人體健康智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

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(jiǎn)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)?。該系統(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(jiǎn)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 8051CPU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 MemoryAccess，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(jiǎn)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。

圖 2 溫度傳感器 DS18B20 實(shí)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(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D 5 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?