范珊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第十五研究所 后勤信息化事業(yè)部 北京100083）

基于可穿戴技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

范珊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第十五研究所 后勤信息化事業(yè)部 北京100083）

近年來，人口老齡化進(jìn)程加快，同時(shí)伴隨著環(huán)境污染問題，醫(yī)療資源短缺問題，慢性病發(fā)病率不斷增加，發(fā)展遠(yuǎn)程醫(yī)療并構(gòu)建一個(gè)高效實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)顯得尤為必要。本文建立了一個(gè)基于可穿戴技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控病人的心率和血壓等生理參數(shù)，采用GPRS無線通信技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)结t(yī)療中心，便于醫(yī)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)采取醫(yī)療措施。

可穿戴技術(shù)；遠(yuǎn)程醫(yī)療；實(shí)時(shí)監(jiān)控；GPRS無線通信

傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)往往需要病人長(zhǎng)期住在病房或往返于家庭和醫(yī)院之間，這樣給處于康復(fù)期或需要監(jiān)護(hù)的病人的生活帶來很多不便，同時(shí)住院監(jiān)護(hù)也給病人家庭帶來很多經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)?？纱┐鬟h(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)能夠?yàn)椴∪颂峁┑徒?jīng)濟(jì)負(fù)荷、長(zhǎng)期且連續(xù)的生理檢測(cè)，不需要病人往返醫(yī)院，成為疾病預(yù)防和治療的便利設(shè)備，改變了傳統(tǒng)的診療模式[1]。因此，本文設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)心率和血壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控，異常情況下系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提醒醫(yī)務(wù)人員及時(shí)施救。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

文中所介紹的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)由5個(gè)功能模塊構(gòu)成，依次為可穿戴傳感器數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸、GPS定位和醫(yī)療中心遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 基于可穿戴技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的工作流程為：

1）將可穿戴傳感器穿戴到病人身上，實(shí)時(shí)采集病人的心率和血壓信息，并將信號(hào)傳送到開發(fā)板；

2）開發(fā)板接收到原始數(shù)據(jù)之后，對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，去除基線漂移，然后將該數(shù)據(jù)數(shù)字化處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過量化后，轉(zhuǎn)換成直觀的心率和血壓數(shù)字，同時(shí)，對(duì)模擬心率波形進(jìn)行特征點(diǎn)識(shí)別，并且標(biāo)注特征點(diǎn)；

3）數(shù)據(jù)處理完成后，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并且通過GPRS無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心；

4）GPS定位模塊實(shí)時(shí)采集病人的位置信息；

5）監(jiān)控中心接收到數(shù)據(jù)之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，然后設(shè)置報(bào)警閾值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，如果病人的心率或者血壓數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并向GPS模塊發(fā)送位置請(qǐng)求；

6）GPS模塊將位置信息發(fā)送到監(jiān)控中心，系統(tǒng)組織報(bào)警信息和位置信息，并以短消息的形式發(fā)送到指定號(hào)碼，完成報(bào)警。

除了能夠?qū)崿F(xiàn)以上功能，該系統(tǒng)還可以在服務(wù)器上將收集到的信息進(jìn)行顯示，同時(shí)還會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，組建數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。醫(yī)療中心收到報(bào)警信息后，醫(yī)務(wù)人員及時(shí)對(duì)病人進(jìn)行救援。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 生理數(shù)據(jù)采集

PulseSensor是根據(jù)人體肢體末端的透光程度來間接采集心率數(shù)據(jù)的一款傳感器。使用過程中，可以將該傳感器佩戴于肢體末端，將采集到的人體的細(xì)微的生理表現(xiàn)轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)[3]，并傳送到Arduino開發(fā)板。

血壓檢測(cè)采用了 JX0701血壓模塊，其原理是將壓力傳感器置于綁帶和人體間，對(duì)綁帶充氣加壓，直到綁帶和人體之間的壓力和人體體內(nèi)的壓力相等時(shí)停止充氣，此時(shí)測(cè)量綁帶和人體之間的壓力就可以得到人體血壓值[4]。

PulseSensor和JX0701采用UART方式與主控制器Arduino開發(fā)板通信，主控制器通過發(fā)送相應(yīng)命令來控制血壓測(cè)量模塊。

2.2 GPS定位模塊

GPS模塊的主要功能是準(zhǔn)確定位病人當(dāng)前位置。本文選用瑞士u-blox的ATK-NEO-6M-V2.3模塊，該模塊工作電壓范圍較廣，通過串口與外部系統(tǒng)連接，支持多種波特率的選擇，滿足用戶的多種需求。

2.3 數(shù)據(jù)無線傳輸模塊

在本系統(tǒng)中，被監(jiān)測(cè)者的數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)療中心，選擇的通信方式是GPRS模塊。

鑒于系統(tǒng)中對(duì)于無線傳輸數(shù)據(jù)的需求，選用了一款高性能工業(yè)級(jí)的GSM/GPRS模塊。該模塊是由ALIENTEK生產(chǎn)的ATK-SIM900A型號(hào)。該模塊能夠兼容3.3 V/5 V接口，因此能夠與多種單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)接，使得數(shù)據(jù)信息的傳輸功耗非常低。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括生理參數(shù)優(yōu)化和服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分。

3.1 生理參數(shù)信號(hào)優(yōu)化

心率信號(hào)的處理和優(yōu)化包括數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和模擬脈搏波的特征點(diǎn)識(shí)別兩個(gè)部分。

3.1.1 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

由于電子設(shè)備中不可避免的各種噪聲以及基線漂移等，而且每種干擾因素的幅度都有可能與信號(hào)處于同一量級(jí)[5]，因此，心率和血壓信號(hào)很容易受到這些因素的干擾，造成信號(hào)失真，嚴(yán)重影響病人生命體征監(jiān)控的準(zhǔn)確性。人體的心率和血壓信號(hào)中頻率成分較多，有效頻率也十分復(fù)雜，因此，濾波應(yīng)當(dāng)首選具有線性相位的FIR濾波器。利用MATLAB得到的FIR濾波器的系數(shù)類型為浮點(diǎn)型，因此在Arduino開發(fā)板上的運(yùn)行效率很低，為了提高運(yùn)行效率，需要將浮點(diǎn)型的濾波器系數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)類型[6]。利用設(shè)計(jì)得到的FIR濾波器對(duì)采集到的心率信號(hào)進(jìn)行濾波處理，效果如圖2所示。

圖2 心率信號(hào)的FIR數(shù)字濾波效果

一般情況下，峰值信噪比和信號(hào)的均方誤差是衡量圖像去噪是否有效的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，但是，考慮到心率信號(hào)的一維特性，評(píng)價(jià)的原則除了信噪比和均方誤差之外，還應(yīng)當(dāng)考慮在去噪和去基線漂移之后，信號(hào)的幅度和波形是否也受到了濾波的影響[7]。所以，衡量指標(biāo)還應(yīng)當(dāng)包括信號(hào)波形的平滑程度和相似度。平滑度指標(biāo)和信號(hào)相似度定義分別如公式（1）和公式（2）所示：

為了更加公正評(píng)價(jià)濾波算法的性能，本文將信號(hào)相似度和波形平滑程度兩個(gè)指標(biāo)結(jié)合起來，來統(tǒng)一地分析濾波性能[8]：

一般情況下，去基線效果介于0和1之間。為了分析本文所采用濾波方法的濾波性能，將本文方法與主流的小波濾波[9]進(jìn)行了對(duì)比，分析結(jié)果如表1所示。

表1 濾波性能表

3.1.2 心率波特征點(diǎn)識(shí)別

心臟的周期性跳動(dòng)，將血液周期性地壓向肢體末端，然后再由肢體末端流回心臟，因此，肢體末端的血液濃度也會(huì)產(chǎn)生周期性的變化[10]。通過對(duì)一些病例和病理的研究，張大祥教授發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)物出現(xiàn)某些病變時(shí)，心率波的某些特征點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因此，為了在早期檢測(cè)病變的發(fā)生，他對(duì)心率波進(jìn)行了特征點(diǎn)的劃分[11]。文中通過零交叉小波檢測(cè)心率的特征點(diǎn)，并在波形上進(jìn)行標(biāo)定，便于醫(yī)療中心及時(shí)發(fā)現(xiàn)病變，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 小波變換特征點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果

3.2 服務(wù)器端數(shù)據(jù)篩選和報(bào)警

正常狀態(tài)下，人體的心率范圍在60～100次/分之間，血壓收縮壓在90～140 mmHg之間，舒張壓在60～90mmHg之間[12]，心率和血壓超過范圍就屬于異常。通常情況下，在某些小事件刺激下人體心率和血壓會(huì)超過正常范圍，但持續(xù)時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)，如果人體的心率過快或過低，血壓過高或過高并且持續(xù)時(shí)間超過一定的閾值，那么說明人體目前處于危險(xiǎn)狀況[13]，醫(yī)療人員應(yīng)當(dāng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行救援。由于醫(yī)療人員不可能長(zhǎng)時(shí)間關(guān)注顯示裝置，因此，需要一定的報(bào)警措施來提醒工作人員[14]。數(shù)據(jù)篩選和報(bào)警流程如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的工作情況，本文對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體性測(cè)試，包括心率數(shù)據(jù)測(cè)試、血壓數(shù)據(jù)測(cè)試、系統(tǒng)報(bào)警測(cè)試等方面。

圖4 數(shù)據(jù)篩選和報(bào)警流程圖

圖5 系統(tǒng)整體硬件圖

4.1 心率數(shù)據(jù)測(cè)試

首先使用該系統(tǒng)對(duì)人體進(jìn)行測(cè)試。選擇一名同學(xué)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)量其心率數(shù)據(jù)，并記錄，該測(cè)試對(duì)象10次心率的測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6（a）所示。該同學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示平均心率為78，實(shí)際的心率平均值為75.5，存在少許差異。對(duì)10名同學(xué)的心率進(jìn)行測(cè)試。將服務(wù)器端接收到的某個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的心率數(shù)值進(jìn)行記錄，并且計(jì)算平均值，結(jié)果如圖6（b）所示。

4.2 血壓數(shù)據(jù)測(cè)試

圖6 心率數(shù)據(jù)測(cè)試

隨機(jī)和隨時(shí)選擇 5名同學(xué)分別做25組實(shí)驗(yàn)[15]，得到血壓模塊血壓數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)血壓監(jiān)護(hù)儀對(duì)比圖如圖7所示，其中圖（a）表示舒張壓，圖（b）表示收縮壓。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，血壓模塊的值與標(biāo)準(zhǔn)血壓監(jiān)護(hù)儀的值總體上偏小，但是相差都不是很大，都在允許范圍之內(nèi)，能正確測(cè)得血壓數(shù)據(jù)，可以臨床使用。

圖7 血壓數(shù)據(jù)測(cè)試

4.3 報(bào)警測(cè)試

在測(cè)試報(bào)警是否正常時(shí)，本文采用的是測(cè)試一名同學(xué)在持續(xù)劇烈運(yùn)動(dòng)過程來模擬病人心率和血壓的異常情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠在心率和血壓超出正常范圍并且持續(xù)一定的時(shí)間之后進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警短消息如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)報(bào)警短信截圖

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過測(cè)試，本系統(tǒng)能夠正確測(cè)量病人的心率和血壓數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)结t(yī)療中心，并且當(dāng)病人心率和血壓出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)報(bào)警，并且發(fā)送報(bào)警短信，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療的作用，具有一定的實(shí)用意義。

[1]白凈，張永紅.遠(yuǎn)程醫(yī)療概論[M].北京:清華大學(xué)出版社，2000.

[2]Takahashi，S.Maeda，S.Tsuruta，N.Morimoto，T.A home health care system for elderly people[J]. Science and Technology，2003，2（28）:97-102.

[3]Tamura，T.Masuda，Y.Sekimoto，M.Higashi，Y. Fujimoto，T.A mobile-phone based telecare system for the elderly[J].Engineering in Medicine and Biology Society，2004（2）:3060-3263.

[4]Bing-Nan Li.Ming-Chui Dong.Vai Mang I.Mak Peng Un.An embedded medical advisory system for mobile cardiovascular monitoring devices[J]. Biomedical Circuits and Systems，2004，1（12）: 1-4.

[5]陳卓.基于GPS和GPRS的追蹤系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[6]楊孫永，張永紅，白凈，等.一種基于掌上電腦的便攜心電血壓監(jiān)護(hù)儀 [J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2005，18（2）:66-71.

[7]鄭優(yōu)訊，李宗伯.基于 STM32微處理器的 GPRS數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31（21）:60-62.

[8]趙曉君，崔建濤.基于實(shí)時(shí)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014（10）：3368-3371.

[9]甘志偉，閆凱.基于 SIM900A的無線數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山西電子技術(shù)，2013（1）：55-58.

[10]郭維，劉光達(dá)，焦陽(yáng)，等.基于脈搏波信號(hào)和血管彈性腔模型的動(dòng)脈血壓連續(xù)測(cè)量方法[J].醫(yī)用生物為學(xué)，2012（1）:84-89.

[11]王驥，沈玉利，林菁.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生理參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23（2）:94-99.

[12]何偉城，陳進(jìn)軍.基于紅外方式的嵌入式人體心率檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2011（5）:98-103. [13]李云川，溫海燕，熊琨，等.遠(yuǎn)程醫(yī)療在重慶市某院急診醫(yī)療中的應(yīng)用 [J].重慶醫(yī)學(xué)，2014（25）：3387-3389.

[14]郭靜，王慶，陳澤亞.面向遠(yuǎn)程醫(yī)療的流媒體群智網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng) [J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2015（11）：88-92.

[15]陳超，王亮，仇阿根，等.面向社區(qū)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2015（6）：56-58.

Design and implementation of telemedicine system based on wearable technology

FAN Shan
（Department of Logistics Informationization，The Fifteenth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Beijing 100083，China）

Recently，with the accelerated aging process of population，environmental pollution，and shortage of medical resources，resulting in increasing incidence of chronic diseases.Therefore，building an efficient real-time remote home health care system is particularly necessary.This paper established a telemedicine system based on wearable technology for real-time monitoring of physiological parameters including pulse signal and blood pressure，in which real-time data gathered by wearable sensors were transferred to the medical center by GPRS.Doctors in the medical center can analysis physiological data conveniently，and take treatment measures once there was any problems.

wearabletechnology；telemedicinesystem；real-timemonitoring；GPRSwirelesscommunication technology

TN919

A

1674－6236（2017）10-0186-04

2016-04-18稿件編號(hào)：201604180

范 珊（1992—），女，山西臨汾人，碩士。研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。