艾紅 張素凱

摘 要： 文中闡述遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體方案，描述遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖和節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)功能。說明血壓測量站點(diǎn)設(shè)計、血壓測量模塊命令和血壓測量流程圖，并進(jìn)行血氧測量站點(diǎn)和心電測量站點(diǎn)設(shè)計。以S5PV210為核心的Tiny210嵌入式平臺，采用Linux操作系統(tǒng)，基于Qt Creator 軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)界面設(shè)計。將測量的生理數(shù)據(jù)顯示在界面上。ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠接收并傳遞測量的生理數(shù)據(jù)，監(jiān)護(hù)平臺的圖形界面能夠正常顯示接收的生理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對心電數(shù)據(jù)的實(shí)時曲線的繪制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和遠(yuǎn)程通信的功能。

關(guān)鍵詞： 血壓測量； 心電圖； ZigBee網(wǎng)絡(luò)； 遠(yuǎn)程通信； 嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號： TN926?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0150?05

Study on physiological parameter monitoring and remote monitoring system

AI Hong， ZHANG Sukai

（Automation Institute， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： The overall scheme of the remote monitoring system （RMS） is expounded in this paper. The node structure diagram and node networking function of RMS are described. The design of blood pressure measurement station， command of blood pressure measurement module and flowchart of blood pressure measurement are illustrated. And the blood oxygen saturation measurement station and electrocardiograph （ECG） measurement station are designed. The S5PV210 is taken as the core of Tiny210 embedded platform， in which Linux operating system is adopted. The RMS interface is designed by means of Qt Creator. The measured physiological data is displayed in the interface， and can be received and transfered by ZigBee network. The graphical interface on the monitoring platform can display the received physiological data normally， realize the real?time curve drawing of ECG data， and achieve the functions of data storage and remote communication.

Keywords： blood pressure measurement； electrocardiograph； ZigBee network； remote communication； embedded system

0 引 言

生理參數(shù)監(jiān)測在遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中作為遠(yuǎn)程醫(yī)療的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)患者生理數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時傳輸。近年來，生物醫(yī)學(xué)傳感器和監(jiān)護(hù)終端趨向小型化和便攜化，與無線遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，使患者可以在一定范圍內(nèi)自由移動，而不必受監(jiān)護(hù)裝置的限制。國內(nèi)外關(guān)于遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的研究主要集中在幾個方面，圍繞傳感器設(shè)計和遠(yuǎn)程通信等技術(shù)問題，圍繞特定疾病的遠(yuǎn)程醫(yī)療方案及其臨床評價；包括便攜式、低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計，傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件平臺體系結(jié)構(gòu)研究和基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程通信方法等問題?？梢酝ㄟ^對特定慢性病實(shí)施常規(guī)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)有效降低患者的再入院率。利用網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)信息的測量和遠(yuǎn)程傳輸，供醫(yī)院的專家進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，也可以用于動態(tài)跟蹤病態(tài)發(fā)展。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要用于采集人體生理指標(biāo)，并通過一定方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)平臺。本地終端程序完成對數(shù)據(jù)的采集并無線傳送，主控監(jiān)護(hù)平臺接收數(shù)據(jù)并實(shí)時顯示。應(yīng)用程序通過發(fā)送AT指令使數(shù)據(jù)發(fā)往遠(yuǎn)程終端。

本文的特點(diǎn)是應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)，基于ZigBee傳送血壓和血氧參數(shù)，并基于WiFi傳送心電信號，在嵌入式系統(tǒng)平臺上可以顯示出各個參數(shù)和相應(yīng)曲線。采集的血壓模塊，心電模塊，血氧飽和度等參數(shù)通過串口與ARM處理器連接。再通過GPRS模塊發(fā)送到手機(jī)上?？蓪h(yuǎn)端患者的主要生理參數(shù)，如心電、血壓、血氧飽和度等進(jìn)行監(jiān)測。適合自理能力較差的老年人，可以脫離監(jiān)護(hù)人員的視線自由活動。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體方案設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、主控監(jiān)護(hù)平臺和遠(yuǎn)程通信三部分組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的功能是完成各個生理數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控監(jiān)護(hù)平臺，在主控監(jiān)護(hù)平臺的界面中顯示出來，并存儲到數(shù)據(jù)庫中，主控監(jiān)護(hù)平臺通過對GPRS模塊進(jìn)行AT指令控制，將測量的生理數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程終端。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)選用ZigBee技術(shù)作為主要的短距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，ZigBee傳輸數(shù)據(jù)可靠性高、容易實(shí)現(xiàn)、功耗低、成本低，對于實(shí)時傳輸大量數(shù)據(jù)，則可能會出現(xiàn)傳輸速率低，存在遲滯延時的問題。系統(tǒng)設(shè)計中的心電數(shù)據(jù)以實(shí)時數(shù)據(jù)包形式發(fā)送，要求顯示實(shí)時數(shù)據(jù)曲線，因此加入WiFi技術(shù)，WiFi傳輸數(shù)據(jù)速度快，可靠性高，靈活性以及無線覆蓋范圍廣，但功耗較大使用成本較高。為節(jié)約成本，只使用WiFi技術(shù)傳輸心電數(shù)據(jù)。因此本設(shè)計采用兩種短距離無線傳輸技術(shù)，根據(jù)采集到的不同信號特點(diǎn)選擇傳輸方式，能夠使傳輸數(shù)據(jù)更加安全、可靠，也能夠降低成本。系統(tǒng)的主控監(jiān)護(hù)平臺以S5PV210為核心，采用Linux操作系統(tǒng)。與PC機(jī)比較，嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)可以概括為體積小、成本低、可靠性高、穩(wěn)定性好及功耗低等，嵌入式Linux源代碼開放、系統(tǒng)內(nèi)核可裁剪、內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整，所以選擇它作為操作系統(tǒng)。監(jiān)護(hù)平臺的界面程序是基于Qt/Embedded設(shè)計開發(fā)的，Qt/Embedded開源免費(fèi)，采用Qt/Embedded開發(fā)工具，能夠使在PC機(jī)上開發(fā)的應(yīng)用程序在稍加修改的情況下就能夠運(yùn)行在基于Qt/Embedded的嵌入式平臺上，應(yīng)用程序具有高度的可移植性。系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信部分采用GPRS遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，GPRS技術(shù)具有傳輸速率高、覆蓋范圍廣、操作簡單等特點(diǎn)，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，只需要對GPRS模塊進(jìn)行相應(yīng)的指令控制就能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

2 血壓測量站點(diǎn)設(shè)計

2.1 血壓測量模塊常用指令

血壓測量站點(diǎn)由血壓測量板和血壓傳感器兩部分組成，血壓測量模塊為SUPER NIBP 200A，支持成人、小兒、新生兒三種病人模式，測量范圍寬。SUPER NIBP 200A通過串口與微處理器通信，接收外部命令，完成相應(yīng)操作，返回系統(tǒng)狀態(tài)和相應(yīng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位，波特率設(shè)為4 800 b/s。

SUPER NIBP 200A的當(dāng)前狀態(tài)可由微處理器通過相應(yīng)的指令進(jìn)行控制。

微處理器向傳感器發(fā)送的命令格式為：

ab；；cd

其中：為ASCII碼的正文起始標(biāo)志，其值為02；ab為命令代碼對應(yīng)的ASCII碼值；符號；為“；”對應(yīng)的ASCII碼值；cd為2位十六進(jìn)制校驗(yàn)和對應(yīng)的 ASCII 碼值，校驗(yàn)和是此前各位數(shù)值之和的低8位，不包括； 為ASCII碼的正文結(jié)束標(biāo)志，其值為03。在程序中定義一個結(jié)構(gòu)體，用于存放微處理器發(fā)送的指令格式。

SUPER NIBP 200A模塊測量方式有自動測量、手動測量和連續(xù)測量等，自動測量方式又可以按照周期不同進(jìn)行細(xì)致劃分，可設(shè)置47條指令用于控制SUPER NIBP 200A的模塊功能。部分指令如表1所示。

2.2 血壓測量流程圖

血壓測量站點(diǎn)的應(yīng)用層主要完成血壓數(shù)據(jù)的采集，通過對血壓測量模塊通信協(xié)議和指令的分析，實(shí)現(xiàn)血壓數(shù)據(jù)的采集。血壓測量流程圖如圖2所示。

血壓測量站點(diǎn)實(shí)物圖如圖3所示。

2.3 血氧測量站點(diǎn)設(shè)計

血氧測量站點(diǎn)由血氧測量板和血氧傳感器兩部分組成，實(shí)物圖如圖4所示。

血氧飽和度SPO2，即血液中血氧的濃度，是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白容量的百分比，是反映血液循環(huán)系統(tǒng)和呼吸循環(huán)的重要參數(shù)之一。SPO2監(jiān)測是一種無創(chuàng)性技術(shù)通過測量所選光波波長的吸收來測定氧合血紅蛋白及脈率。測量的具體方法是將指尖部位插入在指套式傳感器，使其位于兩個發(fā)光管和一個光探測器之間，測量時兩個發(fā)光管交替發(fā)光，光探測器接收透射光信號，獲取脈搏波然后通過數(shù)字處理，根據(jù)血氧飽和度的測量模型計算血氧飽和度。

血氧板能夠提供快速準(zhǔn)確的血氧飽和度和脈率的測量。血氧板通過串口與微處理器通信，數(shù)據(jù)格式為起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位，波特率設(shè)為4 800 b/s。血氧板將測量的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給微處理器，數(shù)據(jù)包為5 B格式，每秒鐘發(fā)送60個包。程序設(shè)計中定義一個結(jié)構(gòu)體，用來存放血氧板發(fā)送的數(shù)據(jù)包，血氧板可以測量的生理數(shù)據(jù)有脈率和動脈血氧飽和度等。

2.4 心電測量站點(diǎn)設(shè)計

心電測量板集成了ZigBee模塊CC2530、WiFi模塊和心電測量模塊Mini8001等，ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)加入ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)。由于心電測量的數(shù)據(jù)要求實(shí)時顯示，數(shù)據(jù)包大，ZigBee已經(jīng)滿足不了需求，采用WiFi模塊進(jìn)行心電數(shù)據(jù)的傳輸。心電測量模塊主要是用來測量心電數(shù)據(jù)。模擬心電信號發(fā)生器產(chǎn)生模擬人體心電動態(tài)信號，順序產(chǎn)生P波、RS波、T波等正常人的連續(xù)心電信號。

2.4.1 心電測量原理

心電監(jiān)護(hù)是檢測和預(yù)防心律失常的重要手段。心律失常是一種極其常見而又非常重要的心電活動異常狀態(tài)，常見的綜合癥狀有血液循環(huán)失常、心動過緩、心動過速等，嚴(yán)重的甚至?xí)?。心電圖指的是心臟在每個心動周期中，由起搏點(diǎn)、心房、心室相繼興奮，伴隨著心電圖生物電的變化，通過心電描記器從體表引出多種形式的電位變化圖形（ECG），心臟有節(jié)奏的收縮和舒張，使心肌產(chǎn)生的電激動沿著特殊的傳導(dǎo)系統(tǒng)下傳，產(chǎn)生一系列的電生理變化，通過在體表放置兩個電極，獲取這些電信號，兩點(diǎn)電極之間的電位差，形成一條連續(xù)的曲線，這條連續(xù)的曲線就是ECG。一個完整的 ECG 波反映了心臟跳動不同階段的狀態(tài)，一般有由P波、QRS 綜合波、T波和U波組成。

2.4.2 心電測量模塊

系統(tǒng)采用Mini8001心電測量模塊通過異步串行通信與微處理器進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)格式為起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位，波特率設(shè)為57 600 b/s。發(fā)送數(shù)據(jù)包格式如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)包格式

基本格式說明：

（1） 01H是包開始標(biāo)志，之后的是數(shù)據(jù)字節(jié)，都大于0x80。

（2） 高位字節(jié)包含了后面字節(jié)的最高位bit7，Bit0是ECG的bit7，Bit1是心率低字節(jié)的bit7，Bit2是心率高字節(jié)的bit7，Bit3是心率STATUS的bit7，Bit4～Bit6沒有使用，Bit7固定是1。

（3） ECG心率低字節(jié)、心率高字節(jié)，它們的Bit7固定為1，數(shù)據(jù)的bit7在高位字節(jié)中：

心率 = 心率高字節(jié)[×]256 +心率低字節(jié)

在程序中定義一個結(jié)構(gòu)體用來存儲心電測量模塊測量的數(shù)據(jù)。

typedef struct ECGReceivePacket{

unsigned char ucHead；

unsigned char ucHighByte；

unsigned char ucECG；

unsigned char ucHeartRateLowByte；

unsigned char ucHeartRateHighByte；

unsigned char ucStatus；

}ECGReceivePacket；

心電測量站點(diǎn)程序設(shè)計主要是對ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用層設(shè)計，在應(yīng)用層需要完成心電數(shù)據(jù)的采集和傳輸。心電數(shù)據(jù)是實(shí)時顯示，采用WiFi傳輸。心電測量模塊Mini8001將模擬心電信號發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送給WiFi模塊。心電數(shù)據(jù)顯示流程圖如圖5所示。

2.5 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)界面設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)監(jiān)護(hù)平臺界面程序是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺，使用Qt Creator軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)顯示和存儲數(shù)據(jù)功能。界面設(shè)計分為歡迎界面、顯示界面、遠(yuǎn)程通信界面和數(shù)據(jù)庫存儲界面。首先進(jìn)入歡迎界面，延時3 s后進(jìn)入到顯示界面，此時給各個測量站點(diǎn)上電，可以將測量的生理數(shù)據(jù)顯示在界面上。進(jìn)入遠(yuǎn)程通信界面，執(zhí)行相應(yīng)操作可將生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫存儲界面可查看測量歷史數(shù)據(jù)。顯示界面顯示測量的生理數(shù)據(jù)，并且提供到各個界面的跳轉(zhuǎn)功能。

2.5.1 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)界面設(shè)計工作流程圖

血氧和脈率的數(shù)據(jù)通過血氧測量站點(diǎn)測得，血壓數(shù)據(jù)通過血壓測量站點(diǎn)測得，這兩者都是通過協(xié)調(diào)器串口傳送到主控監(jiān)護(hù)平臺。測量的心電數(shù)據(jù)通過WiFi直接傳送給主控監(jiān)護(hù)平臺，并以實(shí)時曲線的方式顯示。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)界面設(shè)計工作流程圖如圖6所示。

2.5.2 遠(yuǎn)程通信功能

遠(yuǎn)程通信界面模擬手機(jī)的基本功能，實(shí)現(xiàn)了對測量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送。設(shè)置0～9十個數(shù)字鍵，按下相應(yīng)的按鈕，就會在對應(yīng)的文本框中顯示相應(yīng)的數(shù)字。利用信號和槽機(jī)制，按下按鈕激活click（）信號，執(zhí)行相應(yīng)的槽函數(shù)。對GPRS模塊進(jìn)行AT指令的控制。當(dāng)按下sendMsg按鈕時，click（）信號被觸發(fā)，則調(diào)用相應(yīng)的槽函數(shù)gprs_send_message（）。

當(dāng)測量數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)護(hù)平臺后，在顯示界面的相應(yīng)位置顯示出來，同時將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便醫(yī)生和病患日后查看。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫是針對某個病人設(shè)計的，數(shù)據(jù)存儲量較小。使用數(shù)據(jù)庫軟件設(shè)計生成數(shù)據(jù)庫文件look_history.db，并將該文件拷貝到應(yīng)用程序工程中。在界面程序中，需要添加SQLITE數(shù)據(jù)庫驅(qū)動，并且將數(shù)據(jù)庫名稱設(shè)置成需要的數(shù)據(jù)庫文件名。將遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的程序在虛擬機(jī)的Fedroa14環(huán)境下編譯，將生成的可執(zhí)行文件yuancheng和數(shù)據(jù)庫文件look_history.db通過SD卡拷貝到開發(fā)板目錄/bin，改變這兩個文件的可執(zhí)行權(quán)限，編寫腳本文件setqt4env，配置Qt4.7的環(huán)境變量。將此應(yīng)用程序設(shè)置成開機(jī)自啟動，將文件/etc/init.d/rcS中的/bin/qtopia &替換成需要執(zhí)行的程序。這樣，每次開機(jī)，程序就會自動執(zhí)行并進(jìn)入到遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的歡迎界面。搭建好遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)上電，各測量站點(diǎn)和協(xié)調(diào)器上電，等待幾秒，待ZigBee組網(wǎng)成功后，依次按下各測量站點(diǎn)的測量按鍵進(jìn)行測量，每個站點(diǎn)測量完成后將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，如果此時點(diǎn)擊“遠(yuǎn)程通信”按鈕，進(jìn)入遠(yuǎn)程通信界面如圖7所示。

遠(yuǎn)程通信界面中短信編輯區(qū)可以顯示測量數(shù)據(jù)，在電話號碼編輯區(qū)輸入手機(jī)號，點(diǎn)擊“sendMsg”按鈕，將測量信息發(fā)送出去，或者點(diǎn)擊“call”按鈕，建立通話連接。如果點(diǎn)擊“歷史記錄”按鈕，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫界面，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)將測量的數(shù)據(jù)存入了數(shù)據(jù)庫中如圖8所示。

3 結(jié) 語

遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計研究具有十分重要的意義。對患者的生理參數(shù)可以進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至主控監(jiān)護(hù)平臺，主控監(jiān)護(hù)平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理和分析。通過主控監(jiān)護(hù)平臺的顯示屏隨時了解健康狀況。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)借助于ARM處理器、傳感技術(shù)和現(xiàn)代無線通信技術(shù)，是一種體積小、功耗低、實(shí)時安全的便攜式人體健康參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)。對正常人的生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，可以評估個人的健康狀況，適時調(diào)整生活習(xí)慣，從而達(dá)到預(yù)防疾病的目的。

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