基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的進步，醫(yī)療和萬物互聯(lián)的電子醫(yī)療的發(fā)展方興未艾。診療人員和患者之間需要建立可靠實時的遠程醫(yī)療監(jiān)護，以緩解醫(yī)療服務系統(tǒng)的負擔。本系統(tǒng)設計了一款能夠測量人體生理參數(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)設備基站傳輸數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺顯示、存儲并能夠下發(fā)的遠程病床醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，系統(tǒng)包括下位機、醫(yī)護監(jiān)控客戶端和云端物聯(lián)網(wǎng)設計三大板塊。經(jīng)實驗測試：心率、血氧和人體溫度的相對誤差分別為10%、2.1%和3.3%；能檢測液滴速度和滴數(shù)、是否輸液完成；實現(xiàn)病床角度轉動0-90°；能夠將數(shù)據(jù)存儲到物聯(lián)網(wǎng)平臺的云RDS數(shù)據(jù)庫；成功開發(fā)了醫(yī)護監(jiān)控客戶端，方便護士站遠程監(jiān)護患者。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；體溫；心率；血氧；病床；上位機；云端；數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）22-0098-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

隨著無線通信技術、醫(yī)療電子等技術的蓬勃發(fā)展，為醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的無線化帶來了嶄新的飛躍[1]。以云計算（Cloud Computing） 、虛擬化和物聯(lián)網(wǎng)等新技術為基礎，實現(xiàn)多個終端監(jiān)護設備端互聯(lián)，為管理人員提供遠程監(jiān)測中心，提升診療人員的工作效率和實現(xiàn)醫(yī)療設備的統(tǒng)一管理[2]。檢測系統(tǒng)還可以對醫(yī)療設備中病人生命體征的各項生理參數(shù)進行數(shù)據(jù)庫保存，醫(yī)護人員可隨時隨地調(diào)取查看病人過往的臨床數(shù)據(jù)，為病人的病情診斷、病況研究方面提供了重要依據(jù)[3]。因此研發(fā)這種集病人生命體征監(jiān)護、臨床信息處理、數(shù)據(jù)交互、設備信息于一體的遠程在線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)已成為現(xiàn)代化醫(yī)療服務的關注熱點之一[4]。

1 系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)整體設計基于“設備層”－“平臺層”－“應用層”架構。其中設備層包括病床周邊的微控制器MCU，無線通信節(jié)點BC26物聯(lián)網(wǎng)模組，外圍的驅動電路與傳感器。平臺層為阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)云平臺充當數(shù)據(jù)中轉站的角色，它一端連接到硬件終端設備層，硬件終端設備層將數(shù)據(jù)傳送到NB設備基站后通過MQTT報文協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)云平臺相連接[5]。平臺層的另一端連接到應用層?！皯脤印卑↙abVIEW醫(yī)療監(jiān)控站和云RDS數(shù)據(jù)庫，醫(yī)療監(jiān)控站與云平臺同樣通過MQTT協(xié)議對接。系統(tǒng)總體設計如圖1 所示。

2 系統(tǒng)硬件和軟件設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

整體硬件設計主要由STM32F103C8T6核心主控電路、MAX30102心率血氧測量電路、LMT70人體溫度測量電路、血壓測量電路、光電開關－滴速檢測電路、病床舵機模擬電路、獨立按鍵電路等組成。

2.1.1 主控電路

本設計外接傳感器數(shù)量較多、代碼量較大，對主控的運行速度和外部引腳數(shù)量有著更高的要求。因此選擇STM32F103C8T6芯片作為本設計的主控制器。

本設計的最小系統(tǒng)板由STM32主控制器芯片、手動復位電路、外部晶振電路、濾波電路、ST-link下載電路、RT9193-3.3V穩(wěn)壓供電電路、BOOT啟動電路組成。

2.1.2 傳感器模塊及控制模塊

心率與血氧測量電路主要包括1.8V穩(wěn)壓電路、MAX30102主芯片[6]、電平轉換電路，如圖2所示。

體溫測量選用LMT70傳感器，它體積非常微小，測量溫度的時候須貼近物體的表面。LMT70的硬件引腳只有3個，分別是電源VCC、地GND、輸出OUT，VCC推薦采用3.3供電，保證溫度的功耗和溫度輸出。TAO引腳為LMT70模擬量的輸出端口，連接到STM32F103C8T6芯片的PA1引腳（12bitADC1的通道1） 。對于傳感器輸出電壓的正確與否判斷，可通過官方數(shù)據(jù)手冊的電壓－溫度表進行比對。

血壓測量本設計使用電磁閥及電氣泵進行放氣和充氣，由XGZP6847血壓傳感器把袖帶的血壓量轉換為電信號，一路信號直接傳輸?shù)絾纹瑱C的ADC進行采樣轉換，得到袖帶壓力值，另一路信號經(jīng)過放大和濾波電路處理調(diào)整后，獲得有用的脈搏信號。由LM358運放構建的帶通濾波器能夠濾掉直流成分，提取有用的交流分量脈搏波確定高低壓，以及過濾手臂與袖帶摩擦的各類噪聲[7，8]。

液滴速度監(jiān)測電路主要采用LTH301-32紅外對射式光電開關，LTH301-32由一個內(nèi)部發(fā)光二極管、一個光電三極管，以及一個15mm的外部凹槽組成，該開關的原理為：如果給予發(fā)光二極管一個3.3V到5V的電源電壓，則發(fā)光二極管產(chǎn)生肉眼不可看見的紅外光，被光電三極管接收，三極管的C-E極會瞬間打開?；谝陨显恚斨虚g的凹槽有液滴穿過時，光電三極管關閉；當凹槽無液滴穿過時，光電三極管打開。由上述可知，外加一定的外圍電路可輸出高低電平給單片機檢測并對外作LED指示。

本設計項目的病床角度轉動采用S3003型號舵機模擬，該型號舵機在供電 4.8V 時轉速為0.23 秒/60°，扭矩3.2千克/厘米；6V供電時轉速0.19 秒/60°，扭矩4.1 千克/厘米。單片機與其通信接口為單線接口，轉動角度范圍左右可以各達 90°，滿足本次設計的要求，用 PWM 輸出即可轉動。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計分為兩大板塊，分別為下位機驅動軟件設計、醫(yī)護監(jiān)控客戶端軟件設計。下位機驅動軟件主要針對各類傳感器驅動和控制量輸出、通信程序；醫(yī)護監(jiān)控客戶端主要包括LabVIEW前面板設計和邏輯程序框圖設計。

兩大軟件板塊的物聯(lián)網(wǎng)及遠程通信流程：

單片機作為客戶端，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為服務端，LabVIEW上位機作為客戶端。下位機首先采集傳感器的數(shù)據(jù)，串口發(fā)送 AT 指令將 BC26 物聯(lián)網(wǎng)模塊配置進入非透傳數(shù)據(jù)模式，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的 MQTT 代理服務器Broker接收到BC26 物聯(lián)網(wǎng)模塊轉發(fā)的JSON格式的傳感器數(shù)據(jù)，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為數(shù)據(jù)中轉和處理站點，對數(shù)據(jù)進行解析過后，等待LabVIEW醫(yī)護監(jiān)控客戶端與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺連接，轉發(fā)到醫(yī)護監(jiān)控客戶端進行顯示處理，至此實現(xiàn)了患者病床端到醫(yī)護監(jiān)控客戶端之間的通信[9]。上述的整體軟件架構如圖3所示。

從單片機上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)有７個，分別為人體溫度、心率、血氧、血壓、滴速、滴數(shù)、角度。單片機的UI數(shù)據(jù)界面與物云端顯示數(shù)據(jù)比較，可以看到兩者對應的每個數(shù)據(jù)相同。故從單片機上傳數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺的通信鏈路已測試成功。

醫(yī)療監(jiān)控客戶端基于LabVIEW平臺編寫，醫(yī)療監(jiān)控客戶端通過調(diào)用MQTT 協(xié)議的API接口和物聯(lián)網(wǎng)平臺互聯(lián)，如圖4所示。醫(yī)療監(jiān)控客戶端的程序設計分為客戶端前面板設計和邏輯程序框圖設計；功能分為設備屬性、設備管理、命令下發(fā)、訂閱管理４項，可以接收顯示設備端采集的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)布提醒吃藥、控制滴速到設備端等信息，完成遠程監(jiān)護功能。

3 測試結果

3.1 通信測試

本系統(tǒng)能夠使用MQTT通信協(xié)議連接病床端、阿里云平臺、醫(yī)護監(jiān)控客戶端三者[10]。阿里云平臺充當代理服務器的角色，用于存儲自己要對外發(fā)布的數(shù)據(jù)或服務。即病床端能夠發(fā)送數(shù)據(jù)給醫(yī)護端，醫(yī)護端也能夠發(fā)送數(shù)據(jù)給病床端，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)互相收發(fā)的功能。由于MQTT通信協(xié)議部署在NB模組中且由于NB模組的數(shù)據(jù)局限性，故從病床端要發(fā)送的JSON數(shù)據(jù)內(nèi)容包最64H5cdbG6rXUpJi34mSWUy96WvK3sX9AvwUMR6R6N1s=大為300個字節(jié)。如果JSON數(shù)據(jù)內(nèi)容包溢出，則會導致發(fā)送失敗并且NB模組停機。從醫(yī)護監(jiān)控客戶端下發(fā)數(shù)據(jù)的時間間隔不能過于頻繁，需要等待幾秒后再次下發(fā)，否則可能會導致下發(fā)失敗。

3.2 測試結果分析

心率、血氧、溫度、滴速的測量數(shù)據(jù)表如表1所示。心率和血氧的參考值基于華為手環(huán)４測量，對多位同學采集5次值。對于心率測量數(shù)據(jù)，相對誤差最高達到10%，最低達到0%。產(chǎn)生這樣的相對誤差，很大程度上是由于身體不靜止造成，傳感器算法濾波也是比較重要的一個方面。而對于血氧，誤差值相對來說較為客觀，相對誤差控制在2.1%以內(nèi)，最低達到0%。比較接近于華為手環(huán)4的參考數(shù)值。體溫的測量數(shù)據(jù)所示，以水銀溫度計的溫度為參考值，使用LMT70溫度傳感器作為實際測量設備，貼附于人體手臂外側，等待幾秒時間，平均每人測5次數(shù)據(jù)，其中 A同學的誤差較大，高達3.3%，而B同學的誤差是最小的，其中一個最大的相對誤差為1.7%。

對于點滴數(shù)據(jù)分析，將觀察得到的滴數(shù)和單片機測量得出的滴數(shù)進行對比，可分析誤差1%。時間段選擇單片機初始化和液滴滴下的開始階段，為了便于人員觀察，將滴速調(diào)節(jié)在慢速狀態(tài)下。

4 結束語

本文設計的病床醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)是以ST公司的增強型F103芯片為核心，傳感器將人體生理參數(shù)和輸液速度通轉換成電信號，單片機采集到數(shù)據(jù)經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)至云平臺；云端流轉、存儲數(shù)據(jù)，供客戶端訂閱；客戶端根據(jù)閾值發(fā)出預警信號，醫(yī)護人員可遠程控制輸液速度，以及提示患者吃藥信息。系統(tǒng)的架構、軟硬件設計具備了通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)護人體生理參數(shù)和云存儲的功能。

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【通聯(lián)編輯：梁書】