基于可穿戴技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

范珊

（中國電子科技集團(tuán)第十五研究所 后勤信息化事業(yè)部 北京100083）

基于可穿戴技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

范珊

（中國電子科技集團(tuán)第十五研究所 后勤信息化事業(yè)部 北京100083）

近年來，人口老齡化進(jìn)程加快，同時伴隨著環(huán)境污染問題，醫(yī)療資源短缺問題，慢性病發(fā)病率不斷增加，發(fā)展遠(yuǎn)程醫(yī)療并構(gòu)建一個高效實時的遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)顯得尤為必要。本文建立了一個基于可穿戴技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，用于實時監(jiān)控病人的心率和血壓等生理參數(shù)，采用GPRS無線通信技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)结t(yī)療中心，便于醫(yī)生及時發(fā)現(xiàn)問題，及時采取醫(yī)療措施。

可穿戴技術(shù)；遠(yuǎn)程醫(yī)療；實時監(jiān)控；GPRS無線通信

傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)往往需要病人長期住在病房或往返于家庭和醫(yī)院之間，這樣給處于康復(fù)期或需要監(jiān)護(hù)的病人的生活帶來很多不便，同時住院監(jiān)護(hù)也給病人家庭帶來很多經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)?？纱┐鬟h(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)能夠為病人提供低經(jīng)濟(jì)負(fù)荷、長期且連續(xù)的生理檢測，不需要病人往返醫(yī)院，成為疾病預(yù)防和治療的便利設(shè)備，改變了傳統(tǒng)的診療模式[1]。因此，本文設(shè)計了遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，實現(xiàn)心率和血壓的實時監(jiān)控，異常情況下系統(tǒng)自動報警，提醒醫(yī)務(wù)人員及時施救。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

文中所介紹的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)由5個功能模塊構(gòu)成，依次為可穿戴傳感器數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸、GPS定位和醫(yī)療中心遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 基于可穿戴技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的工作流程為：

1）將可穿戴傳感器穿戴到病人身上，實時采集病人的心率和血壓信息，并將信號傳送到開發(fā)板；

2）開發(fā)板接收到原始數(shù)據(jù)之后，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，去除基線漂移，然后將該數(shù)據(jù)數(shù)字化處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過量化后，轉(zhuǎn)換成直觀的心率和血壓數(shù)字，同時，對模擬心率波形進(jìn)行特征點(diǎn)識別，并且標(biāo)注特征點(diǎn)；

3）數(shù)據(jù)處理完成后，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并且通過GPRS無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心；

4）GPS定位模塊實時采集病人的位置信息；

5）監(jiān)控中心接收到數(shù)據(jù)之后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，然后設(shè)置報警閾值對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，如果病人的心率或者血壓數(shù)據(jù)超出正常范圍時，系統(tǒng)報警，并向GPS模塊發(fā)送位置請求；

6）GPS模塊將位置信息發(fā)送到監(jiān)控中心，系統(tǒng)組織報警信息和位置信息，并以短消息的形式發(fā)送到指定號碼，完成報警。

除了能夠?qū)崿F(xiàn)以上功能，該系統(tǒng)還可以在服務(wù)器上將收集到的信息進(jìn)行顯示，同時還會將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，組建數(shù)據(jù)庫[2]。醫(yī)療中心收到報警信息后，醫(yī)務(wù)人員及時對病人進(jìn)行救援。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 生理數(shù)據(jù)采集

PulseSensor是根據(jù)人體肢體末端的透光程度來間接采集心率數(shù)據(jù)的一款傳感器。使用過程中，可以將該傳感器佩戴于肢體末端，將采集到的人體的細(xì)微的生理表現(xiàn)轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)[3]，并傳送到Arduino開發(fā)板。

血壓檢測采用了 JX0701血壓模塊，其原理是將壓力傳感器置于綁帶和人體間，對綁帶充氣加壓，直到綁帶和人體之間的壓力和人體體內(nèi)的壓力相等時停止充氣，此時測量綁帶和人體之間的壓力就可以得到人體血壓值[4]。

PulseSensor和JX0701采用UART方式與主控制器Arduino開發(fā)板通信，主控制器通過發(fā)送相應(yīng)命令來控制血壓測量模塊。

2.2 GPS定位模塊

GPS模塊的主要功能是準(zhǔn)確定位病人當(dāng)前位置。本文選用瑞士u-blox的ATK-NEO-6M-V2.3模塊，該模塊工作電壓范圍較廣，通過串口與外部系統(tǒng)連接，支持多種波特率的選擇，滿足用戶的多種需求。

2.3 數(shù)據(jù)無線傳輸模塊

在本系統(tǒng)中，被監(jiān)測者的數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)療中心，選擇的通信方式是GPRS模塊。

鑒于系統(tǒng)中對于無線傳輸數(shù)據(jù)的需求，選用了一款高性能工業(yè)級的GSM/GPRS模塊。該模塊是由ALIENTEK生產(chǎn)的ATK-SIM900A型號。該模塊能夠兼容3.3 V/5 V接口，因此能夠與多種單片機(jī)系統(tǒng)對接，使得數(shù)據(jù)信息的傳輸功耗非常低。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括生理參數(shù)優(yōu)化和服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理兩個部分。

3.1 生理參數(shù)信號優(yōu)化

心率信號的處理和優(yōu)化包括數(shù)字濾波器的設(shè)計和模擬脈搏波的特征點(diǎn)識別兩個部分。

3.1.1 數(shù)字濾波器設(shè)計

由于電子設(shè)備中不可避免的各種噪聲以及基線漂移等，而且每種干擾因素的幅度都有可能與信號處于同一量級[5]，因此，心率和血壓信號很容易受到這些因素的干擾，造成信號失真，嚴(yán)重影響病人生命體征監(jiān)控的準(zhǔn)確性。人體的心率和血壓信號中頻率成分較多，有效頻率也十分復(fù)雜，因此，濾波應(yīng)當(dāng)首選具有線性相位的FIR濾波器。利用MATLAB得到的FIR濾波器的系數(shù)類型為浮點(diǎn)型，因此在Arduino開發(fā)板上的運(yùn)行效率很低，為了提高運(yùn)行效率，需要將浮點(diǎn)型的濾波器系數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)類型[6]。利用設(shè)計得到的FIR濾波器對采集到的心率信號進(jìn)行濾波處理，效果如圖2所示。

圖2 心率信號的FIR數(shù)字濾波效果

一般情況下，峰值信噪比和信號的均方誤差是衡量圖像去噪是否有效的兩項重要指標(biāo)，但是，考慮到心率信號的一維特性，評價的原則除了信噪比和均方誤差之外，還應(yīng)當(dāng)考慮在去噪和去基線漂移之后，信號的幅度和波形是否也受到了濾波的影響[7]。所以，衡量指標(biāo)還應(yīng)當(dāng)包括信號波形的平滑程度和相似度。平滑度指標(biāo)和信號相似度定義分別如公式（1）和公式（2）所示：

為了更加公正評價濾波算法的性能，本文將信號相似度和波形平滑程度兩個指標(biāo)結(jié)合起來，來統(tǒng)一地分析濾波性能[8]：

一般情況下，去基線效果介于0和1之間。為了分析本文所采用濾波方法的濾波性能，將本文方法與主流的小波濾波[9]進(jìn)行了對比，分析結(jié)果如表1所示。

表1 濾波性能表

3.1.2 心率波特征點(diǎn)識別

心臟的周期性跳動，將血液周期性地壓向肢體末端，然后再由肢體末端流回心臟，因此，肢體末端的血液濃度也會產(chǎn)生周期性的變化[10]。通過對一些病例和病理的研究，張大祥教授發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動物出現(xiàn)某些病變時，心率波的某些特征點(diǎn)也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因此，為了在早期檢測病變的發(fā)生，他對心率波進(jìn)行了特征點(diǎn)的劃分[11]。文中通過零交叉小波檢測心率的特征點(diǎn)，并在波形上進(jìn)行標(biāo)定，便于醫(yī)療中心及時發(fā)現(xiàn)病變，檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 小波變換特征點(diǎn)檢測結(jié)果

3.2 服務(wù)器端數(shù)據(jù)篩選和報警

正常狀態(tài)下，人體的心率范圍在60～100次/分之間，血壓收縮壓在90～140 mmHg之間，舒張壓在60～90mmHg之間[12]，心率和血壓超過范圍就屬于異常。通常情況下，在某些小事件刺激下人體心率和血壓會超過正常范圍，但持續(xù)時間不會太長，如果人體的心率過快或過低，血壓過高或過高并且持續(xù)時間超過一定的閾值，那么說明人體目前處于危險狀況[13]，醫(yī)療人員應(yīng)當(dāng)及時對其進(jìn)行救援。由于醫(yī)療人員不可能長時間關(guān)注顯示裝置，因此，需要一定的報警措施來提醒工作人員[14]。數(shù)據(jù)篩選和報警流程如圖4所示。

4 實驗結(jié)果分析

為了檢驗系統(tǒng)的工作情況，本文對系統(tǒng)進(jìn)行了整體性測試，包括心率數(shù)據(jù)測試、血壓數(shù)據(jù)測試、系統(tǒng)報警測試等方面。

圖4 數(shù)據(jù)篩選和報警流程圖

圖5 系統(tǒng)整體硬件圖

4.1 心率數(shù)據(jù)測試

首先使用該系統(tǒng)對人體進(jìn)行測試。選擇一名同學(xué)作為實驗對象，測量其心率數(shù)據(jù)，并記錄，該測試對象10次心率的測試數(shù)據(jù)如圖6（a）所示。該同學(xué)測量數(shù)據(jù)顯示平均心率為78，實際的心率平均值為75.5，存在少許差異。對10名同學(xué)的心率進(jìn)行測試。將服務(wù)器端接收到的某個實驗對象的心率數(shù)值進(jìn)行記錄，并且計算平均值，結(jié)果如圖6（b）所示。

4.2 血壓數(shù)據(jù)測試

圖6 心率數(shù)據(jù)測試

隨機(jī)和隨時選擇 5名同學(xué)分別做25組實驗[15]，得到血壓模塊血壓數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)血壓監(jiān)護(hù)儀對比圖如圖7所示，其中圖（a）表示舒張壓，圖（b）表示收縮壓。通過數(shù)據(jù)對比，血壓模塊的值與標(biāo)準(zhǔn)血壓監(jiān)護(hù)儀的值總體上偏小，但是相差都不是很大，都在允許范圍之內(nèi)，能正確測得血壓數(shù)據(jù)，可以臨床使用。

圖7 血壓數(shù)據(jù)測試

4.3 報警測試

在測試報警是否正常時，本文采用的是測試一名同學(xué)在持續(xù)劇烈運(yùn)動過程來模擬病人心率和血壓的異常情況。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠在心率和血壓超出正常范圍并且持續(xù)一定的時間之后進(jìn)行報警，報警短消息如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)報警短信截圖

5 結(jié)束語

經(jīng)過測試，本系統(tǒng)能夠正確測量病人的心率和血壓數(shù)據(jù)，實時傳輸?shù)结t(yī)療中心，并且當(dāng)病人心率和血壓出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)能夠自動報警，并且發(fā)送報警短信，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療的作用，具有一定的實用意義。

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Design and implementation of telemedicine system based on wearable technology

FAN Shan
（Department of Logistics Informationization，The Fifteenth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Beijing 100083，China）

Recently，with the accelerated aging process of population，environmental pollution，and shortage of medical resources，resulting in increasing incidence of chronic diseases.Therefore，building an efficient real-time remote home health care system is particularly necessary.This paper established a telemedicine system based on wearable technology for real-time monitoring of physiological parameters including pulse signal and blood pressure，in which real-time data gathered by wearable sensors were transferred to the medical center by GPRS.Doctors in the medical center can analysis physiological data conveniently，and take treatment measures once there was any problems.

wearabletechnology；telemedicinesystem；real-timemonitoring；GPRSwirelesscommunication technology

TN919

A

1674－6236（2017）10-0186-04

2016-04-18稿件編號：201604180

范 珊（1992—），女，山西臨汾人，碩士。研究方向：計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。