秦文杰

（江蘇科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州，215600）

ICU遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

秦文杰

（江蘇科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州，215600）

隨著信息化時(shí)代的飛速發(fā)展，醫(yī)院的理念和服務(wù)將相應(yīng)改變。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代科技的先進(jìn)成果，改善傳統(tǒng)的醫(yī)院病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)勢(shì)在必行，智能化的醫(yī)院病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)使住院患者，尤其是重危病人的康復(fù)更加安全有效。本系統(tǒng)以STM32F103ZET單片機(jī)為基礎(chǔ)，利用GSM、TFTLCD、Pulse sensor等模塊并結(jié)合激光虛擬鍵盤(pán)構(gòu)建了新型病房監(jiān)護(hù)和醫(yī)療辦公系統(tǒng)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

醫(yī)療辦公；STM32F103ZET；GSM；TFTLCD；激光虛擬鍵盤(pán)

1　課題的背景和意義

ICU對(duì)危重病的治療以及原發(fā)病的治療創(chuàng)造了時(shí)機(jī)和可能性，使原來(lái)一些治療效果差或無(wú)法治療的疾病得到有效的控制和滿意的治療。

但是在智能化和人性化的新型病房監(jiān)護(hù)和醫(yī)療辦公系統(tǒng)的發(fā)展仍然幾乎處于空白狀態(tài)，與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)國(guó)內(nèi)的新型病房監(jiān)護(hù)和醫(yī)療辦公系統(tǒng)市場(chǎng)需要一定十分可觀。正因?yàn)橐陨纤鲈?，我們才把眼光投向它，?duì)ICU監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)。

2　系統(tǒng)硬件組成及設(shè)計(jì)

2.1激光虛擬鍵盤(pán)

然而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)醫(yī)療系統(tǒng)衛(wèi)生條件要求日益苛刻，而在傳統(tǒng)的醫(yī)療辦公系統(tǒng)一直使用容易滋生細(xì)菌的機(jī)械鍵盤(pán)。另外，傳統(tǒng)鍵盤(pán)體積龐大、攜帶不便，無(wú)法滿足移動(dòng)終端對(duì)輸入設(shè)備的需求，因此需要設(shè)計(jì)一款具有體積小、便于攜帶、操作方便的虛擬鍵盤(pán)設(shè)備，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式鍵盤(pán)，該虛擬鍵盤(pán)設(shè)備需要滿足： ①高亮度，可以在正常室內(nèi)照明環(huán)境下，顯示出清晰的鍵盤(pán)圖像； ②高穩(wěn)定性和安全性，可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)對(duì)人體造成傷害； ③低成本，便于推廣這三個(gè)方面的要求，從而替代傳統(tǒng)的機(jī)械式鍵盤(pán)。本系統(tǒng)所采用的激光虛擬鍵盤(pán)采用光投照技術(shù)，幾乎能在任意平面上投影出全尺寸的電腦鍵盤(pán)，可方便地進(jìn)行電子郵件收發(fā)、文字處理及電子表格制作，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械鍵盤(pán)滿足醫(yī)療辦公系統(tǒng)的日常工作要求。

2.1.2激光虛擬鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)和工作原理

激光虛擬鍵盤(pán)主要由線性不可見(jiàn)激光發(fā)射器、攝像頭采集器、鍵盤(pán)投影模組三部分組成，如圖1所示。

圖1　虛擬鍵盤(pán)圖

在任意漫反射表面，通過(guò)紅色波段的激光器透射刻有鍵盤(pán)圖像的光柵，投影出電腦鍵盤(pán)圖像，當(dāng)用戶“點(diǎn)擊”投影出的鍵盤(pán)圖像的某個(gè)按鍵時(shí)，通過(guò)紅外攝像機(jī)捕捉鍵盤(pán)圖像區(qū)域內(nèi)的圖像信息，利用圖像處理技術(shù)識(shí)別出“點(diǎn)擊”動(dòng)作發(fā)生的位置坐標(biāo)，然后將上述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成鍵盤(pán)平面的正交坐標(biāo)系的位置信息，確定按鍵命令，實(shí)現(xiàn)與機(jī)械式鍵盤(pán)同樣的功能，工作流程如圖2所示。

圖2　激光虛擬鍵盤(pán)工作流程

2.1.3 鍵盤(pán)功能的實(shí)現(xiàn)

2.1.3.1鍵盤(pán)輸入事件的識(shí)別

虛擬鍵盤(pán)是基于三角測(cè)距原理，通過(guò)投射激光對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)距過(guò)程中，通過(guò)一束激光照射目標(biāo)物體，反射光被攝像頭捕捉到，利用三角測(cè)距原理，求出目標(biāo)物體中被線激光照亮部分的坐標(biāo)信息。在線性激光測(cè)距中，通過(guò)三角關(guān)系容易求出被激光照亮部分，相對(duì)于激光發(fā)射口為原點(diǎn)、位于線激光組成平面內(nèi)的坐標(biāo)P（x， y）。在本系統(tǒng)中，激光組成的平面可以等效于與桌面平行，故可以認(rèn)為坐標(biāo)點(diǎn)P（x， y）是位于桌面平面的，如圖3所示。

圖3　手指空間坐標(biāo)檢測(cè)示意圖

2.1.3.2攝像采集器鏡頭扭曲矯正

在本系統(tǒng)中，實(shí)際使用為廣角攝像頭，與普通攝像頭相比，廣角攝像頭采集圖像具有中心偏大，兩側(cè)偏小的特征，如圖4所示。

圖4　廣角鏡頭采集的圖像效果

2.1.3.3圖像興趣點(diǎn)提取

通過(guò)調(diào)用OpenCV 庫(kù)函數(shù)中的cvFindCoun- tours，對(duì)攝像頭中的光斑進(jìn)行提取，通過(guò)提取光斑獲取圖像的興趣點(diǎn)，由于環(huán)境中光線的變化，因此存在高斯噪點(diǎn)，可以通過(guò)增加權(quán)重的方式來(lái)減少誤判，提高系統(tǒng)識(shí)別圖像興趣點(diǎn)的精度，采集窗口如圖5所示。

圖5　圖像興趣點(diǎn)采集窗口

2.2心率傳感器

2.2.1心率傳感器模塊簡(jiǎn)介

光電式脈搏傳感器作為是根據(jù)光電容積法制成的脈搏傳感器，通過(guò)對(duì)手指末端透光度的監(jiān)測(cè)，間接檢測(cè)出脈搏信號(hào)。光電式脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)損傷、可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)光電容積法原理，從改善光源、消除景光噪聲、電磁屏蔽和提高信噪比四個(gè)方面出發(fā)，研究改進(jìn)方法，對(duì)提高使用的靈活性和準(zhǔn)確度有著重大意義。通過(guò)光電傳感器對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)智能化的脈搏測(cè)試技術(shù)。

2.2.2心率傳感器原理

人體心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動(dòng)脈的收縮和舒張，使血流壓力以波的形式從主動(dòng)脈根部開(kāi)始沿著整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)傳播，這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征。

根據(jù)郎伯-比爾（Lambert-beer）定律，物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度和它的濃度成正比，當(dāng)恒定波長(zhǎng)的光照射到人體組織上時(shí)，通過(guò)人體組織吸收、反射、衰減后測(cè)量到的光強(qiáng)在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。血液是高度不透明的液體，光在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍。一般情況下，當(dāng)光子穿越介質(zhì)時(shí)，因能量被吸收而導(dǎo)致的強(qiáng)度衰減可描述為：

式中是入射光強(qiáng)，是與組織結(jié)構(gòu)相關(guān)的吸收系數(shù)（哺乳動(dòng)物的值在0.1至100之間），是沿光軸方向的坐標(biāo)長(zhǎng)度。

脈搏主要由人體動(dòng)脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖，組織中的動(dòng)脈成分含量高，而且指尖厚度相對(duì)其他人體組織而言比較薄，透過(guò)手指后檢測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此光電式脈搏傳感器的測(cè)量部位通常在人體指尖。

手指組織可以分成皮膚、肌肉、骨骼等非血液組織和血液組織，其中非血液組織的光吸收量是恒定的，而在血液中，靜脈血的搏動(dòng)相對(duì)于動(dòng)脈血是十分微弱的，可以忽略。因此可以認(rèn)為光透過(guò)手指后的變化僅由動(dòng)脈血的充盈而引起的，那么在恒定波長(zhǎng)的光源的照射下，本設(shè)計(jì)利用透射式的測(cè)量方法，通過(guò)檢測(cè)透過(guò)手指的光強(qiáng)可以間接測(cè)量到人體的脈搏信號(hào)。

本系統(tǒng)所采用的心率傳感器是星輝電子產(chǎn)的Pulse Sensor主要包括信號(hào)采集和處理電路、單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路兩大部分，Pulse Sensor的外觀與引腳如圖6所示，其中S表示脈搏信號(hào)輸入端。

圖6　Pulse Sensor外形圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)主要函數(shù)介紹

3.1.1主函數(shù)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主函數(shù)void main（）的開(kāi)頭首先對(duì)單片機(jī)和按鍵、LED、LCD顯示屏和串口等外圍器件進(jìn)行初始化，初始化完后進(jìn)入死循環(huán)，保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。在主程序的設(shè)計(jì)中通過(guò)按鍵選擇進(jìn)入家屬信息告知界面還是進(jìn)入體征監(jiān)測(cè)界面，即分別調(diào)用通訊函數(shù)和監(jiān)測(cè)函數(shù)，其中按KEY0進(jìn)入家屬信息告知界面，按KEY1進(jìn)入體征監(jiān)測(cè)界面，主函數(shù)流程圖如圖7所示。

3.1.2通訊函數(shù)的設(shè)計(jì)

通訊函數(shù)同樣通過(guò)按鍵選擇通話界面和信息界面，按KEY0進(jìn)入通話界面，按KEY1進(jìn)入信息界面。在通話界面，可直接通過(guò)觸摸屏按鍵撥打號(hào)碼，而在信息界面也是通過(guò)按鍵選擇由辦公PC發(fā)送信息和發(fā)送界面。另外通訊還可以通過(guò)按KEY_UP鍵返回上級(jí)菜單，并能監(jiān)測(cè)SIM卡是否工作正常。通訊函數(shù)的流程圖如圖8所示。

3.1.3監(jiān)測(cè)函數(shù)的設(shè)計(jì)

在按KEY1進(jìn)入體征監(jiān)測(cè)界面后，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行監(jiān)測(cè)函數(shù)。此時(shí)，將手指放在心率傳感器，打開(kāi)上位機(jī)通過(guò)Processing窗口可以觀察到心率圖，同時(shí)LED燈閃爍的頻率隨心率的變化而變化。

4　總結(jié)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改善了傳統(tǒng)的醫(yī)院病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其主要特色為以下幾點(diǎn)：（1）以采用心率監(jiān)測(cè)與上位機(jī)心率波形圖相結(jié)合的方式替代數(shù)據(jù)庫(kù)的方式構(gòu)建的心率監(jiān)測(cè)部分，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與心率監(jiān)測(cè)的直觀性。（2）考慮到家屬聯(lián)系的方便性以及可靠性選擇可實(shí)時(shí)更換聯(lián)系號(hào)碼的方式構(gòu)建家屬聯(lián)系系統(tǒng)。（3）在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本可以承受的情況下，我們選用了衛(wèi)生條件更高的激光虛擬鍵盤(pán)配合GSM和TFTLCD模塊實(shí)現(xiàn)信息的交流和公布，而棄用了容易滋生細(xì)菌和難以清理的傳統(tǒng)機(jī)械鍵盤(pán)。

ICU remote monitoring system

Qin Wenjie
（College of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Suzhou 215600，China）

With the rapid development of the information age， the concept and the service of the hospital will be changed. Use the advanced achievement of modern science and technology such as computer and network technology， it is inevitable to improve traditional hospital ward monitoring system，intelligent hospital ward monitoring system makes hospitalized patients，especially critically ill patient rehabilitation more safe and effective.On a single chip STM32F103ZET based，using GSM，TFTLCD，pulse sensor and other modules of the system combined with virtual laser keyboard to construct the new ward care and medical office system，and validates the reliability and stability of the system.

medical office；STM32F103ZET；GSM；TFTLCD；laser virtual keyboard

圖7　主函數(shù)流程圖

圖8　通訊函數(shù)流程圖

秦文杰（1995-），男，江蘇南通人，江蘇科技大學(xué)在校本科生

［1］ Rafael C Gonzalez， Richard E Woods. Digital image processing ［M］. 2nd ed. New Jersey： Prentice Hall，2002.