王 平，秦 威

(1.同濟(jì)大學(xué) 嵌入式系統(tǒng)與服務(wù)計(jì)算教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 20092；2.西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039)

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基于藍(lán)牙無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的病人 身體狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 平1,2，秦 威2

(1.同濟(jì)大學(xué) 嵌入式系統(tǒng)與服務(wù)計(jì)算教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 20092；2.西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039)

基于藍(lán)牙無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了病人身體狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，目的是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人的各項(xiàng)生理狀態(tài)參數(shù)，了解病人院外活動(dòng)過(guò)程中的身體狀態(tài)，保障病人的安全。通過(guò)基于藍(lán)牙傳感器的病人身體狀態(tài)采集系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、病人監(jiān)護(hù)中心3個(gè)部分實(shí)現(xiàn)了病人身體狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。病人身體狀態(tài)采集系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳感器對(duì)病人的主要生理參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并借助便攜式監(jiān)護(hù)通信終端，將病人的各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸給醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心；監(jiān)護(hù)中心接收來(lái)自各病人的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)時(shí)判斷病人的身體健康狀態(tài)，有異常時(shí)及時(shí)預(yù)警，另一方面，可在需要時(shí)以圖形化的方式顯示病人各項(xiàng)生理參數(shù)的變化，以提供給醫(yī)生進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程病人身體狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，經(jīng)過(guò)對(duì)樣機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)病人生理參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和存儲(chǔ)，并可在心率異常時(shí)實(shí)時(shí)預(yù)警，有比較重要的實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)還可以加入運(yùn)動(dòng)傳感器、定位系統(tǒng)和信息融合算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)病人的定位和跌倒監(jiān)測(cè)，以幫助病人在出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)能夠迅速得到救治。

藍(lán)牙；無(wú)線傳感器；身體狀態(tài)；監(jiān)控

0 引 言

為了了解病人院外活動(dòng)過(guò)程中的身體狀態(tài)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人的各項(xiàng)生理狀態(tài)參數(shù)，隨著信息和通信技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)院之外，為病人和高風(fēng)險(xiǎn)人群提供身體狀況監(jiān)護(hù)手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)他們身體的異常變化，為危險(xiǎn)人群提供健康監(jiān)護(hù)已經(jīng)成為迫切要求，目前，便攜式或可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。

便攜式可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究工作起源于80年代末美國(guó)國(guó)防部資助的“戰(zhàn)時(shí)生命體征監(jiān)測(cè)、傷情檢測(cè)系統(tǒng)”的研究，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)限制沒(méi)有太大進(jìn)展，隨著嵌入式和微型化技術(shù)的發(fā)展，在2002年，佐治亞理工學(xué)院研制出了智能襯衣[1]，可以將心率、呼吸率等生理傳感器嵌入士兵穿著的襯衣中，實(shí)現(xiàn)基本生命體征的測(cè)量。這一標(biāo)志性成果推動(dòng)了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的全面開(kāi)展。目前正在開(kāi)發(fā)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有2類，一是遠(yuǎn)程病人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如心血管病人遙測(cè)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、家庭健康監(jiān)視系統(tǒng)等[2]，這些系統(tǒng)能夠通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將采集到的病人生理參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給醫(yī)院，由醫(yī)生進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷或病情監(jiān)視。另一類是可隨身攜帶的便攜式或可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(WHMS)[3-4]，不斷進(jìn)步的無(wú)線通信技術(shù)[5]、微型傳感器技術(shù)[6]、便攜設(shè)備技術(shù)[7]、微電子技術(shù)，以及先進(jìn)的算法正使得實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)成為可能[8]。目前多家研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出或?qū)崿F(xiàn)了多種便攜式或可穿戴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原型機(jī)，如紡織物傳感器和微型智能傳感器[9]、多點(diǎn)傳感器[10]、基于藍(lán)牙傳感器的軀體局域網(wǎng)、個(gè)人健康監(jiān)視系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)都提供了傳輸生理參數(shù)和超過(guò)預(yù)定義值報(bào)警等基本功能。在國(guó)內(nèi)，復(fù)旦大學(xué)方祖祥等研發(fā)了院外心臟病人遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、重慶大學(xué)郭興明等研發(fā)了基于智能手機(jī)的心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。盡管目前已有一些研究成果，但前面所述絕大多數(shù)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前仍處于原型設(shè)計(jì)或功能測(cè)試階段，遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用的要求。而且基本上都是使用有線傳感器采集數(shù)據(jù)，病人身上需要纏上各種導(dǎo)線，給病人活動(dòng)帶來(lái)很大麻煩，基于此，文中提出了一種基于藍(lán)牙無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的病人身體狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

藍(lán)牙作為一種短距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它可以讓許多智能設(shè)備無(wú)線互連，可以傳輸文件和數(shù)據(jù)，支持語(yǔ)音通信，由于藍(lán)牙傳感器具有移動(dòng)性好、靈活性高的特點(diǎn)，因此已經(jīng)應(yīng)用于一些傳感器集成系統(tǒng)。微型化、低功耗和低成本的藍(lán)牙在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用中開(kāi)拓了空間，同時(shí)也給藍(lán)牙技術(shù)在醫(yī)學(xué)儀器中的應(yīng)用提供了機(jī)遇。利用藍(lán)牙無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，被監(jiān)護(hù)病人身上只需安裝輕便的無(wú)線傳感器，無(wú)需導(dǎo)線連接，就可以實(shí)現(xiàn)自由靈活地運(yùn)動(dòng)中數(shù)據(jù)采集?；谒{(lán)牙無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的病人身體狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)一方面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄病人的生理參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，另一方面可早期發(fā)現(xiàn)病人的病癥跡象，以使病人得以被及時(shí)救治。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括基于藍(lán)牙的病人身體狀態(tài)采集系統(tǒng)，無(wú)線通信系統(tǒng)，病人監(jiān)護(hù)中心等3個(gè)主要部分，如圖1所示，系統(tǒng)的主要功能包括：在不影響病人病人正常訓(xùn)練、生活的基礎(chǔ)上，利用多種生理和運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器，對(duì)病人的主要生理參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析病人生理參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化對(duì)病人成績(jī)的影響，并借助無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將病人的各項(xiàng)數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)護(hù)中心；監(jiān)護(hù)中心接收來(lái)自各個(gè)病人的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，在需要時(shí)可以以圖形化的方式顯示病人各項(xiàng)參數(shù)的變化并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以提供給醫(yī)生或病人分析在院外的生理參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以發(fā)現(xiàn)病人的異常狀態(tài)，提高病人生活質(zhì)量。

圖1 病人身體狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 病人身體狀態(tài)采集系統(tǒng)

病人身體狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線傳感器及身體狀態(tài)采集與通信終端組成，為了保證病人的訓(xùn)練不受身上佩戴的設(shè)備的影響，要求無(wú)線傳感器和通信終端要盡量輕便和微型化，在病人身上佩戴的無(wú)線傳感器主要包括心音傳感器、血壓傳感器、脈搏傳感器和加速度傳感器，心音、脈搏和血壓傳感器用于監(jiān)測(cè)生理狀態(tài)參數(shù)，加速度傳感器用于監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。每個(gè)傳感器都是一個(gè)集成了藍(lán)牙通信設(shè)備的智能無(wú)線傳感器，每個(gè)無(wú)線傳感器將其采集的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙通信傳輸給病人所佩戴的身體狀態(tài)采集與通信終端，再由該終端將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞給各通信節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)護(hù)中心。

針對(duì)不同的傳感器，各藍(lán)牙智能無(wú)線傳感器的硬件設(shè)計(jì)有所不同，但是，它們的基本結(jié)構(gòu)是一樣的。藍(lán)牙智能無(wú)線傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過(guò)傳感器檢測(cè)生理和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；并將采集的數(shù)據(jù)送到信號(hào)調(diào)理模塊，進(jìn)行信號(hào)的放大、濾波處理；再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；最后送到藍(lán)牙通信模塊。

圖2 藍(lán)牙無(wú)線傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖
Fig.2 Hardware of bluetooth wireless sensor

本系統(tǒng)使用的心音傳感器選擇了HKY-06心音傳感器，該傳感器產(chǎn)品采用新型高分子聚合材料微音傳感元件作為識(shí)音頭，集成化信號(hào)處理、環(huán)氧樹(shù)脂封裝、外形小巧；能夠輸出高保真、低阻抗、功率信號(hào)，抗干擾性能較強(qiáng)；電源、輸出均采用接插件連接同時(shí)提供開(kāi)發(fā)接口，可以被方便地集成，為了能正確采集病人的生理參數(shù)，需要使用特殊方法保證傳感器位置的固定。

血壓信號(hào)首先經(jīng)過(guò)壓力傳感器拾取，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠛驼{(diào)理，然后才能進(jìn)行送如A/D轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選擇Motorola公司的壓力傳感器MPX5050GP，其內(nèi)部含有信號(hào)運(yùn)放和信號(hào)調(diào)節(jié)功能，可以直接將動(dòng)脈血液對(duì)血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為0～4.7 V的電信號(hào)，其對(duì)應(yīng)的血壓值為0～375 mmHg.

本系統(tǒng)采用一款加速度傳感器ADXL105.該傳感器具有靈敏度高，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)。在實(shí)際使用中的主要問(wèn)題是：加速度傳感器的靈敏度較高，易引入干擾信號(hào)，將步數(shù)和步強(qiáng)計(jì)錯(cuò)。解決這一問(wèn)題的主要措施有2方面，一是要求傳感器在測(cè)量時(shí)的位置固定；二是可以由監(jiān)護(hù)中心在軟件中對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

由于藍(lán)牙無(wú)線傳輸?shù)木嚯x很短，僅有10 m左右，難以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中直接傳送給監(jiān)護(hù)中心，甚至難以傳送給無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸由病人佩戴的身體狀態(tài)采集與通信終端來(lái)完成，該終端主要由藍(lán)牙通信接收模塊、微控制器以及無(wú)線通信模塊構(gòu)成，藍(lán)牙通信模塊接收來(lái)自于各個(gè)藍(lán)牙無(wú)線傳感器的數(shù)據(jù)，微控制器將這些數(shù)據(jù)以一定的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行組幀，然后傳送給無(wú)線通信模塊發(fā)送給各個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。文中使用的藍(lán)牙模塊是BF10標(biāo)準(zhǔn)型，支持從模式，支持64通道藍(lán)牙替代串口線，此模塊采用世界領(lǐng)先的藍(lán)牙芯片供應(yīng)商CSR的BlueC0re4-EXt芯片，完全兼容藍(lán)牙2.0規(guī)范，硬件支持?jǐn)?shù)據(jù)和語(yǔ)音傳輸，最高可支持3 M調(diào)制模式。

圖3 身體狀態(tài)采集與通信終端結(jié)構(gòu)圖

3 病人監(jiān)護(hù)中心設(shè)計(jì)

監(jiān)護(hù)中心是病人身體狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它能實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自各病人的生理和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、查詢與融合分析。整個(gè)系統(tǒng)的功能框圖如圖4所示，它由無(wú)線通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)查詢與分析終端等部分組成。

圖4 病人監(jiān)護(hù)中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)時(shí)監(jiān)控終端是監(jiān)護(hù)中心重要的組成部分，無(wú)線通信系統(tǒng)接收到來(lái)自于病人的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理單元將數(shù)據(jù)幀拆分后，得到對(duì)應(yīng)于各傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由實(shí)時(shí)監(jiān)控終端顯示系統(tǒng)顯示出來(lái)，并可對(duì)各病人佩戴的終端工作狀態(tài)、參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與查詢。由于實(shí)時(shí)監(jiān)控終端需要同時(shí)監(jiān)控顯示來(lái)自多個(gè)病人的參數(shù)，當(dāng)監(jiān)控對(duì)象較多時(shí)，可以使用多個(gè)終端同時(shí)顯示病人的狀態(tài)參數(shù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控終端顯示軟件采用了labview2010進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

為了防止病人在院外活動(dòng)中突發(fā)疾病，在監(jiān)控終端中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)分析預(yù)警功能。在接收、顯示病人生理狀態(tài)參數(shù)的同時(shí)，可自動(dòng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在有疾病突發(fā)征兆時(shí)，及時(shí)通知醫(yī)生并對(duì)病人報(bào)警提醒注意，文中實(shí)現(xiàn)了病人的心率異常預(yù)警等基本功能。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的中心，為了確保病人數(shù)據(jù)的完整性，也為了方便數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，監(jiān)護(hù)中心會(huì)將接收到的所有病人的生理和運(yùn)動(dòng)參數(shù)存儲(chǔ)起來(lái)。并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和分析。

4 結(jié) 論

基于藍(lán)牙無(wú)線傳感器的病人身體狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)微型便攜，能隨身佩戴在病人身上，對(duì)于病人院外的活動(dòng)干擾也很小，本系統(tǒng)一方面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄病人的生理參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，另一方面可早期發(fā)現(xiàn)病人的病癥跡象，提高病人的生活質(zhì)量。測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)健康監(jiān)護(hù)的的主要功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)病人生理參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和存儲(chǔ)，并可在心率異常時(shí)實(shí)時(shí)預(yù)警，有較重要的應(yīng)用價(jià)值。

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Real-time monitoring system for patients based on bluetooth wireless sensor network

WANG Ping1,2，QIN Wei2

(1.KeyLaboratoryofEmbeddedSystemandServiceComputing,MinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.SchoolofElectricalandInformationEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039,China)

For monitoring the physical condition of outpatient,and keeping patients safe,the physiological parameters of the outpatients need to be known continuously.In this paper,we introduced a monitoring system based on Bluetooth wireless sensor,and it can be used to monitor the physical condition of outpatient.The monitoring system is made up of three main subsystems:physiological parameters acquisition system based on Bluetooth sensors,Bluetooth data receiver and transmission terminal,and the monitoring center for outpatients.The physiological parameters acquisition subsystem gets the main physiological parameters and human body movement parameter continuously with Bluetooth sensor.The physiological parameters from acquisition subsystem are received by the Bluetooth unit,and it will be sent to hospital monitoring center via transmission system.The hospital monitoring center receives the data from each terminal and save them to database.The prototype system can complete main expected functions,it is very useful for outpatient monitoring.

bluetooth;wireless sensor;physiological parameters;monitoring

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0122

1672-9315(2015)01-0128-04

2014-06-10 責(zé)任編輯：李克永

同濟(jì)大學(xué)嵌入式系統(tǒng)與服務(wù)計(jì)算教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題

基金項(xiàng)目(201102)；四川省高等學(xué)校科技創(chuàng)新重大培育項(xiàng)目(09zz029)

王 平(1970-)，男，四川綿陽(yáng)人，博士，教授，E-mail:ping_wang@126.com

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