基于物聯(lián)網(wǎng)的危重病人體征監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉孝天

(福建師范大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，福州 350108)

0 引言

在我國(guó)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，危重病人是臨床醫(yī)學(xué)最需關(guān)注的病人，為了給病人贏取時(shí)間和條件，在醫(yī)學(xué)設(shè)備上應(yīng)加強(qiáng)管理［1］。目前，危重病醫(yī)學(xué)水平尚處于起步階段，而且醫(yī)院有關(guān)這方面的設(shè)備并不完全，為此如何解決危重病人體征出現(xiàn)的異常狀況，成為了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題，為此對(duì)病人體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)與報(bào)警可有效解決該問(wèn)題，并引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注［2］。有學(xué)者提出在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下對(duì)體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)與報(bào)警，該方法可通過(guò)對(duì)病人進(jìn)行以往病史中體征數(shù)據(jù)的提取，與現(xiàn)有的臨床診斷相融合，可獲取一組變量，進(jìn)而對(duì)病人體征變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與報(bào)警。但是該方法存在耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)算復(fù)雜等缺點(diǎn)，無(wú)法為病人贏得關(guān)鍵性時(shí)間;還有學(xué)者提出了特征統(tǒng)計(jì)危重病人生命特征的監(jiān)測(cè)報(bào)警方法，該方法是將病人在發(fā)生疾病時(shí)的生命特征信號(hào)作為數(shù)據(jù)樣本，利用特征統(tǒng)計(jì)方差作為判斷病人是否出現(xiàn)異常情況的依據(jù)，但是由于該方法存在風(fēng)險(xiǎn)大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、效果差等問(wèn)題，不能得到醫(yī)院應(yīng)用;使用傳統(tǒng)方法對(duì)危重病人體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)與報(bào)警，雖然已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院中，但是存在準(zhǔn)確率低、誤警率高等問(wèn)題，依然存在較大風(fēng)險(xiǎn)［3］。

基于上述存在的問(wèn)題，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的危重病人生命體征監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，融合線性調(diào)頻規(guī)則來(lái)分析危重病人生病體征，并以此為基礎(chǔ)提取出危重病人體征信號(hào)與干擾噪聲存在的不同頻域差異，利用濾波器去除掉高頻干擾因素，以病人的正常生命體征為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是具有有效性的，信號(hào)提取準(zhǔn)確率高、誤警率低，能夠被醫(yī)院廣泛使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)病人體征信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理為:根據(jù)監(jiān)測(cè)基本定義，利用電子設(shè)備或者機(jī)械裝置對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與收集，以此獲取病人在正常狀態(tài)下和異常情況下生理狀態(tài)下的特征數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)的放大與濾波等相關(guān)病人體征信號(hào)的處理，可將模擬的生理信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)收集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算，可提取出二次信號(hào)，并將結(jié)果以折線或者數(shù)據(jù)走向形式展現(xiàn)在屏幕上，一旦出現(xiàn)所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)正常值，那么執(zhí)行報(bào)警功能。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

危重病人體征監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是由生命體征信號(hào)的采集和監(jiān)控指揮這兩個(gè)部分組成的，采集器終端是由危重病人隨身攜帶的，主要負(fù)責(zé)各項(xiàng)生命體征信號(hào)采集與上傳，經(jīng)過(guò)上傳的數(shù)據(jù)被監(jiān)測(cè)指揮中心所獲取，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終可將生命體征數(shù)據(jù)以折線的形式展現(xiàn)出來(lái)，也是對(duì)病人出現(xiàn)異常情況的報(bào)警，具體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

針對(duì)危重病人體征信息的采集是由體征傳感器與信息采集傳輸接口進(jìn)行連接的，該接口主要負(fù)責(zé)對(duì)病人體征數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。其中，體征傳感器主要用于對(duì)病人體溫、心率、呼吸速率和三軸加速器為一體進(jìn)行多功能信息融合的傳感器，可用于對(duì)體征信號(hào)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的捕捉，可實(shí)現(xiàn)對(duì)危重病人心率、呼吸率、體溫、靜止姿態(tài)、活動(dòng)度等體征的采集。將該裝置放置于病人胸部，利用藍(lán)牙對(duì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，可將具有低消耗功率的嵌入式終端設(shè)備作用發(fā)揮得淋漓盡致，其內(nèi)部鑲嵌的安卓操作系統(tǒng)，具有GPS定位、強(qiáng)光震動(dòng)等提示功能［4］。傳輸接口通過(guò)接收到的藍(lán)牙信息將病人體征實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，并通過(guò)WIFI、數(shù)傳電臺(tái)等無(wú)線通信方式與監(jiān)測(cè)報(bào)警中心取得聯(lián)系，針對(duì)該接口的設(shè)置如圖2所示。

圖2 傳感器接口設(shè)計(jì)

在監(jiān)測(cè)報(bào)警指揮中心設(shè)有監(jiān)控組件，可與病人體征信息傳輸終端緊密相連，實(shí)時(shí)獲取具有在線病人體征的生命信息，并以圖像或文字的形式進(jìn)行顯示。如果出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，則給予報(bào)警提示，根據(jù)生命體征信息對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行評(píng)估，可對(duì)出現(xiàn)危重病人異常狀況進(jìn)行報(bào)警。針對(duì)報(bào)警的病人，可統(tǒng)一部署附近的醫(yī)生組建救援小組，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中病人體征信號(hào)的顯示進(jìn)行分析，并及時(shí)采取急救措施［4］。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

我國(guó)危重病醫(yī)學(xué)水平尚處于起步階段，而且醫(yī)院有關(guān)這方面的軟件功能設(shè)計(jì)并不完全，為此如何解決危重病人體征異常情況突發(fā)成為了該領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題［5］。危重病人體征監(jiān)測(cè)報(bào)警是解決該類問(wèn)題的重要途徑之一，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注［6］。危重病人在出現(xiàn)生命體征信號(hào)波動(dòng)微弱的情況，需利用系統(tǒng)軟件部分的功能來(lái)抵觸外界干擾影響。病人體征信息采集的終端軟件功能設(shè)計(jì)是在安卓操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)的，按照軟件功能和多線程的設(shè)計(jì)方式，進(jìn)行初始化主界面程序整理后，可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙連接、信息采集、命令接收、信息顯示和報(bào)警的功能，由此可提高程序執(zhí)行的效率。

1.2.1 危重病人生命體征信號(hào)的提取

針對(duì)危重病人體征監(jiān)測(cè)報(bào)警信號(hào)的提取，需先融合線性雷達(dá)原理對(duì)病人的生理狀態(tài)，包括心跳和呼吸速率展開(kāi)分析［7］，根據(jù)其引起的回波幅度大小、相位高低等之間關(guān)系獲取危重病人體征信號(hào)，具體提取步驟如下所示:利用危重病人體征線性調(diào)頻信號(hào)頻率，獲取危重病人體征掃描斜率和初始信號(hào)頻率，并以此描述危重病人在正常情況下的生命體征狀態(tài)。根據(jù)初始危重病人體征信號(hào)相位，可獲取回波信號(hào)發(fā)射的延遲時(shí)間。以該時(shí)間為基礎(chǔ)，對(duì)危重病人在正常情況下的生理狀態(tài)所引起的信號(hào)相位變化進(jìn)行計(jì)算，并將不同掃描信號(hào)進(jìn)行混頻放置，同時(shí)去除掉過(guò)高頻率，進(jìn)而獲取危重病人體征信號(hào)的回波中間頻率。在報(bào)警過(guò)程中，由于危重病人心跳與呼吸都是由于口腔與胸腔共同振動(dòng)所引起的，為此可利用心跳速率和呼吸頻率計(jì)算腔體共振幅度和振動(dòng)角頻率。在對(duì)危重病人體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，如果雷達(dá)掃描到危重病人出現(xiàn)心律不齊或呼吸不順暢的現(xiàn)象，那么可以利用回波信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信息傳達(dá)，促使系統(tǒng)及時(shí)報(bào)警。

危重病人在正常情況下，其心跳和呼吸會(huì)引起病人胸壁發(fā)生振動(dòng)，即為病人呼吸時(shí)，胸部的提起與放平［8］，此時(shí)的信號(hào)映射變化是在雷達(dá)回波信號(hào)中產(chǎn)生的瞬時(shí)位移變化，利用病人正常時(shí)的生理信號(hào)對(duì)低頻周期產(chǎn)生的微弱信號(hào)進(jìn)行分析，并在病人體征監(jiān)測(cè)報(bào)警過(guò)程中，融合非接觸監(jiān)測(cè)原理實(shí)時(shí)分析病人心跳速率和呼吸頻率所造成的雷達(dá)回波幅度值大小與相位高度值等，以此為基礎(chǔ)，可快速對(duì)為何總病人生命體征信號(hào)進(jìn)行提取，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。

1.2.2 藍(lán)牙與網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)監(jiān)測(cè)

針對(duì)藍(lán)牙與網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)監(jiān)測(cè)可通過(guò)某段監(jiān)測(cè)的體征傳感器信號(hào)進(jìn)行顯示，并判斷藍(lán)牙連接狀況，如果在10 s內(nèi)該信號(hào)沒(méi)有出現(xiàn)，那么需對(duì)藍(lán)牙進(jìn)行初始化設(shè)置，并自動(dòng)完成搜索功能，進(jìn)行一系列的注冊(cè)與連接。連接成功后，可發(fā)送時(shí)間同步命令信息，促使傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)間與網(wǎng)絡(luò)終端保持一致，同時(shí)，將采集終端所發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)信息通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時(shí)接收，斷線或重啟后的網(wǎng)絡(luò)，需采取重連機(jī)制，確保網(wǎng)絡(luò)通信正常。

1.2.3 生命體征信息采集與上傳

在藍(lán)牙連接成功條件下，信號(hào)采集終端設(shè)備需接收來(lái)自傳感器接口傳遞的病人心率、呼吸率等體征信息數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)解析后，利用遠(yuǎn)程通信方式，將解析后的數(shù)據(jù)包重新協(xié)議封包，并上傳至網(wǎng)絡(luò)終端服務(wù)器，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。生命體征信息采集與上傳具體流程如下所示:

①藍(lán)牙接收來(lái)自接口的數(shù)據(jù)包;②將數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析處理;③將解析后的數(shù)據(jù)包重新協(xié)議封包;④如果發(fā)送的數(shù)據(jù)包為1個(gè)，那么需將數(shù)據(jù)上傳;如果不是一個(gè)，那么需對(duì)數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ);⑤進(jìn)行“睡眠”狀態(tài)，經(jīng)過(guò)沉淀后，再次返回到第①步，開(kāi)始新的數(shù)據(jù)收集。

1.2.4 遠(yuǎn)程命令接收與顯示

針對(duì)遠(yuǎn)程命令接收與顯示需利用線程機(jī)制對(duì)監(jiān)測(cè)報(bào)警中心所發(fā)送的命令信息進(jìn)行存儲(chǔ)與解析，并使用最高級(jí)的顯示方式，即語(yǔ)音播報(bào)對(duì)位置進(jìn)行標(biāo)記。

1.2.5 實(shí)時(shí)信息顯示與報(bào)警提示

對(duì)于實(shí)時(shí)信息顯示與報(bào)警采用人機(jī)交互線程方式，主要負(fù)責(zé)病人體征數(shù)據(jù)的顯示和藍(lán)牙與網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)的顯示［9］;針對(duì)命令信息需按照等級(jí)啟動(dòng)聲音、震動(dòng)等提示，還可以利用手動(dòng)報(bào)警按鈕，發(fā)送成功數(shù)據(jù)，具體線程工作流程如下所示:①信息實(shí)時(shí)顯示;②通信狀態(tài)顯示;③殘留數(shù)據(jù)包是否為1個(gè)，如果是，則需啟動(dòng)聲音或震動(dòng)方式。如果不是，則需發(fā)出呼救;④進(jìn)行“睡眠”狀態(tài)，經(jīng)過(guò)沉淀后，再次返回到第①步。

1.2.6 終端軟件界面實(shí)現(xiàn)

在危重病人體征數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與報(bào)警界面可顯示出具體生理參數(shù)值、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)，并設(shè)有一鍵呼救按鈕，具體界面設(shè)置如圖3所示。

2 報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)危重病人體征監(jiān)測(cè)與報(bào)警的過(guò)程中，需提取病人生理特征和在不同干擾環(huán)境下的頻域差異數(shù)據(jù)，利用濾波器去除掉高頻噪聲對(duì)報(bào)警的影響，保證危重病人體征信號(hào)在正?；蚍钦顟B(tài)都能在統(tǒng)計(jì)特征上具有明顯的差別標(biāo)準(zhǔn)，以該標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行體征異常信號(hào)判斷，達(dá)到及時(shí)報(bào)警的效果，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下所示:

1)如果病人出現(xiàn)異常情況，那么系統(tǒng)需先提取出危重病人的體征信號(hào)與數(shù)據(jù)，并在不同干擾因素下實(shí)現(xiàn)收集頻域差異數(shù)據(jù);

圖3 終端軟件界面設(shè)計(jì)

2)如果危重病人出現(xiàn)生命體征微弱的現(xiàn)象，且外界干擾程度較大，那么系統(tǒng)需依據(jù)危重病人體征信號(hào)實(shí)現(xiàn)自身頻域所匹配的濾波器，達(dá)到去除干擾因素影響的目的;

3)以危重病人體征信號(hào)在正常狀態(tài)和異常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)特征為基礎(chǔ)，設(shè)S(x)為危重病人體征信號(hào)隨著隨機(jī)變量x的方差，具體可表述為變量x取值范圍主要取決于危重病人體征信號(hào)在正常狀態(tài)下的偏離程度，如果S(x)取值較小，那么變量x取值范圍則在正常狀態(tài)下的偏離范圍之內(nèi)。反之，如果S(x)取值較大，那么變量x取值比較分散，此時(shí)可將危重病人體征出現(xiàn)的異常信號(hào)收集，經(jīng)過(guò)處理，予以報(bào)警。

在對(duì)病人體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警的過(guò)程中，危重病人的體征信號(hào)和周圍環(huán)境存在的干擾信息都會(huì)隨著時(shí)間變化而發(fā)生改變［10］，并且它們之間的方差不會(huì)為0，由于病人體征信號(hào)與干擾信號(hào)之間是相互獨(dú)立的，為此雷達(dá)回波信號(hào)方差大小取決于病人體征信號(hào)與干擾信號(hào)的總和，具體可表述為:

由公式 (1)可知:S(a)為雷達(dá)進(jìn)行回波時(shí)所收到的信號(hào)整體方差;S(b)為危重病人體征信號(hào)方差;S(c)為由于環(huán)境干擾而噪聲的方差。如果危重病人體征信號(hào)是在正常情況下，那么S(b)=0;如果病人體征信號(hào)處于異常狀態(tài)下，那么S(b)＞0。根據(jù)上述公式，設(shè)定閾值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)危重病人體征信號(hào)的高效監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)報(bào)警功能。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)的危重病人體征監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)，在Matlab環(huán)境下構(gòu)建危重病人體征監(jiān)測(cè)報(bào)警實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

針對(duì)系統(tǒng)驗(yàn)證是在實(shí)際環(huán)境中能夠完成監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能的，為此，選取某醫(yī)院危重病人共10人參加實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)是在危重病人體征正常狀態(tài)下設(shè)置，具體設(shè)置如表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述選取的10位病人正常狀態(tài)下的體征數(shù)據(jù)，分

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)對(duì)危重病人體征監(jiān)測(cè)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行提取，將提取到的信號(hào)準(zhǔn)確率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 不同系統(tǒng)信號(hào)提取準(zhǔn)確率對(duì)比結(jié)果

由表2可看出，改進(jìn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)于危重病人體征監(jiān)測(cè)報(bào)警信號(hào)的提取準(zhǔn)確率要大于傳統(tǒng)系統(tǒng)，主要是由于改進(jìn)系統(tǒng)融合了雷達(dá)原理分析危重病人的生理狀態(tài)所引起的微小回波幅度和相位，促使危重病人體征信號(hào)準(zhǔn)確率提取能夠得到保障。

在同樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)條件下，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)危重病人體征監(jiān)測(cè)的誤警率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知:參與人員編號(hào)為A和B時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)誤警率高于改進(jìn)系統(tǒng)，然而參與人員編號(hào)為C時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)誤警率逐漸降低，當(dāng)編號(hào)為D時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)與改進(jìn)系統(tǒng)誤警率折線重合，直到編號(hào)為E時(shí)，才出現(xiàn)分離，并呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，誤警率增加。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論:

圖4 兩種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)誤警率對(duì)比結(jié)果

改進(jìn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)于危重病人體征監(jiān)測(cè)報(bào)警信號(hào)的提取準(zhǔn)確率要大于傳統(tǒng)系統(tǒng)，主要是由于改進(jìn)系統(tǒng)融合了雷達(dá)原理分析危重病人的生理狀態(tài)所引起的微小回波幅度和相位，促使危重病人體征信號(hào)準(zhǔn)確率提取能夠得到保障，并且兩種系統(tǒng)的誤警率折線呈現(xiàn)分離－重合－分離的現(xiàn)象，主要是因?yàn)楦倪M(jìn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用了濾除高頻干擾分量的濾波器，促使危重病人特征信號(hào)是否出現(xiàn)異常能夠進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，進(jìn)而大大降低了誤警率。由此可知:改進(jìn)系統(tǒng)信號(hào)的提取準(zhǔn)確率高，且監(jiān)測(cè)報(bào)警的誤警率低。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)危重病人體征信號(hào)監(jiān)測(cè)與報(bào)警需采用信號(hào)波動(dòng)信息來(lái)保障病人的生命安全，由于病人在進(jìn)行體征監(jiān)測(cè)時(shí)，容易受到外界各種因素的干擾導(dǎo)致信號(hào)監(jiān)測(cè)存在較大誤差，為此在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對(duì)病人體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)與報(bào)警。融合線性雷達(dá)原理對(duì)危重病人生理狀態(tài)進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)提取體征信號(hào)，采用濾波器去除高頻干擾，以危重病人體征正常狀態(tài)為參考資料，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測(cè)報(bào)警性能，大幅度提升了危重病人監(jiān)控報(bào)警準(zhǔn)確性。