穿戴式智能健康監(jiān)測(cè)與診療指導(dǎo)系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)*

徐越斌 韋 哲 陳 韜

近年來(lái)，我國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展迅速，但仍然存在公共衛(wèi)生醫(yī)療資源總量不足、優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源分布不均以及預(yù)防與監(jiān)測(cè)重大疾病的有效監(jiān)控體系不夠健全等問(wèn)題。目前，高血壓、冠心病及糖尿病等慢性常見(jiàn)多發(fā)病的發(fā)生率呈逐年上升趨勢(shì)，而許多患者因地域條件所限，發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、治療不得當(dāng)而延誤診治[4]。隨著世界信息化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，使得人體體征信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)患者實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程診療指導(dǎo)成為可能。本研究使用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套穿戴式智能健康監(jiān)測(cè)(看護(hù))與診療指導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)佩戴者的體征數(shù)據(jù)，對(duì)慢性病的發(fā)作進(jìn)行預(yù)警，并支持遠(yuǎn)程診療指導(dǎo)功能。

1 穿戴式智能健康監(jiān)測(cè)與診療指導(dǎo)系統(tǒng)

該系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集佩戴者的體征信息，發(fā)送至遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)，供醫(yī)生查閱并進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)，從功能上可將系統(tǒng)分為穿戴式、遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)和醫(yī)生指導(dǎo)三個(gè)子系統(tǒng)。

1.1 穿戴式子系統(tǒng)

穿戴式子系統(tǒng)可保存佩戴者的身份識(shí)別(ID)、姓名、性別、年齡等主要信息；可采集佩戴者的心電、血壓、體溫和脈搏4項(xiàng)主要生命體征，采集血糖及血氧飽和度等特殊指標(biāo)，并對(duì)異常指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警；可對(duì)患者進(jìn)行定位，將以上數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送至遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)模塊，與醫(yī)生指導(dǎo)模塊進(jìn)行雙向語(yǔ)音通信。

1.2 遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)子系統(tǒng)

遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠?qū)Υ┐魇侥K和醫(yī)生指導(dǎo)模塊進(jìn)行支撐，實(shí)時(shí)接收和保存穿戴式模塊佩戴者的體征信息，存儲(chǔ)佩戴者既往的疾病診斷、病歷、檢查和檢驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)，并提供給醫(yī)生指導(dǎo)模塊實(shí)時(shí)調(diào)取，接收并存儲(chǔ)醫(yī)生指導(dǎo)模塊發(fā)送的病歷數(shù)據(jù)。

1.3 醫(yī)生指導(dǎo)子系統(tǒng)

醫(yī)生指導(dǎo)子系統(tǒng)能夠無(wú)線登錄遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)，查閱穿戴式模塊佩戴者的相關(guān)病歷資料以及實(shí)時(shí)體征數(shù)據(jù)，且能與穿戴式模塊進(jìn)行雙向語(yǔ)音通信，新增并編輯病歷數(shù)據(jù)，并發(fā)往遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行保存。

2 穿戴式智能健康監(jiān)測(cè)與診療指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)本研究對(duì)3個(gè)子系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)之間的通信功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，各系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

2.1 穿戴式子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為主要手段，整合微傳感器，對(duì)心電、血壓、體溫和脈搏4項(xiàng)主要生命體征進(jìn)行采集，并將4個(gè)微傳感器輸出的電壓信號(hào)，經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog digital converter，ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在數(shù)字化的同時(shí)對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，合并冗余電路，控制穿戴式終端的體積[1-10，16，17]。設(shè)置閾值，集成報(bào)警器，對(duì)異常體征信號(hào)報(bào)警。集成全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)定位技術(shù)、對(duì)佩戴者進(jìn)行定位。

(2)采用mini-SD卡作為穿戴式子系統(tǒng)的本地存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)佩戴者的ID、姓名、性別、年齡等主要信息，采集其體征數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)。

(3)采用藍(lán)牙、WiFi無(wú)線傳輸技術(shù)，手機(jī)3G和(或)4G無(wú)線傳輸技術(shù)，周期性地將佩戴者的基本信息、體征信息以及位置信息發(fā)送至遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)語(yǔ)音通信的支持也由手機(jī)3G和(或)4G無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)[6，8，14-15，17]。

2.2 遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以蘭州總醫(yī)院為信息服務(wù)中心，搭建基于云計(jì)算的醫(yī)學(xué)信息監(jiān)測(cè)與分析平臺(tái)，參照醫(yī)院現(xiàn)有的醫(yī)院信息系統(tǒng)(hospital information system，HIS)的主體框架并進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立長(zhǎng)期和系統(tǒng)的健康數(shù)據(jù)檔案，同樣采用internet網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和手機(jī)3G和(或)4G無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)穿戴式子系統(tǒng)發(fā)送的佩戴者信息，使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Web Service)技術(shù)對(duì)穿戴式子系統(tǒng)和醫(yī)生指導(dǎo)子系統(tǒng)進(jìn)行支持[5-6]。

Web Service技術(shù)能使運(yùn)行在不同機(jī)器上的不同應(yīng)用無(wú)須借助附加的、專門的第三方軟件或硬件，即可相互交換數(shù)據(jù)或集成數(shù)據(jù)。依據(jù)Web Service規(guī)范設(shè)計(jì)的各應(yīng)用程序相互之間，無(wú)論其使用何種語(yǔ)言、平臺(tái)或內(nèi)部協(xié)議，均可相互交換數(shù)據(jù)。Web Service之所以容易部署，是因?yàn)槠浠诔Ｒ?guī)的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)，諸如標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言下的子集XML、超文本傳輸協(xié)議(hyper text transfer protocol，HTTP)。Web Service可為整個(gè)業(yè)務(wù)流程的集成提供通用機(jī)制，遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)子系統(tǒng)完全參照Web Service規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)[11-12，15，17]。

2.3 醫(yī)生指導(dǎo)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于服務(wù)端使用了Web Service技術(shù)，因此醫(yī)生指導(dǎo)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只需用普通瀏覽器和遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器，即可從遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取佩戴者的各種數(shù)據(jù)，支持電腦、ipad及手機(jī)等多種客戶端。同時(shí)，醫(yī)生指導(dǎo)子系統(tǒng)以Android WebView技術(shù)為核心，開(kāi)發(fā)Android應(yīng)用程序?qū)κ謾C(jī)登錄進(jìn)行特殊支持，使遠(yuǎn)程調(diào)取數(shù)據(jù)更加便捷。在診療指導(dǎo)方面，醫(yī)生指導(dǎo)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和手機(jī)3G和(或)4G無(wú)線傳輸技術(shù)，傳輸音頻信息，實(shí)現(xiàn)與佩戴者的語(yǔ)音通信[10，12，15，18]。

2.4 通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

穿戴式子系統(tǒng)能夠使用兩條通路將采集到的生命體征參數(shù)發(fā)送到遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行深入分析，并接收分析結(jié)果和醫(yī)生反饋的指導(dǎo)信息。通信子系統(tǒng)的兩條通路設(shè)計(jì)如下。

(1)通路1。Internet網(wǎng)絡(luò)，以藍(lán)牙、wifi等無(wú)線傳輸技術(shù)為手段，周期性地將采集到的生命體征參數(shù)發(fā)送至電腦等Internet網(wǎng)絡(luò)終端，同時(shí)支持USB接口手動(dòng)拷貝，由電腦通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)與醫(yī)學(xué)信息平臺(tái)連接，完成生命體征參數(shù)的發(fā)送與反饋工作。

(2)通路2。手機(jī)3G和(或)4G無(wú)線傳輸，內(nèi)嵌手機(jī)3G和(或)4G無(wú)線傳輸技術(shù)與遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)以及醫(yī)生指導(dǎo)子系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)生命體征參數(shù)的發(fā)送與反饋。

(3)智能預(yù)警功能采用自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)生命體征參數(shù)超過(guò)閾值引起預(yù)警時(shí)，生命體征智能監(jiān)測(cè)終端自動(dòng)啟動(dòng)藍(lán)牙和WiFi，同時(shí)嘗試通路1和通路2的兩條通路，連接醫(yī)學(xué)信息云平臺(tái)和醫(yī)院專家的智能手機(jī)，顯示生命體征值，并可高亮度標(biāo)出預(yù)警參數(shù)，自動(dòng)開(kāi)啟遠(yuǎn)程互動(dòng)功能。

3 穿戴式智能健康監(jiān)測(cè)與診療指導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)測(cè)試程序

編寫(xiě)系統(tǒng)測(cè)試程序，使用穿戴式子系統(tǒng)對(duì)佩戴者的心電、血壓、體溫、脈搏和位置數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在服務(wù)器端進(jìn)行調(diào)取，以確定設(shè)備的適用性，其測(cè)試界面可顯示基于微傳感器的穿戴式子系統(tǒng)可以采集并傳輸佩戴者的體征和位置信息(如圖2所示)。

圖2 數(shù)據(jù)采集結(jié)果界面圖

3.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證穿戴式智能健康監(jiān)測(cè)與診療指導(dǎo)系統(tǒng)所采集體征和位置信息的準(zhǔn)確性，本研究于2017年8月21-25日，選取100例在蘭州總醫(yī)院消化內(nèi)科一病區(qū)就診的患者納入本研究，并將其分為觀察組與對(duì)照組，每組50例。觀察組患者佩戴該系統(tǒng)，采用10套樣機(jī)，每日采集10位患者的體征信息；對(duì)照組患者采用醫(yī)院現(xiàn)有醫(yī)療設(shè)備以及定位設(shè)備采集體征信息，比較兩組體征和位置信息。兩組患者體征血壓、體溫和心率采集數(shù)據(jù)比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(x2=13.16，x2=33.56，x2=56；P＞0.05)，見(jiàn)表1。

表1 穿戴式子系統(tǒng)佩戴者體征和位置信息對(duì)照比較

本研究結(jié)果顯示，觀察組血壓、體溫和心率(脈搏)的數(shù)據(jù)與對(duì)照組數(shù)據(jù)P值皆＞0.05，表示本系統(tǒng)采集的體征信息與醫(yī)院現(xiàn)有醫(yī)療設(shè)備采集結(jié)果基本一致，本系統(tǒng)的位置信息來(lái)自于可穿戴設(shè)備集成的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)照組的位置信息來(lái)自于智能手機(jī)集成的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)照結(jié)果完全相同，故本系統(tǒng)性能符合要求，并達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基于微傳感器的穿戴式智能健康監(jiān)測(cè)與診療指導(dǎo)系統(tǒng)，可以采集佩戴者的心電、血壓、體溫、脈搏和位置信息，并發(fā)送至遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行保存，醫(yī)療專家可以通過(guò)瀏覽器或者手機(jī)APP與佩戴者互動(dòng)，進(jìn)行診療指導(dǎo)，經(jīng)測(cè)試試驗(yàn)證明，本系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且性能穩(wěn)定。

隨著科技的不斷進(jìn)步，高新技術(shù)層出不窮，源源不斷地為醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展提供著動(dòng)力，課題組下一步將進(jìn)一步拓展和完善體征采集和數(shù)據(jù)交換功能，并進(jìn)行推廣使用。

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