王 平，秦 威

(1.同濟大學 嵌入式系統(tǒng)與服務計算教育部重點實驗室，上海 20092；2.西華大學 電氣信息學院，四川 成都 610039)

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基于藍牙無線傳感網絡的病人 身體狀態(tài)實時監(jiān)護系統(tǒng)設計

王 平1,2，秦 威2

(1.同濟大學 嵌入式系統(tǒng)與服務計算教育部重點實驗室，上海 20092；2.西華大學 電氣信息學院，四川 成都 610039)

基于藍牙無線傳感網絡設計實現(xiàn)了病人身體狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)，目的是實時監(jiān)測病人的各項生理狀態(tài)參數，了解病人院外活動過程中的身體狀態(tài)，保障病人的安全。通過基于藍牙傳感器的病人身體狀態(tài)采集系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、病人監(jiān)護中心3個部分實現(xiàn)了病人身體狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)。病人身體狀態(tài)采集系統(tǒng)通過藍牙無線傳感器對病人的主要生理參數和運動參數進行不間斷的實時監(jiān)測，并借助便攜式監(jiān)護通信終端，將病人的各項數據傳輸給醫(yī)院監(jiān)護中心；監(jiān)護中心接收來自各病人的數據并存儲在數據庫中，實時判斷病人的身體健康狀態(tài)，有異常時及時預警，另一方面，可在需要時以圖形化的方式顯示病人各項生理參數的變化，以提供給醫(yī)生進行分析。研究結果表明，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對遠程病人身體狀態(tài)的實時監(jiān)護，經過對樣機系統(tǒng)的測試，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對病人生理參數的實時采集、傳輸和存儲，并可在心率異常時實時預警，有比較重要的實用價值。該系統(tǒng)還可以加入運動傳感器、定位系統(tǒng)和信息融合算法來實現(xiàn)對病人的定位和跌倒監(jiān)測，以幫助病人在出現(xiàn)異常狀態(tài)時能夠迅速得到救治。

藍牙；無線傳感器；身體狀態(tài)；監(jiān)控

0 引 言

為了了解病人院外活動過程中的身體狀態(tài)，需要實時監(jiān)測病人的各項生理狀態(tài)參數，隨著信息和通信技術的發(fā)展，在醫(yī)院之外，為病人和高風險人群提供身體狀況監(jiān)護手段，及時發(fā)現(xiàn)他們身體的異常變化，為危險人群提供健康監(jiān)護已經成為迫切要求，目前，便攜式或可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究已經成為一個熱點。

便攜式可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究工作起源于80年代末美國國防部資助的“戰(zhàn)時生命體征監(jiān)測、傷情檢測系統(tǒng)”的研究，但由于當時技術限制沒有太大進展，隨著嵌入式和微型化技術的發(fā)展，在2002年，佐治亞理工學院研制出了智能襯衣[1]，可以將心率、呼吸率等生理傳感器嵌入士兵穿著的襯衣中，實現(xiàn)基本生命體征的測量。這一標志性成果推動了健康監(jiān)測系統(tǒng)研究的全面開展。目前正在開發(fā)的健康監(jiān)測系統(tǒng)主要有2類，一是遠程病人監(jiān)測系統(tǒng)，如心血管病人遙測監(jiān)護系統(tǒng)、家庭健康監(jiān)視系統(tǒng)等[2]，這些系統(tǒng)能夠通過通信網絡將采集到的病人生理參數實時傳送給醫(yī)院，由醫(yī)生進行遠程診斷或病情監(jiān)視。另一類是可隨身攜帶的便攜式或可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)(WHMS)[3-4]，不斷進步的無線通信技術[5]、微型傳感器技術[6]、便攜設備技術[7]、微電子技術，以及先進的算法正使得實現(xiàn)這一目標成為可能[8]。目前多家研究機構已經提出或實現(xiàn)了多種便攜式或可穿戴監(jiān)測系統(tǒng)原型機，如紡織物傳感器和微型智能傳感器[9]、多點傳感器[10]、基于藍牙傳感器的軀體局域網、個人健康監(jiān)視系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)都提供了傳輸生理參數和超過預定義值報警等基本功能。在國內，復旦大學方祖祥等研發(fā)了院外心臟病人遠程實時監(jiān)護系統(tǒng)、重慶大學郭興明等研發(fā)了基于智能手機的心電實時監(jiān)護系統(tǒng)。盡管目前已有一些研究成果，但前面所述絕大多數健康監(jiān)測系統(tǒng)目前仍處于原型設計或功能測試階段，遠未達到實用的要求。而且基本上都是使用有線傳感器采集數據，病人身上需要纏上各種導線，給病人活動帶來很大麻煩，基于此，文中提出了一種基于藍牙無線傳感網絡的病人身體狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)。

藍牙作為一種短距離無線通信技術標準，它可以讓許多智能設備無線互連，可以傳輸文件和數據，支持語音通信，由于藍牙傳感器具有移動性好、靈活性高的特點，因此已經應用于一些傳感器集成系統(tǒng)。微型化、低功耗和低成本的藍牙在人們日常生活中的應用中開拓了空間，同時也給藍牙技術在醫(yī)學儀器中的應用提供了機遇。利用藍牙無線傳感網絡，被監(jiān)護病人身上只需安裝輕便的無線傳感器，無需導線連接，就可以實現(xiàn)自由靈活地運動中數據采集?；谒{牙無線傳感網絡的病人身體狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)一方面可以實時監(jiān)控記錄病人的生理參數和運動參數，另一方面可早期發(fā)現(xiàn)病人的病癥跡象，以使病人得以被及時救治。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)包括基于藍牙的病人身體狀態(tài)采集系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)，病人監(jiān)護中心等3個主要部分，如圖1所示，系統(tǒng)的主要功能包括：在不影響病人病人正常訓練、生活的基礎上，利用多種生理和運動參數監(jiān)測無線傳感器，對病人的主要生理參數和運動參數進行不間斷的實時監(jiān)測，分析病人生理參數和運動參數的變化對病人成績的影響，并借助無線傳感器網絡，將病人的各項數據上傳給監(jiān)護中心；監(jiān)護中心接收來自各個病人的數據并存儲在數據庫中，在需要時可以以圖形化的方式顯示病人各項參數的變化并進行數據分析，以提供給醫(yī)生或病人分析在院外的生理參數和運動參數，以發(fā)現(xiàn)病人的異常狀態(tài)，提高病人生活質量。

圖1 病人身體狀態(tài)實時監(jiān)護系統(tǒng)結構圖

2 病人身體狀態(tài)采集系統(tǒng)

病人身體狀態(tài)數據采集系統(tǒng)由基于藍牙技術的無線傳感器及身體狀態(tài)采集與通信終端組成，為了保證病人的訓練不受身上佩戴的設備的影響，要求無線傳感器和通信終端要盡量輕便和微型化，在病人身上佩戴的無線傳感器主要包括心音傳感器、血壓傳感器、脈搏傳感器和加速度傳感器，心音、脈搏和血壓傳感器用于監(jiān)測生理狀態(tài)參數，加速度傳感器用于監(jiān)測運動參數。每個傳感器都是一個集成了藍牙通信設備的智能無線傳感器，每個無線傳感器將其采集的數據通過藍牙通信傳輸給病人所佩戴的身體狀態(tài)采集與通信終端，再由該終端將實時數據傳遞給各通信節(jié)點轉發(fā)給監(jiān)護中心。

針對不同的傳感器，各藍牙智能無線傳感器的硬件設計有所不同，但是，它們的基本結構是一樣的。藍牙智能無線傳感器的基本結構如圖2所示，通過傳感器檢測生理和運動狀態(tài)數據；并將采集的數據送到信號調理模塊，進行信號的放大、濾波處理；再經A/D轉換器把模擬信號轉換成數字信號；最后送到藍牙通信模塊。

圖2 藍牙無線傳感器硬件結構圖
Fig.2 Hardware of bluetooth wireless sensor

本系統(tǒng)使用的心音傳感器選擇了HKY-06心音傳感器，該傳感器產品采用新型高分子聚合材料微音傳感元件作為識音頭，集成化信號處理、環(huán)氧樹脂封裝、外形小巧；能夠輸出高保真、低阻抗、功率信號，抗干擾性能較強；電源、輸出均采用接插件連接同時提供開發(fā)接口，可以被方便地集成，為了能正確采集病人的生理參數，需要使用特殊方法保證傳感器位置的固定。

血壓信號首先經過壓力傳感器拾取，并進行適當的放大和調理，然后才能進行送如A/D轉換。本系統(tǒng)選擇Motorola公司的壓力傳感器MPX5050GP，其內部含有信號運放和信號調節(jié)功能，可以直接將動脈血液對血管壁的壓力轉換為0～4.7 V的電信號，其對應的血壓值為0～375 mmHg.

本系統(tǒng)采用一款加速度傳感器ADXL105.該傳感器具有靈敏度高，體積小、重量輕、成本低等特點。在實際使用中的主要問題是：加速度傳感器的靈敏度較高，易引入干擾信號，將步數和步強計錯。解決這一問題的主要措施有2方面，一是要求傳感器在測量時的位置固定；二是可以由監(jiān)護中心在軟件中對原始數據進行處理。

由于藍牙無線傳輸的距離很短，僅有10 m左右，難以在運動過程中直接傳送給監(jiān)護中心，甚至難以傳送給無線通信節(jié)點進行轉發(fā)，因此，本系統(tǒng)的數據采集和傳輸由病人佩戴的身體狀態(tài)采集與通信終端來完成，該終端主要由藍牙通信接收模塊、微控制器以及無線通信模塊構成，藍牙通信模塊接收來自于各個藍牙無線傳感器的數據，微控制器將這些數據以一定的數據幀格式進行組幀，然后傳送給無線通信模塊發(fā)送給各個無線通信節(jié)點，如圖3所示。文中使用的藍牙模塊是BF10標準型，支持從模式，支持64通道藍牙替代串口線，此模塊采用世界領先的藍牙芯片供應商CSR的BlueC0re4-EXt芯片，完全兼容藍牙2.0規(guī)范，硬件支持數據和語音傳輸，最高可支持3 M調制模式。

圖3 身體狀態(tài)采集與通信終端結構圖

3 病人監(jiān)護中心設計

監(jiān)護中心是病人身體狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它能實現(xiàn)對來自各病人的生理和運動參數的實時顯示、存儲、查詢與融合分析。整個系統(tǒng)的功能框圖如圖4所示，它由無線通信系統(tǒng)、數據處理、實時數據顯示、數據庫服務器、數據查詢與分析終端等部分組成。

圖4 病人監(jiān)護中心系統(tǒng)結構圖

實時監(jiān)控終端是監(jiān)護中心重要的組成部分，無線通信系統(tǒng)接收到來自于病人的實時數據后，經過數據處理單元將數據幀拆分后，得到對應于各傳感器的實時數據，由實時監(jiān)控終端顯示系統(tǒng)顯示出來，并可對各病人佩戴的終端工作狀態(tài)、參數進行遠程控制與查詢。由于實時監(jiān)控終端需要同時監(jiān)控顯示來自多個病人的參數，當監(jiān)控對象較多時，可以使用多個終端同時顯示病人的狀態(tài)參數。實時監(jiān)控終端顯示軟件采用了labview2010進行開發(fā)。

為了防止病人在院外活動中突發(fā)疾病，在監(jiān)控終端中設計實現(xiàn)了實時分析預警功能。在接收、顯示病人生理狀態(tài)參數的同時，可自動對這些數據進行分析，在有疾病突發(fā)征兆時，及時通知醫(yī)生并對病人報警提醒注意，文中實現(xiàn)了病人的心率異常預警等基本功能。

數據庫服務器是整個系統(tǒng)數據交換的中心，為了確保病人數據的完整性，也為了方便數據的進一步分析，監(jiān)護中心會將接收到的所有病人的生理和運動參數存儲起來。并可以進行數據回放和分析。

4 結 論

基于藍牙無線傳感器的病人身體狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)微型便攜，能隨身佩戴在病人身上，對于病人院外的活動干擾也很小，本系統(tǒng)一方面可以實時監(jiān)控記錄病人的生理參數和運動參數，另一方面可早期發(fā)現(xiàn)病人的病癥跡象，提高病人的生活質量。測試表明，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)健康監(jiān)護的的主要功能，實現(xiàn)對病人生理參數的實時采集、傳輸和存儲，并可在心率異常時實時預警，有較重要的應用價值。

References

[1]Park S,Mackenzie K,Jayaraman S.The wearable motherboard:a framework for personalized mobile information processing(PMIP)[C]//Proceedings of the 39th annual Design Automation Conference,New Orleans,USA,New York:ACM Press,2002.

[2]Pascal Verdonck.Advances in biomedical engineering[M].Amsterdam:Elsevier Press,2008.

[3]Marie Chan,Daniel Estève,Christophe Escriba,et al.A review of smart homes-Present state and future challenges[J].Computer Methods and Programs in Biomedicine,2008,91(1):55-81.

[4]Gatzoulis L,Iakovidis I.Wearable and portable eHealth systems,technological issues and opportunities for personalized care[J].IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine,2007,26(5):51-56.

[5]邵小強,馬憲民.新型煤礦用無線網絡監(jiān)測與控制裝置[J].西安科技大學學報,2011,31(4):468-471.

SHAO Xiao-qiang,MA Xian-min.New wireless network for coal mine monitoring and control device[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology,2011,31(4):468-471.

[6]溫乃寧,龔尚福.基于ARM的礦用溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].西安科技大學學報,2013,33(4):455-459.

WEN Nai-ning,GONG Shang-fu.Research on temperature and humidity monitoring system based on ARM[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology,2013,33(4):455-459.

[7]李白萍,侯媛彬,王 爽,等.用于危險環(huán)境監(jiān)控的無線傳感器網格體系結構[J].西安科技大學學報,2011，31(2):223-226.

LI Bai-ping,HOU Yuan-bin,WANG Shuang,et al.A wireless sensor grid architecture suitable for dangerous environment monitoring[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology,2011,31(2):223-226.

[8]梁亞婷,楊振宏,屈利偉.基于多源異構信息融合的煤礦冒頂事故預報技術[J].西安科技大學學報,2013,33(1):78-83.

LIANG Ya-ting,YANG Zhen-hong,QU Li-wei.Mine roof fall prediction technique based on multi-source information fusion[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology,2013,33(1):78-83.

[9]Pandian P S,Mohanavelu K,Safeer K P,et al.Smart vest:wearable multi-parameter remote physiological monitoring system[J].Medical Engineering & Physics,2008,30(4):466-477.

[10]Milenkovic C,Otto E.Jovanov,wireless sensor networks for personal health monitoring:issues and an implementation[J].Computer Communications,2006,29(13-14):2 521-2 533.

Real-time monitoring system for patients based on bluetooth wireless sensor network

WANG Ping1,2，QIN Wei2

(1.KeyLaboratoryofEmbeddedSystemandServiceComputing,MinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.SchoolofElectricalandInformationEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039,China)

For monitoring the physical condition of outpatient,and keeping patients safe,the physiological parameters of the outpatients need to be known continuously.In this paper,we introduced a monitoring system based on Bluetooth wireless sensor,and it can be used to monitor the physical condition of outpatient.The monitoring system is made up of three main subsystems:physiological parameters acquisition system based on Bluetooth sensors,Bluetooth data receiver and transmission terminal,and the monitoring center for outpatients.The physiological parameters acquisition subsystem gets the main physiological parameters and human body movement parameter continuously with Bluetooth sensor.The physiological parameters from acquisition subsystem are received by the Bluetooth unit,and it will be sent to hospital monitoring center via transmission system.The hospital monitoring center receives the data from each terminal and save them to database.The prototype system can complete main expected functions,it is very useful for outpatient monitoring.

bluetooth;wireless sensor;physiological parameters;monitoring

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0122

1672-9315(2015)01-0128-04

2014-06-10 責任編輯：李克永

同濟大學嵌入式系統(tǒng)與服務計算教育部重點實驗室開放課題

基金項目(201102)；四川省高等學?？萍紕?chuàng)新重大培育項目(09zz029)

王 平(1970-)，男，四川綿陽人，博士，教授，E-mail:ping_wang@126.com

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