無線遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設計

摘要：介紹了一種基于GPRS技術的無線遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。以SPCE061A為主控芯片，將數據采集模塊和GPRS通信模塊相結合，以無線的方式連接到Internet，由監(jiān)護中心接收數據并保存到數據庫中。運用LabVIEW工具進行監(jiān)控中心服務器端主面板的設計與處理，實現對患者生理參數的遠程監(jiān)測、分析及異常情況的判斷和報警。闡述了系統(tǒng)的總體結構，從硬件和軟件兩個方面說明了系統(tǒng)的設計及實現方法。系統(tǒng)具有結構簡單、實時性強、傳輸數據量大，在自然災害和戰(zhàn)爭中傷病員的現場搶救等方面，具有良好的應用前景。
關鍵詞：GPRS；醫(yī)療監(jiān)護；單片機；LabVIEW

    遠程醫(yī)療監(jiān)護是利用遠程通信技術和計算機技術實現遠距離的疾病診斷、疾病治療和健康護理等多種醫(yī)學功能的一種醫(yī)療模式。它實時、連續(xù)、長時間地監(jiān)測病人重要的生命體征參數，使得醫(yī)護人員獲悉病人狀態(tài)，以便做出正確的判斷和處理，在患有突發(fā)性和危險性疾病病人的監(jiān)護、戰(zhàn)爭及自然災害中傷病員的搶救等領域均具有重要的作用。目前，遠程監(jiān)護主要基于電話網、Internet及無線通信網絡，因移動通信網絡覆蓋廣、運行費用低，將無線通信技術與Internet技術相結合已成為無線遠程醫(yī)療監(jiān)護研究的熱點。為了實現低成本、小型化和移動靈活的特點，系統(tǒng)設計以SPCE061A為主控芯片，將采集模塊和GPRS(General Packet Radio Service)通信模塊相結合，實現生理參數的無線傳輸。數據通過無線網絡傳到設在中心醫(yī)院的監(jiān)護中心，利用中心醫(yī)院先進的醫(yī)療技術和專家隊伍，保證病人在院內和院外得到及時地、有效地、專業(yè)地救治。

1 監(jiān)護系統(tǒng)的總體結構
    系統(tǒng)設計由智能監(jiān)護終端、GPRS通信模塊(GPRS網絡)、Internet公共網絡、數據服務器、醫(yī)院局域網及醫(yī)院監(jiān)護中心等部分組成，其框圖如圖1所示。其中，監(jiān)護中心服務器端隨時處于監(jiān)聽狀態(tài)，實時響應用戶發(fā)出的連接請求與讀取請求，與之建立連接。智能監(jiān)護終端可應用到家庭、急救車、救災或戰(zhàn)爭急救現場，對病人的生理參數進行采集、處理、顯示并作遠距離傳輸。在救護車、救災或戰(zhàn)爭急救現場監(jiān)護終端利用GPRS模塊以無線的方式連接到Inteenet；社區(qū)及附屬醫(yī)院通過獨立上網或者以無線的方式連接到Internet；在中心醫(yī)院內由醫(yī)院的局域網將數據傳輸到監(jiān)護中心，監(jiān)護中心專家對數據進行統(tǒng)計觀察及時地為病人診斷和提供救治指導，實現遠程醫(yī)療。

2 監(jiān)護終端的硬件設計
    監(jiān)護終端以心電采集模塊為核心，擴展血壓測量OEM模塊、血氧飽和度OEM模塊、大容量FLASH存儲器和無線傳輸GPRS模塊等外圍設備。其中，心電采集模塊以16位SPCE061A單片機為控制芯片，擴展前置放大電路、濾波電路、工頻陷波電路及心電導聯(lián)等部分。SPCE061A是一款臺灣凌陽公司推出的具有語音處理μ’nspTM結構的微控制器，采用Soc構架，芯片帶有硬件乘法器，能夠實現乘法、內積等復雜運算。CPU時鐘為0．32～49．152 MHz(2．4～3．6 V)；內置2K字SRAM和32 K字FLASH；32位可編程的多功能I／O端口；14個中斷源；兩個16位定時／計數器；可編程音頻處理；7通道10位電壓模／數轉換器；雙通道10位DAC方式的音頻輸入功能，只需外接功放即完成語音播放，方便實現系統(tǒng)的語音功能。
    監(jiān)護終端完成生理信號的采集和處理一方面在現場顯示，另一方面發(fā)送給GPRS模塊，利用單片機控制GPRS模塊的啟動、連接、模式轉換等，并在資料模式下將經過加密和容錯處理后的數據實時發(fā)送到監(jiān)護中心服務器，實現系統(tǒng)功能。硬件結構如圖2所示。

2．1 心電采集和調理模塊
    心電信號是一種低頻率的微弱雙極性信號，帶寬集中在0．05～100 Hz，幅度只有mV量級，快速檢測并提取清晰的心電信號是進行監(jiān)護和分析診斷的基礎。實際采集到的心電信號?；煊兄绷骱透哳l干擾及人體運動、呼吸引起的基線漂移和肌電干擾，系統(tǒng)設計利用心電導聯(lián)線獲取心電信號，經AD623差分放大器完成前置放大，經后續(xù)的多級放大、濾波電路和陷波電路完成信號的調理，再送入單片機的電壓模／數轉換器完成心電信號的數字化。在采集端設有導聯(lián)脫落檢測語音報警電路，避免因患者移動造成導聯(lián)脫落。心電信號的采集調理電路結構如圖3所示。

    由于心電信號是高內阻的微弱信號源，源阻抗不穩(wěn)定，受周圍電磁干擾(50 Hz工頻信號)大。因此，前置放大器要求具有高增益且可調節(jié)、高輸入阻抗和高共模抑制比，以消除工頻及電極化電壓的干擾；輸入失調電壓和偏置電流小、溫漂小、以保證信號的穩(wěn)定性。系統(tǒng)設計采用ADI公司的儀表放大器AD623作為心電信號前置放大器的核心器件，其內設過壓保護和高精度偏置與反饋電阻，輸入失調電壓漂移1μV／  ℃，輸入偏置電流最大25 nA，CMRR抑制頻率高達200 Hz，只需在1和8引腳間接入合適電阻Rg，就可以得到1～1 000dB之間的增益?？紤]到極化電壓的影響，增益不能太高，這一級的增益設定為10，否則會導致放大器飽和。電路如圖4所示。

    為了使信號能滿足A／D轉換要求，須將信號放大至數伏量級，設置次級放大的增益為100倍左右，設計采用具有寬增益、低失調電壓和漂移的運算放大器OP2335。為了消除高頻干擾、低頻干擾和50 Hz的工頻干擾，在次級放大電路的前端采用二階有源帶通濾波器濾除0．03 Hz以下和100 Hz以上的低高頻噪聲。同時，采用經典的雙T有源陷波電路濾除50 Hz工頻干擾。限于篇幅，具體電路就不一一介紹。
2．2 血壓與血氧模塊
    血壓模塊與血氧模塊分別采用北京邁創(chuàng)通元電子儀器有限公司的BTN602無創(chuàng)血壓測量模塊和BTN604血氧模塊。BTN602模塊可以測到收縮壓、平均壓、舒張壓和脈壓，其接收外部命令后，完成相應操作，返回系統(tǒng)狀態(tài)和相應數據。BTN604模塊單電源3．3 V供電，可以檢測到動脈血氧飽和度、脈率、體積掃描圖、棒圖、信號強度和狀態(tài)信息，它的通訊協(xié)議和BCI通訊協(xié)議兼容、數據傳送波特率為4 800 bps，傳送格式為：8位數據位+奇偶校驗位+1個停止位，每秒向MCU發(fā)送60個數據包，每個數據包為5個字節(jié)。由于兩個模塊均采用串口協(xié)議與MCU通信，信號電平為TTL電平，可以直接與心電模塊單片機SPCE061A相連，利用單片機普通I／O口模擬串口協(xié)議分別與兩模塊通信。
2．3 GPRS傳輸通信模塊
    智能監(jiān)護終端心電、血壓及血氧模塊采集的數據經單片機處理后，以數據流形式通過串行方式連接到GPRS通訊模塊SIM300上，SIM300模塊以TCP／IP數據包的形式通過GPRS網絡與中國移動的內部網，由中國移動GPRS服務節(jié)點(GSN)，把數據發(fā)送到Internet上一個指定的IP地址服務器即系統(tǒng)監(jiān)控中心服務器，監(jiān)控中心專家通過Internet訪問Web服務器，就可以瀏覽到監(jiān)護病人的各種生理參數信息。
    SIM300是Simcom公司研制的GSM／GPRS通信產品，內嵌強大的TCP／IP協(xié)議棧，實現語音、SMS、數據和傳真信息的高速傳輸。SIM300模塊上電后就會自動附著在GPRS網絡上，通過按鍵對SIM300的PowerKEY引腳輸入一個大于1 500 ms的低脈沖，開啟SIM300模塊。模塊開啟后，設計采用SPCE061A作為微處理器發(fā)送AT命令，完成對SIM300模塊的控制和數據的收發(fā)。應用電路如圖5所示。

2．4 顯示與存儲模塊
    系統(tǒng)設計選用MSP-G320240DBCW-211N大規(guī)模點陣式液晶顯示模塊，實現各監(jiān)護參數和波形的顯示。該液晶顯示模塊采用功能強大的SED 1335FOA控制器，具有較強的I／O口緩沖器和豐富的指令系統(tǒng)，最大驅動能力達640x256點陣，能夠實現圖形和文本的混合顯示。由于SPCE061 A片內的Flash存儲器只有32K字，不能滿足長時間測量的需要，系統(tǒng)擴展了一片4Mb總線閃存器SPR4096。硬件連接如圖5所示。

3 監(jiān)護系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件設計主要包括監(jiān)護終端的軟件設計和監(jiān)護中心監(jiān)控軟件的開發(fā)。監(jiān)護終端軟件由C語言編寫，主要實現各采集模塊的數據采集、顯示和存儲以及串行口數據的接收和發(fā)送。由單片機心電采集程序、單片機與血壓及血氧模塊的軟串口程序、基于GPRS模塊的通信程序、數據存儲與顯示程序、語音報警程序組成。為了實時有效地完成多參數的采集，充分利用了多種中斷方式來完成系統(tǒng)功能，包括定時中斷、串口中斷、鍵盤輸入中斷等。
    監(jiān)護中心監(jiān)控軟件部分主要由數據通訊模塊、數據處理顯示模塊、診斷報警模塊、醫(yī)學數據庫模塊等組成，通過LabVIEW平臺建立Web服務器，方便醫(yī)院局域網里的專家對監(jiān)測數據進行調用和處理，應用軟件開發(fā)框圖如圖6所示。

    客戶端界面是提供給醫(yī)生和患者使用的軟件界面，利用密碼進行登錄，不同的用戶給予不同的權限。醫(yī)生用戶可以查看到他所管理的所有病人的信息、生理參數測量值和波形圖；患者用戶則只能看到測量信息和醫(yī)生的建議。數據通訊模塊隨時處于監(jiān)聽狀態(tài)，響應智能終端的連接請求，接收終端傳輸的加密數據，并存入相應的緩沖區(qū)。數據處理顯示模塊依靠LabVIEW提供的各種分析函數和顯示控件將接收到的生理參數及處理的結果顯示在計算機的屏幕上，使醫(yī)護人員能夠實時了解病人的生理狀況。當生理信號出現異常時，診斷報警模塊將發(fā)出報警信息，提示醫(yī)護人員。數據庫模塊記錄了醫(yī)生信息、病人信息及各測量參數，方便查詢和診斷，為建立病人病歷、分析長期生理檢測結果提供保障。

4 結束語
    基于GPRS技術和Internet技術的無線遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，經多次測試基本實現了生理信號的采集、數據處理、存儲、顯示和傳輸功能。系統(tǒng)結構簡單、功耗低、成本低，可實時、連續(xù)、長時間地監(jiān)測病人心電、血壓、脈搏、血氧等生理參數。GPRS技術和Internet技術的應用實現了將中心醫(yī)院的先進醫(yī)療技術、醫(yī)療服務擴展到家庭、社區(qū)、救災或戰(zhàn)爭急救，形成一種全新的基于網絡的醫(yī)療體系。同時，有助于緩解我國社區(qū)及廣大農村地區(qū)醫(yī)療力量薄弱，醫(yī)療資源分布不均的矛盾，實現醫(yī)療資源的共享。