基于3G技术的远程医疗监护系统设计

彭兰地，米 明

(岳阳职业技术学院，湖南 岳阳 414000)

0 引言

医疗监护仪器目前可分为两类，一类是指在医院由职业医生或专业技术人员使用的专门仪器，对病人进行生理指标监护的专用监护仪;另一类是在普通的家庭或者户外，在医生的指导下，由患者本人或其家属使用的远程医疗监护仪，通过远程监护，所得生理指标能及时传送给相关医生和病人家属。目前，医院所使用专用的监护系统，大多是建立在线缆连接的基础上，往往体积和功耗大，不便于携带，且要求在患者身边使用，限制了患者和医护人员的行动，增加了他们的负担和风险，已经越来越不适应当今实时、连续、长时间地监测患者重要生命特征参数的医疗监护需求。为了使经常需要测量生理指标的人员(比如慢性病人或者老年患者等)能够在家中随意运动的状态下测量某些常规指标，人们对远程医疗的需求越来越强。

国外已有借助计算机技术来提高家庭远程监护的应用，且在不断地完善。在我国，2006年北京大学的郭世富等借助Zigbee技术进行了“无线传感器网络在远程家庭监护系统中的应用研究”;2010年，泰山医学院的宋莉等开展了“3G双处理器远程心电实时监护系统的研制”，都取得了一定的成果。随着生物医学传感器的小型化、信息处理及无线数据通信技术的快速发展，为无线医疗监护系统的研制提供了技术和产品保证。

基于3G技术的远程医疗监护系统是一种新的网络式监护装置及系统，在家和医院利用WI-FI无线通信，在室外利用联通的3G网络(WCDMA)，传递监护仪和监视终端之间的信息，减少监护设备与医疗传感器之间的连线，使被监护人能够拥有较多的自由活动空间，在获得较准确的测量指标的同时，免除患者在家庭与医院之间奔波的劳苦。同时，在医院病房内建立无线WI-FI网络，多项测试项目可以在病床上完成，能够极大地方便病人就诊，并加强医院的信息化和工作效率。

1 系统设计

1.1 系统功能

监护器主要面向用户终端设计，对被监护人的健康状况进行检测和分析，实时监测身体特征信息(如心电ECG、脑电EEG、呼吸体温等信号)。一方面仪器能将这些信号参数通过仪器显示屏，以数字和波形形式显示出来，被监护人能直观获得和了解自己身体各类指标是否正常。另一方面，采集到的身体信息通过Internet网传送到数据处理中心，中心的服务器及时对数据的进行分析处理，如果身体信息异常，把异常信息以主动推送的方式发给指定的监护人的PDA监护终端，监护人能利用PDA监护终端登陆数据中心服务器，查看被监护人的身体信息，及时发现特殊情况，做到及时救助。

1.2 系统技术方案

(1)被监护人随身携带的医用监护传感器，采集人体身体特征信号(模拟信号)，A/D转换器把医用监护传感器采集的模拟信号转变为数字信号，利用联通的3G(WCDMA)通信或自有的WI-FI无线通信，快速、连续地把数据传送到数据处理中心。

(2)数据处理中心对采集的数据实时分析，有异常情况实时地用通信方式传输到监护终端，实现远程医疗监护。

(3)数据处理中心把采集的数据进行存储，监护人可以利用PDA监护终端连接中心服务器，对保存的数据作进一步的分析，为进一步的救护或治疗提供参考。

1.3 系统构成

系统由3G医疗监护仪、数据处理中心、PDA监护终端构成，系统结构图如图1所示。

图1 基于3G通信的医疗监护系统

2 3G医疗监护仪的设计

3G医疗监护仪的主要功能为采集人体生理指标数据，对被监护人的自主呼救信号进行动态监测，并通过3G通信的方式或者通过WI-FI无线通信方式，将数据传输至数据处理中心。

2.1 硬件设计

医疗监测仪节点框图如图2所示，主要包括医疗传感器模块、3G通信模块、处理单元、电源等4个部分。

图2 医疗监测仪框图

2.2 医疗传感器设计

实现多路生物医学信号同时采集，对生物医学模拟信号的采集采用模块化的方式，不同参数用独立的模块进行采集，主要由前端的医学传感器和信号滤波放大电路。不同的生理参数检测要用到不同的医疗传感器。例如，体温检测采用北京迈创公司所生产的YSI体温探头，血压和心率检测采用迈创公司的KNM无创血压测量模块，检测是否有跌倒情况采用MMA7260三轴向加速度传感器。

针对身体信号的频段范围在2K以下，选用一款40K采样率的AD转换芯片作为模数转换板，并采用统一的数据接口接入。数据采集采用串行输入，节省IO口，并且消除了并行带来的同步问题。这些传感器采用通用的串口(RS232)作为接口标准，连接到处理单元。这种设计方便传感器的更换和升级，也方便产品的扩展。

2.3 处理单元的设计

处理单元主要由CPU、存储器、显示器、多个接口等部件组成。根据低功耗和稳定处理能力的需要，处理单元的CPU核心采用德州仪器SimpleLink产品线下的WI-FI嵌入式芯片产品CC3000和MSP430开发大套件，自身带有WI-FI通信功能。

为能实现3G通信，系统留有一个UART接口，用于连接3G通信模块。通过WI-FI或3G通信方式，以TCP/IP通协议，直接连接互联网设备，连接数据中心服务器，把采集的数据传送到数据中心服务器及时分析和存储。

为医疗传感器预留了多个RS232接口，如果需要多个类型的生理指标数据，则只需要将相应的传感器接入预留的接口，设置相应的接口参数，即可实现生理数据的采集。这样的设计，方便产品的升级和扩展，使产品能有更好的功能集成性和扩展性。

2.4 通信单元的设计

3G通信采用联通的WCDMA，通信模块采用“华为EM770W M2M”模块。笔者比较了目前国内的几种3G方案，联通的WCDMA因其使用较多、技术比较成熟、通信稳定、每月按流量计费，而3G医疗监护仪在使用时信息流量不大，可作为首选。WCDMA的通信模块种类很多，“华为EM770W M2M”模块也是使用得较多的，技术相对成熟，所以采用。

2.5 软件设计

医疗监护仪的软件工作流程如图3所示，其主要功能包括:(1)初始化各个接口部件，加入网络;(2)采集传感器数据;(3)人机交互;(4)与数据处理中心进行通信。

图3 医疗监护仪的软件工作流程

3 数据处理中心的设计

3.1 数据处理中心的功能

(1)实现数据处理中心到监护仪和PDA接收终端的通信;

(2)设定每个被监护人，设置每台监护仪，设置每个PDA监护终端，建立好三者的关联。

(3)实时把监护仪传送来的数据进行分析和存档，如果是异常信号及时报警处理，报警信息不断地发送到关联的PDA监护终端(直到PDA监护终端采取处理措施为止)。

(4)通过PDA监护终端或电脑终端可以分析监护仪采集的存档的数据，对存档数据进行分析。

3.2 采用TCP/IP方案的数据处理中心通信

1.中心与监护仪采用基于TCP(面向连接)的Socket编程。

(1)中心服务器端程序算法:①创建套接字(socket);②将套接字绑定到一个本机地址和端口上(bind);③将套接字设为监听模式，准备接收客户请求(listen);④等待客户请求到来，当请求到来后，接受连接请求，返回一个新的对应于此次连接的套接字(accept);⑤用返回的套接字和客户端进行通信(send/recv);⑥返回，等待另一个用户的请求;⑦关闭套接字。

(2)监护仪客户端程序算法:①创建套接字(socket);②向服务器端发送连接请求(connect);③和服务器进行通信(recv/send);④关闭套接字。

2.软件设计。

数据库系统平台采用较为成熟的微软的SQL2008。系统设计数据表有:管理员表、PDA监护终端表、被监护人表、监护仪表、监护仪采集的数据存储表。

软件分3个组成模块:基础数据设置和管理软件、数据监护和分析软件、警报信息的处理软件。

(1)基础数据设置和管理软件:①3G监护仪的管理;②被监护人的管理的和差异设置;③PDA监护终端管理;④建立他们之间的关联(被监护人和3G监护仪为一对一关联，被监护人和PDA监护终端是一对多的关联)。

(2)数据监护和分析软件:①数据监护实时监控软件，借助3G和WI-FI无线通信，以TCP/IP通信协议和每个3G监护仪进行实时通信，把监护仪传送来的数据实时处理和存档，如果有异常信号及时由报警信息处理软件发送警报信息。②建立监护信息的数据库，对采集的信息存档，以后可用于进一步分析，对被监护人的健康状况进行评价。

(3)警报信息处理软件:通过短信的方式，以每分钟一条的方式，发到每个监护人的PDA监护终端，直到PDA监护终端回复为止。PDA监护终端能利用TCP/IP通信，能登录到数据处理中心，远程访问关联被监护人的数据，可做到即时访问。该方案技术成熟，同时通信费用较少，信息处理的速度快，识别的准确率度高，是一个经济可行的可靠方案。

4 结束语

笔者所设计的基于3G技术的远程医疗监护系统，应用现有3G和最新WI-FI通信，通信效率高而稳定，同时做到在医院和家中采用自己的WI-FI网络，无需另收信息费，在室外用联通3G网络通信，是按信息流量多少来收取费用，本系统通信量不大，费用也不会很高，因此使用成本不高，实用性好;CPU采用TI公司最新的CC3000和MSP430，功耗低，稳定性好。如能推广应用，能极大提高护理的质量和效率。同时笔者将根据被监护人、监护人和医护人员的需求进一步完善系统。

[1]彭晓珊.关于物联网技术发展及应用前景的研究[J].汕头科技，2010(1):25-30.

[2]任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络[J].软件学报，2003，14(7):1282-1291.

[3]田蕴青，孙晓静.心电图自动诊断系统的研制[J].中国医疗器械杂志，2001，25(4):204-206.

[4]张宏锋，李文锋.基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究[J].武汉理工大学学报，2006，28(8):12-15.

[5]张鑫，孙新香.基于MMA7260QT三轴加速度传感器的跌倒探测仪的研制[J].世界电子元器件，2008，12(1):22-25.

[6]卜茉.人体生理参数监测系统原理样机的研究[D].长春:吉林大学，2007.

[7]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社，2005.

[8]张峰，张晓鹏，吴高成.基于物联网的机场集成行李处理系统及其应用研究[J].计算机应用研究，2010，27(10):3371-3374.

[9]黄冬梅，方的苟，张明华，等.物联网技术在救灾物资配送管理系统中的应用[J].计算机应用研究，2011，28(1):189-194.

[10]顾晶晶，陈松灿，庄毅.基于无线传感器网络拓扑结构的网络定位模型[J].计算机学报，2010，33(9):1548-1551.

[11]周洪波.物联网:技术、应用、标准和商业模式[M].北京:电子工业出版社，2010.

[12]宁焕生，张瑜，刘芳丽，等.中国物联网信息服务系统研究[J].电子学报，2006，34(12A):2514-2517.

[13]Kernighan B W，Ritchie D M.The C Programming Language(2nd edition)[M].Prentice Hall，1988.

[14]Heinzelman W，Chandrakasan A，Balakrishnan H.Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C]//Proc.of the 33rd Annual Hawaii Int’1 Conf.on System Sciences.USA:IEEE Computer Society，2000:3005-3014.