創(chuàng)新智慧城市醫(yī)護(hù)終端的設(shè)計(jì)與研究

景月娟，石強(qiáng)，侯媛媛，張騰飛，程震，溫紀(jì)鸼

（西安航空學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710077）

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，人們的生活方式已經(jīng)從豐富的物資需求逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)自身健康的關(guān)注。醫(yī)護(hù)終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在解決我國(guó)長(zhǎng)久以來(lái)醫(yī)療資源短缺、分配不均勻、效率低下、看病難等一系列問(wèn)題的同時(shí)，也保障了我國(guó)人民生活質(zhì)量的穩(wěn)步提升，為實(shí)現(xiàn)全面小康社會(huì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)各業(yè)界與學(xué)術(shù)界的共同努力，目前關(guān)于創(chuàng)新智慧城市醫(yī)護(hù)終端的研究[1]，雖然已經(jīng)取得了一定成果，但文獻(xiàn)分析顯示，它依然存在著實(shí)踐與理論上的問(wèn)題[2]。目前臨床上使用的監(jiān)護(hù)儀產(chǎn)品主要是短距離監(jiān)控，且功能單一，因此，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新型智慧醫(yī)護(hù)終端，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的中老年患者可以享受到大城市同等的醫(yī)療服務(wù)，顯得尤為重要[3-4]。

該文基于ARM 嵌入式物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)智慧城市醫(yī)護(hù)終端，通過(guò)相關(guān)模塊硬件采集患者的心率、體溫、呼吸以及病房環(huán)境等數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、SQL技術(shù)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生理參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控[5]，以方便醫(yī)生后期查看，從而實(shí)現(xiàn)醫(yī)護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化與智能化，推動(dòng)我國(guó)醫(yī)療事業(yè)的蓬勃發(fā)展，提高人民群眾的生活健康水平[6]。

1 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具備對(duì)患者數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示和存儲(chǔ)功能，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)

1.1 患者數(shù)據(jù)采集層

該層的主要功能是實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，包括患者的體溫、心率、血氧飽和度以及氣體濃度值等[7]?；贚inux3.0 內(nèi)核編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的硬件模塊驅(qū)動(dòng)，完成時(shí)序的分析與對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)讀到應(yīng)用層待后續(xù)處理。

1.2 以太網(wǎng)傳輸層

該層設(shè)計(jì)屬于應(yīng)用軟件層設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)患者體征數(shù)據(jù)的讀取、處理與傳輸。將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的封裝，利用SOCKET 套接字進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，結(jié)果不空則發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)端[8]。

1.3 PC網(wǎng)絡(luò)顯示、查看

作為整個(gè)系統(tǒng)的最上層，在數(shù)據(jù)顯示方面要考慮到及時(shí)性和準(zhǔn)確性，在存儲(chǔ)方面應(yīng)注意存儲(chǔ)格式、數(shù)據(jù)大小，并且要考慮后續(xù)查詢方式。該層主要基于Qt Create 設(shè)計(jì)相應(yīng)的登錄、患者信息錄入以及顯示界面，同時(shí)增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，根據(jù)時(shí)間將所有數(shù)據(jù)依次存儲(chǔ)到SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)[9]，醫(yī)生只需點(diǎn)擊查詢按鈕即可查詢歷史數(shù)據(jù)記錄。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)應(yīng)用三星廠商生產(chǎn)的Cortex A9 系列高性能處理器中的一款Exynos4412，它是韓國(guó)三星的第一款四核處理器[10]，集成了四個(gè)1.5 GHz 超高頻率的處理器核心和一個(gè)Mali400MP 圖形處理器核心，由外接溫度采集控制模塊、心率檢測(cè)傳感器模塊、氣體介質(zhì)濃度檢測(cè)模塊和蜂鳴器報(bào)警提示模塊組成，利用Linux 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)從硬件層獲取數(shù)據(jù)，并做進(jìn)一步處理。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 患者體溫?cái)?shù)據(jù)采集

系統(tǒng)體溫?cái)?shù)據(jù)采集采用DS18B20 溫度傳感器，它具有精度高、體積小、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)[11]，同時(shí)具備多重封裝形式，具有不同數(shù)量的引腳，適用于不同設(shè)備或者環(huán)境。其數(shù)據(jù)端口需要接一個(gè)4.7～10 kΩ的上拉電阻，否則采集的值不能正常輸出，DS18B20 實(shí)物圖如圖3 所示。該傳感器適用于潮濕環(huán)境，具備防水功能[12-13]。

圖3 DS18B20實(shí)物圖

2.2 患者心率數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)采用美信公司生產(chǎn)的集成了心率脈搏血氧飽和度檢測(cè)的多功能生物傳感器模塊MAX30102 來(lái)采集患者的心率數(shù)據(jù)。它包括內(nèi)部檢測(cè)使能LED，用于發(fā)射探測(cè)光束的新型光電探測(cè)器，溫度傳感器以及其他光學(xué)元件，在抗干擾方面，具有環(huán)境光抑制的低噪聲電子器件。MAX30102 的工作電壓介于1.8～5.0 V之間，用于內(nèi)部LED 供電，該模塊可以通過(guò)零待機(jī)電流的軟件關(guān)閉，使電源始終保持供電[14]。與普通的脈沖傳感器相比，MAX30102 具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)。

1）具有較高的集成度：多種功能集成在指甲大小的芯片上，功耗小、抗干擾強(qiáng)。

2）直接以數(shù)字方式輸出：利用IIC 接口與控制端MCU 進(jìn)行通信，自身攜帶18 位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換[15]。

3）功能強(qiáng)大：芯片雖小，卻集成了LED、溫度以及心率血氧等多種功能。

在醫(yī)學(xué)上，心率脈搏檢測(cè)方法有以下幾種：

第一種是從生物體內(nèi)采集的心電信號(hào)中提??；第二種是通過(guò)血壓傳感器檢測(cè)到有規(guī)律的波動(dòng)計(jì)算脈搏率；第三種是采用光電容積法，該方法最為普遍，便攜式可佩戴檢測(cè)，及其方便，且具有特別高的性能[16]。所以文中使用的MAX30102 模塊即是采用第三種光電容積法進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 病房環(huán)境數(shù)據(jù)采集

利用活性二氧化錫制作的MQ2 氣體傳感器對(duì)病房?jī)?nèi)的大氣煙霧、甲烷、丁烷、丙烷、液化氣、酒精等各種放射性有害氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)。其是利用不同濃度氣體對(duì)二氧化錫在物理上電導(dǎo)率的影響而實(shí)現(xiàn)的，將各種氣體下的電導(dǎo)率輸出，并經(jīng)過(guò)計(jì)算后得出，在傳感器的四個(gè)引腳中，有兩個(gè)數(shù)據(jù)引腳AO 和DO，分別為模擬輸出和數(shù)字輸出[17]。該傳感器靈敏度較高，抗干擾性好，使用壽命久，工作電壓小于24 V 即可，加熱時(shí)使用的電壓為(5±0.2)V。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體分為客戶端與服務(wù)端兩部分，軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)由上層到下層依次為Qt 應(yīng)用顯示設(shè)計(jì)、Linux 服務(wù)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、Linux 內(nèi)核編譯和Linux 模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。首先，對(duì)Linux3.0 內(nèi)核進(jìn)行編譯，基于該內(nèi)核，編寫(xiě)硬件模塊對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，將模塊驅(qū)動(dòng)插入到內(nèi)核，在應(yīng)用程序中，分別對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行操作，獲取硬件數(shù)據(jù)。將獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一封裝，通過(guò)SOCKET 發(fā)送到PC 端，最后在Qt 環(huán)境下設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)潔的網(wǎng)絡(luò)接收端應(yīng)用[9]。整體系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程

3.1 體征數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

該采集軟件分別通過(guò)DS18B20、MAX30102、MQ2 控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)體溫、心率血氧飽和度、病房氣體的數(shù)據(jù)讀取與處理，其中，MAX30102 心率模塊通過(guò)IIC 總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，包括心率（次/min）和血氧飽和度（所占血液中的濃度比）[18]。

3.2 數(shù)據(jù)處理與傳輸軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理與傳輸層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)確認(rèn)、合法性與異常性判斷，在必要時(shí)觸發(fā)報(bào)警裝置。同時(shí)搭建SOCKET 通信的服務(wù)端，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫(xiě)入發(fā)送通道。

3.3 數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì)

1）患者信息錄入界面設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)中設(shè)計(jì)該界面的目的在于錄入患者個(gè)人信息到系統(tǒng)，以方便醫(yī)生識(shí)別查看。錄入的患者信息包括姓名、性別、主治醫(yī)師、病床號(hào)等便于系統(tǒng)化管理的信息。通過(guò)“提交”按鈕，將輸入的信息提交給系統(tǒng)并保存在系統(tǒng)中，以方便檢查和數(shù)據(jù)顯示。

2）患者體征數(shù)據(jù)信息顯示界面設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)界面顯示設(shè)計(jì)是該軟件系統(tǒng)的核心。該設(shè)計(jì)的目的在于接收硬件服務(wù)層發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，包括體溫、心率、血氧飽和度以及呼吸指數(shù)，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)及保存在系統(tǒng)的患者個(gè)人信息顯示在終端界面，并實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，以達(dá)到病情監(jiān)控的功能。

3）患者數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。該模塊主要實(shí)現(xiàn)患者數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及顯示。一方面將采集到的體征數(shù)據(jù)按照時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)，包括患者的姓名、性別、病床號(hào)、體溫、心率、呼吸頻率、血氧飽和度以及對(duì)病房空氣監(jiān)測(cè)的結(jié)果。另一方面，在網(wǎng)絡(luò)端啟動(dòng)連接到服務(wù)器端時(shí)，依照接收速率每隔一秒將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一次。當(dāng)監(jiān)測(cè)其他患者時(shí)，重新啟動(dòng)服務(wù)器，并啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)端，輸入患者信息，如不刪除之前的數(shù)據(jù)庫(kù)，則所有患者數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在該數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

系統(tǒng)功能模塊測(cè)試主要包括服務(wù)端數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)端數(shù)據(jù)接收機(jī)顯示與數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)測(cè)試三大部分，每一部分又相對(duì)應(yīng)包括幾個(gè)小模塊的測(cè)試，如表1 所示。測(cè)試驗(yàn)證表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較符合預(yù)估效果：1）系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)流程包括硬件的連接、系統(tǒng)啟動(dòng)等比較順暢；2）患者心率、體溫、病房氣體檢測(cè)等硬件驅(qū)動(dòng)模塊與蜂鳴器報(bào)警模塊測(cè)試正常；3）網(wǎng)絡(luò)客戶端從登錄到信息錄入，再到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的結(jié)果一切正常?？傊?，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、傳輸存儲(chǔ)及顯示基本可靠。

表1 測(cè)試項(xiàng)目表

5 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)患者，減輕醫(yī)護(hù)人員負(fù)擔(dān)，該文設(shè)計(jì)了一款可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者狀況的醫(yī)護(hù)終端系統(tǒng)，充分展示了現(xiàn)代科技的力量。該系統(tǒng)運(yùn)用嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)患者體征數(shù)據(jù)與病房氣體等的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異常檢測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，并觸發(fā)報(bào)警裝置以提醒醫(yī)護(hù)人員，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行存儲(chǔ)及顯示，方便了醫(yī)護(hù)人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控患者的情況，提高了醫(yī)療效率，提升了人類生活質(zhì)量，促進(jìn)了健康智慧城市的發(fā)展。