0)。

      單片機型號為STC12C5A60S2,是感知節(jié)點的主控芯片,選用LQFP44封裝以減小體積。STC12C5A60S2是單時鐘/機器周期的單片機,具有高速、低功耗、超抗干擾的優(yōu)勢,包含中央處理器(CPU)、程序存儲器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)、定時/計數(shù)器、UART串口、I/O接口、高速A/D轉(zhuǎn)換、SPI接口、PCA、看門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊,幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊,滿足智能感知節(jié)點的設(shè)計要求。

      圖3 感知節(jié)點組成框圖

      藍牙模塊采用智能無線數(shù)據(jù)傳輸BLK-MD-HC-05模塊,該模塊采用英國CSR公司BlueCore4-Ext芯片,支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等接口,并支持SPP藍牙串口協(xié)議,具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點。

      2.3 感知節(jié)點軟件設(shè)計

      感知節(jié)點軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。上電工作后,先進行初始化,將感知節(jié)點設(shè)置為從節(jié)點,設(shè)置感知節(jié)點名稱、密碼、波特率等,然后實時采集所監(jiān)測的生理參數(shù)數(shù)據(jù),按一定算法處理后進行存儲,當接到患者智能手機的連接請求后,將所存儲數(shù)據(jù)傳輸給手機,傳輸完畢后關(guān)閉與手機的連接,繼續(xù)采集數(shù)據(jù),進行處理和存儲,等待下一次手機的連接請求。

      3 患者智能終端軟件設(shè)計

      患者智能終端負責接收各感知節(jié)點采集的數(shù)據(jù),并負責將它們上傳到服務(wù)器,其程序流程圖如圖6所示。應(yīng)用程序啟動后,首先連接第一個從節(jié)點,接收其采集數(shù)據(jù)并存儲;然后,關(guān)閉該節(jié)點,連接下一個從節(jié)點,接收下一個從節(jié)點采集的數(shù)據(jù)并存儲,直至所有感知節(jié)點都被輪詢一次后,將本輪獲取的各感知節(jié)點數(shù)據(jù)一起傳輸給服務(wù)器,然后進行下一輪數(shù)據(jù)傳輸。每一輪中,若所有節(jié)點連接不上,則提示用戶開啟各從節(jié)點,重新連接或退出程序。

      4 應(yīng)用軟件設(shè)計

      限于篇幅,本文重點討論多生理參數(shù)的采集與傳輸問題,但為了驗證采集數(shù)據(jù)的有效性,針對監(jiān)護人員手持智能終端進行簡單應(yīng)用軟件的設(shè)計,其功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。

      圖5 感知節(jié)點程序流程圖 圖6 患者智能終端程序流程圖

      用戶進入實時監(jiān)測模塊時,各感知節(jié)點采集的體溫、脈搏數(shù)據(jù)等通過患者智能手機傳輸?shù)椒?wù)器,通過服務(wù)器實時轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)護人員手機進行顯示,從而實現(xiàn)實時監(jiān)測,同時,監(jiān)測數(shù)據(jù)可以存儲于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。當用戶進入歷史記錄模塊時,可以輸入查詢的起止時間,對采集的歷史數(shù)據(jù)進行查詢,也可以對指定時間段的歷史數(shù)據(jù)進行刪除。

      監(jiān)護人員智能終端實時監(jiān)測界面如圖8所示。

      圖7 監(jiān)護智能終端功能結(jié)構(gòu)圖 圖8 智能終端實時監(jiān)測界面

      5 結(jié) 語

      本文介紹了基于藍牙和智能手機的人體多生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)過程,系統(tǒng)以穿戴式生理參數(shù)智能感知節(jié)點和手持智能終端為核心,可以很方便地對人體多生理參數(shù)進行實時遠程監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以上傳至服務(wù)器,通過設(shè)計相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng),構(gòu)成遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng),可大大提高醫(yī)護效率,降低醫(yī)療費用。

      參考文獻

      [1]衛(wèi)安樂,劉國忠,呂乃光,等.基于ADSL家庭遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2007,22(5):16-18.

      [2]劉尚輝,馬瑾.家庭遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用[J].中國全科醫(yī)學,2012,15(5A):1542,1544.

      [3]曾繩濤,曹志龍.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能移動醫(yī)療動態(tài)監(jiān)護系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機,2014,27(6):26-27.

      [4]何國平,章笠中,何前鋒.智慧醫(yī)療及醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用概述[J].電信網(wǎng)技術(shù),2013(8):19-26.

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      [6]薛青.智慧醫(yī)療:物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用[J].信息化建設(shè),2010(5):56-57.

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