戴金祥，林 濤，史新寶，黃時(shí)哲，林大略，董 磊，陳耀文*

（1.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東汕頭 515063；2.汕頭市互感器廠有限公司，廣東汕頭 515021；3.深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院，廣東深圳 518060）

0 引言

當(dāng)前，家庭養(yǎng)老為我國主要的養(yǎng)老方式。居家養(yǎng)老的重點(diǎn)在于護(hù)理，大量老年患者因子女繁忙無法得到應(yīng)有的照顧和護(hù)理，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)癥狀加劇甚至離世的情況，而老年失能患者的護(hù)理問題尤其突出[1]。護(hù)理床是一種為了照顧殘障者及老年失能患者而設(shè)計(jì)的護(hù)理產(chǎn)品，它可以輔助患者完成翻身、抬背、屈伸腿等活動(dòng)并防止褥瘡，對(duì)于存在慢性病患者的家庭是非常必要的，具有廣闊的市場需求。目前，國內(nèi)市場上的護(hù)理床缺少智能控制技術(shù)和人機(jī)交互功能，且功能較為單一[2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程醫(yī)療逐漸成為一種新的醫(yī)療服務(wù)模式，成為研究機(jī)構(gòu)及高校的研究熱點(diǎn)[3]。本文設(shè)計(jì)了一種基于移動(dòng)端控制的多功能護(hù)理床系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)心電、血氧飽和度、無創(chuàng)血壓以及體溫等參數(shù)監(jiān)護(hù)，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，結(jié)合Android手機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程生理信號(hào)監(jiān)測，并通過手機(jī)端的App對(duì)護(hù)理床進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，包括按鍵控制、語音控制等。同時(shí)，移動(dòng)終端可以記錄患者歷史數(shù)據(jù)供家屬及醫(yī)護(hù)人員多點(diǎn)查詢。本系統(tǒng)允許多用戶連接，易于推廣，且能長期穩(wěn)定地運(yùn)行，為需要長期監(jiān)護(hù)的老年失能患者提供了一種新的醫(yī)療護(hù)理方式，對(duì)于構(gòu)建和諧的老齡化社會(huì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能護(hù)理床系統(tǒng)由多功能護(hù)理床、生理參數(shù)檢測模塊、遠(yuǎn)程控制模塊和移動(dòng)終端App組成，為患者及家屬提供了較為完善的護(hù)理，系統(tǒng)組成框架如圖1所示。系統(tǒng)工作原理：在患者成功佩戴生理信號(hào)檢測模塊后，患者的生理數(shù)據(jù)便可以通過藍(lán)牙傳輸實(shí)時(shí)顯示在移動(dòng)終端App上。同時(shí)，患者的生理參數(shù)會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到后臺(tái)系統(tǒng)供家屬或醫(yī)護(hù)人員遠(yuǎn)程查詢。此外，本系統(tǒng)結(jié)合機(jī)智云平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制護(hù)理床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并獲取護(hù)理床狀態(tài)信息，患者家屬或醫(yī)護(hù)人員在線觀察患者生理體征變化，并且能實(shí)時(shí)幫助患者實(shí)現(xiàn)翻身、抬背等功能，從而達(dá)到緩解病情甚至達(dá)到治愈的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者全方位的醫(yī)療照顧。

圖1 多功能護(hù)理床系統(tǒng)組成框圖

本系統(tǒng)是以社區(qū)與家庭醫(yī)療為重心的個(gè)體化護(hù)理集成系統(tǒng)，其中生理參數(shù)檢測模塊及遠(yuǎn)程控制模塊等硬件功能模塊與護(hù)理床集成化設(shè)計(jì)；軟件部分采用基于客戶端/服務(wù)器（Client/Server，C/S）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即用戶下載安裝相應(yīng)的App程序就可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 生理參數(shù)檢測模塊

生理參數(shù)檢測模塊由模擬和數(shù)字兩部分組成：模擬部分設(shè)計(jì)前置處理電路，其功能為通過獲取傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和放大處理，再將輸出電平注入到信號(hào)處理電路的采集通道。數(shù)字部分中單片機(jī)采用意法半導(dǎo)體公司產(chǎn)品STM32F429作為信號(hào)處理電路的主控單元，并設(shè)計(jì)電源電路、通信電路等外圍電路模塊。其中電源電路的主要作用是將220 V交流電源通過降壓、穩(wěn)壓電路輸出12 V給模擬部分電路使用以及3.3 V為STM32F429主控板供電，通信電路主要負(fù)責(zé)將生理信號(hào)傳輸至移動(dòng)終端顯示并保存[5]。生理參數(shù)檢測模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示。

1.1.2 遠(yuǎn)程控制模塊

圖2 生理參數(shù)檢測模塊系統(tǒng)框圖

傳統(tǒng)的醫(yī)療護(hù)理床多數(shù)為手搖式護(hù)理床或者功能簡易的電動(dòng)護(hù)理床，一般僅包含床體的升降功能，對(duì)于患者翻身等要求需依靠家屬或護(hù)理人員外力來進(jìn)行，這對(duì)長期慢性病患者的家庭來說無疑是個(gè)亟待解決的問題[6]。鑒于上述問題，本文基于機(jī)智云平臺(tái)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制模塊[7]。

遠(yuǎn)程控制模塊硬件框圖如圖3所示，由STM32-F429單片機(jī)和PIC16F877A單片機(jī)以及繼電器模塊和相關(guān)接口組合通信實(shí)現(xiàn)。PIC16F877A是Microchip推出的一款8 bit單片機(jī)，其采用14 bit的RSIC指令系統(tǒng)，芯片內(nèi)部集成了上電復(fù)位、欠壓檢測和Watchdog等電路，可作為護(hù)理床電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的微控制器。STM32F429單片機(jī)搭載安信可無線Wi-Fi模塊接入機(jī)智云平臺(tái)，負(fù)責(zé)護(hù)理床動(dòng)作數(shù)據(jù)點(diǎn)的收發(fā)功能，單片機(jī)之間采用主從式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過RS232串口進(jìn)行多機(jī)通信。無線Wi-Fi模塊為ATK-ESP8266，采用串口與微控制單元（microcontroller unit，MCU）通信，內(nèi)置傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）協(xié)議棧，能實(shí)現(xiàn)串口與Wi-Fi之間的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)點(diǎn)通過該模塊傳輸?shù)綑C(jī)智云服務(wù)器。

圖3 遠(yuǎn)程控制模塊設(shè)計(jì)框圖

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 生理參數(shù)檢測模塊單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

該模塊程序在Keil5環(huán)境下開發(fā)，以STM32F429為數(shù)據(jù)采集和濾波電路的主控芯片。多通道模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換需要ADC、定時(shí)器、DMA通道協(xié)同工作，本設(shè)計(jì)選擇TIM1作為采樣頻率發(fā)生的定時(shí)器，通過設(shè)置分頻系數(shù)得到1 μs的時(shí)鐘節(jié)拍，最終通過定時(shí)器計(jì)數(shù)得到1 kHz頻率并設(shè)置為脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）輸出。ADC采樣通道為4個(gè)，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)模擬通道的引腳輸入，其中模擬信號(hào)的采樣使用ADC1。STM32F4系列的DMA控制器與F3系列最大的不同點(diǎn)在于其直接支持雙緩沖區(qū)的切換，在一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)滿后自動(dòng)切換到另一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，適合信號(hào)實(shí)時(shí)處理。本設(shè)計(jì)將DMA配置為雙緩沖，需要有2個(gè)內(nèi)存空間，分別為buf0和buf1，每個(gè)區(qū)的長度標(biāo)為Size。DMA的原地址為ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器地址，內(nèi)存地址不自增；目標(biāo)地址為buf0，內(nèi)存地址自增。DMA配置關(guān)鍵代碼如下：

1.2.2 生理信號(hào)數(shù)據(jù)解打包協(xié)議

由于本設(shè)計(jì)中的生理參數(shù)檢測模塊是將血壓采集電路、血氧采集電路、心電采集電路以及體溫采集電路集成化設(shè)計(jì)，因此為避免Android端接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)冗亂，數(shù)據(jù)必須經(jīng)過打包后上傳，并在手機(jī)端進(jìn)行解包后再處理顯示。其過程遵循的是一種PCT通信協(xié)議，通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式如圖4所示。

圖4 PCT通信協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

數(shù)據(jù)包由1 B的模塊ID+1 B數(shù)據(jù)頭+1 B二級(jí)ID+6 B數(shù)據(jù)+1 B校驗(yàn)和構(gòu)成，共10 B。其中模塊ID中心電信號(hào)定義為0x10，體溫信號(hào)定義為0x12，血氧信號(hào)定義為0x13，血壓信號(hào)定義為0x14。數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)1～6位中，校驗(yàn)和則是模塊ID+數(shù)據(jù)頭+二級(jí)ID+數(shù)據(jù)位之和。生理參數(shù)各模塊ID定義見表1。

1.2.3 遠(yuǎn)程控制模塊程序設(shè)計(jì)

表1 生理參數(shù)各模塊ID定義

遠(yuǎn)程控制模塊軟件設(shè)計(jì)采用C語言進(jìn)行編程，控制程序由主程序、按鍵控制子程序以及護(hù)理床狀態(tài)上傳子程序等組成。其程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。首先對(duì)STM32F429單片機(jī)上各個(gè)外設(shè)初始化，然后完成機(jī)智云通信協(xié)議的初始化，判斷Wi-Fi是否連接機(jī)智云服務(wù)器，若處于連接狀態(tài)，當(dāng)用戶在手機(jī)端按下動(dòng)作按鍵或者發(fā)出動(dòng)作語音口令時(shí)，STM32F429單片機(jī)配置的ESP8266 Wi-Fi模塊會(huì)接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并在MCU內(nèi)部進(jìn)行動(dòng)作判斷。在正確識(shí)別動(dòng)作的同時(shí)會(huì)通過RS232串口向PIC16F877A單片機(jī)以9 600 bit/s的波特率發(fā)送對(duì)應(yīng)的動(dòng)作指令數(shù)據(jù)，此時(shí)PIC16F877A單片機(jī)通過RS232串口接收不同的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)指定繼電器的狀態(tài)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)推桿電動(dòng)機(jī)的開關(guān)，從而控制護(hù)理床動(dòng)作的自由切換，同時(shí)護(hù)理床狀態(tài)數(shù)據(jù)也會(huì)實(shí)時(shí)上傳。由于本設(shè)計(jì)硬件通信采用機(jī)智云平臺(tái)方案，故不僅可在局域網(wǎng)內(nèi)控制，還可遠(yuǎn)程對(duì)護(hù)理床完成屈腿、抬背、左右翻轉(zhuǎn)等姿態(tài)變化。

1.2.4 Android端設(shè)計(jì)

Android端的作用相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)關(guān)，首先通過藍(lán)牙發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)的命令至STM32F429核心板并接收數(shù)據(jù)，且在界面顯示生理參數(shù)數(shù)據(jù)并繪制圖形；同時(shí)通過互聯(lián)網(wǎng)在后臺(tái)將數(shù)據(jù)傳輸至阿里云服務(wù)器Android端采用Eclipse開發(fā)環(huán)境，其主要分為床體控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)查詢、個(gè)人中心等界面，其設(shè)計(jì)流程如圖6所示[8]。

圖5 遠(yuǎn)程控制模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖

Android端主要界面如圖7所示。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面中，用戶不但可以直觀地查看患者的各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)，也可遠(yuǎn)程協(xié)助患者進(jìn)行血壓測量，且這些生理參數(shù)過高或者過低都會(huì)進(jìn)行短信報(bào)警，提醒用戶關(guān)注當(dāng)前數(shù)據(jù)。在歷史數(shù)據(jù)界面中用戶可以選擇自己或他人的過往數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，也可根據(jù)日期詳細(xì)查詢歷史信息。

圖6 Android端界面設(shè)計(jì)流程圖

圖7 Android端主要界面

2 結(jié)果

對(duì)于高齡失能患者的日常護(hù)理，家屬及醫(yī)護(hù)人員不僅要密切監(jiān)控患者的生命體征變化，還要幫助他們調(diào)整體位以防止長期臥床帶來的褥瘡。目前用于家庭及社區(qū)醫(yī)院的護(hù)理床多為傳統(tǒng)手搖式結(jié)構(gòu)，而一些電動(dòng)護(hù)理床雖然能通過遙控器調(diào)節(jié)患者在床上的體位，但是對(duì)于那些老年失能患者或重度癱瘓者則需要通過其他方式來控制護(hù)理床。

而本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)患者多項(xiàng)生理參數(shù)的長期監(jiān)控和存儲(chǔ)，患者家屬打開手機(jī)App即可查詢患者生命體征變化；也可以使用手機(jī)按鍵和語音口令遠(yuǎn)程控制護(hù)理床的動(dòng)作，同時(shí)獲取護(hù)理床的實(shí)時(shí)狀態(tài)，而且移動(dòng)終端能以電子病歷的形式記錄患者過往的生理參數(shù)并進(jìn)行異常報(bào)警等。這對(duì)老年失能患者的家屬和護(hù)理人員提供了很大幫助，即使患者子女在外地工作也可隨時(shí)打開手機(jī)查看患者體征數(shù)據(jù)，獲取患者健康狀況，并遠(yuǎn)程幫助患者調(diào)整體位，避免長期臥床引起的慢性病的產(chǎn)生。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）與現(xiàn)有的一些生理信號(hào)采集設(shè)備相比，本系統(tǒng)將多參數(shù)生理信號(hào)的采集電路集成在體積較小的電路板中，同時(shí)使用新型、主頻高的單片機(jī)（STM32-F429），可在芯片上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波和多通道采集。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)生理參數(shù)測量值的準(zhǔn)確度，共選取20位志愿者并對(duì)其分別編號(hào)后采用本系統(tǒng)生理參數(shù)檢測模塊進(jìn)行生理參數(shù)測試。志愿者均來自汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院，其中男性12人、女性8人，在獲得他們知情同意的情況下進(jìn)行了參數(shù)測量和記錄。后續(xù)使用汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院的監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行測試，最終再對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行比較和分析。參數(shù)測量誤差定義為本設(shè)計(jì)的測量值m與汕頭大學(xué)附屬第一醫(yī)院監(jiān)護(hù)儀的實(shí)測值n之差，即

本文中測試準(zhǔn)確率定義為參數(shù)測量誤差在5%以內(nèi)的志愿者個(gè)數(shù)（N）與總志愿者人數(shù)（S）的比值，即

根據(jù)原始數(shù)據(jù)得到測量參數(shù)誤差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤差以及測試準(zhǔn)確率來評(píng)估本系統(tǒng)的生理參數(shù)檢測模塊的準(zhǔn)確性，詳見表2?？梢钥闯?，各生理參數(shù)的測試準(zhǔn)確率基本在90%以上，其中體溫的測量準(zhǔn)確率高達(dá)96.6%，基本滿足監(jiān)護(hù)設(shè)備的臨床使用要求。

表2 不同生理參數(shù)的測量誤差和測試準(zhǔn)確率

（2）本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用機(jī)智云接入方案，解決了傳統(tǒng)電動(dòng)護(hù)理設(shè)備只能在局域網(wǎng)中控制的局限性，實(shí)現(xiàn)了在線遠(yuǎn)程控制。通過調(diào)用第三方語音識(shí)別平臺(tái)接口可完成對(duì)護(hù)理床的語音口令控制，可大大減輕家屬及護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效解決了工作忙碌的子女對(duì)老年患者的護(hù)理問題。圖8為用戶在外省使用移動(dòng)端協(xié)助患者右翻動(dòng)作的真實(shí)畫面和手機(jī)移動(dòng)端反饋狀態(tài)圖。

（3）移動(dòng)端的接入靈活，且可長期穩(wěn)定地運(yùn)行，可隨機(jī)選擇與哪個(gè)護(hù)理床配對(duì)，擴(kuò)展性好。

圖8 移動(dòng)端協(xié)助患者右翻的真實(shí)畫面和App狀態(tài)圖

3 結(jié)語

根據(jù)老齡化社會(huì)對(duì)醫(yī)療護(hù)理資源的需求，依托新型居家養(yǎng)老方式是未來的發(fā)展趨勢。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于移動(dòng)端控制的多功能護(hù)理床系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)很好地完成了預(yù)期的功能要求，但是也尚存在一些不足之處，比如若采用無接觸方式檢測患者生理參數(shù)，可有效減小患者的心理壓力。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性在于為老年失能患者建立了一個(gè)以個(gè)體化護(hù)理為特征的家居/社區(qū)醫(yī)療健康數(shù)字化護(hù)理集成系統(tǒng)，提高了護(hù)理人員對(duì)患者健康狀況的正確鑒別水平以及康復(fù)服務(wù)水平，可明顯改善患者的健康狀況和提高生活質(zhì)量。同時(shí)，本項(xiàng)目利用互聯(lián)網(wǎng)+與智能護(hù)理設(shè)備結(jié)合可實(shí)現(xiàn)醫(yī)療衛(wèi)生“重心下移”，對(duì)未來相關(guān)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有一定的示范作用，有利于推動(dòng)“健康中國”的落實(shí)。