基于藍(lán)牙和智能手機(jī)的人體多生理參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

引 言

隨著人類平均年齡的升高和老齡化速度的加快，慢性疾病發(fā)病人數(shù)大量增長(zhǎng)，現(xiàn)代醫(yī)療的重心已逐步由原來(lái)的治療為主轉(zhuǎn)為預(yù)防、病后監(jiān)護(hù)恢復(fù)為主，這就需要對(duì)患者在遠(yuǎn)離醫(yī)院的家居或者戶外環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，以便在出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠得到及時(shí)救護(hù)和治療，而傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)手段難以滿足這一需求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)患者進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)成為可能[1-4]。

遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的關(guān)鍵是對(duì)患者多種生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)，在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，才能采取相應(yīng)的救護(hù)與治療措施。本文基于藍(lán)牙和智能手機(jī)，設(shè)計(jì)了一種人體多生理參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過可穿戴智能感知節(jié)點(diǎn)，對(duì)患者體溫、血壓等多種生理參數(shù)進(jìn)行采集和分析處理，然后以藍(lán)牙方式無(wú)線傳輸給患者攜帶的智能手機(jī)。采集的數(shù)據(jù)通過 3G上傳到指定服務(wù)器。監(jiān)護(hù)人員可以使用手機(jī)或 PC 客戶端應(yīng)用軟件，從服務(wù)器獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的生理參數(shù)，在患者生理狀況異常時(shí)獲得報(bào)警信號(hào)，查詢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的歷史記錄等[5-7]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)組成框圖如圖 1 所示。該系統(tǒng)由智能感知模塊、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)護(hù)終端三部分組成。

(1) 智能感知模塊 ：由 n個(gè)感知節(jié)點(diǎn)和智能手機(jī)組成。各感知節(jié)點(diǎn)設(shè)置成從節(jié)點(diǎn)，患者智能終端（手機(jī)）采用輪詢的方式，獲取從各感知節(jié)點(diǎn)采集的多種人體生理參數(shù)，再傳輸給服務(wù)器。

(2) 傳輸網(wǎng)絡(luò) ：患者智能終端通過 3G 接入Internet將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，監(jiān)護(hù)人員可以使用智能終端設(shè)備（智能手機(jī)、筆記本電腦、PC 等），通過 3G、LAN、WiFi 等多種方式上網(wǎng)，獲取存儲(chǔ)在服務(wù)器上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

(3) 監(jiān)護(hù)終端 ：監(jiān)護(hù)終端可以是智能手機(jī)、筆記本電腦、PC等智能終端設(shè)備，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的客戶端應(yīng)用程序，獲取和利用患者生理參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 智能感知模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于可穿戴智能感知節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)方面需要合理選用各種器件、精心設(shè)計(jì)PCB，以滿足體積小、重量輕、能耗低、精度高、易穿戴等基本設(shè)計(jì)要求。除此之外，在軟件方面需要研究數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化算法，以進(jìn)一步降低能耗、提高采集數(shù)據(jù)的精度。

2.1 傳感器與佩戴方式選擇

根據(jù)患者需要監(jiān)護(hù)的生理參數(shù)，可以選擇脈搏、心電、體溫、呼吸、血壓、血氧、血糖等多種傳感器，針對(duì)不同傳感器測(cè)量的要求，確定不同的佩戴方式。目前，實(shí)時(shí)移動(dòng)檢測(cè)血壓、血糖等生理參數(shù)的傳感器尚不成熟，本文僅以脈搏、體溫、心電檢測(cè)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1) 脈搏傳感器

脈搏采集選用CJMCU-pulse sensor 傳感器，該傳感器采用光電容積法——利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率的不同來(lái)進(jìn)行脈搏測(cè)量，它只有電源、地和信號(hào)三根引線，體積超小，可以采用圖 2（a）所示方法，將脈搏傳感器用綁帶纏繞在手指上（或設(shè)計(jì)成指套），三根導(dǎo)線連接在智能感知模塊的主板上，主板可以與手環(huán)設(shè)計(jì)于一體進(jìn)行佩戴。

(2) 體溫傳感器

體溫采集選用ZMDTSic506F單線數(shù)字高精度溫度傳感器，該傳感器測(cè)溫范圍為－ 10°C～60°C，分辨率為 0.1°C， 在 40°C范圍內(nèi)精度為±0.1°C，滿足人體體溫測(cè)量的需要。它也有電源、地和信號(hào)三根引線，體積超小，可以將溫度傳感器與體溫感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，采用圖 2（b）所示方法， 將體溫感知節(jié)點(diǎn)做成臂帶纏繞在手臂上，使溫度傳感器置于腋下，進(jìn)行體溫的精確測(cè)量。

(3) 心電傳感器

心電采集選用BMD101 微型心電傳感器，該傳感器可使用兩個(gè)金屬干性電極直接進(jìn)行心電信號(hào)采集，僅有電源、地和兩個(gè)電極四根引線，具有藍(lán)牙傳輸功能，采用圖 2（c）所示佩戴方式，將兩個(gè)電極和主板安裝于胸帶的合適位置，使用時(shí)收緊胸帶，使兩個(gè)電極能夠很好地接觸皮膚。

2.2 感知節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

感知節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖 3 所示，由生理參數(shù)傳感器、單片機(jī)和藍(lán)牙模塊組成，其中，藍(lán)牙模塊需要設(shè)置成從模塊。

以脈搏智能感知節(jié)點(diǎn)為例，其硬件電路如圖 4 所示。脈搏傳感器 CJMCU-pulse sensor 的信號(hào)線直接連接到單片機(jī)的IO 口（P1.0）。

單片機(jī)型號(hào)為STC12C5A60S2，是感知節(jié)點(diǎn)的主控芯片， 選用LQFP44 封裝以減小體積。STC12C5A60S2 是單時(shí)鐘/ 機(jī)器周期的單片機(jī)，具有高速、低功耗、超抗干擾的優(yōu)勢(shì)，包含中央處理器（CPU）、程序存儲(chǔ)器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM）、定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器、UART 串口、I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、SPI 接口、PCA、看門狗及片內(nèi)R/C 振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊， 幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，滿足智能感知節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求。

藍(lán)牙模塊采用智能無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸BLK-MD-HC-05 模塊， 該模塊采用英國(guó)CSR 公司 BlueCore4-Ext 芯片，支持 UART、USB、SPI、PCM、SPDIF 等接口，并支持SPP 藍(lán)牙串口協(xié)議， 具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 感知節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

感知節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖 5 所示。上電工作后，先進(jìn)行初始化，將感知節(jié)點(diǎn)設(shè)置為從節(jié)點(diǎn)，設(shè)置感知節(jié)點(diǎn)名稱、密碼、波特率等，然后實(shí)時(shí)采集所監(jiān)測(cè)的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，按一定算法處理后進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)接到患者智能手機(jī)的連接請(qǐng)求后，將所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)，傳輸完畢后關(guān)閉與手機(jī)的連接， 繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，等待下一次手機(jī)的連接請(qǐng)求。

3 患者智能終端軟件設(shè)計(jì)

患者智能終端負(fù)責(zé)接收各感知節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)將它們上傳到服務(wù)器，其程序流程圖如圖 6所示。應(yīng)用程序啟動(dòng)后，首先連接第一個(gè)從節(jié)點(diǎn)，接收其采集數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)；然后， 關(guān)閉該節(jié)點(diǎn)，連接下一個(gè)從節(jié)點(diǎn)，接收下一個(gè)從節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，直至所有感知節(jié)點(diǎn)都被輪詢一次后，將本輪獲取的各感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)一起傳輸給服務(wù)器，然后進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)傳輸。每一輪中，若所有節(jié)點(diǎn)連接不上，則提示用戶開啟各從節(jié)點(diǎn)，重新連接或退出程序。

4 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

限于篇幅，本文重點(diǎn)討論多生理參數(shù)的采集與傳輸問題， 但為了驗(yàn)證采集數(shù)據(jù)的有效性，針對(duì)監(jiān)護(hù)人員手持智能終端進(jìn)行簡(jiǎn)單應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，其功能結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。

用戶進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊時(shí)，各感知節(jié)點(diǎn)采集的體溫、脈搏數(shù)據(jù)等通過患者智能手機(jī)傳輸?shù)椒?wù)器，通過服務(wù)器實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)護(hù)人員手機(jī)進(jìn)行顯示，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)用戶進(jìn)入歷史記錄模塊時(shí)，可以輸入查詢的起止時(shí)間，對(duì)采集的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢， 也可以對(duì)指定時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。

監(jiān)護(hù)人員智能終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面如圖 8 所示。

結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了基于藍(lán)牙和智能手機(jī)的人體多生理參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，系統(tǒng)以穿戴式生理參數(shù)智能感知節(jié)點(diǎn)和手持智能終端為核心，可以很方便地對(duì)人體多生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還可以上傳至服務(wù)器，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，構(gòu)成遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可大大提高醫(yī)護(hù)效率， 降低醫(yī)療費(fèi)用。