便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀在互聯(lián)網(wǎng)+時代的使用設計

引 言

傳統(tǒng)技術中，醫(yī)院大都使用臨床式多參數(shù)監(jiān)護儀，將監(jiān)護儀放在病人床頭，可實時查看病人心電，血壓，血氧，呼吸和體溫等數(shù)據(jù)，監(jiān)護儀一般體積較大，搬拿十分不便，且患者為了配合監(jiān)護往往只能躺在病床上。如何將監(jiān)護儀設計得輕便，方便攜帶已成為各醫(yī)療器械公司研發(fā)的方向之一

無錫中健科儀有限公司的 GW 系列多參數(shù)監(jiān)護儀應運而生。它體積小，重量輕，僅為通常多參數(shù)監(jiān)護儀重量的三分之一便于攜帶。采用低功耗藍牙無線傳輸技術，患者只需佩戴監(jiān)護儀背包就可在指定區(qū)域自由活動，不影響監(jiān)護數(shù)據(jù)的實時傳輸。所有的生理參數(shù)通過藍牙無線傳輸?shù)街付ǖ钠桨宥孙@示同時數(shù)據(jù)通過平板實時傳遞到數(shù)據(jù)服務器中保存，方便醫(yī)生調(diào)取查看。便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀的系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示

塊“BlueMod+B20”，其空曠空間覆蓋范圍達 24 m，符合藍牙 V2.0+EDR”標準，同時數(shù)據(jù)傳輸可靠，丟包率可控制在 0.05% 以內(nèi)。心電及呼吸采集芯片采用由 TI 公司生產(chǎn)的ADS1298R 芯片，它集成了 8 路同時取樣的 24 位Delta-Sigma 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC）和內(nèi)置的可編程增益放大器（PGA），基準電壓以及振蕩器，集心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）等醫(yī)療應用所需功能于一身，同時擬合了呼吸（Resp）數(shù)據(jù)，使整體設計更加便捷主處理芯片采用意法半導體的低功耗 STM32 芯片，功耗更低有效保證電池的使用時間。在同時監(jiān)測 6 路心電信號，血氧信號，呼吸及體溫，半小時間隔無創(chuàng)血壓測量的情況下，至少可維持 48 小時持續(xù)供電 [2]。便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀的人體佩戴示意圖及原理框圖如圖 2 所示

1.2 便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀的設計

通過藍牙無線傳輸，可將 GW多參數(shù)監(jiān)護儀中的實時監(jiān)護數(shù)據(jù)傳送到平板端，再通過WiFi或者 4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)布到服務器上，醫(yī)護工作者只需用手機連入互聯(lián)網(wǎng)上的服務器就可以實時查看該病人的心電圖，血氧圖，血壓數(shù)據(jù)，呼吸及體溫數(shù)據(jù)，同時還可查看病人的歷史數(shù)據(jù)記錄，為接下來的診斷提供參考依據(jù)。該設計，無論是采集端，還是手機端都采用當前先進的 Android系統(tǒng)或iOS系統(tǒng)（目前已在 Android 系統(tǒng)上實現(xiàn)并投入使用）上進行 APP的設計，操作目標更簡潔方便，可實時聯(lián)網(wǎng)使用，對于社區(qū)及居家養(yǎng)老監(jiān)護有著廣泛的市場前景。系統(tǒng)原理實現(xiàn)圖如圖 3所示

圖 3系統(tǒng)原理實現(xiàn)圖

2 關鍵技術點闡述

2.1 藍牙無線通訊協(xié)議的制定

由于 GW 便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀的心電波形的采樣率為256，血氧和呼吸的采樣率為 128，數(shù)據(jù)量相對較大，為保證數(shù)據(jù)在無線藍牙上的實時傳輸，需要設計好應用層的通訊協(xié)議藍牙的無線通訊在配對連接建立之后即類似于串口正常通訊采用一問一答方式可有效避免數(shù)據(jù)傳送的不對等錯亂問題 [3]

協(xié)議添加通訊頭尾標識，并增加校驗，在數(shù)據(jù)頭后的指定字節(jié)傳送本報文的長度，以便接收者判定所接收的報文是否收全，是否正確

協(xié)議的召測時序采用主從問答方式，召測頻率根據(jù)心電，血氧，呼吸的采樣率及便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀的緩沖區(qū)空間來設計，經(jīng)過反復測試，確定為 64ms 召測一次，若召測頻率較慢，便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀的緩沖區(qū)即會溢出，造成數(shù)據(jù)丟失，如果太快則CPU占用負荷過高，導致監(jiān)測時間變短

通訊超時設計：在通訊過程中增加超時判斷，超時時間經(jīng)反復試驗配合確定為 200ms，超時三次則判定為通訊中斷，此時便攜式監(jiān)護儀會發(fā)出蜂鳴進行報警提示，同時平板采集端也會進行聲音及文字報警提示，提示用戶及時查看。同時召測程序還在繼續(xù)運行，一旦有響應立即恢復通訊

各種指令操作：很多命令通過界面交互下發(fā)給便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀，比如啟動或停止血壓測量，啟動或停止起搏檢測等，修改波形顯示參數(shù)等，無線遙控操作使監(jiān)護更便捷高效

2.2 WiFi無線通訊協(xié)議的制定

該協(xié)議的功能主要是完成平板采集端將從便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀上采集到的心電，血壓，血氧，呼吸，體溫等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給服務器端，由服務器端保存或?qū)崟r回復來自各互聯(lián)網(wǎng)查看端的請求。因此考慮直接透傳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給服務器端，由服務器端調(diào)用藍牙公用數(shù)據(jù)解析模塊直接將數(shù)據(jù)解析保存

2.3 服務器存儲數(shù)據(jù)庫設計

通過比較 SQLite 數(shù)據(jù)庫，SQL Server 數(shù)據(jù)庫，Access 數(shù)據(jù)庫，決定選用 SQLite 數(shù)據(jù)庫。因為 SQLite 數(shù)據(jù)庫支持G 級別的串和二進制大對，雖然是輕量級數(shù)據(jù)庫，但它支持最大 2 TB 的單個庫文件。經(jīng)過實際測試，在擁有幾百萬記錄的情況下，SQLite 的插入和查詢速度與MySQL 不分上下，快于SQL Server，10 倍于Access。數(shù)據(jù)庫中的表主要包含血壓結(jié)果表、趨勢數(shù)據(jù)表、參數(shù)報警數(shù)據(jù)表、心律失常報警表波形文件相關信息表。而波形數(shù)據(jù)則采用存儲文件的方式進行保存，文件按照特定的波形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行保存。通過數(shù)據(jù)存文件的方式，方便調(diào)取查看，而且節(jié)省數(shù)據(jù)庫容量，更有效地擴充了服務器的數(shù)據(jù)容量

2.4 采集端平板的界面設計

互聯(lián)網(wǎng)+ 的開放性使得采集端的平板軟件選擇在當前最為流行的 Android操作系統(tǒng)上搭建。Android的本義是“機器人”，它是一種基于 Linux 的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)由于它的開源性和谷歌強大的技術支持，APP的開發(fā)更加個性化，人性化，符合用戶需求

本系統(tǒng)的設計思想采用在平板端和手機端編寫不同的APP來實現(xiàn)不同的功能?？紤]平板的顯示屏幕較大，一般可以采用10.1寸屏，界面顯示的元素比較豐富，可以實時顯示 4 道波形和心電，血壓，血氧，體溫，呼吸的波形數(shù)據(jù)和生理數(shù)據(jù)，同時展示趨勢圖，比通用的床邊機的界面顯示更美觀配合手勢的滑動調(diào)取界面元素，按鈕的扁平化設計風格更高端大氣，界面示意如圖 4所示

圖 4 平板顯示界面示意圖

而在手機端，受屏幕尺寸限制（多為 5 寸屏以內(nèi)），主顯示界面僅保留重要信息（如兩道心電波形和一道血氧波形） 但通過手勢滑動多頁瀏覽方式仍然可以查看到所有的波形顯示和生理參數(shù)信息。界面設計充分利用 Android 系統(tǒng)的優(yōu)勢和觸摸屏的優(yōu)點，結(jié)合手勢上下、左右滑動，抽屜抽拉動作，單機雙擊觸摸等可展示更多的使用元素并獲得更靈活的用戶體驗

2.5 查看端訪問用戶數(shù)據(jù)的加密設計

由于用戶的數(shù)據(jù)具有一定的私密性，不能任由其他人訪問因此在平板采集側(cè)上傳數(shù)據(jù)時增加了隨機 PIN 碼生成，查看端只有輸入該 PIN 碼才能通過服務器訪問所請求的用戶數(shù)據(jù)保證被監(jiān)護者的數(shù)據(jù)安全

3 總 結(jié)

本文所提到的中健科儀的 GW 系列多參數(shù)監(jiān)護儀已研制完成并取得中華人民共和國醫(yī)療器械注冊證（ 蘇械注準20142210641），所有互聯(lián)網(wǎng) + 相關軟件設計已配合投入使用并在東南亞多個醫(yī)療機構(gòu)進行了推廣應用，反饋良好。接下將展開和社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護的進一步合作，在互聯(lián)網(wǎng) + 時代，將便攜式監(jiān)護儀更好地應用到人們的生活中。