用于隔離裝置的無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)*

鄭捷文，錢紹文，吳太虎，宋振興，趙 鵬，張 廣

(軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161)

多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀和聽診器作為傳統(tǒng)的物理學(xué)診斷儀器，已經(jīng)被廣大的臨床醫(yī)生所接受，是臨床醫(yī)生進(jìn)行病情診斷不可或缺的重要設(shè)備。目前對患者的多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)為有線方式，在這種方式下，如果要診察病人的心肺音等生理情況，醫(yī)護(hù)人員不可避免與病人有近距離的接觸，極大地增加了疾病傳染的機(jī)會，這充分體現(xiàn)在SARS、禽流感和甲流等疫情中，引起了臨床專家及國家衛(wèi)生部門的關(guān)注[1]。

因此，迫切需要一種無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，以無線通信方式傳輸病人的生命體征、心肺音等生理信號，使醫(yī)護(hù)人員和專家不必在現(xiàn)場即可對病人進(jìn)行診斷，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和會診。此外，隔離病房、隔離擔(dān)架、隔離救護(hù)車等隔離裝置一般具有較好的封閉性[2]，一定程度上影響了裝置內(nèi)部患者和外部醫(yī)護(hù)人員的交流，更需要一種無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)醫(yī)患之間的交流。

本文提出了一種用于隔離裝置的無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，只要將各功能探頭安裝在病人身體相應(yīng)部位，醫(yī)務(wù)人員就可以在隔離裝置外對病人生命體征進(jìn)行無線遙測，并與病人無線通話，很大程度上避免了醫(yī)務(wù)人員和病人的交叉感染。本系統(tǒng)精度高、成本低、功耗低、便攜輕巧，具有一定的臨床實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)如圖1所示。主要分為無線監(jiān)護(hù)信號采集發(fā)送子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)。采集發(fā)送子系統(tǒng)設(shè)置于隔離裝置內(nèi)部的病人端，主要由病人多參數(shù)生命體征檢測傳輸模塊、病人心肺音檢測傳輸模塊、無線通話模塊組成。接收子系統(tǒng)設(shè)置于隔離裝置外的醫(yī)生端，主要由多參數(shù)生命體征監(jiān)護(hù)顯示與操作模塊、多參數(shù)生命體征無線接收模塊、聽診模塊、心肺音無線接收模塊以及無線通話模塊組成。系統(tǒng)工作時，只需要在采集端將各功能探頭或電極等安放在病人相應(yīng)部位，采集端將采集到的病人生命體征信號、心肺音信號和通話信息通過相應(yīng)模塊無線傳輸?shù)浇邮斩?，醫(yī)生可根據(jù)所接收的病人信息采取相應(yīng)的治療措施。

圖1 用于隔離裝置的便攜式智能一體化無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 多參數(shù)生命體征監(jiān)測和無線傳輸模塊

1.1.1 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀研究方案分析

目前，多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀模塊化集成方式主要有基于PC104工控板和基于嵌入式處理器兩種。然后，以此為控制核心，集成其他生理信號檢測模塊構(gòu)建多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀。基于PC104工控板的本質(zhì)是將PC機(jī)嵌入在一種具體的應(yīng)用環(huán)境中，用PC104總線來與其他設(shè)備通信，它的核心是Intel x86的通用CPU，同時擴(kuò)展一些外圍設(shè)備。該方式的優(yōu)點(diǎn)是：抗干擾性強(qiáng)、軟件編程簡單(操作系統(tǒng)為Windows3.x或 DOS，對于Windows程序員來講比較熟悉)、程序運(yùn)行可靠。缺點(diǎn)是：由于要擴(kuò)展大量的外圍設(shè)備，因此功耗和體積比較難控制?；谇度胧轿⑻幚砥鞯亩鄥?shù)監(jiān)護(hù)構(gòu)建方式目前比較流行，已有多家國內(nèi)外知名廠商推出了基于嵌入式微處理器和嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)集成平臺的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀[3]。由于嵌入式處理器擁有較高的工作頻率和大容量的存儲空間，很容易在其上架構(gòu)實(shí)時操作系統(tǒng)。但是，嵌入式處理器在抗干擾性能上要遜色于工控板，因此，必須在系統(tǒng)的抗干擾方面做大量的工作才能夠保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

本文以嵌入式處理和實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)為平臺構(gòu)建多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀。生理參數(shù)檢測模塊采用市場上比較成熟的OEM產(chǎn)品。這些OEM模塊的選擇主要基于以下幾點(diǎn)：低功耗、小體積和高抗干擾性。微處理器采用Samsung公司的ARM9系列S3C2440微處理器，其內(nèi)部集成了大量功能模塊，包括TCP/IP接口、USB口、LCD控制模塊等。生理信號提取子單元包括心電/呼吸/體溫測量子模塊、血壓測量子模塊、血氧測量子模塊以及擴(kuò)展串口。心電/呼吸/體溫測量子模塊采用超思公司的心電/呼吸/體溫測量模塊，血壓測量子模塊采用CRNE公司EP80FA型臂式無創(chuàng)血壓模塊，血氧測量子模塊采用貝瑞公司的血氧模塊[4]。

1.1.2 無線通信方式

本系統(tǒng)的無線通信方式屬于短距離無線通信的技術(shù)范疇。目前比較常用的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸方式主要有：非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議無線通信技術(shù)、Bluetooth、Wi-Fi和ZigBee。Bluetooth具有復(fù)雜的協(xié)議層，這導(dǎo)致了其硬件復(fù)雜性和數(shù)據(jù)處理量大幅度增加，因此功耗成為其致命的缺陷。Wi-Fi具有很好的通用性、更快的數(shù)據(jù)速率，其軟件接口處理較為復(fù)雜，且同樣擁有功耗大的缺點(diǎn)。ZigBee也是一種近距離低速率數(shù)據(jù)交換的可選設(shè)計(jì)，但ZigBee協(xié)議復(fù)雜、開發(fā)難度大、周期長，限制了中小廠商的使用。而非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議無線通信技術(shù)不需要繁瑣的協(xié)議處理，因此具有低成本、低功耗和接口簡單的優(yōu)點(diǎn)，但也存在組網(wǎng)復(fù)雜的缺點(diǎn)。由于本文研究系統(tǒng)只需要點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，不需要組網(wǎng)，因此本系統(tǒng)采用非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的短距離無線通信方式[4]，采用Nordic公司2.4 GHz無線通信模塊NRF24L01。多參數(shù)監(jiān)護(hù)電極采集病人生理信號并經(jīng)過濾波放大A/D轉(zhuǎn)換后通過擴(kuò)展串口發(fā)送到嵌入式微處理器S3C2440中，對信號進(jìn)行處理、顯示、報(bào)警、存儲和傳輸?shù)炔僮?。生命體征監(jiān)測及無線傳輸系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 生命體征監(jiān)測及無線傳輸系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

1.2 心肺音檢測傳輸模塊

1.2.1 心肺音檢測設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用集成式的心肺音檢測模塊，因?yàn)榧赡K可以將電路做到最小且穩(wěn)定。合肥華科電子技術(shù)研究所研制的HKY-06B型心音采樣模塊是一款集傳感器、放大和濾波電路于一體的集成傳感器。該模塊結(jié)構(gòu)小巧，使用靈活方便，其PCB插件式封裝便于設(shè)計(jì)傳感器接口，利用新型高分子聚合材料微音傳感元件，可準(zhǔn)確采集心肺音信號。該傳感器輸出0.5～1.5 V的低阻抗音頻信號，非常方便后級電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理。

1.2.2 心肺音信號的無線傳輸及信號還原

目前，心肺音信號的傳輸一般采用廉價(jià)的FM波段信號收發(fā)模塊，該類模塊具有價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但是容易受外界干擾[5]。為了增強(qiáng)抗干擾能力，本系統(tǒng)采用集成式2.4 GHz的無線音頻模塊來處理音頻信號的A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、無線發(fā)送和接收。深圳恩比科技公司推出的EB352TP/R2.4G是一款價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)小巧的無線數(shù)字音樂耳機(jī)收發(fā)模塊。該模塊工作在2.4 GHz自由頻段，采用數(shù)字傳播方式，具有很強(qiáng)的抗干擾性。無線音頻發(fā)射模塊EB352TP將心音采樣模塊HKY-06B輸出的模擬音頻信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理，然后以其內(nèi)部特定通信協(xié)議將聲音數(shù)據(jù)打包發(fā)出。無線音頻接收模塊EB352R將接收到的信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后，就得到了原始的心肺音信號，將其進(jìn)行功率放大后，輸出到驅(qū)動耳機(jī)。EB352R具有50 mW的音頻輸出功能，可直接驅(qū)動耳機(jī)工作[6]。原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 人體心肺音提取及無線傳輸系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

1.3 無線通話模塊

設(shè)計(jì)無線醫(yī)患通話系統(tǒng)的目的就是讓隔離裝置內(nèi)的病人與裝置外的醫(yī)護(hù)人員之間可以進(jìn)行無障礙通話。理論上也類似于無線聽診，屬于音頻信號的無線傳輸范疇。但是醫(yī)患通話信號質(zhì)量并不要求像心肺音信號那么苛刻，心音信號不能有任何雜音干擾，因此對音頻信號的提取、轉(zhuǎn)換、濾波、通信協(xié)議都提出了較高的要求。而醫(yī)患通話系統(tǒng)只要能保證醫(yī)患能夠清晰地通話即可，因此不必對信號采集、轉(zhuǎn)換、濾波和通信協(xié)議做太復(fù)雜的工作[7]。本設(shè)計(jì)采用集成式全雙工無線通話模塊構(gòu)建無線醫(yī)患通話系統(tǒng)。Billthink公司工業(yè)級8頻道全雙工無線通話模塊YESU-PHONE-V，具有價(jià)格低、體積小和功耗低的優(yōu)點(diǎn)。該模塊采用頻率合成二次變頻無線收發(fā)技術(shù)和電磁屏蔽技術(shù)，內(nèi)置壓制背景噪音的動態(tài)壓擴(kuò)電路。 工 作 頻 率 可 以 在 409/465 MHz、430/450 MHz、450/470 MHz、610/630 MHz及 650/670 MHz頻段， 通話聲音清晰。其外圍電路簡單，只需外加喇叭、咪頭、天線即可工作，非常適合本系統(tǒng)便攜式和低功耗的要求。

最終，所設(shè)計(jì)的用于隔離裝置的便攜式智能一體化無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 用于隔離裝置的便攜式智能一體化無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)實(shí)物圖

2 測試數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

該系統(tǒng)經(jīng)過了兩個階段的測試：實(shí)驗(yàn)室技術(shù)性測試和臨床應(yīng)用測試。實(shí)驗(yàn)室主要測試系統(tǒng)運(yùn)行功能正確性、穩(wěn)定性以及電磁兼容性；臨床應(yīng)用主要測試系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性等特性。

2.1 測試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，經(jīng)過多次72小時持續(xù)試驗(yàn)，證明該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定地工作，在100 m范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)生命體征信號、心肺音信號和通話信息的準(zhǔn)確實(shí)時傳輸。同時，監(jiān)護(hù)端能同步顯示波形、播放聲音，并將接收信號自動存儲。在臨床測試中，可以采集到隔離病房內(nèi)病人的實(shí)時生理信號和聲音數(shù)據(jù)。醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)和音頻信號噪聲低、實(shí)時性好，在大部分情況下可以取代常規(guī)監(jiān)護(hù)裝置。圖5所示為在臨床試驗(yàn)環(huán)境下采集正常人多參數(shù)生理信號(包括心電、呼吸、SPO2、血壓、體溫、心率和呼吸率)，可以看出其心率較低，心跳過緩。圖6所示為臨床試驗(yàn)下醫(yī)生端采集的病人多參數(shù)生理信號，心電發(fā)生異常，有連發(fā)室早的癥狀，如圖6右上角橢圓內(nèi)所示。

圖5 多參數(shù)生理信號正常監(jiān)護(hù)界面

圖6 心電發(fā)生異常監(jiān)護(hù)界面

本文所設(shè)計(jì)的無線心肺音檢測聽診系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的FM波段信號收發(fā)模塊，而采用了集成式2.4 GHz的無線音頻模塊來處理音頻信號，具有更強(qiáng)的抗噪聲能力。在臨床使用過程中，大多數(shù)專家認(rèn)為此聽診器比傳統(tǒng)聽診器聽診心音肺音更加清晰，在隔離裝置內(nèi)可以取代傳統(tǒng)聽診器。

2.2 結(jié)果分析對比

目前國內(nèi)外對病人心電、呼吸、SPO2、血壓、體溫、心率和呼吸率監(jiān)護(hù)的研究機(jī)構(gòu)較多，也較成熟。相關(guān)醫(yī)學(xué)研究也較成熟，當(dāng)某一信號發(fā)生異常，經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)師就可以迅速做出診斷結(jié)果。圖5和圖6采集到的多參數(shù)生理信號較好地反映了正常人生理信號狀態(tài)和病人異常的生理信號。在使用過程中，也有專家指出，雖然采用無線心肺音檢測聽診系統(tǒng)的耳機(jī)聽診心肺音能判斷出心肺音特征，但聲音聽起來沒有普通聽診器渾厚。

本研究集成了多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、心肺音采集系統(tǒng)以及醫(yī)患通話系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用于隔離裝置的100 m范圍內(nèi)的心電、呼吸、SPO2、血壓、體溫、心率、呼吸率、心肺音和醫(yī)患通話的無線傳輸，并保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時性和穩(wěn)定性。同時，該裝置具有便攜式和通用性的特點(diǎn)，可以在不改變隔離裝置現(xiàn)有結(jié)構(gòu)情況下應(yīng)用其中，實(shí)現(xiàn)了隔離裝置的信息化功能，彌補(bǔ)了現(xiàn)有裝備的不足。當(dāng)然，本研究也存在不足的地方，如耳機(jī)方式聽診系統(tǒng)的音質(zhì)、抗噪聲及消毒問題，仍需在后續(xù)研究中進(jìn)一步完善。

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