用于慢性病危險因素控制的移動式監(jiān)控儀研制

【作 者】姚旦華，朱朝陽，包家立

1 浙江省中醫(yī)院醫(yī)療保障部，杭州市，310002

2 浙江大學醫(yī)學院，杭州市，310058

慢性非傳染性疾病(簡稱慢性病)主要包括心腦血管疾病、代謝疾病、癌癥、呼吸系統(tǒng)疾病等，是一種死亡率高、生活質(zhì)量低、經(jīng)濟負擔重的疾病。慢性病防控是重要的公共衛(wèi)生問題之一，控制措施主要是針對人群和個體的綜合干預，預防導致多種疾病發(fā)生的共同危險因素[1]。這些危險因素包括缺乏身體運動、不健康飲食、煙草使用和有害飲酒[2]。從全國慢性病社區(qū)綜合防治示范點經(jīng)驗看，缺乏有針對性、有效的干預措施和實踐技術(shù)是危險因素控制的難點之一[3]。本文研制的一種慢性病危險因素狀態(tài)控制移動式監(jiān)控儀力圖為慢性病社區(qū)綜合防治提供新技術(shù)，以促進建立慢性病防控的新方法，提高慢性病防控水平。

1 危險因素狀態(tài)控制原理

人體狀態(tài)用血壓、血糖、心率、體重指數(shù)(BMI)等一組狀態(tài)變量表示，三種狀態(tài)的判別標準根據(jù)《中國高血壓防治指南》和《中國糖尿病防治指南》中的正常范圍為健康狀態(tài)、危險范圍為高危狀態(tài)、診斷標準為疾病狀態(tài)。

危險因素狀態(tài)控制模式由人體系統(tǒng)、控制策略、比較、標準組成，如圖1所示。人體系統(tǒng)的輸入u是運動、飲食、吸煙、飲酒等生活行為，輸出x是血壓、血糖、心率、BMI等狀態(tài)變量?？刂七^程是首先采集人體血壓、血糖、心率、BMI等狀態(tài)變量數(shù)據(jù)x，將這些數(shù)據(jù)與指南標準進行比較，比較結(jié)果進行控制策略分析，分析結(jié)果給出人體運動、飲食、吸煙、飲酒等危險因素的限制量和需要量u?？刂颇繕耸侨梭w血壓、血糖、心率、BMI等參數(shù)保持或回歸在健康狀態(tài)，狀態(tài)變量數(shù)據(jù)用電子血壓計、電子血糖儀、體重秤等家用醫(yī)療儀器測量，危險因素限制量和需要量u通過移動式監(jiān)控儀提示受控人遵照執(zhí)行。控制策略根據(jù)血壓、血糖、心率、BMI的當前量和變化率分析，這種用人體狀態(tài)變量數(shù)據(jù)當前量和變化率制定的控制策略稱為狀態(tài)控制。

圖1 危險因素狀態(tài)控制模式Fig.1 Model of status control of risk factor

2 危險因素狀態(tài)控制系統(tǒng)

圖1的狀態(tài)控制模式由慢性病社區(qū)防治的無線反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)。它包括危險因素狀態(tài)控制的移動式監(jiān)控儀和社區(qū)中央服務器兩部分組成，如圖2所示。

圖2 危險因素狀態(tài)控制系統(tǒng)Fig.2 Status control system of risk factor

移動式監(jiān)控儀是個體持有的個人醫(yī)療儀器，其功能有兩個：(1)收集人體血壓、血糖、心率、BMI等狀態(tài)變量的數(shù)據(jù)，并及時發(fā)送給社區(qū)中央服務器；(2)接受社區(qū)中央服務器控制策略分析結(jié)果的運動、飲食、吸煙、飲酒等危險因素限制量和需要量數(shù)據(jù)。

社區(qū)中央服務器由社區(qū)衛(wèi)生服務中心的社區(qū)醫(yī)師使用，其功能有兩個：(1)對接受的狀態(tài)變量數(shù)據(jù)進行控制策略分析，并給出針對個體的危險因素限制量和需要量數(shù)據(jù)；(2)對所有信息數(shù)據(jù)進行管理。

移動式監(jiān)控儀與社區(qū)中央服務器之間通過無線方式進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)“任何時間任何地點”將受控者狀態(tài)數(shù)據(jù)變量給社區(qū)醫(yī)師，以及將危險因素的限制量和需要量數(shù)據(jù)給受控者，以提高慢性病危險因素的控制率。

3 移動式監(jiān)控儀設計

移動式監(jiān)控儀由嵌入式微處理器、液晶屏及其驅(qū)動電路、觸摸屏、鍵盤、RAM、ROM、SD卡、通訊單元等組成。電子血壓計、電子血糖儀、觸摸屏與嵌入式微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口連接，嵌入式微處理器的LCD控制器輸出接口與液晶屏驅(qū)動電路連接，液晶屏驅(qū)動電路與液晶屏連接，鍵盤、RAM、ROM、SD卡、通訊單元等分別與嵌入式微處理器的I/O接口、RAM接口、ROM接口、SD接口、串行通訊接口連接，如圖3所示。設計說明如下[4]：

(1)嵌入式微處理器 采用三星公司(Samsung)基于ARM920T內(nèi)核的32 bit RISC微處理器S3C2410X。

圖3 危險因素狀態(tài)控制系統(tǒng)Fig.3 Status control system of risk factor

(2)一次測量信號輸入接口 一次測量是指利用傳感器或電極直接檢測的狀態(tài)參數(shù)，如血壓、血糖等。電子血壓計和電子血糖儀通過各自的信號處理將檢測的血壓和血糖信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為(0～3)V的電壓信號輸入到嵌入式微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)接口。

(3)人機接口 包括液晶屏、觸摸屏和鍵盤等。個體可以通過觸摸屏或鍵盤手工輸入體重等隨訪數(shù)據(jù)；液晶屏顯示來自于社區(qū)中央服務器的危險因素控制量數(shù)據(jù)。

液晶屏選用三星公司(Samsung)TFT-LCD型液晶屏(LTS350Q1-PE1)，并設計了與之配套的驅(qū)動電路，將嵌入式微處理器的LCD控制器、TFT-LCD驅(qū)動電路和液晶屏結(jié)合起來構(gòu)成嵌入式液晶顯示系統(tǒng)。驅(qū)動電路包括時序控制器、DC-DC變換器、公共電源發(fā)生器和背光驅(qū)動電路等。

液晶屏內(nèi)集成有數(shù)字電路和模擬電路，需要外部提供數(shù)字電源和模擬電源。DC-DC變換器和公共電源發(fā)生器為液晶屏提供多路電壓。液晶屏需要用外部時序控制器(即伴侶芯片)進行數(shù)字時序匹配，其專用芯片為LCC3600。

DC-DC變換器為TFT-LCD型液晶屏的專用電源MAX1779(MAXIM公司)，其輸入電源DVdd、輸出電源AVdd、Von、Voff分別與液晶屏的數(shù)字電源DVDD、模擬電源AVDD、柵極開電源VON、柵極閉電源VOFF連接。公共電源發(fā)生器數(shù)字電源DVDD和模擬電源AVDD分別來自于DC-DC變換器的電源DVdd和AVdd，控制信號REV和REVB來自于時序控制器(LCC3600)的輸出信號。輸出電源VCOM與液晶屏的公共電源VCOM連接。

液晶屏必須提供背光驅(qū)動電路，以使液晶屏上的畫面更清晰。液晶屏內(nèi)部采用了LED背光方式，并配置專用LED驅(qū)動芯片(MP1521)。將驅(qū)動芯片的3個反饋回路FB1、FB2、FB3短接，可提供更大的驅(qū)動電流來驅(qū)動LED背光燈，電路設計有過流保護功能。液晶屏亮度可通過驅(qū)動芯片亮度控制信號BRT的電壓來調(diào)節(jié)。為了提高應用的靈活性，本設計將該電壓設為固定電平。為了節(jié)省功耗，背光驅(qū)動電路接受來自于嵌入式微處理器LCD控制器電源使能控制信號LCD_PWREN。當LCD_PWREN高電平時，背光驅(qū)動電路被點亮工作；為低電平時電路關斷，以便節(jié)省功耗。

液晶屏可以兼用觸摸屏。它由橫向電阻絲X和縱向電阻絲Y組成的4線電阻式觸摸屏。嵌入式微處理器有8個模擬輸入通道，其中通道7為觸摸屏接口的X坐標輸入，通道5為觸摸屏接口的Y坐標輸入。微處理器的4個信號nYPON、YMON、nXPON、XMON分別控制4個MOS管(S1、S2、S3、S4)的通斷。嵌入式微處理器觸摸屏控制器有X/Y位置分別轉(zhuǎn)換和X/Y位置自動轉(zhuǎn)換兩種模式，本設計采用X/Y位置自動轉(zhuǎn)換模式。

鍵盤采用3×7矩陣式鍵盤掃描方式連接，包括數(shù)字鍵0-9，*，#，BACK，SELECT，OK，四向，Power和接通等21個鍵，Power鍵和掛機鍵復用，用長按和短按方法區(qū)分實現(xiàn)，其余20個鍵利用鍵盤矩陣掃描方式實現(xiàn)。矩陣式鍵盤的3根縱向線分配于嵌入式微處理器普通輸入輸出接口，7根橫向線分配于普通輸入輸出接口。鍵盤單獨定制為鍵盤FPCB(柔性印制電路板)，與主板連接，采用20板對板連接器，軟件去抖，背光燈和限流電阻均采用薄膜封裝。鍵盤背光信號采用PWM(脈寬調(diào)制)，4個背光燈共用一組背光信號，由于每個背光燈額定電流5 mA，限流電阻值68 Ω。每組背光信號驅(qū)動電流為30 mA，4個背光燈需20 mA。

(4)二次測量數(shù)據(jù)計算 二次測量是通過一次測量所獲得的數(shù)據(jù)進行計算獲得。在嵌入式微處理器內(nèi)計算包括體重指數(shù)(BMI)為：

其中：W 為體重(kg)；H 為身高(m)。

(5)數(shù)據(jù)采集 移動式監(jiān)控儀通過觸摸屏或鍵盤手工采集體重，以及自動采集血壓和血糖等數(shù)據(jù)。采集周期通過觸摸屏或鍵盤設置，并顯示提醒。

(6)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng) 包括1個128 MB的隨機存儲器RAM、1個128 MB的只讀存儲器ROM和1個SD存儲卡。存儲器芯片為Hynix S3C2410X。

(7)數(shù)據(jù)通訊 采用SIEMENS公司支持GSM/GPRS的MC35i手機引擎(Cellular Engine)，與嵌入式微處理器的連接如圖4所示。嵌入式微處理器通過異步串行通信接口(UART)與MC35i中ZIF連接器的R232實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，同時MC35i中ZIF連接器的SIM信號與SIM卡連接，確認移動式監(jiān)控儀的身份。嵌入式微處理器通過MC35i的專用AT命令對該引擎進行控制和數(shù)據(jù)傳輸，并通過通訊單元向社區(qū)中央服務器發(fā)送所采集的生理參數(shù)數(shù)據(jù)和危險因素狀態(tài)數(shù)據(jù)，或接收危險因素控制量數(shù)據(jù)等。

圖4 通訊單元的數(shù)據(jù)傳送Fig.4 Data transfer of communication unit

在發(fā)送數(shù)據(jù)時，嵌入式微處理器先將采集到的狀態(tài)變量數(shù)據(jù)、危險因素數(shù)據(jù)提交給TCP/IP協(xié)議棧，TCP/IP協(xié)議棧根據(jù)目的地址和端口將這些數(shù)據(jù)封裝成完整的IP數(shù)據(jù)包提交到PPP層，該IP數(shù)據(jù)包經(jīng)PPP層封裝之后，通過串口逐字節(jié)地提交至MC35i并向社區(qū)中央服務器發(fā)送。在接收數(shù)據(jù)時，MC35i首先將來自于社區(qū)中央服務器的接收數(shù)據(jù)逐字節(jié)地提交至PPP層，經(jīng)PPP層將分散的各字節(jié)重組成一幀完整的IP數(shù)據(jù)包之后，再提交至TCP/IP層進行詳細的處理。

社區(qū)中央服務器中的通訊單元可以與多臺移動式監(jiān)控儀的通訊單元進行通訊。各個移動式監(jiān)控儀在TCP/IP協(xié)議棧中均設置有自己的目的地址，社區(qū)中央服務器根據(jù)移動式監(jiān)控儀的目的地址來識別，實現(xiàn)與多臺移動式監(jiān)控儀的通訊。

4 結(jié)果與討論

選擇3例志愿者做狀態(tài)控制驗證性試驗，男1例，女2例，年齡(52±12)歲。駐家監(jiān)測血壓和血糖，血壓計為歐姆龍電子血壓計HEM-7051，血糖儀為歐姆龍電子血糖儀HEA-214，每2周監(jiān)測1次。3例驗證例中，1例高血壓用藥者，1例高血壓高危者，1例血糖高危者。在社區(qū)中央服務器中應用危險因素控制軟件(RFCS)[5-6]進行狀態(tài)控制分析，分別對3例受控者給出運動、飲食、吸煙、飲酒的限定量和需要量。目前，這3例受控者均不吸煙，飲酒只控制在偶爾聚會，并每次限定在200 mL紅酒，運動控制在每天至少60 min的疾步，飲食嚴控鹽6 g/d。

狀態(tài)控制的核心是根據(jù)血壓、血糖、心率、BMI的當前量和變化率分析，這種分析方法不但關注狀態(tài)變量的當前值，而且關注未來趨勢[7]，與傳統(tǒng)慢性病防控只關注當前值的做法有很大不同。然而，狀態(tài)控制需要提高數(shù)據(jù)的采樣頻率，采樣頻率越高，狀態(tài)變量的變化率越接近即時，分析也越準確。但就目前慢性病防控來說，數(shù)據(jù)采樣主要是依靠體檢，要求受控人在規(guī)定的時間到規(guī)定的地點(醫(yī)院)做體檢，時間和空間受到了限制，大大降低了控制率。移動式監(jiān)控儀可以將包括測血壓、血糖、體重等簡單體檢延伸到家庭讓受控者自己完成，一方面避免時間和空間受到的限制，另一方面減少了社區(qū)醫(yī)師的檢測工作，將主要精力集中到制定控制策略上來。因此，移動式監(jiān)控儀是慢性病危險因素狀態(tài)控制中的一個關鍵技術(shù)，需要繼續(xù)發(fā)展。

[1]World Health Organization.Preventing chronic diseases: a vital investment [R].Geneva,WHO,2005.

[2]World Health Organization.2008-2013 action plan for the global strategy for the prevention and control of noncommunicable diseases [R].Geneva,WHO,2008.

[3]白雅敏,周敏茹,陳波,等.全國慢性病社區(qū)綜合防治示范點基本情況調(diào)查[J].中國慢性病預防與控制,2007,15(1):3-6.

[4]包家立,汪薔,朱朝陽.慢性病社區(qū)防治的無線反饋控制系統(tǒng)與方法: 中國,200910099498.0 [P].2009-12-9.

[5]汪薔,朱朝陽,包家立,等.一種慢性病危險因素的二值控制及應用[J].儀器儀表學報,2011,32(8): 1788-1795.

[6]包家立,朱朝陽,汪薔.一種慢性病危險因素社區(qū)防治的控制方法及其應用: 中國,200810164104.0[P].2009-5-27.

[7]毛連根,朱朝陽,包家立,等.一種血壓反饋控制系統(tǒng)的狀態(tài)分析方法[J].中國生物醫(yī)學工程學報,2010,29(2): 259-264.