【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(xué)醫(yī)學(xué)院，杭州市，310058

慢性非傳染性疾病(簡(jiǎn)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(jì)負(fù)擔(dān)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(duì)人群和個(gè)體的綜合干預(yù)，預(yù)防導(dǎo)致多種疾病發(fā)生的共同危險(xiǎn)因素[1]。這些危險(xiǎn)因素包括缺乏身體運(yùn)動(dòng)、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(diǎn)經(jīng)驗(yàn)看，缺乏有針對(duì)性、有效的干預(yù)措施和實(shí)踐技術(shù)是危險(xiǎn)因素控制的難點(diǎn)之一[3]。本文研制的一種慢性病危險(xiǎn)因素狀態(tài)控制移動(dòng)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(jìn)建立慢性病防控的新方法，提高慢性病防控水平。

1 危險(xiǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(xiǎn)范圍為高危狀態(tài)、診斷標(biāo)準(zhǔn)為疾病狀態(tài)。

危險(xiǎn)因素狀態(tài)控制模式由人體系統(tǒng)、控制策略、比較、標(biāo)準(zhǔn)組成，如圖1所示。人體系統(tǒng)的輸入u是運(yùn)動(dòng)、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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，比較結(jié)果進(jìn)行控制策略分析，分析結(jié)果給出人體運(yùn)動(dòng)、飲食、吸煙、飲酒等危險(xiǎn)因素的限制量和需要量u。控制目標(biāo)是人體血壓、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(jì)、電子血糖儀、體重秤等家用醫(yī)療儀器測(cè)量，危險(xiǎn)因素限制量和需要量u通過移動(dòng)式監(jiān)控儀提示受控人遵照?qǐng)?zhí)行?？刂撇呗愿鶕?jù)血壓、血糖、心率、BMI的當(dāng)前量和變化率分析，這種用人體狀態(tài)變量數(shù)據(jù)當(dāng)前量和變化率制定的控制策略稱為狀態(tài)控制。

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

2 危險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)。它包括危險(xiǎn)因素狀態(tài)控制的移動(dòng)式監(jiān)控儀和社區(qū)中央服務(wù)器兩部分組成，如圖2所示。

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

移動(dòng)式監(jiān)控儀是個(gè)體持有的個(gè)人醫(yī)療儀器，其功能有兩個(gè)：(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(shí)發(fā)送給社區(qū)中央服務(wù)器；(2)接受社區(qū)中央服務(wù)器控制策略分析結(jié)果的運(yùn)動(dòng)、飲食、吸煙、飲酒等危險(xiǎn)因素限制量和需要量數(shù)據(jù)。

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

移動(dòng)式監(jiān)控儀與社區(qū)中央服務(wù)器之間通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)“任何時(shí)間任何地點(diǎn)”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(xiǎn)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(xiǎn)因素的控制率。

3 移動(dòng)式監(jiān)控儀設(shè)計(jì)

移動(dòng)式監(jiān)控儀由嵌入式微處理器、液晶屏及其驅(qū)動(dòng)電路、觸摸屏、鍵盤、RAM、ROM、SD卡、通訊單元等組成。電子血壓計(jì)、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(dòng)電路連接，液晶屏驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)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(xiǎn)因素狀態(tài)控制系統(tǒng)Fig.3 Status control system of risk factor

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

(3)人機(jī)接口 包括液晶屏、觸摸屏和鍵盤等。個(gè)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(wù)器的危險(xiǎn)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(shè)計(jì)了與之配套的驅(qū)動(dòng)電路，將嵌入式微處理器的LCD控制器、TFT-LCD驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路包括時(shí)序控制器、DC-DC變換器、公共電源發(fā)生器和背光驅(qū)動(dòng)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(shí)序控制器(即伴侶芯片)進(jìn)行數(shù)字時(shí)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(hào)REV和REVB來自于時(shí)序控制器(LCC3600)的輸出信號(hào)。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(dòng)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(dòng)芯片(MP1521)。將驅(qū)動(dòng)芯片的3個(gè)反饋回路FB1、FB2、FB3短接，可提供更大的驅(qū)動(dòng)電流來驅(qū)動(dòng)LED背光燈，電路設(shè)計(jì)有過流保護(hù)功能。液晶屏亮度可通過驅(qū)動(dòng)芯片亮度控制信號(hào)BRT的電壓來調(diào)節(jié)。為了提高應(yīng)用的靈活性，本設(shè)計(jì)將該電壓設(shè)為固定電平。為了節(jié)省功耗，背光驅(qū)動(dòng)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(hào)LCD_PWREN。當(dāng)LCD_PWREN高電平時(shí)，背光驅(qū)動(dòng)電路被點(diǎn)亮工作；為低電平時(shí)電路關(guān)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(gè)模擬輸入通道，其中通道7為觸摸屏接口的X坐標(biāo)輸入，通道5為觸摸屏接口的Y坐標(biāo)輸入。微處理器的4個(gè)信號(hào)nYPON、YMON、nXPON、XMON分別控制4個(gè)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(dòng)轉(zhuǎn)換兩種模式，本設(shè)計(jì)采用X/Y位置自動(dòng)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(gè)鍵，Power鍵和掛機(jī)鍵復(fù)用，用長按和短按方法區(qū)分實(shí)現(xiàn)，其余20個(gè)鍵利用鍵盤矩陣掃描方式實(shí)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(dú)定制為鍵盤FPCB(柔性印制電路板)，與主板連接，采用20板對(duì)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(hào)采用PWM(脈寬調(diào)制)，4個(gè)背光燈共用一組背光信號(hào)，由于每個(gè)背光燈額定電流5 mA，限流電阻值68 Ω。每組背光信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流為30 mA，4個(gè)背光燈需20 mA。

(4)二次測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算 二次測(cè)量是通過一次測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算獲得。在嵌入式微處理器內(nèi)計(jì)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(dòng)式監(jiān)控儀通過觸摸屏或鍵盤手工采集體重，以及自動(dòng)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(shè)置，并顯示提醒。

(6)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng) 包括1個(gè)128 MB的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、1個(gè)128 MB的只讀存儲(chǔ)器ROM和1個(gè)SD存儲(chǔ)卡。存儲(chǔ)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(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，同時(shí)MC35i中ZIF連接器的SIM信號(hào)與SIM卡連接，確認(rèn)移動(dòng)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(duì)該引擎進(jìn)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(wù)器發(fā)送所采集的生理參數(shù)數(shù)據(jù)和危險(xiǎn)因素狀態(tài)數(shù)據(jù)，或接收危險(xiǎn)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(shí)，嵌入式微處理器先將采集到的狀態(tài)變量數(shù)據(jù)、危險(xiǎn)因素?cái)?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(wù)器發(fā)送。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，MC35i首先將來自于社區(qū)中央服務(wù)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(jìn)行詳細(xì)的處理。

社區(qū)中央服務(wù)器中的通訊單元可以與多臺(tái)移動(dòng)式監(jiān)控儀的通訊單元進(jìn)行通訊。各個(gè)移動(dòng)式監(jiān)控儀在TCP/IP協(xié)議棧中均設(shè)置有自己的目的地址，社區(qū)中央服務(wù)器根據(jù)移動(dòng)式監(jiān)控儀的目的地址來識(shí)別，實(shí)現(xiàn)與多臺(tái)移動(dòng)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(yàn)證性試驗(yàn)，男1例，女2例，年齡(52±12)歲。駐家監(jiān)測(cè)血壓和血糖，血壓計(jì)為歐姆龍電子血壓計(jì)HEM-7051，血糖儀為歐姆龍電子血糖儀HEA-214，每2周監(jiān)測(cè)1次。3例驗(yàn)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(wù)器中應(yīng)用危險(xiǎn)因素控制軟件(RFCS)[5-6]進(jìn)行狀態(tài)控制分析，分別對(duì)3例受控者給出運(yùn)動(dòng)、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(huì)，并每次限定在200 mL紅酒，運(yùn)動(dòng)控制在每天至少60 min的疾步，飲食嚴(yán)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(dāng)前量和變化率分析，這種分析方法不但關(guān)注狀態(tài)變量的當(dāng)前值，而且關(guān)注未來趨勢(shì)[7]，與傳統(tǒng)慢性病防控只關(guān)注當(dāng)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(shí)，分析也越準(zhǔn)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(shí)間到規(guī)定的地點(diǎn)(醫(yī)院)做體檢，時(shí)間和空間受到了限制，大大降低了控制率。移動(dòng)式監(jiān)控儀可以將包括測(cè)血壓、血糖、體重等簡(jiǎn)單體檢延伸到家庭讓受控者自己完成，一方面避免時(shí)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(cè)工作，將主要精力集中到制定控制策略上來。因此，移動(dòng)式監(jiān)控儀是慢性病危險(xiǎn)因素狀態(tài)控制中的一個(gè)關(guān)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(diǎn)基本情況調(diào)查[J].中國慢性病預(yù)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.

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[6]包家立,朱朝陽,汪薔.一種慢性病危險(xiǎn)因素社區(qū)防治的控制方法及其應(yīng)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(xué)工程學(xué)報(bào),2010,29(2): 259-264.