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，現(xiàn)代醫(yī)療的重心已逐步由原來的治療為主轉(zhuǎn)為預(yù)防、病后監(jiān)護(hù)恢復(fù)為主，這就需要對患者在遠(yuǎn)離醫(yī)院的家居或者戶外環(huán)境中進(jìn)行實時監(jiān)護(hù)，以便在出現(xiàn)異常情況時能夠得到及時救護(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，對患者進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)護(hù)成為可能[1-4]。

遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的關(guān)鍵是對患者多種生理參數(shù)的監(jiān)測，在對監(jiān)測數(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)計了一種人體多生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)，通過可穿戴智能感知節(jié)點，對患者體溫、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)測數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測患者的生理參數(shù)，在患者生理狀況異常時獲得報警信號，查詢監(jiān)測數(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個感知節(jié)點和智能手機(jī)組成。各感知節(jié)點設(shè)置成從節(jié)點，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)，獲取存儲在服務(wù)器上的監(jiān)測數(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)測數(shù)據(jù)。

2 智能感知模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于可穿戴智能感知節(jié)點的設(shè)計，在硬件設(shè)計方面需要合理選用各種器件、精心設(shè)計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，針對不同傳感器測量的要求，確定不同的佩戴方式。目前，實時移動檢測血壓、血糖等生理參數(shù)的傳感器尚不成熟，本文僅以脈搏、體溫、心電檢測為例進(jìn)行設(shè)計。

(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時造成透光率的不同來進(jìn)行脈搏測量，它只有電源、地和信號三根引線，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，滿足人體體溫測量的需要。它也有電源、地和信號三根引線，體積超小，可以將溫度傳感器與體溫感知節(jié)點進(jìn)行一體化設(shè)計，采用圖 2（b）所示方法， 將體溫感知節(jié)點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金屬干性電極直接進(jìn)行心電信號采集，僅有電源、地和兩個電極四根引線，具有藍(lán)牙傳輸功能，采用圖 2（c）所示佩戴方式，將兩個電極和主板安裝于胸帶的合適位置，使用時收緊胸帶，使兩個電極能夠很好地接觸皮膚。

2.2 感知節(jié)點硬件設(shè)計

感知節(jié)點組成框圖如圖 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)點為例，其硬件電路如圖 4 所示。脈搏傳感器 CJMCU-pulse sensor 的信號線直接連接到單片機(jī)的IO 口（P1.0）。

單片機(jī)型號為STC12C5A60S2，是感知節(jié)點的主控芯片， 選用LQFP44 封裝以減小體積。STC12C5A60S2 是單時鐘/ 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，包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）、定時/ 計數(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)點的設(shè)計要求。

藍(lán)牙模塊采用智能無線數(shù)據(jù)傳輸BLK-MD-HC-05 模塊， 該模塊采用英國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。

2.3 感知節(jié)點軟件設(shè)計

感知節(jié)點軟件設(shè)計流程圖如圖 5 所示。上電工作后，先進(jìn)行初始化，將感知節(jié)點設(shè)置為從節(jié)點，設(shè)置感知節(jié)點名稱、密碼、波特率等，然后實時采集所監(jiān)測的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，按一定算法處理后進(jìn)行存儲，當(dāng)接到患者智能手機(jī)的連接請求后，將所存儲數(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，等待下一次手機(jī)的連接請求。

3 患者智能終端軟件設(shè)計

患者智能終端負(fù)責(zé)接收各感知節(jié)點采集的數(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)用程序啟動后，首先連接第一個從節(jié)點，接收其采集數(shù)據(jù)并存儲；然后， 關(guān)閉該節(jié)點，連接下一個從節(jié)點，接收下一個從節(jié)點采集的數(shù)據(jù)并存儲，直至所有感知節(jié)點都被輪詢一次后，將本輪獲取的各感知節(jié)點數(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)點連接不上，則提示用戶開啟各從節(jié)點，重新連接或退出程序。

4 應(yīng)用軟件設(shè)計

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

用戶進(jìn)入實時監(jiān)測模塊時，各感知節(jié)點采集的體溫、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)器實時轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)護(hù)人員手機(jī)進(jìn)行顯示，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測，同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以存儲于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)用戶進(jìn)入歷史記錄模塊時，可以輸入查詢的起止時間，對采集的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢， 也可以對指定時間段的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。

監(jiān)護(hù)人員智能終端實時監(jiān)測界面如圖 8 所示。

結(jié) 語

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)無線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，系統(tǒng)以穿戴式生理參數(shù)智能感知節(jié)點和手持智能終端為核心，可以很方便地對人體多生理參數(shù)進(jìn)行實時遠(yuǎn)程監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以上傳至服務(wù)器，通過設(shè)計相應(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。