远程健康监护

远程健康监护（精选7篇）

远程健康监护 篇1

摘要：为满足对老年人和慢性病患者生命特征信息远程实时监测的需求,设计了基于体域网的远程健康监护系统,系统由WBAN、数据处理服务中心、各监控终端等几个部分组成。设计了基于ZigBee网络的生命特征信息感知节点,根据生命特征传感器采集的信号特点设计驱动电路,以CC2530为主处理器进行节点软件设计,完成了对人体心电、血压、温度等信息的实时采集和转发。数据处理中心负责信息存储、分析和发布,各种监控终端也可以通过数据处理中心查询被监测者的生命特征信息。测试结果表明,系统能够完成相应的功能,满足应用需求。

关键词：体域网,健康监护,生命特征,无线传感器网络

呼吸、 体温、 脉搏、 血压信息是生命的基本特征, 经常被作为人体健康状态的基本判断条件。 这些基本生命特征的变化往往是身体病变的前兆, 能够实时地获取这些基本的生命特征信息对老年人和慢性病患者的监护尤为重要[1,2]。 无线体域网WBAN(Wireless Body Area Network ) 将医学传感器技术和无线传感器网络技术相结合, 应用在实时人体特征信息监测中, 可以极大提高医疗监护水平[3,4]。 体域网的应用可以改变传统患者被动监测的方式,主动实时获取患者的基本生命特征信息,为医生和患者实时了解身体状态提供了便利。 结合数据预测、数据挖掘、人工智能、专家系统等技术还可以主动发现一些潜在的健康问题。

随着体域网相关理论的研究逐渐深入, 许多国内外的组织开始着手基于体域网的健康监护系统的设计与研发。 例如,麻省理工大学的SMART项目组研制了用于监测急诊室等候区患者生命特征信息的信息采集、报警联动系统[5];范德堡大学的Care Net小组研制了远程健康监护系统,可以利用移动网络将实时采集的ECG信息转发到服务中心[6]; 乔治亚理工学院的Daniela Staiculescu设计了可以采集心电信号的可移动传感器系统等[7]国内的许多高校也开始进行体域网相关系统的研发,一些大型的医院和研究中心也加入到了研发的队伍中。

本文结合生命特征传感器技术、 无线传感器网络技术、 物联网技术, 设计了能够实时获取人体生命基本特征信息呼吸、 脉搏、 体温、 血压信息的实时远程监护系统。 首先完成监护系统总体设计,然后给出了体域网中信息采集节点的软、 硬件设计, 最后给出了系统的测试效果和性能分析。

1 系统总体设计

系统主要由感知节点、中继节点、网关节点、数据处理服务平台、 监控软件和手持终端等几个部分构成,系统整体框架如图1 所示。 感知节点、中继节点、网关节点构成了WBAN,Zig Bee技术是无线传感器网络中常用的技术标准, 结合现有的网络设施, 选用Zig Bee网络作为WBAN的无线网络, 通过网关节点接入到现有以太网。感知节点实时采集人体的特征信息,并将这些特征信息通过无线方式直接或通过中继节点发送给智能网关节点。 智能网关节点对收到的数据进行一些可配置的预处理工作,然后将预处理后的数据发送给数据处理服务平台。 由数据服务平台对这些人体特征相关数据做进一步处理,进行有效数据的抽取、融合、分析和预测并向不同的监控端推送相关的数据。 各监控端也可以主动向数据处理服务平台申请获取相关信息,从而可以实时了解被监护人的身体健康状态。

2 感知节点硬件设计

人体特征信息感知节点由心率、 体温、 血压等人体特征传感器前端以及传感器驱动模块、主处理模块等几个部分组成,节点的硬件框架如图2 所示。 节点主处理模块中选用TI公司的集成了2.4 GHz IEEE802.15.4/ZigBee RF收发机和增强型51MCU的CC2530 作为主处理器[8]。 传感器前端采集的信号经过驱动模块处理后, 转换成CC2530 可以采集的模拟或数字信号。 CC2530 完成数据的采集并利用自身的Zig Bee RF收发机将数据发送出去, 也可以响应按键事件, 进行人体特征数据的本地显示。 为了降低功耗,CC2530 控制系统大部分时间工作在休眠状态下,定时开启各驱动模块完成人体特征信息的采集和发送工作后,再次进入休眠。

2 . 1 心电信号采集模块设计

伴随着血液循环,由于心脏肌肉有一个去极化和复极化的过程, 心脏会有一系列的电活动, 心电图就是这些电活动的直观表示。 心电图反应了每一个心跳周期各个阶段心脏的电活动情况,一个心跳周期主要包括心房收缩期、心室收缩期和舒张期。

心电信号序列的峰峰值只有几百微伏, 这种信号的幅值低而且受到各种噪声信号的干扰[9]。 为了获取CC2530可以采集的ECG电压序列, 需要由放大电路和滤波电路构成驱动电路完成原始信号的放大和滤波。 ECG采集驱动电路结构框图如图3 所示,采集人体心电信号的外部电极输出的电信号连接到仪表放大器完成心电信号的前端放大工作。 接着利用0.5 Hz~150 Hz的带通滤波器过滤由呼吸和肌肉收缩产生的低频噪声信号以及高频线路信号引起的高频噪声信号[10]。 然后信号进入第二级放大电路, 放大后的信号经低通滤波器进入50 Hz的陷波滤波器, 以滤除50 Hz交流电源的干扰噪声。 为了获取更高的电压放大倍数, 信号进入后端放大电路,最终经滤波和放大后的电压信号输出到CC2530,CC2530利用自身的12 bit A/D转换器对电压信号进行采样, 并对心电信号序列进行描述。

2 . 2 血压信号采集模块设计

本文采用震荡法来测量人体血压信号, 这种测量方法利用了血压测量过程中压力信号的搏动性。 对袖带气囊充气, 使其达到预先设定的压力值, 然后打开放气阀门开始放气, 袖带对胳膊的压力开始减小, 在袖带压力值大于收缩压时就开始出现压力信号的搏动现象,搏动脉冲的峰峰值(PULSE) 体现了搏动的强烈程度,PUSLE的变化是一个先增大后减小的过程。 实验表明,当PUSLE达到最大时,采集到的压力值为血压的平均值MAP[11,12]可以根据PULSE的变化来获取收缩压和舒张压的值压力减小的过程中, 在出现MAP之前且PULSE增加到MAP的PULSE值的70 % 时, 采集到的压力值为收缩压SBP ; 在出现MAP之后, 当PULSE减小到PULSE值的50 % 时, 采集到的压力值为舒张压DBP 。

血压采集模块的硬件结构框图如图4 所示。 CC2530通过GPIO口来控制气泵和气阀完成对袖带气囊的充气和放气,压力传感器采集气囊的压力信号。 压力传感器采集的压力信号首先经过低通滤波器过滤掉高频噪声,然后经过放大器的放大, 放大后的信号可供CC2530 内置A/D模块采样[13]。 为了获得压力信号搏动情况,接着信号要通过高通滤波器滤除掉直流分量,由于压力信息的搏动幅度比较小, 再经过放大器对搏动信号进行放大, 使其成为可供CC2530 内置A/D模块采样的信号。通过对搏动信号的存储和分析, 可以获取SBP、MAP、DBP的时间点, 从存储的压力值中得到对应的SBP 、MAP 、 DBP值。

2 . 3 体温采集模块设计

本文选用LM92 作为节点的温度传感器,LM92 是美国TI公司的一款高精度数字温度传感器, 其工作电压为2.7 V ~5.5 V , 测量温度范围为-55 ℃~+150 ℃ , 内含有I2C控制器和A/D转换器, 测量精度可达 ± 0 . 33 ℃ , 刷新时间为500 ms,能够满足系统需求。

3 感知节点软件设计

选用Zig Bee技术作为感知层网络的组网方式,Zstack是TI公司为支持不断升级和完善的802.15.4 协议产品和平台而设计的Zig Bee兼容协议栈[14]。 感知节点在Zstack2007 - Pro的基础上设计应用程序, 以完成人体特征信息采集和传输功能。 感知节点的工作流程如图5 所示。 首先执行硬件初始化,实现A/D、定时器等模块的初始化; 然后进行协议栈初始化; 执行协议栈的入口函数以及硬件配置函数; 根据配置文件选择要加入的网络;执行人体特征信息采集程序。 为了降低节点的能耗,采集节点周期性地采集人体特征数据, 然后进入休眠状态, 也可以通过定时、 按键等事件唤醒系统完成信息采集任务。

4 系统测试结果

在120 m2的家庭环境中对系统进行测试, 整个测试环境中部署1 个网关节点、2 个中继节点、1 套人体特征感知节点。 首先对无线网络进行测试,感知节点向网关节点发送数据,通过网关节点成功接收到的数据包的数量分析网络状态。 在没有中继节点的条件下,穿透一堵墙传输数据的丢包率为3% , 穿透两堵墙的丢包率为11% , 因此合理地布置中继节点可以提高数据包接收成功率,提高网络的稳定性。 测试人员携带感知节点在室内活动,节点定时采集人体特征数据并转发给网关节点,网关节点将数据发送到服务器, 服务器向监控终端推送信息,监控终端实时显示系统采集到的人体生命特征信息。

基于体域网的远程健康监护系统结合生命体征传感技术、Zig Bee无线传感器网络以及现有基础网络, 实现了对人体生命特征信息实时采集、转发和远程显示的功能。 下一步工作是研究如何减小感知节点的体积,降低节点功耗,提高系统的易用性,同时将结合数据挖掘人工智能等技术,研究如何根据采集到的海量人体生命特征数据对被监测人的身体健康状态进行分析和预测。

远程健康监护 篇2

远程家庭健康监护系统的核心目标是通过计算机网络、自主式监控仪器等技术手段实现传统公共卫生和医疗监控的预防和保健、监护、诊断、评估、康复的健康管理流程[1]。一个完整的远程家庭监护系统往往需要结合信息技术和医学等学科技术,基于Internet/Intranet和VPN网络,进行数据动态传输,将生理检测设备和服务中心、第三方服务方、用户紧密地连接起来,形成统一健康服务流程。然而这一整套服务流程却不是固定不变的,针对不同病人的实际情况以及医生个人的诊断习惯,服务流程常常需要进行个性化的定制。文献[2,3]分别对远程家庭健康系统的可能模式进行了探讨,指出了这种个性化需求的普遍性和复杂性,文献[4]给出了如何利用BAN网络实现各种复杂数据的传输需求,文献[5]通过采用智能在线咨询的方式来实现对病人的针对性的评估。

然而目前尚缺乏一种能够从整体上对远程家庭健康监护进行软件定制的统一方法,往往只是针对服务流程的某一个方面或者某一种技术去实现,这阻碍了远程家庭健康监护的临床应用。文献[6]基于SOA技术,实现了一种面向服务的远程服务流程架构,其中服务的内容和服务的形式可以由医生定义;同时,在AOP技术基础上实现了远程家庭健康监控仪器的操作流程和可视化界面的定制,远程家庭健康监控系统中的核心控制软件是根据SOA定制的服务内容临时进行下载和组装而成的,因此不同的病人在同一台家庭健康监护仪器上看到的内容不同,完全是由医生针对病人自身的实际情况进行设计的。

本研究设计了一种支持动态重构的远程家庭健康系统。

1 总体架构

远程家庭健康监护系统的硬件由功能检测仪、家庭综合监护仪、服务平台(由数据库、Web服务器及通信网络组成)、医生和健康管理师终端设备组成。系统的硬件组成框架如图1所示。

SOA是一种松散耦合的应用程序组件,在此类组件中,代码没有绑定到某个特定的应用数据或者其他应用组件上,才使得服务能够被组合为各种应用程序。这样还大幅度提高了代码重用率,可以在增强功能的同时减少工作量,正适合远程家庭健康监控的应用场景。在远程家庭健康监控中,医生为病人确定诊疗服务项目,健康管理师根据诊疗服务制订具体的服务管理计划,并下发到病人监控客户机设备上,由于服务和访问服务的客户机并未彼此绑定,可以完全替换某个特定的服务,也可以在一定规约下增加新的服务。所有交互都是基于“服务契约”进行的;服务契约用于定义服务提供者和客户机之间的交互。在SOA基础上架构的远程家庭监控监护系统的软件基本结构如图2所示。

整个系统由3个组成部分构成,分别是健康服务、健康管理动作和健康管理栏目。医生定义了7种基本的健康服务,每一种服务由一系列的动作(Action)组成,至于什么样的服务是由哪些具体动作构成的,则是由医生和健康管理师自己定义的;服务定义好以后,再由健康管理师针对病人情况,将不同的服务分配到健康监护设备的不同栏目(HealthItem)上,从整个系统构成可以看出,软件只是提供了一个基础架构,最终的执行版本是由医生和健康师动态生成的。

(1) 健康服务。包括了健康服务(MonitorWS)、趋势分析服务(TrendsWS)、对话服务、膳食管理服务、运动服务、定时任务服务、消息服务。

(2) 健康管理动作。包括了提问(Question)、日志(Blob)、监测(Monitor)、日历(Calendar)、视(音)频(Video)、信息列表(List)等。

(3) 健康管理栏目。包括了监测(MonitorItem)、任务(TaskItem)、膳食(MealItem)、运动(SoprtItem)等。

现以一个流程为例说明这个架构的应用过程:

首先医生根据病人的实际情况,确定应为病人提供的服务,包括定期的血压监测、知识教育、信息提醒、膳食指导,在定义服务的同时,还要指定每一种服务是由哪些具体动作来完成的,血压检测是由1个Monitor动作实现,知识教育是由3个Question动作实现,信息提醒是由1个定时显示的Message动作实现,膳食指导是由List动作和Video动作组合实现。

其次,健康管理师根据医生要求的服务,为这些服务定义具体的执行时间和执行方式,以及在家庭监护仪器上对应的栏目,栏目的分派过程是任意的,可以将血压检测服务分配到名称为“今日任务”的栏目上;将知识教育分配到“今日对话”栏目;将信息提醒分配到“定时器”栏目上;将膳食指导分配到“膳食运动”栏目上。

系统自动保存该病人的服务定义配置文件,并根据该文件将服务组织成一系列的DOTNET DLL,这个组织过程是由Dispatcher对象自动在后台完成的。

最后,家庭监控仪器开机后通过SOAP服务接口获取服务定义文件和相关的DLL,并根据服务定义动态组装软件。

2 动态重构

初始时家庭监护终端仪器上只安装了一个基本软件系统,该软件的主要功能是通过WebServices访问服务接口,获取医生定义的服务配置文件,并根据配置文件下载相应的程序资源,然后启动下载后的程序资源并退出。该系统实现了一种基于AOP的预描述机制,实际上基本软件系统就是一个AOP容器,该容器基于以下的XML描述使用类的反射机制动态装载资源。

该描述文件说明了系统在动态实例化一个org.Lifelink.aop.framework.UIItem的对象,该对象是一个继承于Form的窗口对象,将作为一个栏目显示在仪器上,点击该栏目将执行医生预定义的健康教育服务(EduWS)的3个提问动作。实例化的UIItem对象是一个可视化的控件,控件的属性已经保存在事先定制好的模板文件中了,同时,控件的相关事件也动态关联到服务代码上。

动态重构的过程主要利用AOP横切(crosscutting)技术,用于实现对设备上各个信息栏目以及栏目的内容进行松散耦合,并实现栏目数目扩展性。AOP横切又分为动态横切和静态横切,其中动态横切是通过切入点和连接点在一个Form中创建行为的过程,连接点可以在执行时横向地应用于现有对象。动态横切通常用于帮助向对象层次中的各种方法添加新的逻辑。静态横切与动态横切的区别在于它不修改一个给定对象的执行行为,相反,它允许通过引入附加的方法字段和属性来修改对象的结构。

本系统中采用的是动态横切的技术,即在设备启动程序初始化运行的时候根据切入点和连接点动态绑定对象的行为,并通过这种方式实现将服务布局到界面中各个栏目里去,前提是绑定过程中的具体类和对象的代码已经通过DLL的形式下载到了设备中。

首先由布局任务组件读取服务配置文件,并根据配置文件的内容进行布局选择;对于整体服务列表,动态绑定服务列表的显示内容和方式,在本例中服务列表按照日历的形式进行显示,并允许用户进行按月选择或者按具体日期进行选择;所有服务的内容进一步被分解为日常计划类的任务、随诊计划类的任务和总体方案类的任务。UIItem在Ascept中查找每一种类别任务(栏目)的实现接口。

对于日常计划类,UIItem绑定了日常计划的显示代码,以及上下翻页的逻辑处理过程。

对于随诊计划类和总体方案类,不仅需要绑定显示逻辑,还需要进一步的处理。对于随诊计划,UIItem根据AOP配置绑定了定时器逻辑,能够实现定时的随诊信息提醒。

对于总体方案,UIItem根据AOP配置动态创建相应的任务执行对象,并执行相应的任务逻辑。

3临床应用

远程家庭健康监护系统软件自2006年开始设计,使用Visual Studio8 C#开发,运行WINCE 5嵌入式操作系统环境,软件运行界面如图4所示;该系统在Holter和移动手持心电仪的基础上,由中华医学会和北京协和医院、北京安贞医院联合研制,其中移动手持心电仪、外置血氧仪在2008年初通过了近10家三甲医院的临床应用,已获得SFDA认证,HM型家用检测终端于2008年9月送SFDA认证中;2008年10月份该系统在北京整体投入试用,服务中心设在安贞医院,起始阶段征集了30位患者以开展糖尿病健康管理服务。

经过2个月试运行,对系统使用情况进行评测后认为:

(1) 系统性能稳定,所有参加测试的患者每天按照由医生为其个人制订的个性化糖尿病健康管理方案,定时测量血糖值,服用治疗药物,按照个人饮食指导意见安排每餐膳食,医生依据实时上传的数据及时了解患者的情况,制订和修改针对个人的管理方案;

(2) 服务中心的医生为国内健康管理领域的专家,试用后认为系统便捷高效,同时为系统设计了大量的管理方案。

(3) 系统有助于糖尿病病人的日常检测,患者在使用系统后,对病情的控制更有了信心。

下阶段,将在全国范围内征集1 000名患者进行第二阶段的系统临床试用。

4结束语

通过有效应用SOA和AOP技术,本研究设计并实现了一种远程家庭健康监护系统。该系统能够实现健康服务内容、健康服务展示与交互方式的完全脱耦,即内容完全由医生制订,系统根据内容灵活、动态地选择显示方式。与传统的只是获取身体指标的家庭健康监护设备相比,系统可以实现任意内容的人机对话,并由医生为病人制订灵活的健康管理方案和体质监测方案,从而提高了这类系统的实用价值。

参考文献

[1]印翀,胡君萍.一种面向家庭的远程健康监护医疗系统的设计[J].现代电子技术,2008,31(8):38-40.

[2]邹焱飚,谢存禧.基于家庭的远程健康监护系统进展[J].计算机工程与应用,2005,41(10):30-34.

[3]彭文青,谢敬辉.面向家庭的远程健康监护医疗系统探讨[J].医学信息,2006,19(10):1700-1703.

[4]孟旭东,王建安,陆凯.家庭网络中的BAN和远程健康监护[J].中兴通讯技术,2006,12(4):26-30.

[5]杨杰,周小四,沈利.家庭远程医疗监护报警和咨询智能系统[J].高技术通讯,2002,12(6):4-9.

远程家庭心电监护终端 篇3

国外的远程家庭医疗更加注重远程“看医生”，个人/患者在家中就可与医生进行实时语音、图像信息交流, 可实现在线检测人体生理信号并给出诊断。这种系统是以视频会议系统为核心，但目前还难以在我国普及，原因一是该系统的价格太贵，一般家庭承受不起;原因二是受到通信信道带宽的限制，国外一般使用综合业务数字网 (ISDN) ，而我国现在普及到家庭的是普通电话系统 (P O T S) , 尽管通过这也可实现双向视频传输，但在图像分辨率、每秒传输图像桢数等方面，难以达到远程医疗的要求。作为远程医疗的重要内容之一的远程监护，其传输的只是人体生理信号，其所需的通信速度通过普通电话线就可以满足。因此，考虑到我国互联网用户呈逐年增长趋势，发展远程监护更加符合我国国情。

系统结构与功能

系统采用B/S (Browser/Server，浏览器/服务器) 模式设计，使用该模式的最大好处是减少开发工作量、运行维护比较简便。将B/S模式引入嵌入式网络设计，改变了过去需要同时开发上位机和下位机软硬件的做法，现在只需要在下位机 (服务器端) 的嵌入式设备中集成一个微型服务器，利用H T M L (超文本标记语言) 设计网页模块，就可在上位机 (浏览器端) 使用I E等浏览器接收和解析此模板，从而为用户提供一个视觉效果好、操作方便的工作界面。

首先基于ARM9处理器S3C2410A和嵌入式L i n u x操作系统, 设计出支持嵌入式Web Server的开发平台, 再通过移植嵌入式Web Server—boa, 配合数据采集和处理等模块, 构造一套适用于家庭的便携式远程医疗监护终端。在监护终端, 利用生物电引导电极采用标准三导联方式将人体心电信号拾取出, 经导联线传输到信号调理模块, 经该模块的滤波、放大后得到初级的生物电信号, 再经由S 3 C 2 4 1 0自带的ADC引脚送入Web服务器模块, 心电信号在此模块中经过各种运算分析后得到反映心脏特征的信号, L C D上实时的显示心电波形和病人的个人信息, 同时将心电信号存储于片外F l a s h R O M中, 终端通过以太网口接入以太网, 以实现与监控中心的远程交互。系统框图如图1所示。

硬件电路设计

信号调理电路模块

心电信号的检测是属于强噪声背景下的微弱信号检测，信号具有微弱、低频、高阻抗、不稳定和随机等特点。此信号的主要频率范围为0.0 5～1 0 0 H z, 幅值范围为0.5～5 m V。微弱的心电信号还受到多种干扰，其特征被淹没在复杂的信号之中。又由于生物电引导电极在拾取人体电信号时与人体接触会产生极化电压。因此，为了满足检测要求，信号调理电路必须要较好的抑制各种干扰、不失真的放大心电信号。本设计中，信号调理电路模块主要包括前端电路、信号放大电路和陷波电路。电路框图如图2。

前端电路

前端电路作为信号调理电路的第一级，其功能主要是为了抑制环境中的干扰噪声、提高前置放大器的共模抑制能力。缓冲放大器一般采用电压跟随器实现，其缓冲隔离作用减小了生物信号源对放大器的过高要求, 提高了电路的输入阻抗, 减少心电信号衰减和匹配失真。使用屏蔽层驱动电路可以较好的去除导联线屏蔽层分布电容的不等量衰减造成对放大器总C M R R (共模抑制比) 的影响。由于人体本身可通过各种渠道从环境中拾取工频5 0 H z交流电压, 在心电测量中形成交流共模干扰, 这种干扰常在几伏以上, 采用右腿驱动电路后能够使5 0 H z共模干扰电压降到1%以下。电路图如图3。

信号放大电路

信号放大电路采用两级放大，如图4，差动放大U805为前置级，同相放大U809构成第二级。根据心电信号检测的特点，通常要求放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围的性能。前置放大器的输入电阻一般要求>2兆欧，输入电阻越大，因电极接触电阻不同而引起的波形失真越小，共模抑制比就越高。由于极化电压的存在, 为防止前置放大器工作于饱和或截止区，前置级的增益不能太高, 实验表明放大10倍左右效果较好。因此选用仪表放大器MAX4196，该芯片可采用单电源供电，其功耗最低达到8µA，共模抑制比为115dB，输入偏移电压为50µV，-3dB带宽可达250kHz，输入阻抗为1000MΩ，增益固定为10 (V/V) 。

前置放大器部分总的共模抑制比为：

其中C M R RR=，Ad：放大器闭环差模增益，Ac：共模增益，CMRRD：运放本身的值;C M R RR：外电路电阻匹配精度限定的CMRR，δ：电阻精度。因此在电路中，要精确匹配外电路电阻R812=R813，以使共模输出变得更小。

主放大器采用M A X 4 1 9 7 (特性与MAX4196一样) ，其增益固定为100 (V/V) 。信号调理电路的总放大倍数为1000倍。在图4中，电容C805具有去除极化电压功能，并与电阻R820构成高通滤波电路，用于抑制直流漂移和放大器通带外的低频噪声。

陷波电路

工频干扰是心电信号的主要干扰，虽然前端电路和前置放大器已对共模干扰具有较强的抑制作用，但有部分工频于扰是以差模信号进入电路的，且频率处于心电信号频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因数，前级电路输出的心电信号仍然存在较强的工频干扰，因此必须将其滤除。本设计采用的是无限增益多路反馈型二阶陷波器，电路如图5。

嵌入式W e b服务器模块

考虑本系统定位于家庭使用，且系统需要连续长时间工作，又由于系统需要良好的人机交互环境、存储大量数据以及支持网络通信，所以要求处理器具有功耗低、成本低、丰富的接口和支持操作系统。本设计选用A R M 9处理器S3C2410A, S 3 C 2 4 1 0 A主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用上。其C P U内核采用的是A R M公司的1 6/32位ARM920T RISC处理器。ARM920T实现了MMU、A M B A总线和H a r v a r d高速缓存体系结构，该结构具有独立的1 6 K B指令Cache和16KB数据Cache。S3C2410A集成的片上功能主要包括：1.8V/2.0V内核供电，3.3V存储器供电，3.3V外部I/O供电;外部存储器控制器;LCD控制器提供1通道LCD专用DMA;8通道10位ADC接口，转换速率最大为500KSPS (Kilo Sample Per Second，千采样点每秒) ;117位通用I/O口和24通道外部中断源;电源控制模式包括正常、慢速、空闲和掉电4种模式;支持NAND Flash的启动装载。

对心电信号采样精度的考虑主要出于对ST段异常分析处理的要求, S T段电平变化约为0.0 5 m V, 因此采样精度至少为0.025mV。当采用10位A/D转换器工作在正极性、满刻度电压为2.5V时, 可分辨的最小输入电压为2.5mV, 而信号调理电路放大倍数为1000倍, 则输入端的最小分辨率约为0.0025mV, 故S3C2410A具有的10位A/D的精度完全满足系统需求。

为了使用户能够直观的观察心电和便于控制设备，设计采用东华公司的T F T彩屏YL-LCD35套件用于人机交互界面。为满足移植操作系统以及存储心电信号、网页等数据的要求，系统外扩了6 4 M的N A N D Flash (使用一片K9F1208UOB) 和64M的SDRAM (使用两片HY57V561620) 。为满足终端联网的需求，选用CS8900A用于设计网络适配器，CS8900A是一个真正的单芯片、全双工的以太网解决方案产品，更方便的是在Linux内核中提供有CS8900A适配器的驱动程序。

电源部分

为增加安全性、降低功耗、节省成本，设计采用9V碱性电池供电，通过电源转换芯片AS1117-3.3将9V转换为3.3V可供给放大器芯片和S3C2410使用。

软件设计

软件设计主要包括Linux的移植, 嵌入式Web Server-Boa的移植, CGI (通用网关接口) 程序的设计, 功能程序的设计。

Linux的移植

本设计采用linux-2.4.18内核。正确进行Linux移植的前提是具备一个与L i n u x配套、易于使用的BootLoader，它能够正确完成硬件系统的初始化和Linux的引导。本系统中采用vivi，它是由韩国MIZI公司提供的一款针对S3C2410芯片的BootLoader。

Linux内核的目录/arch中包含了所有与硬件体系结构相关的内核移植代码，目录/arch中的每个子目录代表了一种Linux支持的处理器。移植Linux到S3C2410平台主要是修改/arch/arm目录及其子目录下相关的makefile文件和配置文件。例如：修改内核根目录下的Makefile文件，指明要移植的硬件平台为A R M:A R C H:=a r m, 指明使用的交叉编译器C R O S S_C O M P I L E=/opt/host/armv41/bin/armv41-unknownlinux-;修改arm/arm目录下的config.in文件，配置S3C2410的相关信息;为初始化处理器，还需在arch/arm/boot/compressed目录下添加head-s3c2410.s文件。内核修改完成后，用命令m a k e m e n u c o n f i g配置Linux，再用make zImage命令编译内核，编译通过后则在目录arch/arm/boot下生成z I m a g e内核文件，还需利用工具软件M K C R A M F S制作cramfs文件系统。最后，在minicom终端的vivi命令行下利用load命令将内核和文件系统下载到目标系统，至此移植完成。

Boa的移植和C G I程序设计

由于嵌入式设备资源有限，并且不需要同时响应多用户请求，因此一般使用一些专门的W e b服务器用于嵌入式应用设计。B o a是单任务web服务器，源代码开放，性能高，支持CGI，能为CGI程序fork出一个进程来执行，其设计目标是速度和安全，可执行代码只有约6 0 K B。移植B o a的过程如下：从sourceforge.net上下载boa-0.94.13，在其解压目录下生成并修改makefile文件，然后运行make得到可执行程序，利用命令armv4lunknown-linux-strip将调试信息剥去，然后修改Boa的配置文件boa.conf，使其能支持CGI程序的运行。最后将生成的可执行程序Boa挂载到目标系统，若能成功访问静态HTML网页和运行测试用的C G I程序，则表明配置成功。

通用网关接口C G I可将W e b服务器连接到外部应用程序，它主要完成两件事情：一是收集从W e b浏览器发送给W e b服务器的信息，并将这些信息提供给外部程序利用;二是对提出请求的Web浏览器发送程序的输出。C G I具有平台独立性、语言独立性和层次感等优点。利用CGI程序则可以实时执行并输出动态信息，且其占用资源少。CGI程序的执行过程为：浏览器将表单数据以POST方法提交给Web服务器，服务器根据收到的数据设置环境变量，并新开一子进程来执行CGI程序，CGI程序从环境变量中读取所需要的数据，通过调用用户自定义的外部功能函数完成数据处理后，再读取相应的HTML模板文件，根据注释标记将对应的数据填充到H T M L文件中，生成新的H T M L页面经W e b服务器返回给浏览器。

为快速开发符合应用要求的C G I程序，在设计时添加了CGIC库和gd库。CGIC是一个功能强大的支持CGI开发的开放源码的标准C库。Thomas Boutell编写的gd库是标准的C语言库，具有基本的绘图等功能。为实现在网页上动态显示心电波形，将每次采集的数据经过功能程序处理后存储的同时送给C G I程序，利用gd库提供的函数来创建图像。通过在网页模块上设定刷新时间 (使用H T M L语言的M E T A标记) ，从而实现在网页上心电波形的动态显示。

主程序设计

主程序首先完成对系统的初始化，然后阻塞监听网络接口是否有连接请求，一旦客户端发出连接请求，则在服务器端产生中断;读取网络数据，然后对网络数据进行解析，这一步主要是解析H T T P协议，需要判断连接请求是否符合服务器规定的请求格式，判断是连接请求的请求方法，判断请求的文件是否存在服务器上，判断认证信息是否正确等等;在处理A/D采集的数据这一过程中，首先要将采集后的心电信号进行滤波处理，主要是抑制心电信号中的5 0 H z工频干扰，再完成滤波后，将数据送到本地的LCD上显示，同时将当前的数据以网页数据的格式发送到网口。

结语

本系统的设计定位于家庭医疗监护，通过在用于生理特征信息监测的嵌入式系统中集成Web服务器实现Internet的接入，从而实现用于远程家庭医疗的监护系统。其意义在于：设计出一套价格低且易于推广的远程家庭医疗监护系统，改变目前我国家庭医疗监护落后的状况;有效提高中老年人群心血管等慢性疾病的监护水平, 有利于提高中老年人群突发疾病患者的整体救治率;为医疗机构提供大量有价值的我国中老年人群疾病的原始数据进行科研工作。

摘要：设计了一种新型的低成本的家用远程医疗监护终端, 该终端采用B/S模式设计, 基于ARM9处理器S3C2410和嵌入式Linux操作系统, 通过移植嵌入式Web服务器---boa, 再配合信号采集处理等模块, 可实现对生理信号的实时采集、处理、存储和显示以及远程监护。

关键词：远程医疗,S3C2410,Linux

参考文献

[1].姜永权、魏月、刘克岩, 适合中国国情的远程家庭医疗系统研究, 中国医疗器械杂志, 2001年25卷第6期

[2].张唯真, 生物医学电子学, 清华大学出版社, 1990

[3].徐英慧、马忠梅、王磊、王琳, ARM9嵌入式系统设计—基于S3C2410与Linux, 北京航空航天大学出版社, 2007

[4].李驹光、郑耿、江泽明, 嵌入式Linux开发详解—基于EP93XX系列ARM, 清华大学出版社, 2006

[5].Kate Gregory (著) , 徐丹, 唐程杰等 (译) , CGI程序设计自学通, 机械工业出版社, 1998

远程健康监护 篇4

目前市场产品系统中有不少虽然能实现远程监测, 是通过无线传送但是波形记录时间较短时[10]。我院设计开发的远程监护平台可实现对患者进行24h监测, 并将采集到的心电等信号数字化处理后, 通过GRPSWCDMAWiFI等通讯技术传输至中央工作站, 中央工作站工作人员同步得到患者的24h数据信号, 并根据得到的监护信息进行一系列后续操作。该平台应用定位于院内集中监测及院外远程医疗两个应用方向。

1 院内集中监测平台

目前本院监测主要包括以下人群: (1) 冠状动脉支架术或搭桥术、急性心肌梗死患者康复期、安装心脏起搏器患者术后院内监测; (2) 上述患者出院后监测; (3) 有心悸、胸闷等症状而需进行疾病鉴别诊断的患者; (4) 药物治疗前后观察心律、心率及不良反应者; (5) 有其他慢性病及心脏感觉不适者; (6) 特殊人群健康保健心电监测。

上述人群活动地点包括院内、院外, 在院内有诸多设备可实现实时监护, 只需完成各有关科室监护设备与集中监测平台的对接即可。

在院外远程应用中存在传输速度、信号准确度等问题, 我院应用的监测仪选择多导联:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、V1-V6, 可实时采集一定时段的心电、血压、血氧、脉博等生理参数, 以无线方式实时发送到GPRS/CDMA移动电话无线蜂窝网络中, 并将该数据传输至集中监测平台。集中监测平台除利用分析软件进行处理外, 值班人员还可根据情况与患者联系、预警 (见图1) 。

2 院外远程会诊

我院已与多家医院建立合作关系。院外远程诊断系统按实现功能不同, 包括会诊系统中心网站、医院终端站、流动终端站等, 基本结构 (见图2) 。

系统中央工作站设计采用高配置服务器, 具有硬盘容量大、内存大及显示屏大等特点。随着对心电波形分析功能的不断深入, 对于心电采集频率要求越来越高, 甚至达到2000Hz以上。高采样频率则必然带来大量的心电数据, 所以对于硬盘容量要求较高。多屏幕显示, 各屏可分别实时显示远程会诊患者的各项生理参数信息, 通过HIS、LIS系统导入的电子病历和临床检验信息, 以及超声等辅助诊断信息。双方交流的动态视频画面亦可显示在其中。

终端医院硬件配置:配备视频图像采集设备作为医生工作站, 病历及其它信息通过医生工作站导入, 监测数据直接上传至监测中心。有条件的可配置床边无线移动会诊终端, 可实时采集监护仪等床旁监护治疗设备的信息并同步实时上传, 并配备高清摄像头, 能在床边完成影音交流。

在网络设计上保证带宽和独立IP, 使访问者能迅速接入网络, 掉线率极低。同时在安全性设计上除常规系统安全措施外, 还采用备份服务器备份数据、会诊过程全程录像, 防止医疗纠纷时无据可查。

在软件设计中为便于对心电信号进行分析, 中央工作站内置大量的心律失常分析软件, 以帮助医生进行心电分析和病情确诊。此外针对远程医疗的需求, 开发的另一个功能即根据各医院的工作习惯, 调整和编辑报告格式。

3 远程动态监测平台应用的优势与问题讨论

此无线监测系统使患者真正摆脱医院病床的束缚, 患者在医院内转运或进行各种检查时无需中断。通过在医院内建立监护中心, 中心内架设中央服务器, 以及WiFi布网的方式同步提取患者的监护信息, 在医院内可实现各科室甚至是救护车上的信息同步监测。

集中监护可优化整合医疗资源, 提升优质医疗资源的使用效率。通过集中平台可提高提高相关科室床位周转率。

远程监护系统与远程诊断系统相结合, 拓宽传统的诊疗模式, 通过该系统的运行, 能够实现多点对多点的医患互动的会诊模式, 能够把在医院治病救人的方式拓展至核心医院之外。建立远程监护系统具有很高的社会效益和经济效益。浙江大学医学院2009年对加入其重症监护网络1年以上的23家医院进行前后数据比较, 结果显示, ICU的平均病死率下降11.6% (12.9%比14.6%) , 危重患者转院率下降38.3% (2.9%比4.7%) , ICU床位利用率提高6.1% (83.4%比78.6%) [11]。

随着老龄社会到来、疾病谱的变化, 对医院外的监测应用会更广泛, 会逐步从高端人群保健向社区服务覆盖。

系统在设计和实施过程中亦会面对不少问题。最主要的难点在于院内集中监测平台的搭建滞后于Holter等设备的购置, 实施中需要与不同厂家进行合作, 收集其通讯协议并编制对应的软件, 同时根据医院临床工作流程编写相应的管理软件。

远程监护及医疗涉及行医许可、病人隐私保护、知情同意、医患纠纷不良后果处理等法律问题[12], 在实施过程中有大量的前置工作要完成, 对前期沟通成本要有充分准备。

参考文献

[1]WHO.Global status report on noncommunicable diseases, 2010.http://www.who.int/about/licensing/copyright_from/en/index.htmal

[2]Yang G, Kong L, Zhao W, et al.Emergence of cheonic noncommunicable diseases in China.Lancet, 2008, 372 (9650) :1697-1750

[3]胡东生, 顾东风.中国1980-2010年心血管疾病流行病学回顾研究[J].中华流行病学杂志, 2011, , 3 (11) :1059-1064

[4]Zhao D, Liu J, Wang W, et al.Epidemiological transition of strokein China:twenty one year observational study from the Sino-MONICA-Beijing roject.Stroke, 2008, 39 (6) :1668-1674

[5]吴桂贤, 吴兆苏, 刘军, 等.北京部分地区15年心脑血管病死亡率变化趋势[J].中华预防医学杂志, 2001.35 (2) :98一101

[6]黄伟, 袁洪, 黄志军.便携式远程心电监测仪和心电监测仪的对照研究[J].临床和实验医学杂志, 2008, 7 (5) :181

[7]黄伟.基于CDMA的远程实时心电监测系统的测试和临床应用[D].中南大学, 2008

[8]焦腾, 董秀珍, 张坤, 等.基于GPRS网络的远程心电监护系统[J].电子工程师.2008, 34 (11) :78-80

[9]李婧, 刘知贵, 李彬.远程心电监测系统的研究与设计[J].现代电子技术, 2008, 31 (15) :107-120

[10]丁世芳.远程心电信息监测系统的类型与应用概述[J].中国心脏起搏与电生理, 200, 23 (2) :174-175

[11]陈俭等.远程多中心重症监护网络的临床应用[J].中国危重症急救医学, 2009, 21 (11) :679-681

远程胎心监护系统的设计 篇5

1 系统结构

远程胎心监护系统由胎心检测装置和医院监护中心两部分组成,系统结构如图1所示。

胎心检测装置包括:电源模块、胎心采集电路、单片机控制电路、GSM网络、TC35i模块、LCD液晶显示、音频电路等。

医院监护中心包括:电源模块、单片机控制电路、GSM网络、TC35i模块、VC++6.0上位机数据库管理系统等。

2 硬件系统

硬件系统采用模块化设计,包括胎心检测装置和监护中心传输装置两部分组成。

2.1 胎心检测装置

胎心采集电路由超声多普勒胎心探头、前置放大器、陷波器、带通滤波器、音频电路、单片机控制电路、LCD显示、TC35i模块、电源模块等组成。系统以STC89C52单片机为核心。胎心探头采集的胎心信号经前置放大后送陷波器消除工频谐波分量,再经过带通滤波器和陷波器消除其余高次谐波,陷波器处理后的胎心信号送入单片机进行处理,将胎儿心率值送LCD显示,胎心信息通过音频电路输出,同时将胎心数据通过TC35i模块发送至医院监护中心。胎心检测装置原理框图如图2所示。

2.1.1 单片机控制电路

单片机作为本系统的核心部件,采用的是STC89C52单片机。从胎心检测电路输出的胎儿心率脉冲作为中断信号接到单片机INT0端,由T0计数。INT0端接收到第九个下跳沿时,取出T0计数值,计算出每分钟胎儿心率数据送LCD显示。单片机串行口RXD、TXD控制TC35i模块将胎心数据发送至医院监护中心。

2.1.2 TC35i模块

TC35i模块为西门子公司推出的无线通信模块,它是集射频电路、基带于一体,向用户提供标准的AT命令接口,为数据、语音、短信息和传真提供快速、可靠、安全的传输,方便用户的开发设计及应用。

2.1.3 LCD显示

LCD显示模块采用LCD1602显示模块,单片机的P2口连LCD1602的数据端,P3.5、P3.6、P3.7连LCD1602的使能端和控制端。

2.2 监护中心传输装置

监护中心传输装置由单片机控制电路、TC35i模块、电源模块等组成。

3 软件设计

系统软件包括主程序、中断服务子程序、监护中心服务程序、GSM软件接口程序和上位机软件设计。

3.1 系统主程序

系统主程序实现设置串口、启动TC35i模块、等待采集或接收功能,主程序流程如图3所示。

3.2 中断服务子程序

胎心信号整形后变成方波信号,利用方波的下降沿产生外部中断,单片机从检测到第一个下降沿开始计时,每经过一次下降沿都会进入中断,一直到经历第9个下降沿结束,得到8个脉搏周期的总时间t,设脉搏周期为T,频率为f,胎心显示为haret,那么有:T=t/8 f=1/T haret=60×f=480/t

计数总是从一个下跳沿开始,到第9个下跳沿结束,计数精确;选完整的8个脉搏周期平均,只需要15s以内。中断服务子程序流程如图4所示。

3.3 监护中心服务程序

监护中心服务程序包括单片机与GSM的接口程序,PC机与GSM的接口程序,程序流程如图5所示。

3.4 GSM软件接口程序

GSM软件接口是单片机与GSM短信息有关的AT集指令程序设计。AT指令集是一种操作控制TC35i模块的软件协议的集合,可通过编写程序利用串口收发AT指令达到控制TC35i模块收发短信的目的。常用的短信控制AT指令如下所示:

AT指令控制短消息发送有2种常用模式,即TEXT和PDU模式。PDU模式采用unicode编码发送英文、汉字,但比较复杂。而TEXT模式只能发送英文,无须编码。本系统发送和接收的短信内容都是数字形式的胎心数据,因此采用TEXT模式。其发送数据的过程包括启动GSM及初始化、设置短信模式:AT+CMGF=1回车、发送接收的手机号码:AT+CMGS=“13699567121”回车(目的地址)、发送胎心数据等。其接收短信的过程包括启动GSM及初始化、设置短信模式:AT+CMGF=1回车、设置新消息指示:AT+CNMI=2,2回车、该设置可使模块在短消息到达后向PC串口发送提示指令:

+CMT:“+8613699567121”,,“10/08/22,15:27:06+32”120

此指令说明如下:

PC机通过编程打开与TC35i模块相连的串行口,然后通过此串行口接收短消息提示AT指令,并提取其中手机号码,将发信时间和胎心值存入数据库,完成短信接收保存功能,以便产科医生诊断使用。

3.5 上位机软件设计

上位机采用VC++6.0串口编程与数据库技术,对上传到PC机的数据进行保存与显示。本系统具有:数据显示、管理员登陆,添加/删除用户、用户信息查询、医生诊断、数据操作等功能,如图6所示。

4 结论

GSM网络与单片机结合构成远程胎心监护系统。此系统具有覆盖范围广、使用方便等优点。孕妇使用此系统,可随时与医院取得联系和指导,确保胎儿安全,有利于优生优育。该远程胎心监护装置的使用将大大方便孕妇、降低医院的负荷、节省人力物力,特别在冰冻雨雪等恶劣天气、地震、交通阻塞和边远地区等,远程胎心监护系统给孕妇带来无限的方便与安全。

参考文献

[1]王骐,何嘉斌.单片机控制GSM模块实现短信收发的软件设计[J].单片机与嵌入式系统应用.2005(1):63-66.

[2]魏英钦,陈连坤.基于TC35i的PC机短信息收发模块[J].电子世界.2007(2):22-24

[3]梅一珉.基于单片机的胎儿心率信号检测处理方法[J].浙江工业大学学报.2003(6):260-263

[4]艾信友.基于SPCE061A的胎心监测仪的实现[J].中国医疗器械信息.2009(8):39-40

面向远程医疗的生理监护系统 篇6

本研究团队多年来一直致力于面向远程医疗的生理监护系统的研究,经过多年努力目前该系统已经达到实用水平,并且已经完成了小范围的社区试点工作。跟传统的生理参数诊断、监护设备主要应用于医院不同,远程生理诊断仪主要应用于家庭和个人,主要由非专业人士操作,所以其必须具备以下特点:良好的自适应性,生理参数测量的准确性和稳定性,操作的简易性,良好的安全性和无损测量,低成本设计等[1]。该系统是严格根据以上要求来研制。

1 系统结构

面向远程医疗的生理监护系统主要包含内容:生理参数监护终端、通讯网络和数据服务网站,其原理框如图1。

1.1 生理参数监护终端

目前临床上能够无创监护的生理参数主要有心电、心率、血压、体温、血氧饱和度和呼吸,血糖的无创检测技术还不成熟一般还是采用有创测量。我们研制的监护终端暂时只包括心电、心率、血压、体温、血氧饱和度和呼吸六个生理模块,可实现以上参数的单次(其中心电和呼吸为一段时间)测量或连续监护。所有生理参数测量模块都具有自主的知识产权,并且通过优化设计把这些模块集成于一片单片机,大大降低了成本。

远程生理监护终端主要应用于家庭和个人,主要由非专业人士操作,因此该类仪器必须具有高度智能化的功能和简单化的操作设计,我们设计的监护终端在对患者开展重要生理信息的常规诊断和监护的同时,对危重生命信号能自动实时识别(包括心电S-T段检测、心率变异性分析、24小时血压趋势图分析)和报警。监护终端的操作非常简单,通过两个按键就可以完成所有操作并且全程语音提示。根据不同家庭和个人的条件我们设计了多种工作模式的监护终端:基于USB的模式,该模式适合于有PC的家庭,监护终端通过PC的USB口取电和通讯;基于射频(RF)通讯的模式,该模式通过RF无线接受命令和传输数据,测量地点的灵活性较大,但需外加电源;基于机顶盒的模式,该模式通过机顶盒把测量数据传输到电视画面上并且通过机顶盒远程传输数据,但是目前国内机顶盒标准还没统一,该模式的监护终端还处于研制阶段。基于ARM9(处理器芯核)的独立运行模式,该模式采用ARM9作为中心控制模块,能独立完成测量、显示、数据分析及报警和CMDA/GPRS远程数据传输等功能,该模式应用灵活,携带方便,居家旅行皆适宜,但由于增加了ARM9模块、彩色液晶屏、CDMA/GPRS模块及其通讯费用,所以成本比较高。图2为基于USB模式的生理监护终端实物图,图3为基于ARM9的独立运行模式的生理监护终端实物图。

为了减少长时间监护对患者生活的影响,我们还研制了可穿戴式传感背心,通过该背心可实现移动条件下对心电、心率的无创检测,同时,可穿戴背心的电极又可作为阻抗法检测呼吸信号的传感电极,实现睡眠状态下的呼吸波检测,测量到的数据通过RF无线传输到监护终端。图4为所研制的可穿戴背心的结构框图。

1.2 通讯网络

生理参数监护终端的通讯网络包括本地通讯和远程通讯。本地通讯主要是监护终端与PC[6]、机顶盒或基于ARM9的中心控制模块的通讯,包括控制命令和生理信号数据的传输,自编通讯协议。通讯方式有RF无线通讯、USB通讯和RS232串口通讯。以监护终端与PC通讯为例来解释本地通讯网络的工作原理:首先是PC上运行的采集软件给监护终端发出测量命令,监护终端接受到命令后开始采集生理信号并同时把采集到的数据以数据包的形式传输给PC,PC接收受到数据包后在特定窗口显示生理信号波形并同时把数据保存在本地磁盘,以供下次调用或远程传输,单次测量完毕后监护终端发送生理参数值,采集软件把其保存并显示在特定位置。心电、血氧饱和度和呼吸测量时该界面大同小异。

远程通讯主要是用户端传输数据,通讯方式包括基于互联网或数字电视网的有线方式和基于CDMA/GPRS通讯模块的无线方式,可以实现生理参数测量值和生理信号波形的远程传输。对于有线通讯方式的用户可以实现24小时生理信息的实时传输。

1.3 数据服务网站

医生或患者都可以凭给定的用户名和密码登陆数据服务网站,但不同的用户给予的权限不同。医生用户登陆后可以看到他所管理的所有病人的信息,患者用户则只能看到他当天或历史记录的信息和医生的建议。医生不仅能从网站上得到病人的一些生理参数测量值,如血压、血氧饱和度、心率和体温等,并且可以做出一段时间的趋势图,图5为某病人24小时血压趋势图;还能浏览病人的生理信号波形图,如心电图、呼吸波、光电容积脉搏波和压力脉搏波。由于监护终端的使用者大多数为非专业个人,操作的不规范常有发生,通过生理信号波形,医生不仅能得到病人的一些生理信息还能判断出生理参数测量值的可靠性,这就大大弥补了由于病人的不规范操作所带来的影响。对于心电,这个研究比较多,这里不做详叙;对于光电容积脉搏波,可以看出其幅度是否调节合理、有无运动干扰,病人是否有比较严重的心率不齐等影响因素,从而判断血氧饱和度测量值的可靠性,同时医生还可以利用波形自己估算出病人的血氧饱和度值;对于压力脉搏波,可以从波形的包络线和压力脉搏波之间的间距来看出袖带的松紧程度是否合适、有无运动干扰、有无严重的心率不齐等影响血压值识别的主要因素,并且医生还可以从根据压力脉搏波来估计出血压值。

2 系统测试结果

该系统的测试分为两部分:产品演示,远程通讯测试。

2.1 产品演示

该系统先后在广东省数字家庭公共服务技术支持中心和2007年广东省产学研科技创新成果展览厅展示。展示的仪器为基于RF无线模式的监护终端,生理数据的传输方式为基于互联网的有线方式。到目前为止,该系统在广东省数字家庭公共服务技术支持中心展示时间已经有半年,平均每天大约接受10人次的测试,该系统一直运行良好;在2007年广东省产学研科技创新成果展览厅的展示中更是经受了每天接受上百人次测试的考验。

2.2 远程通讯测试

远程通讯测试的目的是为了对比三种通讯方式的数据传输速度和数据传输的可靠性。该系统先后进行了“杭州——广州(CDMA无线通讯)”、“桂林——广州(GPRS无线通讯)”、“香港——广州(互联网有线通讯)”和“广州——广州(三种通讯方式都采用)”的远程通讯测试。利用生理监护终端采集了受测试者45秒心电(标Ⅰ、标Ⅱ、标Ⅲ导联各为15秒)、心率、血压、血氧饱和度和体温数据约40K字节,远程通讯结果如表1。

3 总结与展望

国外在远程医疗这一领域起步较早,特别是在欧美国家远程医疗已经发展相对成熟。近年来,远程医疗在国内已经成为一个研究热点,并且取得长足的进展,但迄今为止还没有出现相对完善的远程医疗平台[5]。本系统实现了多种模式、人性化和低成本化设计,并且在多种途径的测试中都运行良好。本系统的研制成功将能有效的起到沟通家庭与医院、沟通病人与医生的作用,将会进一步促进远程医疗模式从理论走向实践并且逐渐被推广开来。该系统作为沟通家庭与医院、沟通病人与医生桥梁已经初具雏形,但是支撑桥梁的各个桥墩却还存在着许多急需解决的问题[5],远程医疗模式能真正实现全民受惠还是一项非常艰巨的任务。

参考文献

[1]邓亲恺．医学仪器未来发展的一种崭新模式[J]．中国医疗器械杂志，2006，30(5)．

[2]邓亲恺．现代医学仪器设计原理[M]．科学出版社，2004．

[3]国发[2006]10号，国务院关于发展城市社区卫生服务的指导意见[S]．

[4]朱士俊．我国远程医疗发展现状分析[DB/OL]．(2006-03-15)[2007-11-10]．www．cit．org．cn．

[5]朱士俊．我国远程医疗发展现状、难点和对策分析(首届中国信息界学术大会)[DB/OL](2006-02-23)[2007-11 -10]．www．cit．org．cn．

[6]史锡腾，等．向PC机射频传输动态实时心电信号[J]．医疗设备信息，2007(7)：11-14．

[7]Maglaveras N.Citizen health system:telehealth homecare [J].Studies in Health Technology and Informatics,2003,92: 117～125.

[8]Mitchell S L,Morris J N,Park P S,et al.Terminal care for persons with advanced dementia in the nursing home and home care settings [J].Journal of palliative Medicine,2004, 7(6):808～816.

[9]White LE,Krousel2Wood MA.Technology meets healthcare:Distance learning and telehealth [J].Ochsner Journal.,2001,31:22229.

远程健康监护 篇7

生理参数监测在远程监护系统中作为远程医疗的重要组成部分,用于实现患者生理数据的采集和实时传输。近年来,生物医学传感器和监护终端趋向小型化和便携化,与无线远程传输网络结合起来,使患者可以在一定范围内自由移动,而不必受监护装置的限制。国内外关于远程监护的研究主要集中在几个方面,围绕传感器设计和远程通信等技术问题,围绕特定疾病的远程医疗方案及其临床评价;包括便携式、低功耗的传感器节点设计,传感器节点的软硬件平台体系结构研究和基于网络的远程通信方法等问题。可以通过对特定慢性病实施常规远程监护有效降低患者的再入院率。利用网络和传感器技术实现医学信息的测量和远程传输,供医院的专家进行远程诊断,也可以用于动态跟踪病态发展。远程监护的无线传感器节点主要用于采集人体生理指标,并通过一定方式将数据传输到监护平台。本地终端程序完成对数据的采集并无线传送,主控监护平台接收数据并实时显示。应用程序通过发送AT指令使数据发往远程终端。

本文的特点是应用无线网络,基于Zig Bee传送血压和血氧参数,并基于Wi Fi传送心电信号,在嵌入式系统平台上可以显示出各个参数和相应曲线。采集的血压模块,心电模块,血氧饱和度等参数通过串口与ARM处理器连接。再通过GPRS模块发送到手机上。可对远端患者的主要生理参数,如心电、血压、血氧饱和度等进行监测。适合自理能力较差的老年人,可以脱离监护人员的视线自由活动。

1 远程监护系统总体方案设计

远程监护系统主要由Zig Bee网络、主控监护平台和远程通信三部分组成。Zig Bee网络的功能是完成各个生理数据的采集,将数据发送到主控监护平台,在主控监护平台的界面中显示出来,并存储到数据库中,主控监护平台通过对GPRS模块进行AT指令控制,将测量的生理数据传送到远程终端。系统框图如图1 所示。

系统选用Zig Bee技术作为主要的短距离数据传输技术,Zig Bee传输数据可靠性高、容易实现、功耗低、成本低,对于实时传输大量数据,则可能会出现传输速率低,存在迟滞延时的问题。系统设计中的心电数据以实时数据包形式发送,要求显示实时数据曲线,因此加入Wi Fi技术,Wi Fi传输数据速度快,可靠性高,灵活性以及无线覆盖范围广,但功耗较大使用成本较高。为节约成本,只使用Wi Fi技术传输心电数据。因此本设计采用两种短距离无线传输技术,根据采集到的不同信号特点选择传输方式,能够使传输数据更加安全、可靠,也能够降低成本。系统的主控监护平台以S5PV210为核心,采用Linux操作系统。与PC机比较,嵌入式系统的优点可以概括为体积小、成本低、可靠性高、稳定性好及功耗低等,嵌入式Linux源代码开放、系统内核可裁剪、内核网络结构完整,所以选择它作为操作系统。监护平台的界面程序是基于Qt/Embedded设计开发的,Qt/Embedded开源免费,采用Qt/Embedded开发工具,能够使在PC机上开发的应用程序在稍加修改的情况下就能够运行在基于Qt/Embedded的嵌入式平台上,应用程序具有高度的可移植性。系统的远程通信部分采用GPRS远程传输技术,GPRS技术具有传输速率高、覆盖范围广、操作简单等特点,在远程数据传输中具有独特的优势,只需要对GPRS模块进行相应的指令控制就能够实现远程通信。

2 血压测量站点设计

2.1 血压测量模块常用指令

血压测量站点由血压测量板和血压传感器两部分组成,血压测量模块为SUPER NIBP 200A,支持成人、小儿、新生儿三种病人模式,测量范围宽。 SUPER NIBP 200A通过串口与微处理器通信,接收外部命令,完成相应操作,返回系统状态和相应数据。数据格式为起始位+8 位数据位+1 位停止位,波特率设为4 800 b/s。

SUPER NIBP 200A的当前状态可由微处理器通过相应的指令进行控制。

微处理器向传感器发送的命令格式为:

<STX>ab;;cd<ETX>

其中:<STX>为ASCII码的正文起始标志,其值为02;ab为命令代码对应的ASCII码值;符号;为“;”对应的ASCII码值;cd为2 位十六进制校验和对应的ASCII码值,校验和是此前各位数值之和的低8 位,不包括<STX>;<ETX> 为ASCII码的正文结束标志,其值为03。在程序中定义一个结构体,用于存放微处理器发送的指令格式。

SUPER NIBP 200A模块测量方式有自动测量、手动测量和连续测量等,自动测量方式又可以按照周期不同进行细致划分,可设置47 条指令用于控制SUPER NIBP 200A的模块功能。部分指令如表1 所示。

2.2 血压测量流程图

血压测量站点的应用层主要完成血压数据的采集,通过对血压测量模块通信协议和指令的分析,实现血压数据的采集。血压测量流程图如图2 所示。

血压测量站点实物图如图3 所示。

2.3 血氧测量站点设计

血氧测量站点由血氧测量板和血氧传感器两部分组成,实物图如图4 所示。

血氧饱和度SPO2,即血液中血氧的浓度,是血液中被氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比,是反映血液循环系统和呼吸循环的重要参数之一。SPO2 监测是一种无创性技术通过测量所选光波波长的吸收来测定氧合血红蛋白及脉率。测量的具体方法是将指尖部位插入在指套式传感器,使其位于两个发光管和一个光探测器之间,测量时两个发光管交替发光,光探测器接收透射光信号,获取脉搏波然后通过数字处理,根据血氧饱和度的测量模型计算血氧饱和度。

血氧板能够提供快速准确的血氧饱和度和脉率的测量。血氧板通过串口与微处理器通信,数据格式为起始位+8 位数据位+1 位停止位,波特率设为4 800 b/s。血氧板将测量的数据以数据包的形式发送给微处理器,数据包为5 B格式,每秒钟发送60 个包。程序设计中定义一个结构体,用来存放血氧板发送的数据包,血氧板可以测量的生理数据有脉率和动脉血氧饱和度等。

2.4 心电测量站点设计

心电测量板集成了Zig Bee模块CC2530、Wi Fi模块和心电测量模块Mini8001 等,Zig Bee模块实现加入Zig⁃Bee协调器创建的网络。由于心电测量的数据要求实时显示,数据包大,Zig Bee已经满足不了需求,采用Wi Fi模块进行心电数据的传输。心电测量模块主要是用来测量心电数据。模拟心电信号发生器产生模拟人体心电动态信号,顺序产生P波、RS波、T波等正常人的连续心电信号。

2.4.1 心电测量原理

心电监护是检测和预防心律失常的重要手段。心律失常是一种极其常见而又非常重要的心电活动异常状态,常见的综合症状有血液循环失常、心动过缓、心动过速等,严重的甚至会猝死。心电图指的是心脏在每个心动周期中,由起搏点、心房、心室相继兴奋,伴随着心电图生物电的变化,通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化图形(ECG),心脏有节奏的收缩和舒张,使心肌产生的电激动沿着特殊的传导系统下传,产生一系列的电生理变化,通过在体表放置两个电极,获取这些电信号,两点电极之间的电位差,形成一条连续的曲线,这条连续的曲线就是ECG。一个完整的ECG波反映了心脏跳动不同阶段的状态,一般有由P波、QRS综合波、T波和U波组成。

2.4.2 心电测量模块

系统采用Mini8001 心电测量模块通过异步串行通信与微处理器进行通信,数据格式为起始位+8 位数据位+1 位停止位,波特率设为57 600 b/s。发送数据包格式如表2 所示。

基本格式说明:

(1)01H是包开始标志,之后的是数据字节,都大于0x80。

(2)高位字节包含了后面字节的最高位bit7,Bit0是ECG的bit7,Bit1 是心率低字节的bit7,Bit2 是心率高字节的bit7,Bit3 是心率STATUS的bit7,Bit4~Bit6 没有使用,Bit7 固定是1。

(3)ECG心率低字节、心率高字节,它们的Bit7 固定为1,数据的bit7 在高位字节中:

心率=心率高字节×256+心率低字节

在程序中定义一个结构体用来存储心电测量模块测量的数据。

心电测量站点程序设计主要是对Zig Bee协议栈的应用层设计,在应用层需要完成心电数据的采集和传输。心电数据是实时显示,采用Wi Fi传输。心电测量模块Mini8001 将模拟心电信号发生器产生的数据发送给Wi Fi模块。心电数据显示流程图如图5 所示。

2.5 远程监护系统界面设计

远程监护系统监护平台界面程序是基于嵌入式Linux操作系统平台,使用Qt Creator软件设计实现显示和存储数据功能。界面设计分为欢迎界面、显示界面、远程通信界面和数据库存储界面。首先进入欢迎界面,延时3 s后进入到显示界面,此时给各个测量站点上电,可以将测量的生理数据显示在界面上。进入远程通信界面,执行相应操作可将生理数据传输到远程终端,进入数据库存储界面可查看测量历史数据。显示界面显示测量的生理数据,并且提供到各个界面的跳转功能。

2.5.1 监护系统界面设计工作流程图

血氧和脉率的数据通过血氧测量站点测得,血压数据通过血压测量站点测得,这两者都是通过协调器串口传送到主控监护平台。测量的心电数据通过Wi Fi直接传送给主控监护平台,并以实时曲线的方式显示。监护系统界面设计工作流程图如图6 所示。

2.5.2 远程通信功能

远程通信界面模拟手机的基本功能,实现了对测量数据的远程发送。设置0~9 十个数字键,按下相应的按钮,就会在对应的文本框中显示相应的数字。利用信号和槽机制,按下按钮激活click()信号,执行相应的槽函数。对GPRS模块进行AT指令的控制。当按下send⁃Msg按钮时,click()信号被触发,则调用相应的槽函数gprs_send_message()。

当测量数据上传到监护平台后,在显示界面的相应位置显示出来,同时将数据存储到数据库中,方便医生和病患日后查看。系统中的数据库是针对某个病人设计的,数据存储量较小。使用数据库软件设计生成数据库文件look_history.db,并将该文件拷贝到应用程序工程中。在界面程序中,需要添加SQLITE数据库驱动,并且将数据库名称设置成需要的数据库文件名。将远程监护系统的程序在虚拟机的Fedroa14 环境下编译,将生成的可执行文件yuancheng和数据库文件look_history.db通过SD卡拷贝到开发板目录/bin,改变这两个文件的可执行权限,编写脚本文件setqt4env,配置Qt4.7 的环境变量。将此应用程序设置成开机自启动,将文件/etc/init.d/rc S中的/bin/qtopia &替换成需要执行的程序。这样,每次开机,程序就会自动执行并进入到远程监护系统的欢迎界面。搭建好远程监护系统,系统上电,各测量站点和协调器上电,等待几秒,待Zig Bee组网成功后,依次按下各测量站点的测量按键进行测量,每个站点测量完成后将数据发送给协调器,如果此时点击“远程通信”按钮,进入远程通信界面如图7 所示。

远程通信界面中短信编辑区可以显示测量数据,在电话号码编辑区输入手机号,点击“send Msg”按钮,将测量信息发送出去,或者点击“call”按钮,建立通话连接。如果点击“历史记录”按钮,进入数据库界面,发现已经将测量的数据存入了数据库中如图8 所示。

3 结语

远程监护系统的设计研究具有十分重要的意义。对患者的生理参数可以进行实时监测,并通过无线网络将数据传送至主控监护平台,主控监护平台对数据进行实时处理和分析。通过主控监护平台的显示屏随时了解健康状况。远程监护借助于ARM处理器、传感技术和现代无线通信技术,是一种体积小、功耗低、实时安全的便携式人体健康参数无线监测系统。对正常人的生理参数进行监护,可以评估个人的健康状况,适时调整生活习惯,从而达到预防疾病的目的。

摘要：文中阐述远程监护系统总体方案,描述远程监护系统节点结构图和节点组网功能。说明血压测量站点设计、血压测量模块命令和血压测量流程图,并进行血氧测量站点和心电测量站点设计。以S5PV210为核心的Tiny210嵌入式平台,采用Linux操作系统,基于Qt Creator软件进行远程监护系统界面设计。将测量的生理数据显示在界面上。ZigBee网络能够接收并传递测量的生理数据,监护平台的图形界面能够正常显示接收的生理数据,实现对心电数据的实时曲线的绘制,并且能够实现数据的存储和远程通信的功能。

关键词：血压测量,心电图,ZigBee网络,远程通信,嵌入式系统

参考文献

[1]王惠中,许正海,李春霞.面向智能家庭的远程健康监护系统发展[J].电气自动化,2008,30(6):4-7.

[2]MATOS Andre Cigarro,LOURENCO Andre,NASCIMENTO Jose.Embedded system for individual recognition based on ECG biometrics[J].Procedia technology,2014(17):265-272.

[3]MALHI Karandeep,MUKHOPADHYAY Subhas Chandra,SCHNEPPER Julia,et al.A Zigbee-based wearable physiological parameters monitoring system[J].IEEE sensors journal,2012,12(3):423-425.

[4]李亚军.远程医疗在国内的应用和发展[J].医学信息(西安上半月),2006,19(1):39-40.

[5]牟岚,金新政.远程医疗发展现状综述[J].卫生软科学,2012,26(6):506-509.

[6]刘坚强,王永才.基于示波法的电子血压计系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(4):62-65.