人體健康智能監(jiān)護系統(tǒng)

劉紅 馬天時 沈霆煊

摘 要：傳統(tǒng)以醫(yī)院醫(yī)療檢測為主的方法已不能滿足人們對健康的需求，因此研發(fā)一種新的醫(yī)療監(jiān)護設(shè)施勢在必行。文中研究的人體智能健康監(jiān)護系統(tǒng)可實現(xiàn)對被檢測者血壓、體溫、心率、心音、脈搏等情況的實時監(jiān)護，設(shè)備靈活性好，可擴展性強，便攜、易用，同時可對人體多項生理參數(shù)進行收集，從而進行數(shù)據(jù)的綜合分析與判斷，得出被檢測人的健康狀況。

關(guān)鍵詞：監(jiān)護系統(tǒng);4G網(wǎng)絡(luò);生理參數(shù);檢測傳輸;可擴展;APP

中圖分類號：TP299文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

隨著人口老齡化進程的加快，人們對自身健康的關(guān)注度越來越高。近二三十年醫(yī)療體系逐步完善，早先某些疾病如痢疾、鼠疫等傳染病幾乎杜絕。醫(yī)療上的主要疾病已從急性傳染病變?yōu)槁圆?，如高血壓、心臟病、糖尿病和癌癥等疾病的預(yù)防與治療后的康復(fù)，這些已成為急需解決的問題[1]。世界衛(wèi)生組織測評得出：世界范圍內(nèi)慢性疾病的發(fā)病率呈上升趨勢，預(yù)計到2025年慢性疾病將成為人類失能的首要原因。而醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，這些慢性疾病的病發(fā)需要經(jīng)歷一個完整的過程：從處于低危狀態(tài)，到中危狀態(tài)，再到高危狀態(tài)，最后才到病變狀態(tài)，最終出現(xiàn)臨床癥狀。在這個有序的過程中，如果能夠?qū)θ梭w各項健康指標進行實時檢測，就有可能提前發(fā)現(xiàn)問題并提前進行預(yù)警或干涉性治療?；谝陨夏康?，本文研究一種人體健康智能監(jiān)護系統(tǒng)，以解決此類問題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來人體健康監(jiān)護系統(tǒng)在國內(nèi)外均有長足的發(fā)展[2]，現(xiàn)有系統(tǒng)基本具有監(jiān)護、分析處理及管理等功能。

1.1 國內(nèi)的研究與開發(fā)現(xiàn)狀

我國醫(yī)用監(jiān)護系統(tǒng)的鼻祖是對心血管疾病的監(jiān)護。發(fā)展到今天，已出現(xiàn)對各種情況的監(jiān)護系統(tǒng)，如適用于心腦血管、呼吸道、新生兒、婦產(chǎn)科、麻醉、睡眠狀況等方面的監(jiān)護。

除對應(yīng)各種疾病的監(jiān)護儀外，監(jiān)護系統(tǒng)的連接形式也由單一的有線系統(tǒng)發(fā)展為無線可移動系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可用于床旁、中心監(jiān)護系統(tǒng)及中心工作站等[3-5]。

1.2 國外的研究與開發(fā)現(xiàn)狀

國外開展智能健康監(jiān)護系統(tǒng)領(lǐng)域的研究較早，并取得了許多優(yōu)秀成果。例如，GE、西門子、飛利浦等公司相繼推出了多參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng);荷蘭飛利浦基于基站的家庭遠程監(jiān)護系統(tǒng);英國公司的家庭遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng);美國AmerieanTeleeare公司的病人視頻監(jiān)護系統(tǒng)等[6]。這些系統(tǒng)都應(yīng)用了目前較先進的計算機技術(shù)及通信技術(shù)，能夠根據(jù)病人需要配置監(jiān)護參數(shù)，實現(xiàn)多參數(shù)的實時監(jiān)護[7]。研究發(fā)現(xiàn)，這些系統(tǒng)使用耦合方式將信號調(diào)制到音頻，利用電話線進行傳輸，而生理參數(shù)模塊經(jīng)過串口與終端相連接，不便于個人攜帶，整體設(shè)備也偏笨重，且設(shè)備價格較昂貴，不適用于我國家用醫(yī)療環(huán)境。

2 人體健康智能監(jiān)護系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)功能需求研究

本文研究的健康監(jiān)控系統(tǒng)采用4G與藍牙技術(shù)，可用于遠程網(wǎng)絡(luò)式監(jiān)護。該系統(tǒng)的設(shè)計宗旨是外觀精致，小巧玲瓏，便于攜帶，操作方便、簡潔，檢測準確度高，性價比高等。

本文系統(tǒng)能對被檢測者進行實時監(jiān)護，包括對心電、心音、脈搏、體溫等各項生理信號的收集、顯示、分析處理與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?。該系統(tǒng)能通過公共網(wǎng)絡(luò)實時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)護中心，以實現(xiàn)遠程監(jiān)護。同時，監(jiān)護中心端也可實現(xiàn)包括對被檢測者生理信號數(shù)據(jù)的接收、顯示、管理與分析處理。

其工作原理為：通過各種生理檢測傳感器及模塊，對所需要監(jiān)測的人體各項參數(shù)指標如血壓、脈搏、體溫、心電及心音等數(shù)據(jù)進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)由Internet網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程醫(yī)療中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對采集到的數(shù)據(jù)進行整理分析，提供檢測者需要的信息反饋與咨詢服務(wù)，從而實現(xiàn)智能健康監(jiān)護。在異樣的生命指征信號出現(xiàn)時，患者本人可采取一些自救措施，同時也可通過遠程通信，將患者狀況通知患者家屬、社區(qū)醫(yī)生或就近醫(yī)院的醫(yī)生。醫(yī)生通過網(wǎng)絡(luò)給患者或其家屬開具簡單的應(yīng)急醫(yī)囑，使患者得到最及時的診斷與救治[8-9]。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文系統(tǒng)由傳感器、控制中心、數(shù)據(jù)通信、醫(yī)療中心服務(wù)器及APP應(yīng)用五部分組成，可對人體生理需要檢測的參數(shù)進行實時采集與處理。多參數(shù)檢測硬件系統(tǒng)由腕帶及附著在腕帶上的監(jiān)測盒組成，采用雙微處理器，其中MCU-2完成各項生命指征信號的采集與分析，MCU-1完成人機交互與數(shù)據(jù)通信[8，10]，將生命特征參數(shù)與處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)不失真地傳送到醫(yī)院數(shù)據(jù)接收點。醫(yī)院服務(wù)器智能終端對數(shù)據(jù)進行分析處理，供主治醫(yī)師進一步分析診斷，并將診斷結(jié)果與醫(yī)囑通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回患者或監(jiān)護人。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 開發(fā)板模塊

該系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)分為三種：CPU及內(nèi)存相關(guān)模塊;時鐘、外設(shè)及電源管理相關(guān)模塊;無線電通信相關(guān)模塊。

開發(fā)板CC2540的內(nèi)核是一個單周期的8051 CPU兼容內(nèi)核，有SFR，DATA，CODE/XDATA共3個不同的storage訪問總線，工作頻率是以單周期訪問SFR，DATA及主SRAM。開發(fā)板CC2540還含括1個調(diào)試接口和1個18輸入的擴展中斷單位。中斷控制器有18個中斷源，分為6個中斷組，每組有4個中斷優(yōu)先級。當(dāng)設(shè)備從休眠模式回到活動模式時，會請求一個中斷服務(wù)，其中一些中斷還可從空閑模式喚醒設(shè)備。開發(fā)板CC2540上的內(nèi)存仲裁器位于系統(tǒng)中心，經(jīng)過SFR總線把CPU，DMA控制器，物理存儲器以及所有外部設(shè)備連接在一起。開發(fā)板CC2540上的時鐘與電源管理工作方式為：1.8 V低差穩(wěn)壓器給數(shù)字內(nèi)核與外部設(shè)備供電，具備電源管理功能，可實現(xiàn)不同的供電模式，以利于延長電池壽命，因此可有5種不同的復(fù)位源來復(fù)位設(shè)備[11]。調(diào)試接口執(zhí)行一個專有的兩線串行接口，用于內(nèi)電路調(diào)試。

輸入輸出I/O控制器管理通用的I/O引腳。CPU可設(shè)置外設(shè)模塊是否控制某個引腳或是否受軟件控制，若是，則每個引腳要設(shè)置為一個輸入或輸出。另外還要考慮是否連接一個下拉或上拉電阻，每個引腳上的CPU中斷都可以使能。為了確保外設(shè)在不同應(yīng)用程序中的靈活性，每個外設(shè)都可在兩個不同的I/O引腳位置之間選擇連接哪個引腳。

開發(fā)板CC2540上的直接內(nèi)存可訪問DMA（Direct Memory Access，DMA）控制器，且能訪問所有物理存儲器。每個通道（觸發(fā)器、優(yōu)先級、傳輸模式、尋址模式、源、目標指針及傳輸計數(shù)）可用直接內(nèi)存訪問控制器描述其在存儲器的地方配置。

開發(fā)板CC2540上的定時器是16位定時器，具備定時器、計數(shù)器及脈沖寬度調(diào)制功能，其有可編程分頻器、16位周期值及5個各自可編程的計數(shù)器用于捕獲通道。

開發(fā)板CC2540上的AES協(xié)議處理器帶有128位密鑰的AES算法加密或解密數(shù)據(jù)，能夠支持IEEE 802.15.4 MAC安全、ZigBee網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層需求的高級加密標準AES（Advanced Encryption Standard，AES）操作。

3.2 各類傳感器

3.2.1 心率及脈搏傳感器

本文系統(tǒng)使用的心率傳感器是PulseSensor傳感器，它是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器，將其佩戴于手指、耳垂等處，通過導(dǎo)線連接可將采集到的模擬信號傳輸至Arduino等單片機以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過Arduino等單片機簡單計算后就可得到心率數(shù)值。此外還可將脈搏波形通過串口上傳到電腦顯示，其工作原理如圖1所示[12]。

3.2.2 溫度傳感器

本文系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器測量體溫，如圖2所示，為便于使用，將DS18B20外部通過不銹鋼探頭進行包裝。

3.2.3 血壓傳感器

本文系統(tǒng)采用ANT-US9116-006-N傳感器測量血壓。該模塊與袖帶連接，通過袖帶獲取人體信息，并將得到的壓力轉(zhuǎn)換為電壓值，輸出的電壓信號為靜壓力信號與脈搏信號的疊加，利用0.6～6.4 Hz的帶通濾波器將脈搏信號濾出，放大后傳送至單片機，同時也將靜壓力信號傳送至單片機，單片機通過A/D轉(zhuǎn)換，將采集到的壓力信號量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過特定算法把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為可讀血壓值。由于傳感器獲取到的電壓值很小，故使用放大電路，利用Vout引腳輸出放大后的信號，并對此信號進行放大濾波后傳送至單片機進行處理[13]。

4 數(shù)據(jù)通信及軟件

本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方式除了4G還采用了藍牙方式。藍牙模塊作為智能穿戴設(shè)備上的重要通信模塊[14]，配合移動設(shè)備，能夠使系統(tǒng)更加智能。

4.1 系統(tǒng)藍牙模塊BT-HC-05

藍牙通信部分主要使用嵌入式藍牙串口通信模塊BT-HC-05作為點對點通信模塊，具有命令應(yīng)答與自主連接兩種工作模式。其中，自主連接工作模式分為主（Master）、從（Slave）及回環(huán)（Loopback）三種角色。當(dāng)藍牙通信模塊處于自主連接工作模式時，主動按照事先設(shè)定的工作方式進行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)模塊處于命令應(yīng)答工作模式時，接收到AT指令后再進行工作。

4.2 通信模塊連接方案

藍牙模塊與終端連接結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4.3 APP終端的開發(fā)

終端APP軟件采用微信小程序開發(fā)，其效果如圖4所示。

進行APP終端開發(fā)時，在微信小程序前端頁面加上服務(wù)器數(shù)據(jù)，可直接在微信開發(fā)者工具中作為項目打開小程序與服務(wù)器進行交互，通過微信原生API接口[15]（網(wǎng)絡(luò)API、媒體API、數(shù)據(jù)存儲API、位置API、設(shè)備信息API、界面API及開放API）進行。微信小程序為藍牙提供的藍牙API有多種：初始化藍牙適配器;關(guān)閉藍牙模塊，調(diào)用該方法將斷開所有已建立的連接并釋放系統(tǒng)資源;獲取本機藍牙適配器狀態(tài);開始搜尋附近的藍牙外圍設(shè)備;停止搜尋附近的藍牙外圍設(shè)備;獲取所有已發(fā)現(xiàn)的藍牙設(shè)備，包括已和本機處于連接狀態(tài)的設(shè)備;獲取藍牙設(shè)備所有Service（服務(wù)）;往可寫特征寫入數(shù)據(jù);打開通知[16]（特征值為notify的特征UUID）。

4.4 APP軟件連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

客戶端的APP要實現(xiàn)各種功能，需與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接，連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器則需調(diào)用網(wǎng)絡(luò)API，普通的HTTPS請求，以及通信、上傳文件、下載文件、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請求。將本地資源上傳到開發(fā)者服務(wù)器，客戶端直接發(fā)起HTTPGET請求，返回文件的本地臨時路徑。本地文件的臨時路徑在小程序本次啟動期間可正常使用，若有長久保存的需求，則需主動調(diào)用wx.saveFile，在使用者下次啟動小程序時才能訪問。客戶端展示如圖5所示。服務(wù)器端情況如圖6所示。

4.5 騰訊云服務(wù)器的鏈接

騰訊云服務(wù)器為微信小程序開發(fā)提供了一個通用架構(gòu)，含有藍牙設(shè)備的電子產(chǎn)品可看作一個服務(wù)器，其中的相關(guān)配置已配置好，而進行網(wǎng)絡(luò)連接的云服務(wù)器則需自己配置，做好相關(guān)配置后，小程序客戶端通過調(diào)用API接口訪問服務(wù)器URL即可進行相關(guān)操作。

5 結(jié) 語

本文研發(fā)了人體健康智能監(jiān)控系統(tǒng)，使用4G與藍牙技術(shù)，系統(tǒng)硬件模塊由各類傳感器監(jiān)控模塊、控制中心模塊、信息傳輸模塊、醫(yī)療中心服務(wù)器與APP應(yīng)用五部分構(gòu)成。專用的傳感器模塊可實現(xiàn)對人體各項生理參數(shù)指標的檢測與數(shù)據(jù)收集，然后由遠程醫(yī)療服務(wù)控制中心對采集到的數(shù)據(jù)進行醫(yī)療判斷，及時將急癥、醫(yī)囑及應(yīng)急方案等信息傳輸?shù)交颊呤种小?/p>

參 考 文 獻

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