社区监护系统（共7篇）
社区监护系统 篇1
随着社会老龄化的日益加剧, 对老年人健康的关心已经成为重要的社会问题。另外, 一些突发性疾病和家庭保健, 如心血管疾病、孕妇、胎儿、婴儿、幼儿的保健也需要长期的家庭监护。所以, 研究基于公用网络的家庭医疗监护, 建立小区医疗网络, 从而组成一个医院护理系统网络, 不仅可以增加病人的安全性和改善人们的生活质量, 还能使医院更有效地提高管理人员、医生和护士的工作效率, 协调相关部门有序工作。
在某些情况下, 使用有线方式的监护系统的实施成本将远远超过购买监护设备所花费的费用。例如, 在一个多社区医疗监护网络中, 把实时监护病人的生理参数传输到远程监控中心及所有数据的远程备份, 都是一笔庞大的开支, 维护成本更是惊人。虽然引入无线监护网络, 可以解决一些问题, 但基于蓝牙、GPRS等技术的社区医疗监护系统存在相应的不足之处, 如无线辐射的安全性、无线终端的快速移动、无缝漫游和无线网络成本等等。
Zig Bee技术的出现为传感器信号的无线传输提供了新的解决方案。Zig Bee节点有几十米的覆盖范围, 且可以增加路由节点, 扩展覆盖范围, 另外它还具无线辐射小、传输数据安全和成本低等优点, 因此适用于家庭住宅。同时由于生理监护信号的数据传输流量不大, 传输速率为250kbit/s的Zig Bee能够满足生理数据传输要求。Zig Bee传感节点可自由灵活地加入和离开网络, 具有低功耗和低成本的特点。此外, 电力线具有高速 (骨干网速度已经达到了上百Gbit/s) 、以电力输电线路作为传输载体 (目前我国拥有全世界长度排名第二的电力输电线路) 等优点, 并且电力线载波通信被国外传媒喻为“未被挖掘的金山”。我们可以看到, 如果把Zig Bee和PLC技术有机的结合起来, 它不仅弥补现有社区医疗监护系统的一些弊端, 缓解了居民对医疗监护的需求, 还很符合并不富裕的中国。
社区监护系统的总体构架
该社区监护系统主要分为三部分, 如图1所示。第一部分由若干个基于Zig Bee无线网络的家庭监护单元组成, 其中, 无线通讯节点根据功能不同分为:无线传感器节点和PAN协调节点, 无线传感器节点具有用户随身携带和可移动性的特征, 主要负责采集人体的重要生理参数;而PAN协调节点主要负责收集重要生理参数, 并通过第二部分, 也就是电力线网络部分将这些参数发送到监护中心 (即第三部分) , 这样, 由专业的医护人员来实现对数据的统计和观察, 提供相关医疗咨询和服务, 达到远程医疗的目的。
社区监护系统的硬件结构分为:无线传感器节点、PAN协调节点 (包括射频通信模块和电力线传输模块) 和监护中心。系统的结构示意图如图2所示。
社区监护系统的硬件设计
Zig Bee传感节点的硬件设计
基于Zig Bee无线网络的家庭监护单元由于应用环境主要是家庭, 网络覆盖范围小, 因此可直接采用星型拓扑结构, 即网络主要由3~5个传感器节点, 即RFD节点 (Reduce Function Device, 简称RFD) 和一个主节点, 即FFD节点 (Full Function Device) 组成。虽然RFD节点和FFD节点实现具体功能的不同, 但为了增加通用性和方便维护, 传感器节点的基本电路相同。本文采用Freescale公司推出符合Zig Bee标准的MC13192射频芯片。由于MC13192的射频信号采用差分方图3调制解调器硬件框图式, 而倒F型天线为单端天线, 所以在芯片和天线之间使用巴伦电路, 以达到最佳收发效果。本方案使用了巴伦电路专用芯片LDB212G4020C。UPG2012TK是射频开关, 工作频率为0.5~2.5GHz, 具有非常低的介入损耗和很高的隔离性能;封装形式为6引脚的短引脚小型贴片封装, 可减小电路板占用面积。
另外, 由于TI MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器, 其中包括一系列器件, 针对不同的应用而由不同的模块组成。这些微控制器可用电池供电, 而且使用时间长。具有16位RISC结构, CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率;灵活的时钟源可以使器件达到最低的功耗;数字控制的振荡器 (DCO) 可使器件从低功耗模式迅速唤醒, 在少于6s的时间内激活到活跃的工作方式。是一种低功耗类型的单片机, 特别适合于电池应用的场合或手持设备。其中, MSP430F449单片机内部集成了60k B FLASH存储模块, 2k B RAM, 6个I/O端口以及12位高精度模数转换模块ADC12等。较小的封装和极低的功耗使其可以理想地与MC13192结合, 作为基于Zig Bee技术的无线传感器网络节点。
MSP430F449和MC13192通过SPI总线连接。MSP430F449的SPI接口工作在主机模式, 是数据传输的控制方;MSP430F449设为从机模式。MSP430F449通过4线SPI接口对MC13192的内部寄存器进行读写操作, 从而完成对MC13192的控制以及数据通信。
电力线调制解调器
力合微电子具有电力线通信与控制基于多载波快速跳频的专利技术, 专门针对国内电网环境而设计, 具有较好的抗干扰性能, 实现电力线可靠数据传输与控制。其专用芯片LME2200使用灵活、方便, 为各种电力线通信与控制应用提供了一款优化的芯片方案。因此本文采用了LME2200芯片, 调制解调器的硬件框图如图3所示。
该电路由信号发送电路、信号接收电路和过零检测电路等组成, 基本电路如图4所示。
从图4可以看出, 发送电路由一个低通滤波器和一个功放构成。低通滤波器的作用是滤除高频信号成分并平滑DAC输出信号的波形, 功率放大器 (PA) 的输出通过一个耦合变压器连接到电力线上, 滤波器的带宽由使用的载波频率所决定。对功率放大器的要求是经过变压器后在2~100欧姆的阻抗下获得1-2Vrms的信号电平。另外, LME2200C支持半双工工作模式。当发送时 (TX_BUSY低电平) 用于打开功放, 而在接收时 (TX_BUSY为高电平) 关闭功放以提高接收阻抗。而在接收通路中, 经耦合变压器获得的信号送片内放大器放大, 然后经片外带通滤波器后送芯片RXIN输入端, 由片内接收机完成数据包的接收。过零检测电路输出一个方波信号, 它的上升沿在工频信号的过零处, 此信号被用作LME2200C的SYNC同步输入, 并作为收发同步的基准。
软件设计
①Zig Bee传感节点的软件设计
Zig Bee传感节点主要负责采集被监护人的生理数据, 并将这些数据传送给协调器, 同时, 接收来自协调器的相关指令, 并根据这些指令进行相关操作 (包括自动发送生理参数命令以及提示按时服药等命令) 。当没有执行相关指令时, 转入休眠模式, 节点功耗降到最低。Zig Bee传感节点的软件流程如图5所示。
②PAN协调节点的软件设计
PAN协调节点作为整个网络中唯一的协调器, 按功能可分为两个部分, 网络维护功能和数据传输功能。网络维护方面主要是负责组建Zig Bee网络、分配网络地址及维护绑定表。
数据传输方面主要转发监护中心对Zig Bee传感节点的命令, 以及定时要求地Zig Bee传感节点将生理数据发送数据给它, 并转发到监护中心。P A N协调节点基本流程, 如图6所示。
③监护中心软件设计
由于本系统还处于实验阶段, 所示只是把监护中心软件作为性能测试的演示系统。只是采用VC++6.0对该系统用户界面和数据库部分进行编程, 它采用循环轮询的方式显示各个监护终端设备发来的生理参数, 主界面如图7所示。
结语
社区监护系统在小规模实验中的调试结果表明:该系统能够准确地实现家庭医疗监护功能, 通信质量可靠稳定, 抗干扰能力强, 功耗小, 成本低, 个人监护终端设备体积小巧。在实验室内, 网络协调设备和个人监护终端设备之间的距离可达70m, 并且满足数据传输的实时性、高效性的要求。本文社区监护系统的实现, 为社区监护系统的研究和发展提供了实验平台, 也为其发展奠定了一定的基础。
摘要：本文介绍了一种用于社区医疗监护的有线无线一体化网络。该网络基于ZigBee和PLC技术, 由各无线传感器节点采集人体生理信息, 并将信息通过有线无线一体化网络发送至医疗监护中心。经实验证明, 该网络具有结构简单、稳定性强、易扩展的优点, 可以广泛应用到家庭监护中去, 构建家庭、社区的远程医疗监护系统。
关键词：社区监护系统,ZigBee,电力线通信
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社区监护系统 篇2
关键词：社区医院,物联网技术,远程监护,心血管患者
引言
心血管疾病已经成为全球人民共同关注的焦点问题。心血管疾病已经成为威胁人类健康和生命的主要杀手。心血管疾病具有突发性、危险性的特点, 所以对患者进行日常的监测和管理非常重要。因此, 将物联网技术引入到心血管患者的远程信息化监控与管理, 可以实现其管理的信息化。针对心血管患者的监护需求, 设计本系统指导社区医疗人员的日常监护工作。
1 系统总体结构设计
由于家庭病房监护系统需要对患者的进行长期监护, 并积累这些长期的监护数据, 本系统总体结构主要包括社区服务器管理软件、监护设备数据传输模块、远程监护终端、中心服务器, 如图1所示。
数据传输模块:实时采集心血管疾病患者的主要生理参数, 同时绘制相应的波形图, 包括心冲击图、脉搏波、呼吸波等;并发送至本社区的数据库系统。
数据管理模块:服务器收到发送过来的数据以后, 使用管理软件对数据进行解析, 并在相应的管理目录下存放解析结果, 最后将更新数据提交至数据库, 对系统数据库进行更新。
数据库:数据库保存着整个系统的数据信息, 包括医生、社区、患者的基本信息等。
远程终端:满足各类用户的不同需求。例如, 医生通过工作站软件, 可以查看心血管疾病患者的相关数据, 分析、诊断心血管疾病患者的病情, 据此提出反馈信息;而心血管疾病患者则可以通过客户端来查看自己的留言和体征报告等。
2 社区医院病房监护网络数据传输流程
终端设备实时采集心血管疾病患者的生理数据, 借助Socket通信技术, 将数据传输至服务器, 从而保证数据的实时性;而医生则可以利用客户端从社区服务器上下载最新的数据, 此时社区服务器发挥数据中转的功能。优点是可以大大减轻中央服务器的网络负担, 并避免终端设备直接处理客户端数据请求的事件发生。图2为系统的数据传输流程框图。
3 结论与展望
基于物联网技术的心血管患者远程监护系统的设计与应用推广, 能够实现对心血管患者远程的全天侯监视, 可以实现对心血管患者情况的追踪, 并根据专家系统的诊断意见, 进行早期的干预, 减少心血管疾病的发生, 提高生活水平与生活质量。
参考文献
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一种无线社区医疗监护网络的设计 篇3
随着我国医疗保障体系的健全和完善,以及人口老龄化进程的加快,低成本、智能化的医疗工程建设倍受关注。基于智能无线通信网络技术的监护系统,可部署在医院、养老院和社区保健所等环境中,具有成本低、安装维护方便、安全可靠和易扩展等优点,可显著提升医疗监护的效率和质量;该系统也可应用于我国西部山区等交通不便和缺医少药地区。从技术发展的角度来看,医疗产品的数字化、无线化、网络化是发展趋势,便携式、移动式,具有无线组网功能的监护产品将成为未来市场的主流。
针对传统路由算法网络能量负载不均衡、节点死亡较早的不足之处,根据改进的MHDC-LEACH算法设计一种部署在居民社区、小区等人口聚集地的医疗监护无线传感器网络,对中老年慢性病人以及孕妇的生理参数进行跟踪,长期收集这些数据并定时发送到医院监护中心,以便及早地发现病症,帮助患者及时治疗。
1 系统总体结构
如图1所示,医疗监测无线传感器网络系统由医疗监护传感器节点、路由汇聚节点、Sink节点和小区监护基站等组成。以楼房为单位,在每栋楼房设立一个独立的子网络,监护节点对被监测对象的生理指标数据进行实时采集。通过ISM频段2.4 GHz无线ZigBee网络将数据发送至每栋楼的汇聚节点,再由汇聚节点发送至小区基站Sink节点,基站PC将数据存储并通过Internet发送至医院等医疗机构,实现远程观测与诊断。
2基于多跳分簇路由算法设计
2.1无线数据传输能量模型
现有的无线传感器网络大部分由于QoS的要求而存在能耗方面的局限性,本系统中WSN节点为可穿戴式,无法频繁更换电源,故节能成为设计时重点考虑因素。路由算法的设计与信道损耗模型密切相关。根据一阶无线电模型分析可知发射电路的发射能量,功率放大器消耗的能量,以及接收电路接收信号的能量,路径损耗指数因传播距离远近而不同,满足以下条件:
ETransmit(k,d)=ETrans-elect(k)+ETrans-amplify(k,d)=
kEelect+kcfree-spaced2(d<d0)=
kEelect+kcmulti-pathd4(d>d0),
式中,Eelect为每比特数据在发送和接收电路中的能耗,Cfree-space为自由空间传输参数,Cmulti-path为多径效应传输参数,d表示发射机与接收机之间的距离,d0为一个距离常数,其值为
2.2传统分簇多跳路由协议与算法的缺陷
经典的LEACH算法节能的主要方式是减少WSN节点与基站通信的次数,并运用数据融合减少数据冗余,以“轮”为工作周期,每轮选择新的簇头,让节点均衡分担网络中的能耗。该算法选举簇头的过程是:节点任意产生一个0～1之间的随机数,若当前轮中这个数值小于设定的阈值T(n),则该节点当选为簇头节点。T(n)计算公式为:
LEACH(LEACH-C)是一种集中式的簇头选择算法,不同于LEACH分布式随机选择簇头的方式,它要求只有能量高于网络平均剩余能量的节点才有可能当选为簇头。LEACH-C通过每个节点与BS直接通信以汇报自己的位置和能量信息的方式,来评估网络剩余能量的平均值和优化簇头的选择,BS根据每个节点发送来的信息来选择簇头,这样使得每个区域内的节点数大致相同,实现负载均衡,因而LEACH-C的性能要优于LEACH,这个过程需要消耗较多的通信能量,但却延长了网络中第1个节点死亡的时间,因而延长了网络的生命周期。
LEACH与LEACH-C算法的不足之处是二者都是针对密度分布均匀的理想网络,若节点分布不均匀,密度大的簇消耗能量较多,节点会过早死亡,影响区域通信的路由,缩短了整个网络的生命周期。
传统多跳平面路由算法中,WSN节点采集的数据以多跳方式传送到基站,距离基站较近的节点常处于通信状态,能量会很快耗尽并死亡。将监测区域内的节点分布理想化为线性网络模型,当位于距离基站半径为nr的节点向基站发送数据时,直接通信的网络总能耗为:
Edirect-comm.=ETrans(l,nr)=ETrans-amplify(l,nr),
若采用多跳传输时,网络总能耗为:
Emulti-hop=nETrans-elect(l)+(n-1)EReceive-elect(l)+
nETrans-amplify(l,r),
本系统中WSN节点穿戴于被监护者身上,距离一般较近,采用传统多跳算法减少了通信能量,却有可能增加电路能量消耗。
3 路由算法改进与分析
在传统LEACH算法中,Cluster-Head节点选择全网范围内剩余能量大于自己的节点作为自己的下一跳路由节点,若网络覆盖区域较大,因WSN节点的通信能力有限而很难实现,针对传统算法的不足之处,考虑到WSN节点的能耗和全网负载的能量均衡,从WSN节点所处区域、剩余能量和路由中继的角度出发,提出一种基于分簇多跳的改进算法MHDC-LEACH。在MHDC-LEACH算法中,由基站广播给特定区域的节点它的可选下一跳路由,并且一般情况下下一跳路由节点在紧邻的区域内,簇头节点和它的下一跳节点不超过自己的通信范围,易于实现。实验证明,MHDC-LEACH相比LEACH和LEACH-M节约网络能量,均衡网络负载,延长网络的生命周期。
3.1最优簇头的选举
和LEACH算法一样,MHDC-LEACH算法按轮运行,每轮分为设置阶段和稳定工作阶段。建立阶段包括最优簇头选举和区域划分,簇头的选取是划分成簇区域的前提条件,假设监测矩形区域内有n个节点,总能量为Etotal,因而节点初始平均能量为Etotal/n,系统启动后,基站首先向WSN节点覆盖区域广播自己的位置坐标(BSx,BSy),位于坐标(x,y)处的任意一个节点计算它和BS的距离
节点发送k比特数据消耗的能量为:
ETransmit(k,d)i=kEelect+kcfree-spaced2=
kEelect+kcfree-spacedi[(BSx-x)2+
(BSy-y)2](d<d0),
将LEACH的T(n)公式进行改进,在簇头节点选举算法中引入关键参数Eresidual,该参数重点考虑节点离基站距离远近、节点剩余能量与网络平均剩余能量的对比,以及节点能量消耗的快慢,参数Eresidual的值为:
式中,Eresidual(t)i表示节点i在t时刻的剩余能量,
T(n)MHDC-LEACH={
式中,p是簇头占所有节点的百分比,即当选为簇头的概率,r是当前循环进行到的轮数,G是最近1/p轮中还未当选过簇头的节点的集合。从该公式中可以看出,当选过簇头的节点在接下来的1/p轮循环中将不能成为簇头,剩余节点当选簇头的阈值T(n)MHDC-LEACH增大,节点产生小于T(n)MHDC-LEACH的随机数的概率随之增大,所以节点当选簇头的概率增大,p值决定了每轮产生的候选簇头的数量。
3.2成簇区域划分
簇头选举完成后,每个簇头向各自的周围区域广播自己成为簇头的消息,周围节点以就近原则划分区域,形成一个个簇,此后簇头节点定时(周期性进入睡眠低功耗模式,由数据唤醒)接收成员节点发送来的数据,进行数据融合,并发送到基站Sink节点,如图3所示。
3.3最佳路由选择
在分簇区域形成后,进入稳定阶段,即进行数据传输的阶段,节点按照簇头分配的时间帧在各自的TDMA时隙下发送数据,如何确定数据传输的最佳路由成为问题考虑的重点。
在每个成簇区域,对所有节点进行树形分组,T1为父节点区域,T3、T4为其一级子节点,T2为另一父节点区域,T5、T6为其子节点,此后区域可依次分类,如图4所示。
起始时刻,T1与T2相互通信,交换位置坐标信息(Tix,Tiy)和剩余能量信息Eremaining energy(i),并比较
4软件设计与测试结果
在不同面积小区范围内进行了网络生命周期实验与软件仿真。与LEACH和LEACH-C相比,在监测区域为200×200 m时,MHDC-LEACH在200轮以后死亡节点的个数减少,在均衡网络负载和延迟网络生命周期上有一定优势;当网络覆盖区域增大到500×500 m时,该算法的优势更为明显。数据点的计算机拟合图像如图5和图6所示。
考虑到本实验所监测的居民小区的患者人数不是很多,为了降低成本,不宜使用SQL等大中型数据库存储患者数据,故本系统采用VB+access开发小型数据库管理系统。
5结束语
通过在某老年人及慢性病人较为集中的居民小区实验测试,该系统较为精确地监测了病人的生理数据,并及时通过zigbee网络发送到PC基站,不足之处是基站PC的管理系统需要管理员及时操作,发现报警数据并及时、定期地将数据发送到医疗监护中心;未来的产品并将向更加智能化的方向发展。
摘要：临床护理中的很多医疗监护设备,需要实时采集病人的血压、心电、血氧和体温等指标,但这些设备一般存在体积大、耗电高、设备固定以及接线繁多等缺点。设计了一种部署在居民社区、小区的无线传感器网络,并提出一种MHDC-LEACH(改进的多跳分簇路由)算法。仿真结果表明,与传统的LEACH算法相比,该算法可减少网络中节点与基站通信的次数,均衡网络负载,优化数据传输路由,延长网络的生命周期,有效减少死亡节点个数。当网络覆盖区域增大时,最多可节约网络能量约20%。
关键词：无线传感器网络,多跳分簇路由算法,生命周期,死亡节点
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社区监护系统 篇4
随着医疗事业的发展,远程医疗服务系统将成为医疗器械的一个重要发展方向。远程胎心监护系统需要管理和维护大量胎心数据,如何有效管理胎心数据是远程胎心监护系统的一个关键问题。本文主要介绍一种基于单片机和GSM的远程胎心监护系统监护中心软件的设计。
1. 系统构成及工作原理
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,胎心检测装置用于胎心数据采集、处理、显示与发送;医院监护中心通过GSM网络实时收到胎心数据,产科医生将诊断结果通过GSM网络及时反馈给孕妇。系统结构如图1所示。
2. 监护中心的软件设计
监护中心的软件是在VC++6.0环境下开发的。主要功能为:胎心数据的接收、保存、显示,与硬件的通讯,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。具体监护中心的软件设计流程如图2所示。
2.1 数据的串口通讯
主要实现上位机与下位机的数据传输功能。在数据的串口通讯中调用ActiveX控件中的MSComm控件。添加控件后对其初始化,设定通讯协议等内容。
2.2 胎心数据接收
胎心检测装置采集的胎心数据通过GSM网络经RS232串行口存入医院监护中心数据库中。数据在串口通讯中调用ActiveX控件中的MSComm控件来完成数据的传输。数据接收过程在接收完全部数据后一次性将所有数据存盘,减少了接收过程中的存盘操作,加快了数据的传输。数据以明细表的方式存放,即接收一次数据只产生一条记录,减少了文件数量,易于管理。
数据接收会自动调用OnComm()函数,接收消息的处理放在OnComm()函数中。
2.3 医生诊断信息反馈
医生诊断信息反馈是串口通讯的应用之一,下面介绍其编程思路及方法。
在对话框中添加“检查结果发送”按钮,双击按钮添加函数:
关闭串口并调出需要反馈用户的手机号码填写对话框,如图3所示。
当监护中心接收到信息时,会反馈一串字符。其中成功时,字符串中有“>”符号,失败时则没有。当接收胎心检测装置发来的字符串中带有“>”时,便关闭串口和对话框,进入检查结果编辑对话框,如图4所示。
监护中心信息发送成功时返回“OK”等字符,发送失败时会返回“ERROR”字符。
监护中心发送信息后返回主页面继续接收胎心检测装置的胎心数据。
2.4 监护中心数据库设计
监护中心数据库是通过引入ADO库文件、初始化OLE/COM库环境和List Control、连接相应的数据表、调用ActiveX控件中的Microsoft ADO Data Control和Microsoft DataGrid Control控件对数据动态操作、数据的查询、释放程序占用的COM资源等方法来实现的。
2.4.1 引入库文件
监护中心数据库引入了ADO库文件。使用ADO库之前必须在工程的stdafx.h头文件里用直接引入符号#import引入ADO库文件,以使编译器能正确编译。
2.4.2 初始化
ADO库是一组COM动态库,应用程序在调用ADO前,必须初始化OLE/COM库环境。在MFC应用程序里,是在应用程序主类的Init Instance成员函数里初始化OLE/COM库环境。list表格显示数据时需要对list控件进行初始化。
2.4.3 连接数据表
打开数据库中的相应的数据表,将记录集指针指向该表即可。
2.4.4 数据动态操作
对数据库中的数据动态操作时,直接调用ActiveX控件即可。
Microsoft ADO Data Control控件作用是连接数据库。
Microsoft DataGrid Control控件通过调用Microsoft ADO Data Control控件的ID显示连接的数据库内容。
2.4.5 数据的查询
数据查询时通过记录集指针逐层打开即可找到要查询内容,调用SQL语句。
2.4.6 释放COM资源
最后还要在ExitInstance()中编写代码释放程序占用的COM资源。
即可完成监护中心数据库设计。
3. 软件实例
监护中心软件设计完成后,我们采用实时胎心数据进行了测试。该系统数据显示、管理员登陆、添加/删除用户、用户信息查询、医生诊断、数据操作等各项功能运行稳定,并获得了比较满意的测试结果。具体监护中心操作、诊断信息发送地址及检查结果发送界面如图5、图6、图7所示。
4. 结束语
GSM网络与单片机结合构成远程胎心监护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。该远程胎心监护系统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、交通阻塞和地区偏远等情况下,远程胎心监护系统给孕妇带来极大的方便与安全。
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连接监护系统和呼吸机 篇5
目前, 医疗机构对实现医疗设备的连接需求日益增加, 尤其对于实现呼吸机到生理监护系统的连接感兴趣, 很大程度上是由于呼吸机是性命攸关的设备。这种连接可以将呼吸机的本机警报传送到生理监护系统中心站以及辅助警报设备 (例如:寻呼机) , 从而改善警报管理能力。这样可以使临床医生不必在呼吸机警报声响范围内就可以对发出警报的呼吸机迅速做出处理。通过连接, 临床医生也可以在中心站监测呼吸机的警报限值、测量数值以及波形。这样也可以将病人的数据从呼吸机传送到电子病历 (Electronic Medical Record, 简称EMR) ;请参考2页方框内的信息。通过远程获取警报和病人数据, 临床医生可以根据病人需求更好地安排不同优先次序的反应。
但是, 要在不发生问题的情况下实现不同系统的连接绝非易事。为了了解现有的呼吸机-监护系统连接技术, 我们测试了7款生理监护系统和2款呼吸机的连接。虽然我们的测试只是覆盖了市场上的部分系统和设备, 我们认为这足以很好地反映该技术的现况。
我们发现大多数连接并未达到预期功能, 尤其在警报方面。在我们所测试的许多监护系统-呼吸机组合中, 我们最关心的是中心站未能与一个或多个高优先级呼吸机警报明确通讯。1在一个设备连接配对中, 中心站未能对高优先级呼吸机警报发出任何警报反应。在其他设备连接配对中, 有些警报发出了, 但是中心站的警报信息没有明显区别特征, 没有准确表明风险程度。
我们测试的监护系统中, 有很多监护系统所发出的呼吸机警报比呼吸机本身的警报级别低, 有些系统将许多高优先级呼吸机警报作为中优先级处理。其他系统则不受呼吸机警报的优先级支配, 将所有的呼吸机警报设置为单一的优先级。只有在一个系统中, 中心站的警报准确地反映了呼吸机的警报, 包括警报级别的提升 (即在超出设定时间后自动将警报由中优先级提高到高优先级) 。由于临床医生在紧急情况下需要根据警报优先级进行恰当的分类处理, 如果中心站显示错误的警报级别, 可能会增加病人所面临的风险。
1 设备之间的警报通讯情况如何?
有些情况下, 当呼吸机与床边监护仪连接断开时, 中心站的生理监护系统却没有出现视觉或者听觉警报。而且, 连接监护系统和呼吸机的许多组件容易意外断开。如果连接断开却没有发出警报, 临床医生可能不会意识到监护系统不能够再远程发出呼吸机警报了。
此外, 监护系统显示呼吸机其他数据时也会出现混乱的状况, 虽然这一点与呼吸机警报事件相比不是那么引人注意。例如:我们用于测试的两款呼吸机中, 有一款的波形没有任何一种监护系统能够显示出来, 有些系统则不能显示两款呼吸机中任何一款的波形。此外, 有一套系统不能在中心站显示屏上显示呼吸机的重要数值。
上述问题说明, 若要实现可靠而安全的信息集成, 医疗设备的连接技术仍然有很长的路要走。因此, 对于医院来说, 了解他们计划要集成 (或者已经集成) 的众多系统, 在警报和其他数据交换方面的表现, 以及这种交换对于潜在临床影响的限制等, 具有重要意义。本文可以帮助你实现以下目标:我们不仅分享了测试系统的评测, 而且也提供了一份检查单以帮助你测试你现有的监护系统-呼吸机组合, 这是保障病人安全的一个必要步骤。
我们测试了下列生理监护系统:德尔格公司 (Draeger) Infinity Delta XL床边监护仪和Infinity中心站;通用电气 (GE) Carescape B850床边监护仪和Carescape CIC Pro中心站;通用电气 (GE) Dash 5000床边监护仪和Carescape CIC Pro中心站;日本光电 (Nihon Kohden) BSM 6700床边监护仪和CNS-9701A中心站;飞利浦 (Philips) MX800床边监护仪和M3155中心站;太空实验室医疗公司 (Spacelabs) SL2900床边监护仪和Ultraview SL3900中心站;太空实验室医疗公司 (Spacelabs) Xprezzon床边监护仪和Ultraview SL3900中心站。
每一款监护系统都是用下列型号的呼吸机进行测试:柯惠医疗公司 (Covidien) Puritan Bennett 840 (软件版本4-070212-85-AE) ;德尔格公司 (Draeger) Evita XL (软件版本07.02)
集成监护系统和电子病历
将呼吸机连接到生理监护系统上, 除了能够将警报和其他信息传输到中心站之外, 还能够方便地将病人的数据信息流传送到电子病历上。虽然集成监护系统和电子病历仍处于早期阶段, 但医院对这样做可能带来的好处越来越感兴趣。例如:这样可以减少手工填写文件的需要, 从而提高效率, 降低错误率。这样也有助于建立电子健康档案系统 (Electronic Health Record, 简称EHR) , 因为电子健康档案依赖于电子病历的准确性和完整性。《经济与临床医疗信息技术法案》 (Health Information Technology for Economic and Clinical Health, 简称HITECH) 规定了医疗服务提供商加速制定电子健康档案所能享受到的特定优惠政策。
我们相信生理监护系统能否将数据传输到电子病历至关重要。本文中提到的所有监护系统供应商都声称, 他们的系统能够将呼吸机数据 (例如:呼吸机设置, 警报, 病人数据等) 传输到电子病历。然而, 通过测试确认这一点超出我们的评测范围之外。
如果你想要查找集成不同种类的医疗设备至电子病历的指导文章, 或者对于5个供应商的集成解决方案的描述, 请参阅Health Device 2012年4月份的文章《医疗设备和电子病历的联网》。
2 连接步骤
2.1 系统设置
若要实现呼吸机和生理监护系统的有效连接, 需要呼吸机和监护系统供应商的共同努力。一套连接方案包含电缆和额外的零部件, 这些需要由监护系统供应商提供, 用来将呼吸机连接到床边监护仪。连接方案通过呼吸机端口连接 (一般是RS232端口) , 数据则通过该端口输出。连接所需的线路和软件一般包含在电缆组件内, 或者与床边监护仪相连的模块内。
如果要从呼吸机输出数据, 其通讯设置应该符合监护系统供应商的要求。呼吸机信息从床边监护仪传送到中心站, 其传送方式与传送其他床边监护仪信息类似。根据监护系统的设计及配置, 呼吸机数值和波形能够在床边监护仪和/或中心站显示, 警报可以在这些设备上发出, 也可以传送到远程警报设备和/或其他信息系统 (例如:电子病历) 。
2.2 管理线路, 设置和更新
连接方案的电缆, 接线盒以及其他组件不仅专用于特定监护系统, 而且只能用于特定型号呼吸机或产品线 (例如:如果换成其他型号的呼吸机, 那么组件也要相应地更换) 。因此, 这些物品应该做好储备以应不时之需。然而, 在设备不使用时, 仍然让电缆连接在设备上 (尤其是呼吸机上) , 有可能发生连接器损坏和/或连接断开情况 (请参见第3页方框内容) 。这些附件的查找和使用非常困难, 尤其在监护病房使用不同型号呼吸机的情况下。
即使是正确的连接方案, 呼吸机上的通讯设置也要根据不同的监护系统做出不同设置。在呼吸机和监护系统间建立连接时, 临床工程师应该随时掌握正确的布线和通讯设置, 否则, 呼吸机数据可能就无法传送到监护系统。
临床工程师必须对管理情况的变化保持警觉, 尤其是随时掌握呼吸机和监控系统的软件更新情况。任何软件更新都可能对连接性能产生潜在的干扰。同时使用多款监护系统和/或呼吸机可能会增加管理流程的复杂性, 甚至无法管理。
3 如何评测现有系统
3.1 评测标准
下面我们列出了实现安全有效连接所需的重要系统特性。我们使用这些特性来评测了本文中涉及到的系统。除了最后一项 (显示数值及波形) , 这些特征都是警报管理不可缺或的部分, 因此对病人的安全十分重要。
3.1.1 确保床边监护仪-呼吸机的安全连接
如果呼吸机和床边监护仪连接断开, 则会造成中心站的呼吸机警报和数据通讯中断, 并可能延误临床响应。因此, 监护系统必须具有以下基本功能:任何连接断开都会触发的高优先级警报 (包括持续的声响警报) ;使用安全可靠的连接器以降低断开连接的可能性。
3.1.2 呼吸机警报的系统识别
当病人状况或呼吸机状态发生具有潜在危险的变化时, 为了及时通知临床医生:中心站应接收并发布所有呼吸机警报;在多床位模式下, 中心站应该能识别发出呼吸机警报的相关床位。
3.1.3 警报特征描述
如前所述, 如果未能发出恰当的警报, 则会引起混乱或被忽略, 导致处理延缓或未能根据警报状况进行处理。因此, 中心站应提供文字信息, 清楚表明警报原因, 并伴有持续的声响警报。警报可以是周期性的声响, 但必须是非自行中断的 (除非经过确认、关闭、自修正或者被用户修正) 。
3.1.4 匹配警报优先级
如前所述, 管理多床位病人时, 临床医生需要根据警报优先级首先对高级别警报进行处理。如果高优先级呼吸机警报在传送到中心站后变成低优先级警报, 有可能会延缓对危及生命情况的处理。因此:监护系统的警报优先级应准确反映呼吸机的警报优先级, 呼吸机警报级别提高也要能反映出来。如果监护系统和高优先级呼吸机警报的优先级不匹配, 则系统应默认为高优先级警报, 以确保值班临床医生能够迅速处理 (然而, 这并非理想的解决方案, 因为如果系统将技术级或中级呼吸机警报作为高级警报发出, 就会增加误报的数量和频率。更理想的方案是系统与呼吸机所用的优先级方案一致) 。
3.1.5 禁止远程改变呼吸机设置
系统应禁止用户从床边监护仪或中心站调整呼吸机警报设置或参数。呼吸机警报应只能从呼吸机上调整设置。这样可以使在病人安全范围之外错误改变呼吸机设置的机率降到最低, 尤其是可以避免用户看不到病人对于设置调整的反应就进行调整的情况。
3.1.6 警报停响功能
系统应该:允许在床边监护仪和中心站停响远程呼吸机报警。确保呼吸机本身警报未被停响 (只能在呼吸机旁边才可停响呼吸机警报, 这样可以确保临床医生在停响警报前能够实地观察病人和呼吸机情况) 。如果呼吸机警报持续的话, 远程警报在停响一段时间后 (例如:2分钟) 应恢复警报。
3.1.7 显示数值和波形
为了提高使用呼吸机病人状况的中心监护功能:系统应能在中心站显示病人测量值 (数值) 、气道压和流量波形。如果也能够显示呼吸机警报范围则更有优势 (虽然我们所测试的这些系统几乎没有一个能做到这点) 。显示的数据应该与呼吸机的术语 (或符号) 以及测量单位一致。呼吸机信息不应在监护显示器上全部显示。由于没有足够大的显示器空间, 没有必要在中心站多床位视图中显示所有信息, 尤其是正在监护多个病人的情况下。只在单床位视图中显示这些信息就足够了。床边监护仪也应该显示呼吸机数值和波形, 这对于床边监护仪显示器和呼吸机分开放置的情况 (例如:当病人在一个单独房间的时候) , 有一定优势。
注意连接器损坏及连接断开的风险
我们测试的许多连接方案中, 连接器都是连接到呼吸机的RS232端口。这些连接器使用螺钉以提高连接的安全性;但是, 如果用户没有上紧螺钉, 这种设计就会容易使连接断开。有些供应商表示, 用于连接到呼吸机RS232端口的连接器一旦固定, 就不用再费心了。但是, 由于这些组件会悬挂在呼吸机后面, 用户需要注意在挪动呼吸机时不要弄坏它们 (例如:线缆可能会被经过的物体扯断, 或者被呼吸机压住) 。一些连接方案使用带有RJ45 (以太网) 连接器的电缆, 以太网连接器通过弹片固定。弹片有可能会断裂, 这种情况下连接器容易断开连接, 因为呼吸机日常使用中经常挪动位置。
3.2 系统测试及选择
3.2.1 如何测试系统
对于集成呼吸机和生理监护系统感兴趣的医院应对所有设备组合进行购前测试和验收测试, 以检验这两种医疗设备之间的通讯是否能满足要求, 并且了解呼吸机警报在生理监护系统、尤其是中心站是如何处理的。购前测试可以验证考虑购买的系统是否具有需要的功能;验收测试可以确保系统安装完成后能满足需求。
对于每一组监护系统-呼吸机组合, 先确认一旦连接呼吸机后, 床边监护仪和中心站能够自动显示呼吸机数据和波形。填写完成第5页开始的表格, 尽可能多进行呼吸机警报测试, 以发现是否存在中心站未能发出警报、警报优先级不匹配、警报无声响以及警报未提供清晰明确的警报呼吸机参数等问题。有些警报很难测试 (如果不是无法测试的话) , 例如:呼吸机故障, 或者呼吸机“停止工作”警报;向供应商确认如何处理这些警报。
进行床边功能测试虽有必要, 但在中心站进行测试更重要, 因为大多数情况下, 发出警报的呼吸机会提醒在病房的临床医生。如果床边监护仪远程使用的话, 例如:在一间单独的前厅里, 这时候床边测试就可能更为重要了。
如果测试过程中发现缺陷, 就需要进行病人风险评估, 并和供应商一起探讨可能的解决方案。如果可能的话, 也可以考虑替代的连接系统, 例如:第三方连接方案。但是, 要注意的是, 虽然大多数第三方连接产品可以将呼吸机数据传输到电子病历和辅助设备, 但是有可能不能将呼吸机信息传输到中心站 (有关现有第三方连接方案的描述, 请参见Health Device 2012年4月的指导文章) 。
连接完成后, 临床工程师或其他负责设备连接的人员应预先考虑到后续的变更及更新。如前所述, 变更管理流程应着重于追踪监护系统、呼吸机软件更新, 以及接口的更新。这些变化可能会影响设备之间的通讯。一旦发生变更, 确保变更正确执行并重新评估连接至关重要;如果情况允许, 使用测试列表并比较变更前后的结果有何变化。
3.2.2 临床医生参与
当考虑是否连接呼吸机和生理监护系统时, 医疗机构应让临床医生也参与决策过程。为了让临床医生决定连接带来的临床收益是否值得调整现有的做法, 他们需要了解特定监护系统-呼吸机组合的功能, 例如:该系统如何识别警报呼吸机的位置, 如何正确地将呼吸机连接到监护系统, 以及当连接断开时如何识别。他们同时也要理解系统的局限性, 如在本文开始时所描述的警报通讯情况。
微型睡眠监护评价系统的研究 篇6
随着生活质量的提高, 人们对睡眠质量越来越关注, 也更加重视睡眠相关疾病。影响睡眠质量的因素很多, 其中, 睡眠呼吸障碍疾病是影响睡眠的主要因素, 特别是睡眠呼吸暂停低通气综合症[1] (SAHS) 是睡眠疾病中仅次于失眠的第二大睡眠障碍疾病, 是一组发生在睡眠期间, 反复发作的呼吸变浅或停止, 从而导致反复发作的低氧、高碳酸血症, 甚至可引起心、肺、脑等多器官功能损害的临床综合症[2]。研究表明SAHS对高血压、冠心病、脑血管疾病的发病具有独立危险[3]。
因此, 为了让睡眠监护技术惠及每个家庭, 设计一套微型、简单、易用的睡眠监护评价系统尤为重要, 通过对患者睡眠过程中的血氧饱和度和呼吸进行实时监测, 给患者的血氧饱和度、脉率、呼吸波形、呼吸率等数据作统计学分析, 得出睡眠质量评价参数指标, 从而对患者睡眠质量给出有效的评价, 为患者的疾病诊断提供有力的依据。
1 睡眠监测方法
1.1 脉搏氧饱和度测量方法
脉搏氧饱和度测量是利用光谱吸收法[4], 根据血液中氧合血红蛋白 (Hb O2) 与还原血红蛋白 (Hb) 的分子分别吸收600 nm波长可见光与940 nm波长红外光, 这两个波长光的吸收率R的计算公式如式1所示, AC为搏动性动脉血的光吸收强度, DC为其他组织的光吸收强度。R与血氧值成负相关, 根据对应的标准曲线, 则可得到相应的血氧值。
1.2 呼吸测量方法
人体呼吸信号的测量方法有很多种, 其中包括口鼻腔压力测量法、喉音测量法、鼻气流温度测量法, 以及阻抗法等[5], 但这些方法容易给患者带来不适, 影响患者休息, 其中阻抗法是心电监测中的呼吸测量方法, 也不便于睡眠监护。因此, 本文采用胸腹呼吸法, 通过特殊的绑带, 将探测器轻松置于腹部, 如图1所示, 监测患者呼吸变化, 不会对患者的睡眠带来干扰。
呼吸过程中, 胸腹部会随着周期性的呼吸, 产生收缩、扩张的形变, 这种形变伴随产生一个力, 基于力变化的测量原理, 通过与胸腹部连接的传感器, 以及放大电路等获得胸腹部呼吸信号, 通过波形识别, 计算出呼吸率、呼吸深浅等, 用于评价呼吸状态。本文采用了两种呼吸测量方法, 对比了两者的效果, 一种是通过压电薄膜传感器测量腹呼吸压力变化, 一种是通过一个微型气囊置于腹部, 利用气管将腹呼吸压力变化引入压力传感器, 通过气囊压力变化测呼吸。
2 微型睡眠监护评价系统
2.1 系统架构
微型睡眠监护评价系统包括传感器与连接部分、测量模块、通讯部分, 以及上位机显示分析部分, 系统架构如图2所示。测量模块由脉搏氧饱和度测量部分和呼吸测量部分组成, 通讯部分采用USB通讯方式, 这种数据传输方式能够很方便地应用于家庭, 连接到电脑或手机, 并借助网络将数据传输到睡眠监护中心, 便于医生随时调取患者的睡眠监护数据, 为疾病的分析诊断提供便利。
2.2 硬件系统
微型睡眠监护系统的硬件系统[8]包括信号监测电路、模数转换电路、单片机控制电路和通讯电路, 电路示意图如图3所示。系统硬件电路分为数字部分和模拟部分, 分别位于由两块不同的微型电路板上, 系统由二者对插而成, 因此, 在硬件结构上缩小了电路的尺寸, 系统实物图如图4所示, 从图中可看出, 整个系统的硬件结构非常微小, 这种微型尺寸的模块结构能够很方便用户使用, 不会给患者带来过重的负担。
2.3 睡眠监护与分析系统软件
睡眠监护与分析系统软件是在PC运行的实时监护软件, 是睡眠监护评价系统中重要的一部分, 如图5所示。分别在上位机显示所监测的脉搏波和呼吸波形, 并将计算所得的血氧饱和度值、脉率和呼吸率实时显示。软件具有数据存储功能, 患者在睡觉前, 开启监护软件, 启动数据存储, 就可将患者整夜的睡眠数据保存, 之后患者可通过网络, 将自己的睡眠数据上传至睡眠监护中心, 也可以利用系统的分析软件, 如图6所示, 实现对睡眠数据的一键化分析评估。
患者只需点击数据分析按键, 打开睡眠数据, 即可获得睡眠数据的分析结果, 回放睡眠过程中的脉搏波数据、血氧数据、脉率数据、呼吸波形数据和呼吸率数据, 并可拖动滚动条, 查阅数据的变化趋势, 患者能够直观地了解睡眠状况。分析结果还包括各个参数的最大值、最小值、异常次数、异常次数比率、异常次数持续时间、异常次数持续时间比率等, 而且, 通过饼图的形式直观地表示出异常数据比率。数据分析时, 可以设置血氧、心率和呼吸率的不同的报警限, 通过修改的报警限, 可分别计算出各个报警限条件下的异常数据情况。
3 信号处理
呼吸信号属于低频信号, 特别是在睡眠期间, 人体呼吸频率非常低, 正常在 (0.1~1) Hz之间, 因此考虑对呼吸信号采用2阶1 Hz的巴特沃斯低通滤波器, 以获得干净平稳的呼吸信号。
巴特沃斯滤波器作为IIR滤波器的一种, 2阶巴特沃斯滤波器输入输出关系的常系数差分方程表达式为式 (2) 。
一般情况下, 满足M≤N, N为滤波器的阶数。传递函数如式 (3) 所示。
呼吸信号滤波前后的频谱如图7所示, 从频谱图中可以看出, 大部分的频率处于 (0~1) Hz之间, 还有一个10 Hz的频率成分, 为调制信号频率, 类似于血压脉搏波信号, 因此, 通过低通滤波可以滤除呼吸信号中10 Hz的调制信号, 以及其他的高频信号, 如图8。
通过实验分析, 压电薄膜传感器测量呼吸信号, 由于受传感器与人物理接触的影响, 存在两个问题: (1) 对于相对肥胖的人体, 传感器的形变过小, 信号灵敏度低, 特别是睡眠过程中人体呼吸微弱, 无法获得明显的呼吸信号; (2) 在测量过程中, 心音信号对呼吸信号有很大干扰。因此, 采用微型气囊获取呼吸信号的方法, 实验中使用微小的婴儿血压袖带作为气囊, 充气后, 通过绑带置于腹部, 从得到的呼吸波形数据可知, 微弱呼吸时, 仍能获取较大幅度的呼吸信号, 虽然这种方法仍存在到心音干扰, 但是较压电薄膜所得信号干净、平稳, 这种方法解决了上面提到的两个问题, 通过滤波可以获得更平滑的呼吸波形, 如图9所示。
4 小结
本文初步介绍了睡眠监护的意义, 在此基础上提出了一种适合家用的微型睡眠监护评价系统, 针对睡眠进行状态监测及报警评估研究, 借助与商用电脑及配套软件, 即可形成一套具有实用价值的微型呼吸睡眠监测系统, 初步评价睡眠中的呼吸与代谢状态, 有一定的筛查意义。
国内外对睡眠监护技术的研究也在不断发展[9]目前, 国内已有医院引进了国外的睡眠监护技术[10]部分医院还设立了专门的睡眠监护评价科室, 说明眠障碍问题已在我国不断被重视。但是在信号特征析、监测参数种类、性能评价和微型化方面, 仍有量的研究工作, 未来结合脑电[11]、氧气、呼吸末二化碳等监测[12], 以及反馈性的呼吸障碍的治疗, 形对睡眠质量定量评价、呼吸障碍治疗等功能, 完成全面的呼吸睡眠评价和治疗。
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社区监护系统 篇7
市面上已有的便携式心电监护仪将数据采集模块、存储模块、显示模块集成于一体, 使得功耗、成本居高不下, 并且相比可穿戴便携设备略显笨重。可穿戴式设备在不影响用户正常活动的前提下, 能够实时检测人体状态, 且具有较低的功耗, 因此具有更好的市场前景。
文献[1]提出了一种基于Android平台的动态心电图显示终端设计, 其利用蓝牙实现ECG数据的传输, 并将处理后的心电波形实时显示在Android终端。本系统与之相比, 利用蓝牙BLE实现数据传输, 蓝牙BLE是蓝牙低功耗版本, 比传统蓝牙功耗更低, 续航时间更长。另外, 本系统除采集ECG数据外, 还能采集呼吸数据, 检测用户的呼吸频率是否正常。
1 系统设计与数据采集模块
1.1 系统工作流程
系统整体流程如图1所示。
1) 数据采集模块负责从人体表面采集ECG数据和呼吸数据, 并通过蓝牙BLE将数据传输到移动Android设备。
2) 为确保Android应用软件在后台运行时数据的正常接收, 在Service组件中实现数据接收。同时, 在此组件中完成耗时较多的一系列数据解析、处理, 并将处理过的数据在文件中备份。
3) 由于Service组件是不可见的, 为实现心电图的动态显示, 需将处理好的数据暂存到Activity数据缓冲区。
4) 通过绘图线程, 将ECG波形显示于显示屏上。
1.2 数据采集模块
数据采集模块如图2所示, 包括模拟前端ADS1292R、控制芯片CC2540、电池和SD卡。
ADS1292R采集电路具有高阻抗和高共模抑制比, 适于采集微弱电信号;CC2540通过SPI接口读取数模转换器ADS1292R采集到的呼吸和ECG数据并通过蓝牙BLE传输给移动Android设备, 其集成度高, 功耗低。在不需要实时传输数据的情况下, 该模块也可以将采集的数据存储到本地SD卡中。
2 应用程序设计
2.1 蓝牙BLE简介
蓝牙BLE技术是蓝牙4.0的核心技术之一, 是对传统蓝牙BR/EDR技术的补充。与传统蓝牙相比, BLE具有缩短无线开启时间、快速建立连接、降低收发峰值功耗等特性, 从而实现低功耗。传统蓝牙设备的一个重要缺陷是耗电量大, 它使用了32个广播信道, 而蓝牙BLE技术[2]仅使用了3个广播信道, 且广播模式启动时间也由传统蓝牙的22.5 ms减少到0.6~1.2 ms, 极大地降低了因为广播数据导致的待机功耗。此外, 蓝牙BLE技术将传统蓝牙的空闲状态改进为深度睡眠状态, 深度睡眠状态下功耗极低。广播阶段, 蓝牙BLE技术避免了重复扫描, 设备连接过程可在3 ms内完成, 而传统蓝牙需100 ms以上。低功耗蓝牙对数据包长度进行了更加严格的定义, 支持超短 (8~27 byte) 数据封包, 并使用了随机射频和增加了GFSK调制索引, 大大降低了数据收发的复杂性, 有效降低了峰值功率。
Android系统为蓝牙BLE开发提供了专门的API。支持Android设备作为服务器或客户端与远端蓝牙BLE设备实现数据传输。
2.2 Android设备与心电采集模块通信流程
Android设备与心电采集模块通信流程如图3所示。数据采集模块将采集的数据通过蓝牙BLE传输给Android设备, 数据包括ECG数据和呼吸数据, 所有数据均以18个字节组成的数据包格式发送。接收到数据首先根据标志位判断属于哪类数据, 分别做不同处理。对于ECG数据, 由于数据量比较大, 发送频率高, ECG数据包接收顺序可能会出现错误, 所以接收到ECG数据后首先要根据数据包的序列号将数据调整为正确顺序。由于ECG数据和呼吸数据都是24位精度, 而数据包格式是以字节为单位的, 因此要将字节型数据调整为整型。由于采集的数据中存在工频干扰、基线漂移[3]等影响, 需对原始数据进行一系列滤波处理, 得到标准的ECG数据, 然后将处理好的数据存入文件以备以后查看。以上操作运算量较大、耗时较长, 是在Android应用程序Service组件中运行的, 而Service组件是不可见的, 这就需要将数据传输到具有可视化界面的Activity中。为使应用程序具有较好的运行性能, 为Activity中的数据缓冲区设定阈值, 当数据量达到阈值, 将数据传入绘图线程, 显示给用户。对于呼吸数据, 由于不需要向用户显示呼吸曲线, 只需在Service组件中将计算得到的呼吸率结果传递到Activity中显示给用户即可。另外, 呼吸数据中会插入表示采集模块状态的状态位, 例如电量低、导联脱落等信息;处理呼吸数据时, 要检查这些状态位, 并将状态信息通过通知及时反馈给用户。
2.3 心电图绘制模块
开启心电图绘制线程[4]后, 首先检查是否收到结束线程命令, 若收到结束命令, 则结束绘图线程, 如果没有, 则判断数据缓冲区中的数据个数是否大于5个, 若大于5个, 则以5个数据为单位在SurfaceView上绘制心电图[5], 直到数据缓冲区中数据小于5个, 否则睡眠50 ms, 让出CPU资源, 在下次获得CPU资源时, 重复上述步骤。绘图模块流程图如图4所示。
绘制心电图时, 若数据不足一屏, 则原数据显示位置不变, 新数据加在原数据之后;若数据个数超过一屏显示个数, 则旧的数据前移, 新数据始终出现在屏幕最右侧。心电图绘制效果如图5所示。
3测试结果与分析
该软件的主要功能为接收并存储数据模块发送的心电波形数据, 并将处理后的心电数据显示在显示屏上;另外, 可及时将计算出的心率和呼吸率等参数显示出来, 使用户可以更直观地了解身体状态。
测试时, 首先令数据采集模块发送标准正弦波和方波, 用Google公司的Nexus 7二代平板PC。经测试, 平板PC可以正确稳定地接收数据而无丢包现象, 并能够将接收到的波形数据实时显示到显示屏上。使用容量为800 mAh的充电电池做续航能力测试, 数据采集模块可以持续工作72 h以上。
初步测试成功后, 利用数据采集模块采集人体心电数据, 绘制出心电图如图6所示。
实验表明, Android设备能够稳定、实时地接收数据, 心电波形显示清晰、流畅, 心电采集模块续航时间长, 系统设计达到了预期目的。
4 结束语
心电监护设备已经历了几十年的发展, 正朝着实时性、便携性、智能化的方向发展。与当前现有的相关产品相比, 本文设计了一种基于蓝牙BLE的心电监护系统, 功耗低, 续航能力强, 实时性能良好, 并且具有对心率、呼吸率是否正常的检测功能, 便于用户使用。
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