摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，醫(yī)療和萬物互聯(lián)的電子醫(yī)療的發(fā)展方興未艾。診療人員和患者之間需要建立可靠實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)，以緩解醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款能夠測量人體生理參數(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備基站傳輸數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)顯示、存儲(chǔ)并能夠下發(fā)的遠(yuǎn)程病床醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括下位機(jī)、醫(yī)護(hù)監(jiān)控客戶端和云端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)三大板塊。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試：心率、血氧和人體溫度的相對誤差分別為10%、2.1%和3.3%；能檢測液滴速度和滴數(shù)、是否輸液完成；實(shí)現(xiàn)病床角度轉(zhuǎn)動(dòng)0-90°；能夠?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的云RDS數(shù)據(jù)庫；成功開發(fā)了醫(yī)護(hù)監(jiān)控客戶端，方便護(hù)士站遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)患者。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；體溫；心率；血氧；病床；上位機(jī)；云端；數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1009-3044（2024）22-0098-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

隨著無線通信技術(shù)、醫(yī)療電子等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的無線化帶來了嶄新的飛躍[1]。以云計(jì)算（Cloud Computing） 、虛擬化和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)終端監(jiān)護(hù)設(shè)備端互聯(lián)，為管理人員提供遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，提升診療人員的工作效率和實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備的統(tǒng)一管理[2]。檢測系統(tǒng)還可以對醫(yī)療設(shè)備中病人生命體征的各項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫保存，醫(yī)護(hù)人員可隨時(shí)隨地調(diào)取查看病人過往的臨床數(shù)據(jù)，為病人的病情診斷、病況研究方面提供了重要依據(jù)[3]。因此研發(fā)這種集病人生命體征監(jiān)護(hù)、臨床信息處理、數(shù)據(jù)交互、設(shè)備信息于一體的遠(yuǎn)程在線醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)已成為現(xiàn)代化醫(yī)療服務(wù)的關(guān)注熱點(diǎn)之一[4]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)基于“設(shè)備層”－“平臺(tái)層”－“應(yīng)用層”架構(gòu)。其中設(shè)備層包括病床周邊的微控制器MCU，無線通信節(jié)點(diǎn)BC26物聯(lián)網(wǎng)模組，外圍的驅(qū)動(dòng)電路與傳感器。平臺(tái)層為阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)充當(dāng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的角色，它一端連接到硬件終端設(shè)備層，硬件終端設(shè)備層將數(shù)據(jù)傳送到NB設(shè)備基站后通過MQTT報(bào)文協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)相連接[5]。平臺(tái)層的另一端連接到應(yīng)用層?！皯?yīng)用層”包括LabVIEW醫(yī)療監(jiān)控站和云RDS數(shù)據(jù)庫，醫(yī)療監(jiān)控站與云平臺(tái)同樣通過MQTT協(xié)議對接。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

2 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整體硬件設(shè)計(jì)主要由STM32F103C8T6核心主控電路、MAX30102心率血氧測量電路、LMT70人體溫度測量電路、血壓測量電路、光電開關(guān)－滴速檢測電路、病床舵機(jī)模擬電路、獨(dú)立按鍵電路等組成。

2.1.1 主控電路

本設(shè)計(jì)外接傳感器數(shù)量較多、代碼量較大，對主控的運(yùn)行速度和外部引腳數(shù)量有著更高的要求。因此選擇STM32F103C8T6芯片作為本設(shè)計(jì)的主控制器。

本設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)板由STM32主控制器芯片、手動(dòng)復(fù)位電路、外部晶振電路、濾波電路、ST-link下載電路、RT9193-3.3V穩(wěn)壓供電電路、BOOT啟動(dòng)電路組成。

2.1.2 傳感器模塊及控制模塊

心率與血氧測量電路主要包括1.8V穩(wěn)壓電路、MAX30102主芯片[6]、電平轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。

體溫測量選用LMT70傳感器，它體積非常微小，測量溫度的時(shí)候須貼近物體的表面。LMT70的硬件引腳只有3個(gè)，分別是電源VCC、地GND、輸出OUT，VCC推薦采用3.3供電，保證溫度的功耗和溫度輸出。TAO引腳為LMT70模擬量的輸出端口，連接到STM32F103C8T6芯片的PA1引腳（12bitADC1的通道1） 。對于傳感器輸出電壓的正確與否判斷，可通過官方數(shù)據(jù)手冊的電壓－溫度表進(jìn)行比對。

血壓測量本設(shè)計(jì)使用電磁閥及電氣泵進(jìn)行放氣和充氣，由XGZP6847血壓傳感器把袖帶的血壓量轉(zhuǎn)換為電信號，一路信號直接傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的ADC進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，得到袖帶壓力值，另一路信號經(jīng)過放大和濾波電路處理調(diào)整后，獲得有用的脈搏信號。由LM358運(yùn)放構(gòu)建的帶通濾波器能夠?yàn)V掉直流成分，提取有用的交流分量脈搏波確定高低壓，以及過濾手臂與袖帶摩擦的各類噪聲[7，8]。

液滴速度監(jiān)測電路主要采用LTH301-32紅外對射式光電開關(guān)，LTH301-32由一個(gè)內(nèi)部發(fā)光二極管、一個(gè)光電三極管，以及一個(gè)15mm的外部凹槽組成，該開關(guān)的原理為：如果給予發(fā)光二極管一個(gè)3.3V到5V的電源電壓，則發(fā)光二極管產(chǎn)生肉眼不可看見的紅外光，被光電三極管接收，三極管的C-E極會(huì)瞬間打開?；谝陨显?，當(dāng)中間的凹槽有液滴穿過時(shí)，光電三極管關(guān)閉；當(dāng)凹槽無液滴穿過時(shí)，光電三極管打開。由上述可知，外加一定的外圍電路可輸出高低電平給單片機(jī)檢測并對外作LED指示。

本設(shè)計(jì)項(xiàng)目的病床角度轉(zhuǎn)動(dòng)采用S3003型號舵機(jī)模擬，該型號舵機(jī)在供電 4.8V 時(shí)轉(zhuǎn)速為0.23 秒/60°，扭矩3.2千克/厘米；6V供電時(shí)轉(zhuǎn)速0.19 秒/60°，扭矩4.1 千克/厘米。單片機(jī)與其通信接口為單線接口，轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍左右可以各達(dá) 90°，滿足本次設(shè)計(jì)的要求，用 PWM 輸出即可轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為兩大板塊，分別為下位機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)、醫(yī)護(hù)監(jiān)控客戶端軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件主要針對各類傳感器驅(qū)動(dòng)和控制量輸出、通信程序；醫(yī)護(hù)監(jiān)控客戶端主要包括LabVIEW前面板設(shè)計(jì)和邏輯程序框圖設(shè)計(jì)。

兩大軟件板塊的物聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)程通信流程：

單片機(jī)作為客戶端，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為服務(wù)端，LabVIEW上位機(jī)作為客戶端。下位機(jī)首先采集傳感器的數(shù)據(jù)，串口發(fā)送 AT 指令將 BC26 物聯(lián)網(wǎng)模塊配置進(jìn)入非透傳數(shù)據(jù)模式，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的 MQTT 代理服務(wù)器Broker接收到BC26 物聯(lián)網(wǎng)模塊轉(zhuǎn)發(fā)的JSON格式的傳感器數(shù)據(jù)，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和處理站點(diǎn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析過后，等待LabVIEW醫(yī)護(hù)監(jiān)控客戶端與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接，轉(zhuǎn)發(fā)到醫(yī)護(hù)監(jiān)控客戶端進(jìn)行顯示處理，至此實(shí)現(xiàn)了患者病床端到醫(yī)護(hù)監(jiān)控客戶端之間的通信[9]。上述的整體軟件架構(gòu)如圖3所示。

從單片機(jī)上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)有７個(gè)，分別為人體溫度、心率、血氧、血壓、滴速、滴數(shù)、角度。單片機(jī)的UI數(shù)據(jù)界面與物云端顯示數(shù)據(jù)比較，可以看到兩者對應(yīng)的每個(gè)數(shù)據(jù)相同。故從單片機(jī)上傳數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的通信鏈路已測試成功。

醫(yī)療監(jiān)控客戶端基于LabVIEW平臺(tái)編寫，醫(yī)療監(jiān)控客戶端通過調(diào)用MQTT 協(xié)議的API接口和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)互聯(lián)，如圖4所示。醫(yī)療監(jiān)控客戶端的程序設(shè)計(jì)分為客戶端前面板設(shè)計(jì)和邏輯程序框圖設(shè)計(jì)；功能分為設(shè)備屬性、設(shè)備管理、命令下發(fā)、訂閱管理４項(xiàng)，可以接收顯示設(shè)備端采集的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)布提醒吃藥、控制滴速到設(shè)備端等信息，完成遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)功能。

3 測試結(jié)果

3.1 通信測試

本系統(tǒng)能夠使用MQTT通信協(xié)議連接病床端、阿里云平臺(tái)、醫(yī)護(hù)監(jiān)控客戶端三者[10]。阿里云平臺(tái)充當(dāng)代理服務(wù)器的角色，用于存儲(chǔ)自己要對外發(fā)布的數(shù)據(jù)或服務(wù)。即病床端能夠發(fā)送數(shù)據(jù)給醫(yī)護(hù)端，醫(yī)護(hù)端也能夠發(fā)送數(shù)據(jù)給病床端，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)互相收發(fā)的功能。由于MQTT通信協(xié)議部署在NB模組中且由于NB模組的數(shù)據(jù)局限性，故從病床端要發(fā)送的JSON數(shù)據(jù)內(nèi)容包最64H5cdbG6rXUpJi34mSWUy96WvK3sX9AvwUMR6R6N1s=大為300個(gè)字節(jié)。如果JSON數(shù)據(jù)內(nèi)容包溢出，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)送失敗并且NB模組停機(jī)。從醫(yī)護(hù)監(jiān)控客戶端下發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔不能過于頻繁，需要等待幾秒后再次下發(fā)，否則可能會(huì)導(dǎo)致下發(fā)失敗。

3.2 測試結(jié)果分析

心率、血氧、溫度、滴速的測量數(shù)據(jù)表如表1所示。心率和血氧的參考值基于華為手環(huán)４測量，對多位同學(xué)采集5次值。對于心率測量數(shù)據(jù)，相對誤差最高達(dá)到10%，最低達(dá)到0%。產(chǎn)生這樣的相對誤差，很大程度上是由于身體不靜止造成，傳感器算法濾波也是比較重要的一個(gè)方面。而對于血氧，誤差值相對來說較為客觀，相對誤差控制在2.1%以內(nèi)，最低達(dá)到0%。比較接近于華為手環(huán)4的參考數(shù)值。體溫的測量數(shù)據(jù)所示，以水銀溫度計(jì)的溫度為參考值，使用LMT70溫度傳感器作為實(shí)際測量設(shè)備，貼附于人體手臂外側(cè)，等待幾秒時(shí)間，平均每人測5次數(shù)據(jù)，其中 A同學(xué)的誤差較大，高達(dá)3.3%，而B同學(xué)的誤差是最小的，其中一個(gè)最大的相對誤差為1.7%。

對于點(diǎn)滴數(shù)據(jù)分析，將觀察得到的滴數(shù)和單片機(jī)測量得出的滴數(shù)進(jìn)行對比，可分析誤差1%。時(shí)間段選擇單片機(jī)初始化和液滴滴下的開始階段，為了便于人員觀察，將滴速調(diào)節(jié)在慢速狀態(tài)下。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的病床醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是以ST公司的增強(qiáng)型F103芯片為核心，傳感器將人體生理參數(shù)和輸液速度通轉(zhuǎn)換成電信號，單片機(jī)采集到數(shù)據(jù)經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)至云平臺(tái)；云端流轉(zhuǎn)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，供客戶端訂閱；客戶端根據(jù)閾值發(fā)出預(yù)警信號，醫(yī)護(hù)人員可遠(yuǎn)程控制輸液速度，以及提示患者吃藥信息。系統(tǒng)的架構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)具備了通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)護(hù)人體生理參數(shù)和云存儲(chǔ)的功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉恒，何光耀.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的展望[J].信息與電腦：理論版，2014（7）：9-11.

[2] 宋田田.基于無線通信的遠(yuǎn)程醫(yī)療設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2016.

[3] 羅金華.脈搏血氧飽和度監(jiān)測在胸外科手術(shù)后的應(yīng)用體會(huì)[J].中國保健，2005，13（24）：87-88.

[4] 杜葉平.利用脈搏氧飽和度波形對胸外按壓效果進(jìn)行監(jiān)測的臨床意義[J].徐州醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，29（10）：660-661.

[5] 代荷舟.基于NB-IoT的智慧醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2021.

[6] 陳語中，王桂榕，唐劍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué)，2008，3（5）：42-45.

[7] 武秋紅.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].黑龍江科技信息， 2011（25）：86.

[8] 曹靖華.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[9] 李翔，譚敏生，李攀.淺析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，24（4）：67-68.

[10] 霍宏偉.醫(yī)療護(hù)理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

【通聯(lián)編輯：梁書】