無線遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計

繆鵬程，孫鳳飛

（1.西華師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，四川 南充 637000；2.南充市中心醫(yī)院，四川 南充 637007）

遠程醫(yī)療監(jiān)護是利用遠程通信技術(shù)和計算機技術(shù)實現(xiàn)遠距離的疾病診斷、疾病治療和健康護理等多種醫(yī)學(xué)功能的一種醫(yī)療模式。它實時、連續(xù)、長時間地監(jiān)測病人重要的生命體征參數(shù)，使得醫(yī)護人員獲悉病人狀態(tài)，以便做出正確的判斷和處理，在患有突發(fā)性和危險性疾病病人的監(jiān)護、戰(zhàn)爭及自然災(zāi)害中傷病員的搶救等領(lǐng)域均具有重要的作用[1-2]。目前，遠程監(jiān)護主要基于電話網(wǎng)、Internet及無線通信網(wǎng)絡(luò)，因移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、運行費用低，將無線通信技術(shù)與Internet技術(shù)相結(jié)合已成為無線遠程醫(yī)療監(jiān)護研究的熱點[3-4]。為了實現(xiàn)低成本、小型化和移動靈活的特點，系統(tǒng)設(shè)計以SPCE061A為主控芯片，將采集模塊和GPRS（General Packet Radio Service）通信模塊相結(jié)合，實現(xiàn)生理參數(shù)的無線傳輸。數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到設(shè)在中心醫(yī)院的監(jiān)護中心，利用中心醫(yī)院先進的醫(yī)療技術(shù)和專家隊伍，保證病人在院內(nèi)和院外得到及時地、有效地、專業(yè)地救治。

1 監(jiān)護系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計由智能監(jiān)護終端、GPRS通信模塊 （GPRS網(wǎng)絡(luò)）、Internet公共網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、醫(yī)院局域網(wǎng)及醫(yī)院監(jiān)護中心等部分組成，其框圖如圖1所示。其中，監(jiān)護中心服務(wù)器端隨時處于監(jiān)聽狀態(tài)，實時響應(yīng)用戶發(fā)出的連接請求與讀取請求，與之建立連接。智能監(jiān)護終端可應(yīng)用到家庭、急救車、救災(zāi)或戰(zhàn)爭急救現(xiàn)場，對病人的生理參數(shù)進行采集、處理、顯示并作遠距離傳輸。在救護車、救災(zāi)或戰(zhàn)爭急救現(xiàn)場監(jiān)護終端利用GPRS模塊以無線的方式連接到Internet；社區(qū)及附屬醫(yī)院通過獨立上網(wǎng)或者以無線的方式連接到Internet；在中心醫(yī)院內(nèi)由醫(yī)院的局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)護中心，監(jiān)護中心專家對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計觀察及時地為病人診斷和提供救治指導(dǎo)，實現(xiàn)遠程醫(yī)療。

2 監(jiān)護終端的硬件設(shè)計

圖1 無線遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)Fig.1 Wireless remote medical monitoring system

監(jiān)護終端以心電采集模塊為核心，擴展血壓測量OEM模塊、血氧飽和度OEM模塊、大容量FLASH存儲器和無線傳輸GPRS模塊等外圍設(shè)備。其中，心電采集模塊以16位SPCE061A單片機為控制芯片，擴展前置放大電路、濾波電路、工頻陷波電路及心電導(dǎo)聯(lián)等部分。SPCE061A是一款臺灣凌陽公司推出的具有語音處理μ’nspTM結(jié)構(gòu)的微控制器，采用Soc構(gòu)架，芯片帶有硬件乘法器，能夠?qū)崿F(xiàn)乘法、內(nèi)積等復(fù)雜運算。 CPU 時鐘為 0.32～49.152 MHz（2.4～3.6 V）；內(nèi)置 2K字SRAM和32 K字FLASH；32位可編程的多功能I/O端口；14個中斷源；兩個16位定時/計數(shù)器；可編程音頻處理；7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；雙通道10位DAC方式的音頻輸入功能，只需外接功放即完成語音播放，方便實現(xiàn)系統(tǒng)的語音功能[5]。

監(jiān)護終端完成生理信號的采集和處理一方面在現(xiàn)場顯示，另一方面發(fā)送給GPRS模塊，利用單片機控制GPRS模塊的啟動、連接、模式轉(zhuǎn)換等，并在資料模式下將經(jīng)過加密和容錯處理后的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到監(jiān)護中心服務(wù)器，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)護終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of hardware architecture for monitoring terminal

2.1 心電采集和調(diào)理模塊

心電信號是一種低頻率的微弱雙極性信號，帶寬集中在0.05～100 Hz，幅度只有mV量級[6]，快速檢測并提取清晰的心電信號是進行監(jiān)護和分析診斷的基礎(chǔ)。實際采集到的心電信號?；煊兄绷骱透哳l干擾及人體運動、呼吸引起的基線漂移和肌電干擾[7]，系統(tǒng)設(shè)計利用心電導(dǎo)聯(lián)線獲取心電信號，經(jīng)AD623差分放大器完成前置放大，經(jīng)后續(xù)的多級放大、濾波電路和陷波電路完成信號的調(diào)理，再送入單片機的電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器完成心電信號的數(shù)字化。在采集端設(shè)有導(dǎo)聯(lián)脫落檢測語音報警電路，避免因患者移動造成導(dǎo)聯(lián)脫落。心電信號的采集調(diào)理電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 心電信號調(diào)理示意圖Fig.3 Schematic diagram of ECG singal conditioning

由于心電信號是高內(nèi)阻的微弱信號源，源阻抗不穩(wěn)定，受周圍電磁干擾（50 Hz工頻信號）大[8]。因此，前置放大器要求具有高增益且可調(diào)節(jié)、高輸入阻抗和高共模抑制比，以消除工頻及電極化電壓的干擾；輸入失調(diào)電壓和偏置電流小、溫漂小、以保證信號的穩(wěn)定性。系統(tǒng)設(shè)計采用ADI公司的儀表放大器AD623作為心電信號前置放大器的核心器件，其內(nèi)設(shè)過壓保護和高精度偏置與反饋電阻，輸入失調(diào)電壓漂移1μV/℃，輸入偏置電流最大25 nA，CMRR抑制頻率高達200 Hz，只需在1和8引腳間接入合適電阻Rg，就可以得到1～1 000 dB之間的增益?？紤]到極化電壓的影響，增益不能太高，這一級的增益設(shè)定為10，否則會導(dǎo)致放大器飽和。電路如圖4所示。

圖4 前置放大和右腿驅(qū)動電路圖Fig.4 Circuit of preamplifier and right-leg-driven

為了使信號能滿足A/D轉(zhuǎn)換要求，須將信號放大至數(shù)伏量級，設(shè)置次級放大的增益為100倍左右，設(shè)計采用具有寬增益、低失調(diào)電壓和漂移的運算放大器OP2335。為了消除高頻干擾、低頻干擾和50 Hz的工頻干擾，在次級放大電路的前端采用二階有源帶通濾波器濾除0.03 Hz以下和100 Hz以上的低高頻噪聲。同時，采用經(jīng)典的雙T有源陷波電路濾除50 Hz工頻干擾。限于篇幅，具體電路就不一一介紹。

2.2 血壓與血氧模塊

血壓模塊與血氧模塊分別采用北京邁創(chuàng)通元電子儀器有限公司的BTN602無創(chuàng)血壓測量模塊和BTN604血氧模塊。BTN602模塊可以測到收縮壓、平均壓、舒張壓和脈壓，其接收外部命令后，完成相應(yīng)操作，返回系統(tǒng)狀態(tài)和相應(yīng)數(shù)據(jù)。BTN604模塊單電源3.3 V供電，可以檢測到動脈血氧飽和度、脈率、體積掃描圖、棒圖、信號強度和狀態(tài)信息，它的通訊協(xié)議和BCI通訊協(xié)議兼容、數(shù)據(jù)傳送波特率為4 800 bps，傳送格式為：8位數(shù)據(jù)位+奇偶校驗位+1個停止位，每秒向MCU發(fā)送60個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包為5個字節(jié)。由于兩個模塊均采用串口協(xié)議與MCU通信，信號電平為TTL電平，可以直接與心電模塊單片機SPCE061A相連，利用單片機普通I/O口模擬串口協(xié)議分別與兩模塊通信。

2.3 GPRS傳輸通信模塊

智能監(jiān)護終端心電、血壓及血氧模塊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后，以數(shù)據(jù)流形式通過串行方式連接到GPRS通訊模塊SIM300上，SIM300模塊以TCP/IP數(shù)據(jù)包的形式通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與中國移動的內(nèi)部網(wǎng)，由中國移動GPRS服務(wù)節(jié)點（GSN），把數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet上一個指定的IP地址服務(wù)器即系統(tǒng)監(jiān)控中心服務(wù)器，監(jiān)控中心專家通過Internet訪問Web服務(wù)器，就可以瀏覽到監(jiān)護病人的各種生理參數(shù)信息。

SIM300是Simcom公司研制的GSM/GPRS通信產(chǎn)品，內(nèi)嵌強大的TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。SIM300模塊上電后就會自動附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，通過按鍵對SIM300的PowerKEY引腳輸入一個大于1 500 ms的低脈沖，開啟SIM300模塊。模塊開啟后，設(shè)計采用SPCE061A作為微處理器發(fā)送AT命令，完成對SIM300模塊的控制和數(shù)據(jù)的收發(fā)。應(yīng)用電路如圖5所示。

2.4 顯示與存儲模塊

系統(tǒng)設(shè)計選用MSP-G320240DBCW-211N大規(guī)模點陣式液晶顯示模塊，實現(xiàn)各監(jiān)護參數(shù)和波形的顯示。該液晶顯示模塊采用功能強大的SED1335F0A控制器，具有較強的I/O口緩沖器和豐富的指令系統(tǒng)，最大驅(qū)動能力達640×256點陣，能夠?qū)崿F(xiàn)圖形和文本的混合顯示。由于SPCE061A片內(nèi)的Flash存儲器只有32K字，不能滿足長時間測量的需要，系統(tǒng)擴展了一片4Mb總線閃存器SPR4096。硬件連接如圖5所示。

3 監(jiān)護系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括監(jiān)護終端的軟件設(shè)計和監(jiān)護中心監(jiān)控軟件的開發(fā)。監(jiān)護終端軟件由C語言編寫，主要實現(xiàn)各采集模塊的數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲以及串行口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。由單片機心電采集程序、單片機與血壓及血氧模塊的軟串口程序、基于GPRS模塊的通信程序、數(shù)據(jù)存儲與顯示程序、語音報警程序組成。為了實時有效地完成多參數(shù)的采集，充分利用了多種中斷方式來完成系統(tǒng)功能，包括定時中斷、串口中斷、鍵盤輸入中斷等。

圖5 SPCE061A外圍電路圖Fig.5 Periphery circuit of SPCE061A

監(jiān)護中心監(jiān)控軟件部分主要由數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)處理顯示模塊、診斷報警模塊、醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫模塊等組成，通過LabVIEW平臺建立Web服務(wù)器，方便醫(yī)院局域網(wǎng)里的專家對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調(diào)用和處理，應(yīng)用軟件開發(fā)框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件模塊圖Fig.6 Diagram of system software module

客戶端界面是提供給醫(yī)生和患者使用的軟件界面，利用密碼進行登錄，不同的用戶給予不同的權(quán)限。醫(yī)生用戶可以查看到他所管理的所有病人的信息、生理參數(shù)測量值和波形圖；患者用戶則只能看到測量信息和醫(yī)生的建議。數(shù)據(jù)通訊模塊隨時處于監(jiān)聽狀態(tài)，響應(yīng)智能終端的連接請求，接收終端傳輸?shù)募用軘?shù)據(jù)，并存入相應(yīng)的緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)處理顯示模塊依靠LabVIEW提供的各種分析函數(shù)和顯示控件將接收到的生理參數(shù)及處理的結(jié)果顯示在計算機的屏幕上，使醫(yī)護人員能夠?qū)崟r了解病人的生理狀況。當(dāng)生理信號出現(xiàn)異常時，診斷報警模塊將發(fā)出報警信息，提示醫(yī)護人員。數(shù)據(jù)庫模塊記錄了醫(yī)生信息、病人信息及各測量參數(shù)，方便查詢和診斷，為建立病人病歷、分析長期生理檢測結(jié)果提供保障。

4 結(jié)束語

基于GPRS技術(shù)和Internet技術(shù)的無線遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，經(jīng)多次測試基本實現(xiàn)了生理信號的采集、數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示和傳輸功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、成本低，可實時、連續(xù)、長時間地監(jiān)測病人心電、血壓、脈搏、血氧等生理參數(shù)。GPRS技術(shù)和Internet技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了將中心醫(yī)院的先進醫(yī)療技術(shù)、醫(yī)療服務(wù)擴展到家庭、社區(qū)、救災(zāi)或戰(zhàn)爭急救，形成一種全新的基于網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療體系。同時，有助于緩解我國社區(qū)及廣大農(nóng)村地區(qū)醫(yī)療力量薄弱，醫(yī)療資源分布不均的矛盾，實現(xiàn)醫(yī)療資源的共享。

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