戰(zhàn)場救護(hù)與遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)研究

翁興偉　陳衛(wèi)東　薛夢琪　孔冰　楊磊　李磊

現(xiàn)代武器的殺傷力強(qiáng)，造成的傷員多，危害也大，第一次世界大戰(zhàn)期間，在戰(zhàn)場上死亡的人數(shù)約1000萬人，受傷人員達(dá)2000萬以上。第二次世界大戰(zhàn)期間，各交戰(zhàn)國因戰(zhàn)爭總共死亡5000萬人，傷亡的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了第一次世界大戰(zhàn)。這充分說明了，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭武器越來越先進(jìn)，殺傷力越來越大的情況下，大力開展群眾性戰(zhàn)地救護(hù)就顯得更加重要。遠(yuǎn)程現(xiàn)場處理系統(tǒng)主要由筆記本電腦、便攜式衛(wèi)星通信終端等組成。目的是利用高速無線網(wǎng)絡(luò)建立遠(yuǎn)程醫(yī)療會診和會診系統(tǒng)。目前美軍無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率為256kpa，遠(yuǎn)高于中國有線電話的傳輸速率。在這個速率下，視頻和圖像信息可以正常傳輸。這些小型、節(jié)能的現(xiàn)場遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)是我國軍隊迫切需要的。美軍高度重視這一發(fā)展，包括正在開發(fā)的士兵生理狀態(tài)監(jiān)測（WPsM）系統(tǒng)，這是實現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)之一，被列為軍隊醫(yī)學(xué)優(yōu)先發(fā)展的20大項目之一【1】。士兵生理狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是將一系列微型無線傳感器佩戴在士兵的重要部位，其價格便宜，并且對士兵的行動不影響，例如：傳感器、體溫、血氧等，這些傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過個人無線局域網(wǎng)傳到無線終端。DARPA（美國國防先進(jìn)研究項目局）在去年九月份公布了一項讓士兵受傷治愈的研究計劃ElectRx，該計劃一度被人們所關(guān)注。它在概念上講就像一個小型的智能心臟起搏器，它可以監(jiān)控士兵的身體情況，士兵在受傷時，該系統(tǒng)就會給予受傷士兵量身定做的藥物和刺激，以促進(jìn)自身愈合，達(dá)到第一時間的救治?，F(xiàn)在世界各國在戰(zhàn)地救護(hù)方面投入了很多的經(jīng)歷和時間，但我國在這方面仍處于落后階段?，F(xiàn)在配發(fā)給部隊的制式衛(wèi)生急救包版本較為傳統(tǒng)，只能進(jìn)行簡單的處置。目前，我國在戰(zhàn)地救治方面較為落后，仍然使用傳統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行救治，研制新一代的戰(zhàn)場救護(hù)產(chǎn)品已經(jīng)勢在必行。

Zigbee數(shù)傳模塊的運用

芯片5：選用型號STM32F103ZET6，采用了Zigbee模塊用來無線傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中加入了紅外對管、血氧傳感器、心電傳感器、溫濕度傳感器等可佩帶的傳感器系統(tǒng)。各傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由芯片5處理后，由無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給后方醫(yī)院終端（野戰(zhàn)醫(yī)院）;由后方的醫(yī)生綜合各項生命體征數(shù)據(jù)，既往病史等，在預(yù)存在醫(yī)院終端的治療方案中選擇合適的方案反饋給前方戰(zhàn)場。????同時考慮到戰(zhàn)事一旦開啟，野戰(zhàn)醫(yī)院收治的傷員過多，所以本項目開發(fā)了以STM32F103ZET6芯片5為平臺的無線點滴監(jiān)控自動報警系統(tǒng)，醫(yī)院的一個電腦終端可以監(jiān)控全部病人的點滴有無、余量多少等信息，最大程度上節(jié)約了醫(yī)療力量。使用一個芯片5實現(xiàn)了組件單個作戰(zhàn)單元的生命體征信息采集回傳，直到住院的全套智能醫(yī)療系統(tǒng)。????ZigBee數(shù)傳模塊：選擇了ZigBee作為無線模塊用來傳輸數(shù)據(jù)?？傊琙igbee是一種高度可靠的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通信范圍從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米和公里，并支持無線擴(kuò)展。物理層采用擴(kuò)頻技術(shù)，具有一定的抗干擾能力。MAC應(yīng)用層具有應(yīng)答和轉(zhuǎn)發(fā)功能。MAC層的CSMA機(jī)制使節(jié)點在發(fā)送之前監(jiān)聽信道，可以避免干擾。當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾無法正常工作時，整個網(wǎng)絡(luò)可以動態(tài)切換到另一個信道【2】。

使用ZigBee考慮到其有低功耗、低成本、短時延、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段等特點。在低電耗待機(jī)模式下2節(jié)5號電池可支持一個節(jié)點工作6-24個月，節(jié)點只需30ms即可接入網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約電能，而藍(lán)牙需要3--10s。????由于前線距離后方醫(yī)院距離過遠(yuǎn)，可能超出了ZigBee節(jié)點之間的傳輸距離。如圖1所示，本項目設(shè)置了戰(zhàn)場單兵--連衛(wèi)生員--團(tuán)衛(wèi)生隊--野戰(zhàn)醫(yī)院的傳輸結(jié)構(gòu)，即芯片5的數(shù)據(jù)依次通過連級ZigBee數(shù)傳模塊6和團(tuán)級ZigBee數(shù)傳模塊7無線傳輸至后方的醫(yī)院終端8。同時為確保信息能夠穩(wěn)定傳輸，在連級ZigBee數(shù)傳模塊6和團(tuán)級ZigBee數(shù)傳模塊7上增加發(fā)射功率增強(qiáng)器，增加其傳輸距離?！?】

圖1 用于戰(zhàn)場救護(hù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的模塊連接示意圖

心電傳感器的運用

心電傳感器3：傳統(tǒng)的脈搏測量方法主要有三種，一是從心電信號中提取;二是脈搏率是通過測量血壓時壓力傳感器測量的波動來計算的。第三，光電容積法。前兩種提取的信號如果長期使用，不僅會限制患者的活動，而且會增加患者的生理和心理不適。本課題采用光電體積法設(shè)計的心電傳感器3脈沖傳感器，具有方法簡單、易磨損、可靠性高等特點。????光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管中搏動時的透射率差來測量脈搏。它使用傳感器和光電轉(zhuǎn)換器兩部分，通過綁定或夾在病人的手指或耳垂，光源，一般用于動脈的血氧和血紅蛋白選擇性特定波長（500 nm - 700 nm）發(fā)光二極管（led），當(dāng)光束通過人類外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也有周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率【4】。

溫濕度傳感器的運用

溫濕度傳感器4：本項目溫濕度傳感器4采用AM2302濕敏電容數(shù)字溫度模塊，這是一個溫度和濕度傳感器校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出。采用特殊的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有高可靠性和優(yōu)良的長期穩(wěn)定性。傳感器包括電容式水分傳感器和高精度水分傳感器。該產(chǎn)品具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等特點用來配合心電傳感器測量單兵基本單元的體溫【5】。

體點滴速度檢測模塊的運用

體點滴速度檢測模塊1：考慮到戰(zhàn)事一旦開啟，傷病員數(shù)量激增，而野戰(zhàn)醫(yī)院醫(yī)療力量有限，難以照顧到所有病人，為節(jié)省醫(yī)療力量，搶救重點人員，設(shè)計了液體點滴速度檢測模塊1，液體點滴速度檢測模塊1的電路如圖2所示。配合心電傳感器3、溫濕度傳感器4來監(jiān)控傷病員情況，如果有哪項指標(biāo)低于額定值，會在系統(tǒng)中自動報警。

圖2 用于戰(zhàn)場救護(hù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)液體點滴速度檢測模塊中的電路圖

利用紅外管ST180檢測液滴是否下落。在滴管兩側(cè)固定紅外對管，接收管和發(fā)射管的光軸成直線，所述紅外對管通過液滴連續(xù)滴落產(chǎn)生與液滴頻率相同的電脈沖信號來計算液體的速度。為減小誤差，在對管處包裹一層黑色膠布，使外界對紅外對管傳感器的影響最小【6】。

本項目的用于戰(zhàn)場救護(hù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)通過主站控制從站的輸液速度，及時掌握輸液余量。既方便醫(yī)生、護(hù)士照顧病患，又能讓病人安心治療，不必?fù)?dān)心輸液瓶液滴倒流，引起血液倒流?！?】

本項目的用于戰(zhàn)場救護(hù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的有益效果

使傳統(tǒng)設(shè)備具備智能和互聯(lián)功能。在點滴輸液管上加入了紅外對管用來測量滴速，同時加入壓力傳感器測量點滴余量，并使用無線模塊將信息及時回傳給主機(jī)。通過主機(jī)來無線控制從機(jī)的變化。通過建立上位機(jī)，從而實現(xiàn)定點和巡回監(jiān)測點滴剩余情況和病人的生理狀態(tài)。

將遠(yuǎn)程醫(yī)療與電子醫(yī)療設(shè)備結(jié)合。系統(tǒng)中加入了PulseSensor、DHT22 AM2302 電子醫(yī)療傳感器，實時監(jiān)控士兵的生命體征，并使用ZigBee模塊實現(xiàn)無線回傳數(shù)據(jù)，掌握戰(zhàn)場和士兵的各種信息，較少傷亡，避免意外發(fā)生，實現(xiàn)了單兵的智能可穿戴。

借用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，傳輸生命體征數(shù)據(jù)。使用ZigBee進(jìn)行無線組網(wǎng)，將戰(zhàn)場上各個點的信息匯總，該物聯(lián)網(wǎng)可以集中數(shù)萬個子節(jié)點，充分滿足了戰(zhàn)場需求，同時具有穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的功能，具有高安全性。讓指揮官了解戰(zhàn)局的發(fā)展，控制戰(zhàn)場的局勢。

在傳輸結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了簡潔化創(chuàng)新。信息具有時效性，過于復(fù)雜的信息傳輸結(jié)構(gòu)不利于信息的傳輸。為了方便指揮員及時掌握戰(zhàn)場信息，系統(tǒng)設(shè)置了野戰(zhàn)醫(yī)院——團(tuán)指揮所——連衛(wèi)生員的三級機(jī)構(gòu)，最大程度上保障了信息的及時傳遞，有助于指揮員做出反應(yīng)。

本項目的目的是提供一種戰(zhàn)場救護(hù)與遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，以解決我國在戰(zhàn)地救治方面的空白，士兵遠(yuǎn)程治療難的問題。與現(xiàn)代技術(shù)相比，具有成本低、便攜性、易操作、信息傳遞穩(wěn)定等優(yōu)勢特點。

參考文獻(xiàn)

【1】楊樹， 美軍野戰(zhàn)救治最新發(fā)展?fàn)顩r[J]，醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2000（12）

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【3】ZigBee，https：//baike.baidu.com/item/zigbee/2114780？fr=aladdin，百度百科，2008（4）

【4】監(jiān)護(hù)儀，https：//baike.baidu.com/item/監(jiān)護(hù)儀，百度百科，2008（4）

【5】數(shù)字式溫濕度傳感器，https：//baike.baidu.com/item/數(shù)字溫濕度傳感器？fromtitle=%E6%95%B0%E5%AD%97%E5%BC%8F%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8&fromid=3055240，百度百科，2008（4）

【6】伍玉，液體點滴速度檢測裝置[J]，電子設(shè)計工程，2009（3）

【7】樓蔚松，病床呼叫及輸液監(jiān)控系統(tǒng)[J]，金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011（8）

基金項目：西安思源學(xué)院省級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目資助（項目編號）S201913121029

（作者單位： 西安思源學(xué)院）