劉紅 馬天時(shí) 沈霆煊

摘 要：傳統(tǒng)以醫(yī)院醫(yī)療檢測(cè)為主的方法已不能滿足人們對(duì)健康的需求，因此研發(fā)一種新的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)施勢(shì)在必行。文中研究的人體智能健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)者血壓、體溫、心率、心音、脈搏等情況的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，設(shè)備靈活性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)，便攜、易用，同時(shí)可對(duì)人體多項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行收集，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合分析與判斷，得出被檢測(cè)人的健康狀況。

關(guān)鍵詞：監(jiān)護(hù)系統(tǒng);4G網(wǎng)絡(luò);生理參數(shù);檢測(cè)傳輸;可擴(kuò)展;APP

中圖分類號(hào)：TP299文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

隨著人口老齡化進(jìn)程的加快，人們對(duì)自身健康的關(guān)注度越來越高。近二三十年醫(yī)療體系逐步完善，早先某些疾病如痢疾、鼠疫等傳染病幾乎杜絕。醫(yī)療上的主要疾病已從急性傳染病變?yōu)槁圆?，如高血壓、心臟病、糖尿病和癌癥等疾病的預(yù)防與治療后的康復(fù)，這些已成為急需解決的問題[1]。世界衛(wèi)生組織測(cè)評(píng)得出：世界范圍內(nèi)慢性疾病的發(fā)病率呈上升趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2025年慢性疾病將成為人類失能的首要原因。而醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，這些慢性疾病的病發(fā)需要經(jīng)歷一個(gè)完整的過程：從處于低危狀態(tài)，到中危狀態(tài)，再到高危狀態(tài)，最后才到病變狀態(tài)，最終出現(xiàn)臨床癥狀。在這個(gè)有序的過程中，如果能夠?qū)θ梭w各項(xiàng)健康指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，就有可能提前發(fā)現(xiàn)問題并提前進(jìn)行預(yù)警或干涉性治療?；谝陨夏康?，本文研究一種人體健康智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，以解決此類問題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來人體健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在國內(nèi)外均有長足的發(fā)展[2]，現(xiàn)有系統(tǒng)基本具有監(jiān)護(hù)、分析處理及管理等功能。

1.1 國內(nèi)的研究與開發(fā)現(xiàn)狀

我國醫(yī)用監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的鼻祖是對(duì)心血管疾病的監(jiān)護(hù)。發(fā)展到今天，已出現(xiàn)對(duì)各種情況的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，如適用于心腦血管、呼吸道、新生兒、婦產(chǎn)科、麻醉、睡眠狀況等方面的監(jiān)護(hù)。

除對(duì)應(yīng)各種疾病的監(jiān)護(hù)儀外，監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的連接形式也由單一的有線系統(tǒng)發(fā)展為無線可移動(dòng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可用于床旁、中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及中心工作站等[3-5]。

1.2 國外的研究與開發(fā)現(xiàn)狀

國外開展智能健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)領(lǐng)域的研究較早，并取得了許多優(yōu)秀成果。例如，GE、西門子、飛利浦等公司相繼推出了多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng);荷蘭飛利浦基于基站的家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng);英國公司的家庭遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng);美國AmerieanTeleeare公司的病人視頻監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等[6]。這些系統(tǒng)都應(yīng)用了目前較先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)，能夠根據(jù)病人需要配置監(jiān)護(hù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)[7]。研究發(fā)現(xiàn)，這些系統(tǒng)使用耦合方式將信號(hào)調(diào)制到音頻，利用電話線進(jìn)行傳輸，而生理參數(shù)模塊經(jīng)過串口與終端相連接，不便于個(gè)人攜帶，整體設(shè)備也偏笨重，且設(shè)備價(jià)格較昂貴，不適用于我國家用醫(yī)療環(huán)境。

2 人體健康智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)功能需求研究

本文研究的健康監(jiān)控系統(tǒng)采用4G與藍(lán)牙技術(shù)，可用于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)式監(jiān)護(hù)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)宗旨是外觀精致，小巧玲瓏，便于攜帶，操作方便、簡潔，檢測(cè)準(zhǔn)確度高，性價(jià)比高等。

本文系統(tǒng)能對(duì)被檢測(cè)者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，包括對(duì)心電、心音、脈搏、體溫等各項(xiàng)生理信號(hào)的收集、顯示、分析處理與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取Ｔ撓到y(tǒng)能通過公共網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。同時(shí)，監(jiān)護(hù)中心端也可實(shí)現(xiàn)包括對(duì)被檢測(cè)者生理信號(hào)數(shù)據(jù)的接收、顯示、管理與分析處理。

其工作原理為：通過各種生理檢測(cè)傳感器及模塊，對(duì)所需要監(jiān)測(cè)的人體各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)如血壓、脈搏、體溫、心電及心音等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)由Internet網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程醫(yī)療中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，提供檢測(cè)者需要的信息反饋與咨詢服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)智能健康監(jiān)護(hù)。在異樣的生命指征信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，患者本人可采取一些自救措施，同時(shí)也可通過遠(yuǎn)程通信，將患者狀況通知患者家屬、社區(qū)醫(yī)生或就近醫(yī)院的醫(yī)生。醫(yī)生通過網(wǎng)絡(luò)給患者或其家屬開具簡單的應(yīng)急醫(yī)囑，使患者得到最及時(shí)的診斷與救治[8-9]。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文系統(tǒng)由傳感器、控制中心、數(shù)據(jù)通信、醫(yī)療中心服務(wù)器及APP應(yīng)用五部分組成，可對(duì)人體生理需要檢測(cè)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理。多參數(shù)檢測(cè)硬件系統(tǒng)由腕帶及附著在腕帶上的監(jiān)測(cè)盒組成，采用雙微處理器，其中MCU-2完成各項(xiàng)生命指征信號(hào)的采集與分析，MCU-1完成人機(jī)交互與數(shù)據(jù)通信[8，10]，將生命特征參數(shù)與處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)不失真地傳送到醫(yī)院數(shù)據(jù)接收點(diǎn)。醫(yī)院服務(wù)器智能終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，供主治醫(yī)師進(jìn)一步分析診斷，并將診斷結(jié)果與醫(yī)囑通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回患者或監(jiān)護(hù)人。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)板模塊

該系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)分為三種：CPU及內(nèi)存相關(guān)模塊;時(shí)鐘、外設(shè)及電源管理相關(guān)模塊;無線電通信相關(guān)模塊。

開發(fā)板CC2540的內(nèi)核是一個(gè)單周期的8051 CPU兼容內(nèi)核，有SFR，DATA，CODE/XDATA共3個(gè)不同的storage訪問總線，工作頻率是以單周期訪問SFR，DATA及主SRAM。開發(fā)板CC2540還含括1個(gè)調(diào)試接口和1個(gè)18輸入的擴(kuò)展中斷單位。中斷控制器有18個(gè)中斷源，分為6個(gè)中斷組，每組有4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。當(dāng)設(shè)備從休眠模式回到活動(dòng)模式時(shí)，會(huì)請(qǐng)求一個(gè)中斷服務(wù)，其中一些中斷還可從空閑模式喚醒設(shè)備。開發(fā)板CC2540上的內(nèi)存仲裁器位于系統(tǒng)中心，經(jīng)過SFR總線把CPU，DMA控制器，物理存儲(chǔ)器以及所有外部設(shè)備連接在一起。開發(fā)板CC2540上的時(shí)鐘與電源管理工作方式為：1.8 V低差穩(wěn)壓器給數(shù)字內(nèi)核與外部設(shè)備供電，具備電源管理功能，可實(shí)現(xiàn)不同的供電模式，以利于延長電池壽命，因此可有5種不同的復(fù)位源來復(fù)位設(shè)備[11]。調(diào)試接口執(zhí)行一個(gè)專有的兩線串行接口，用于內(nèi)電路調(diào)試。

輸入輸出I/O控制器管理通用的I/O引腳。CPU可設(shè)置外設(shè)模塊是否控制某個(gè)引腳或是否受軟件控制，若是，則每個(gè)引腳要設(shè)置為一個(gè)輸入或輸出。另外還要考慮是否連接一個(gè)下拉或上拉電阻，每個(gè)引腳上的CPU中斷都可以使能。為了確保外設(shè)在不同應(yīng)用程序中的靈活性，每個(gè)外設(shè)都可在兩個(gè)不同的I/O引腳位置之間選擇連接哪個(gè)引腳。

開發(fā)板CC2540上的直接內(nèi)存可訪問DMA（Direct Memory Access，DMA）控制器，且能訪問所有物理存儲(chǔ)器。每個(gè)通道（觸發(fā)器、優(yōu)先級(jí)、傳輸模式、尋址模式、源、目標(biāo)指針及傳輸計(jì)數(shù)）可用直接內(nèi)存訪問控制器描述其在存儲(chǔ)器的地方配置。

開發(fā)板CC2540上的定時(shí)器是16位定時(shí)器，具備定時(shí)器、計(jì)數(shù)器及脈沖寬度調(diào)制功能，其有可編程分頻器、16位周期值及5個(gè)各自可編程的計(jì)數(shù)器用于捕獲通道。

開發(fā)板CC2540上的AES協(xié)議處理器帶有128位密鑰的AES算法加密或解密數(shù)據(jù)，能夠支持IEEE 802.15.4 MAC安全、ZigBee網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層需求的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES（Advanced Encryption Standard，AES）操作。

3.2 各類傳感器

3.2.1 心率及脈搏傳感器

本文系統(tǒng)使用的心率傳感器是PulseSensor傳感器，它是一款用于脈搏心率測(cè)量的光電反射式模擬傳感器，將其佩戴于手指、耳垂等處，通過導(dǎo)線連接可將采集到的模擬信號(hào)傳輸至Arduino等單片機(jī)以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過Arduino等單片機(jī)簡單計(jì)算后就可得到心率數(shù)值。此外還可將脈搏波形通過串口上傳到電腦顯示，其工作原理如圖1所示[12]。

3.2.2 溫度傳感器

本文系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器測(cè)量體溫，如圖2所示，為便于使用，將DS18B20外部通過不銹鋼探頭進(jìn)行包裝。

3.2.3 血壓傳感器

本文系統(tǒng)采用ANT-US9116-006-N傳感器測(cè)量血壓。該模塊與袖帶連接，通過袖帶獲取人體信息，并將得到的壓力轉(zhuǎn)換為電壓值，輸出的電壓信號(hào)為靜壓力信號(hào)與脈搏信號(hào)的疊加，利用0.6～6.4 Hz的帶通濾波器將脈搏信號(hào)濾出，放大后傳送至單片機(jī)，同時(shí)也將靜壓力信號(hào)傳送至單片機(jī)，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換，將采集到的壓力信號(hào)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過特定算法把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為可讀血壓值。由于傳感器獲取到的電壓值很小，故使用放大電路，利用Vout引腳輸出放大后的信號(hào)，并對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大濾波后傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理[13]。

4 數(shù)據(jù)通信及軟件

本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方式除了4G還采用了藍(lán)牙方式。藍(lán)牙模塊作為智能穿戴設(shè)備上的重要通信模塊[14]，配合移動(dòng)設(shè)備，能夠使系統(tǒng)更加智能。

4.1 系統(tǒng)藍(lán)牙模塊BT-HC-05

藍(lán)牙通信部分主要使用嵌入式藍(lán)牙串口通信模塊BT-HC-05作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模塊，具有命令應(yīng)答與自主連接兩種工作模式。其中，自主連接工作模式分為主（Master）、從（Slave）及回環(huán)（Loopback）三種角色。當(dāng)藍(lán)牙通信模塊處于自主連接工作模式時(shí)，主動(dòng)按照事先設(shè)定的工作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)模塊處于命令應(yīng)答工作模式時(shí)，接收到AT指令后再進(jìn)行工作。

4.2 通信模塊連接方案

藍(lán)牙模塊與終端連接結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4.3 APP終端的開發(fā)

終端APP軟件采用微信小程序開發(fā)，其效果如圖4所示。

進(jìn)行APP終端開發(fā)時(shí)，在微信小程序前端頁面加上服務(wù)器數(shù)據(jù)，可直接在微信開發(fā)者工具中作為項(xiàng)目打開小程序與服務(wù)器進(jìn)行交互，通過微信原生API接口[15]（網(wǎng)絡(luò)API、媒體API、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)API、位置API、設(shè)備信息API、界面API及開放API）進(jìn)行。微信小程序?yàn)樗{(lán)牙提供的藍(lán)牙API有多種：初始化藍(lán)牙適配器;關(guān)閉藍(lán)牙模塊，調(diào)用該方法將斷開所有已建立的連接并釋放系統(tǒng)資源;獲取本機(jī)藍(lán)牙適配器狀態(tài);開始搜尋附近的藍(lán)牙外圍設(shè)備;停止搜尋附近的藍(lán)牙外圍設(shè)備;獲取所有已發(fā)現(xiàn)的藍(lán)牙設(shè)備，包括已和本機(jī)處于連接狀態(tài)的設(shè)備;獲取藍(lán)牙設(shè)備所有Service（服務(wù)）;往可寫特征寫入數(shù)據(jù);打開通知[16]（特征值為notify的特征UUID）。

4.4 APP軟件連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

客戶端的APP要實(shí)現(xiàn)各種功能，需與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接，連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器則需調(diào)用網(wǎng)絡(luò)API，普通的HTTPS請(qǐng)求，以及通信、上傳文件、下載文件、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。將本地資源上傳到開發(fā)者服務(wù)器，客戶端直接發(fā)起HTTPGET請(qǐng)求，返回文件的本地臨時(shí)路徑。本地文件的臨時(shí)路徑在小程序本次啟動(dòng)期間可正常使用，若有長久保存的需求，則需主動(dòng)調(diào)用wx.saveFile，在使用者下次啟動(dòng)小程序時(shí)才能訪問?？蛻舳苏故救鐖D5所示。服務(wù)器端情況如圖6所示。

4.5 騰訊云服務(wù)器的鏈接

騰訊云服務(wù)器為微信小程序開發(fā)提供了一個(gè)通用架構(gòu)，含有藍(lán)牙設(shè)備的電子產(chǎn)品可看作一個(gè)服務(wù)器，其中的相關(guān)配置已配置好，而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接的云服務(wù)器則需自己配置，做好相關(guān)配置后，小程序客戶端通過調(diào)用API接口訪問服務(wù)器URL即可進(jìn)行相關(guān)操作。

5 結(jié) 語

本文研發(fā)了人體健康智能監(jiān)控系統(tǒng)，使用4G與藍(lán)牙技術(shù)，系統(tǒng)硬件模塊由各類傳感器監(jiān)控模塊、控制中心模塊、信息傳輸模塊、醫(yī)療中心服務(wù)器與APP應(yīng)用五部分構(gòu)成。專用的傳感器模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體各項(xiàng)生理參數(shù)指標(biāo)的檢測(cè)與數(shù)據(jù)收集，然后由遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)控制中心對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行醫(yī)療判斷，及時(shí)將急癥、醫(yī)囑及應(yīng)急方案等信息傳輸?shù)交颊呤种小?/p>

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李瑩，包國金，張家忠.亞健康狀態(tài)的研究現(xiàn)狀及展望[J].中國療養(yǎng)醫(yī)學(xué)，2009（5）：421-422.

[2]王志紅，張紅敏.中國健康管理思考[J].中華實(shí)用中西醫(yī)雜志，2008，8（5）：5-10.

[3]中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng).2016-2020年中國醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀行業(yè)研究分析及市場前景預(yù)測(cè)報(bào)告[EB/OL].2015（12）：3-4.

[4]李佳，吳水才，李艷崢，等.家庭健康監(jiān)護(hù)儀的研究進(jìn)展[J].醫(yī)療設(shè)備信息，2007，22（3）：55-58.

[5]代少升，張躍，張和君，等.便攜式遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)儀的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006（9）：1-2.

[6]張江波.多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的測(cè)量原理及其正確使用方法[J].中國醫(yī)療器械信息，2001（3）：31-36.

[7]代永陸，唐曉英，劉偉峰.基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數(shù)健康監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006（9）：34-41.

[8]梁小容.基于嵌入式Linux的心電中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

[9]傅竹青.基于嵌入式Limix和MiniGUI的數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試分析儀監(jiān)控終端研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[10]齊林，白凈，張永紅，等.多用戶共享型便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2007（1）：65-78.

[11] 2.4 GHz IEEE 802.15.4和ZigBee?應(yīng)用的CC2540 片上系統(tǒng)解決方案用戶指南[S].CC2540中文數(shù)據(jù)手冊(cè)完全版，2012：16-19 .

[12] MARGOLIS M.Arduino權(quán)威指南[M].2版.楊昆云，譯.北京：人民郵電出版社，2015：46-75.

[13]丁建平.基于ARM體系結(jié)構(gòu)的心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

[14]呂慧，徐武平，牛曉光.物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016：135-145.

[15]熊普江，謝宇華.小程序，巧應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017：102-124.

[16]李俊，邊思.微信小程序：開發(fā)入門及案例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017：236-256.