基于3G技術(shù)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計

彭蘭地，米 明

(岳陽職業(yè)技術(shù)學院，湖南 岳陽 414000)

0 引言

醫(yī)療監(jiān)護儀器目前可分為兩類，一類是指在醫(yī)院由職業(yè)醫(yī)生或?qū)I(yè)技術(shù)人員使用的專門儀器，對病人進行生理指標監(jiān)護的專用監(jiān)護儀;另一類是在普通的家庭或者戶外，在醫(yī)生的指導下，由患者本人或其家屬使用的遠程醫(yī)療監(jiān)護儀，通過遠程監(jiān)護，所得生理指標能及時傳送給相關(guān)醫(yī)生和病人家屬。目前，醫(yī)院所使用專用的監(jiān)護系統(tǒng)，大多是建立在線纜連接的基礎(chǔ)上，往往體積和功耗大，不便于攜帶，且要求在患者身邊使用，限制了患者和醫(yī)護人員的行動，增加了他們的負擔和風險，已經(jīng)越來越不適應(yīng)當今實時、連續(xù)、長時間地監(jiān)測患者重要生命特征參數(shù)的醫(yī)療監(jiān)護需求。為了使經(jīng)常需要測量生理指標的人員(比如慢性病人或者老年患者等)能夠在家中隨意運動的狀態(tài)下測量某些常規(guī)指標，人們對遠程醫(yī)療的需求越來越強。

國外已有借助計算機技術(shù)來提高家庭遠程監(jiān)護的應(yīng)用，且在不斷地完善。在我國，2006年北京大學的郭世富等借助Zigbee技術(shù)進行了“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠程家庭監(jiān)護系統(tǒng)中的應(yīng)用研究”;2010年，泰山醫(yī)學院的宋莉等開展了“3G雙處理器遠程心電實時監(jiān)護系統(tǒng)的研制”，都取得了一定的成果。隨著生物醫(yī)學傳感器的小型化、信息處理及無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的快速發(fā)展，為無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的研制提供了技術(shù)和產(chǎn)品保證。

基于3G技術(shù)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)是一種新的網(wǎng)絡(luò)式監(jiān)護裝置及系統(tǒng)，在家和醫(yī)院利用WI-FI無線通信，在室外利用聯(lián)通的3G網(wǎng)絡(luò)(WCDMA)，傳遞監(jiān)護儀和監(jiān)視終端之間的信息，減少監(jiān)護設(shè)備與醫(yī)療傳感器之間的連線，使被監(jiān)護人能夠擁有較多的自由活動空間，在獲得較準確的測量指標的同時，免除患者在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。同時，在醫(yī)院病房內(nèi)建立無線WI-FI網(wǎng)絡(luò)，多項測試項目可以在病床上完成，能夠極大地方便病人就診，并加強醫(yī)院的信息化和工作效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

監(jiān)護器主要面向用戶終端設(shè)計，對被監(jiān)護人的健康狀況進行檢測和分析，實時監(jiān)測身體特征信息(如心電ECG、腦電EEG、呼吸體溫等信號)。一方面儀器能將這些信號參數(shù)通過儀器顯示屏，以數(shù)字和波形形式顯示出來，被監(jiān)護人能直觀獲得和了解自己身體各類指標是否正常。另一方面，采集到的身體信息通過Internet網(wǎng)傳送到數(shù)據(jù)處理中心，中心的服務(wù)器及時對數(shù)據(jù)的進行分析處理，如果身體信息異常，把異常信息以主動推送的方式發(fā)給指定的監(jiān)護人的PDA監(jiān)護終端，監(jiān)護人能利用PDA監(jiān)護終端登陸數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，查看被監(jiān)護人的身體信息，及時發(fā)現(xiàn)特殊情況，做到及時救助。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)方案

(1)被監(jiān)護人隨身攜帶的醫(yī)用監(jiān)護傳感器，采集人體身體特征信號(模擬信號)，A/D轉(zhuǎn)換器把醫(yī)用監(jiān)護傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，利用聯(lián)通的3G(WCDMA)通信或自有的WI-FI無線通信，快速、連續(xù)地把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心。

(2)數(shù)據(jù)處理中心對采集的數(shù)據(jù)實時分析，有異常情況實時地用通信方式傳輸?shù)奖O(jiān)護終端，實現(xiàn)遠程醫(yī)療監(jiān)護。

(3)數(shù)據(jù)處理中心把采集的數(shù)據(jù)進行存儲，監(jiān)護人可以利用PDA監(jiān)護終端連接中心服務(wù)器，對保存的數(shù)據(jù)作進一步的分析，為進一步的救護或治療提供參考。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由3G醫(yī)療監(jiān)護儀、數(shù)據(jù)處理中心、PDA監(jiān)護終端構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于3G通信的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)

2 3G醫(yī)療監(jiān)護儀的設(shè)計

3G醫(yī)療監(jiān)護儀的主要功能為采集人體生理指標數(shù)據(jù)，對被監(jiān)護人的自主呼救信號進行動態(tài)監(jiān)測，并通過3G通信的方式或者通過WI-FI無線通信方式，將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。

2.1 硬件設(shè)計

醫(yī)療監(jiān)測儀節(jié)點框圖如圖2所示，主要包括醫(yī)療傳感器模塊、3G通信模塊、處理單元、電源等4個部分。

圖2 醫(yī)療監(jiān)測儀框圖

2.2 醫(yī)療傳感器設(shè)計

實現(xiàn)多路生物醫(yī)學信號同時采集，對生物醫(yī)學模擬信號的采集采用模塊化的方式，不同參數(shù)用獨立的模塊進行采集，主要由前端的醫(yī)學傳感器和信號濾波放大電路。不同的生理參數(shù)檢測要用到不同的醫(yī)療傳感器。例如，體溫檢測采用北京邁創(chuàng)公司所生產(chǎn)的YSI體溫探頭，血壓和心率檢測采用邁創(chuàng)公司的KNM無創(chuàng)血壓測量模塊，檢測是否有跌倒情況采用MMA7260三軸向加速度傳感器。

針對身體信號的頻段范圍在2K以下，選用一款40K采樣率的AD轉(zhuǎn)換芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換板，并采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口接入。數(shù)據(jù)采集采用串行輸入，節(jié)省IO口，并且消除了并行帶來的同步問題。這些傳感器采用通用的串口(RS232)作為接口標準，連接到處理單元。這種設(shè)計方便傳感器的更換和升級，也方便產(chǎn)品的擴展。

2.3 處理單元的設(shè)計

處理單元主要由CPU、存儲器、顯示器、多個接口等部件組成。根據(jù)低功耗和穩(wěn)定處理能力的需要，處理單元的CPU核心采用德州儀器SimpleLink產(chǎn)品線下的WI-FI嵌入式芯片產(chǎn)品CC3000和MSP430開發(fā)大套件，自身帶有WI-FI通信功能。

為能實現(xiàn)3G通信，系統(tǒng)留有一個UART接口，用于連接3G通信模塊。通過WI-FI或3G通信方式，以TCP/IP通協(xié)議，直接連接互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，連接數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，把采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器及時分析和存儲。

為醫(yī)療傳感器預(yù)留了多個RS232接口，如果需要多個類型的生理指標數(shù)據(jù)，則只需要將相應(yīng)的傳感器接入預(yù)留的接口，設(shè)置相應(yīng)的接口參數(shù)，即可實現(xiàn)生理數(shù)據(jù)的采集。這樣的設(shè)計，方便產(chǎn)品的升級和擴展，使產(chǎn)品能有更好的功能集成性和擴展性。

2.4 通信單元的設(shè)計

3G通信采用聯(lián)通的WCDMA，通信模塊采用“華為EM770W M2M”模塊。筆者比較了目前國內(nèi)的幾種3G方案，聯(lián)通的WCDMA因其使用較多、技術(shù)比較成熟、通信穩(wěn)定、每月按流量計費，而3G醫(yī)療監(jiān)護儀在使用時信息流量不大，可作為首選。WCDMA的通信模塊種類很多，“華為EM770W M2M”模塊也是使用得較多的，技術(shù)相對成熟，所以采用。

2.5 軟件設(shè)計

醫(yī)療監(jiān)護儀的軟件工作流程如圖3所示，其主要功能包括:(1)初始化各個接口部件，加入網(wǎng)絡(luò);(2)采集傳感器數(shù)據(jù);(3)人機交互;(4)與數(shù)據(jù)處理中心進行通信。

圖3 醫(yī)療監(jiān)護儀的軟件工作流程

3 數(shù)據(jù)處理中心的設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)處理中心的功能

(1)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理中心到監(jiān)護儀和PDA接收終端的通信;

(2)設(shè)定每個被監(jiān)護人，設(shè)置每臺監(jiān)護儀，設(shè)置每個PDA監(jiān)護終端，建立好三者的關(guān)聯(lián)。

(3)實時把監(jiān)護儀傳送來的數(shù)據(jù)進行分析和存檔，如果是異常信號及時報警處理，報警信息不斷地發(fā)送到關(guān)聯(lián)的PDA監(jiān)護終端(直到PDA監(jiān)護終端采取處理措施為止)。

(4)通過PDA監(jiān)護終端或電腦終端可以分析監(jiān)護儀采集的存檔的數(shù)據(jù)，對存檔數(shù)據(jù)進行分析。

3.2 采用TCP/IP方案的數(shù)據(jù)處理中心通信

1.中心與監(jiān)護儀采用基于TCP(面向連接)的Socket編程。

(1)中心服務(wù)器端程序算法:①創(chuàng)建套接字(socket);②將套接字綁定到一個本機地址和端口上(bind);③將套接字設(shè)為監(jiān)聽模式，準備接收客戶請求(listen);④等待客戶請求到來，當請求到來后，接受連接請求，返回一個新的對應(yīng)于此次連接的套接字(accept);⑤用返回的套接字和客戶端進行通信(send/recv);⑥返回，等待另一個用戶的請求;⑦關(guān)閉套接字。

(2)監(jiān)護儀客戶端程序算法:①創(chuàng)建套接字(socket);②向服務(wù)器端發(fā)送連接請求(connect);③和服務(wù)器進行通信(recv/send);④關(guān)閉套接字。

2.軟件設(shè)計。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)平臺采用較為成熟的微軟的SQL2008。系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)表有:管理員表、PDA監(jiān)護終端表、被監(jiān)護人表、監(jiān)護儀表、監(jiān)護儀采集的數(shù)據(jù)存儲表。

軟件分3個組成模塊:基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置和管理軟件、數(shù)據(jù)監(jiān)護和分析軟件、警報信息的處理軟件。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置和管理軟件:①3G監(jiān)護儀的管理;②被監(jiān)護人的管理的和差異設(shè)置;③PDA監(jiān)護終端管理;④建立他們之間的關(guān)聯(lián)(被監(jiān)護人和3G監(jiān)護儀為一對一關(guān)聯(lián)，被監(jiān)護人和PDA監(jiān)護終端是一對多的關(guān)聯(lián))。

(2)數(shù)據(jù)監(jiān)護和分析軟件:①數(shù)據(jù)監(jiān)護實時監(jiān)控軟件，借助3G和WI-FI無線通信，以TCP/IP通信協(xié)議和每個3G監(jiān)護儀進行實時通信，把監(jiān)護儀傳送來的數(shù)據(jù)實時處理和存檔，如果有異常信號及時由報警信息處理軟件發(fā)送警報信息。②建立監(jiān)護信息的數(shù)據(jù)庫，對采集的信息存檔，以后可用于進一步分析，對被監(jiān)護人的健康狀況進行評價。

(3)警報信息處理軟件:通過短信的方式，以每分鐘一條的方式，發(fā)到每個監(jiān)護人的PDA監(jiān)護終端，直到PDA監(jiān)護終端回復為止。PDA監(jiān)護終端能利用TCP/IP通信，能登錄到數(shù)據(jù)處理中心，遠程訪問關(guān)聯(lián)被監(jiān)護人的數(shù)據(jù)，可做到即時訪問。該方案技術(shù)成熟，同時通信費用較少，信息處理的速度快，識別的準確率度高，是一個經(jīng)濟可行的可靠方案。

4 結(jié)束語

筆者所設(shè)計的基于3G技術(shù)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，應(yīng)用現(xiàn)有3G和最新WI-FI通信，通信效率高而穩(wěn)定，同時做到在醫(yī)院和家中采用自己的WI-FI網(wǎng)絡(luò)，無需另收信息費，在室外用聯(lián)通3G網(wǎng)絡(luò)通信，是按信息流量多少來收取費用，本系統(tǒng)通信量不大，費用也不會很高，因此使用成本不高，實用性好;CPU采用TI公司最新的CC3000和MSP430，功耗低，穩(wěn)定性好。如能推廣應(yīng)用，能極大提高護理的質(zhì)量和效率。同時筆者將根據(jù)被監(jiān)護人、監(jiān)護人和醫(yī)護人員的需求進一步完善系統(tǒng)。

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