人體健康智能監(jiān)護系統(tǒng)

0 引 言

隨著人口老齡化進程的加快，人們對自身健康的關注度越來越高。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防與治療后的康復，這些已成為急需解決的問題 [1]。世界衛(wèi)生組織測評得出 ：世界范圍內(nèi)慢性疾病的發(fā)病率呈上升趨勢，預計到2025年慢性疾病將成為人類失能的首要原因。而醫(yī)學研究發(fā)現(xiàn)，這些慢性疾病的病發(fā)需要經(jīng)歷一個完整的過程 ：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。在這個有序的過程中，如果能夠對人體各項健康指標進行實時檢測，就有可能提前發(fā)現(xiàn)問題并提前進行預警或干涉性治療。基于以上目的，本文研究一種人體健康智能監(jiān)護系統(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、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)護系統(tǒng)的鼻祖是對心血管疾病的監(jiān)護。發(fā)展到今天，已出現(xiàn)對各種情況的監(jiān)護系統(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。除對應各種疾病的監(jiān)護儀外，監(jiān)護系統(tǒng)的連接形式也由單一的有線系統(tǒng)發(fā)展為無線可移動系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)，可用于床旁、中心監(jiān)護系統(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)護系統(tǒng)領域的研究較早，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)護系統(tǒng) ；荷蘭飛利浦基于基站的家庭遠程監(jiān)護系統(tǒng) ；英國公司的家庭遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng) ；美國AmerieanTeleeare 公司的病人視頻監(jiān)護系統(tǒng)等 [6]。這些系統(tǒng)都應用了目前較先進的計算機技術及通信技術，能夠根據(jù)病人需要配置監(jiān)護參數(shù)，實現(xiàn)多參數(shù)的實時監(jiān)護 [7]。研究發(fā)現(xiàn)，這些系統(tǒng)使用耦合方式將信號調制到音頻，利用電話線進行傳輸，而生理參數(shù)模塊經(jīng)過串口與終端相連接，不便于個人攜帶，整體設備也偏笨重，且設備價格較昂貴，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 與藍牙技術，可用于遠程網(wǎng)絡式監(jiān)護。該系統(tǒng)的設計宗旨是外觀精致，小巧玲瓏， 便于攜帶，操作方便、簡潔，檢測準確度高，性價比高等。

本文系統(tǒng)能對被檢測者進行實時監(jiān)護，包括對心電、心音、脈搏、體溫等各項生理信號的收集、顯示、分析處理與網(wǎng)絡傳輸?shù)?。該系統(tǒng)能通過公共網(wǎng)絡實時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)護中心，以實現(xiàn)遠程監(jiān)護。同時，監(jiān)護中心端也可實現(xiàn)包括對被檢測者生理信號數(shù)據(jù)的接收、顯示、管理與分析處理。

其工作原理為 ：通過各種生理檢測傳感器及模塊，對所需要監(jiān)測的人體各項參數(shù)指標如血壓、脈搏、體溫、心電及心音等數(shù)據(jù)進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)由 Internet 網(wǎng)絡傳送到遠程醫(yī)療中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對采集到的數(shù)據(jù)進行整理分析，提供檢測者需要的信息反饋與咨詢服務，從而實現(xiàn)智能健康監(jiān)護。在異樣的生命指征信號出現(xiàn)時，患者本人可采取一些自救措施，同時也可通過遠程通信，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)絡給患者或其家屬開具簡單的應急醫(yī)囑，使患者得到最及時的診斷與救治 [8-9]。

2.2 系統(tǒng)總體設計方案

本文系統(tǒng)由傳感器、控制中心、數(shù)據(jù)通信、醫(yī)療中心服務器及 APP 應用五部分組成，可對人體生理需要檢測的參數(shù)進行實時采集與處理。多參數(shù)檢測硬件系統(tǒng)由腕帶及附著在腕帶上的監(jiān)測盒組成，采用雙微處理器，其中 MCU-2 完成各項生命指征信號的采集與分析，MCU-1 完成人機交互與數(shù)據(jù)通信 [8,10]，將生命特征參數(shù)與處理結果通過網(wǎng)絡不失真地傳送到醫(yī)院數(shù)據(jù)接收點。醫(yī)院服務器智能終端對數(shù)據(jù)進行分析處理，供主治醫(yī)師進一步分析診斷，并將診斷結果與醫(yī)囑通過 4G 網(wǎng)絡發(fā)送回患者或監(jiān)護人。

3 硬件系統(tǒng)設計

3.1 開發(fā)板模塊

該系統(tǒng)模塊結構分為三種 ：CPU 及內(nèi)存相關模塊 ；時鐘、外設及電源管理相關模塊 ；無線電通信相關模塊。

開發(fā)板 CC2540的內(nèi)核是一個單周期的 8051CPU兼容內(nèi)核，有 SFR，DATA，CODE/XDATA共 3個不同的 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個調試接口和 1個 18輸入的擴展中斷單位。中斷控制器有 18個中斷源，分為 6個中斷組，每組有 4 個中斷優(yōu)先級。當設備從休眠模式回到活動模式時，會請求一個中斷服務，其中一些中斷還可從空閑模式喚醒設備。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，物理存儲器以及所有外部設備連接在一起。開發(fā)板 CC2540 上的時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)核與外部設備供電， 具備電源管理功能，可實現(xiàn)不同的供電模式，以利于延長電池壽命，因此可有 5 種不同的復位源來復位設備 [11]。調試接口執(zhí)行一個專有的兩線串行接口，用于內(nèi)電路調試。

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

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

開發(fā)板CC2540 上的定時器是 16 位定時器，具備定時器、計數(shù)器及脈沖寬度調制功能，其有可編程分頻器、16 位周期值及 5 個各自可編程的計數(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)絡層與應用層需求的高級加密標準 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， 通過導線連接可將采集到的模擬信號傳輸至 Arduino 等單片機以轉換為數(shù)字信號，再通過 Arduino 等單片機簡單計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行包裝。

圖 2 溫度傳感器 DS18B20 實物圖

3.2.3 血壓傳感器

本文系統(tǒng)采用 ANT-US9116-006-N 傳感器測量血壓。該模塊與袖帶連接，通過袖帶獲取人體信息，并將得到的壓力轉換為電壓值，輸出的電壓信號為靜壓力信號與脈搏信號的疊加，利用 0.6 ～ 6.4 Hz 的帶通濾波器將脈搏信號濾出，放大后傳送至單片機，同時也將靜壓力信號傳送至單片機，單片機通過 A/D 轉換，將采集到的壓力信號量轉換為數(shù)字量， 再通過特定算法把數(shù)字量轉換為可讀血壓值。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，并對此信號進行放大濾波后傳送至單片機進行處理 [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 還采用了藍牙方式。藍牙模塊作為智能穿戴設備上的重要通信模塊 [14]，配合移動設備，能夠使系統(tǒng)更加智能。

4.1 系統(tǒng)藍牙模塊 BT-HC-05

藍牙通信部分主要使用嵌入式藍牙串口通信模塊 BT- HC-05 作為點對點通信模塊，具有命令應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。當藍牙通信模塊處于自主連接工作模式時，主動按照事先設定的工作方式進行數(shù)據(jù)傳輸。當模塊處于命令應答工作模式時，接收到 AT 指令后再進行工作。

4.2 通信模塊連接方案

藍牙模塊與終端連接結構圖如圖 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。

進行 APP 終端開發(fā)時，在微信小程序前端頁面加上服務器數(shù)據(jù)，可直接在微信開發(fā)者工具中作為項目打開小程序與服務器進行交互，通過微信原生 API 接口 [15]（網(wǎng)絡 API、媒 體 API、數(shù)據(jù)存儲 API、位置 API、設備信息 API、界面 API及開放API）進行。微信小程序為藍牙提供的藍牙API有多種 ：初始化藍牙適配器 ；關閉藍牙模塊，調用該方法將斷開所有已建立的連接并釋放系統(tǒng)資源 ；獲取本機藍牙適配器狀態(tài) ；開始搜尋附近的藍牙外圍設備 ；停止搜尋附近的藍牙外圍設備 ；獲取所有已發(fā)現(xiàn)的藍牙設備，包括已和本機處于連接狀態(tài)的設備 ；獲取藍牙設備所有 Service（服務）；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)絡服務器

客戶端的 APP 要實現(xiàn)各種功能，需與網(wǎng)絡服務器連接，連接網(wǎng)絡服務器則需調用網(wǎng)絡 API，普通的 HTTPS 請求，以及通信、上傳文件、下載文件、發(fā)送網(wǎng)絡請求。將本地資源上傳到開發(fā)者服務器，客戶端直接發(fā)起 HTTPGET 請求，返回文件的本地臨時路徑。本地文件的臨時路徑在小程序本次啟動期間可正常使用，若有長久保存的需求，則需主動調用 wx.saveFile，在使用者下次啟動小程序時才能訪問?？蛻舳苏故救鐖D 5 所示。服務器端情況如圖 6 所示。

4.5 騰訊云服務器的鏈接

騰訊云服務器為微信小程序開發(fā)提供了一個通用架構， 含有藍牙設備的電子產(chǎn)品可看作一個服務器，其中的相關配置已配置好，而進行網(wǎng)絡連接的云服務器則需自己配置，做好相關配置后，小程序客戶端通過調用 API 接口訪問服務器URL 即可進行相關操作。

5 結 語

本文研發(fā)了人體健康智能監(jiān)控系統(tǒng)，使用 4G 與藍牙技術， 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)療中心服務器與 APP 應用五部分構成。專用的傳感器模塊可實現(xiàn)對人體各項生理參數(shù)指標的檢測與數(shù)據(jù)收集，然后由遠程醫(yī)療服務控制中心對采集到的數(shù)據(jù)進行醫(yī)療判斷，及時將急癥、醫(yī)囑及應急方案等信息傳輸?shù)交颊呤种小?