用于慢性病危险因素控制的移动式监控仪研制

【作 者】姚旦华，朱朝阳，包家立

1 浙江省中医院医疗保障部，杭州市，310002

2 浙江大学医学院，杭州市，310058

慢性非传染性疾病(简称慢性病)主要包括心脑血管疾病、代谢疾病、癌症、呼吸系统疾病等，是一种死亡率高、生活质量低、经济负担重的疾病。慢性病防控是重要的公共卫生问题之一，控制措施主要是针对人群和个体的综合干预，预防导致多种疾病发生的共同危险因素[1]。这些危险因素包括缺乏身体运动、不健康饮食、烟草使用和有害饮酒[2]。从全国慢性病社区综合防治示范点经验看，缺乏有针对性、有效的干预措施和实践技术是危险因素控制的难点之一[3]。本文研制的一种慢性病危险因素状态控制移动式监控仪力图为慢性病社区综合防治提供新技术，以促进建立慢性病防控的新方法，提高慢性病防控水平。

1 危险因素状态控制原理

人体状态用血压、血糖、心率、体重指数(BMI)等一组状态变量表示，三种状态的判别标准根据《中国高血压防治指南》和《中国糖尿病防治指南》中的正常范围为健康状态、危险范围为高危状态、诊断标准为疾病状态。

危险因素状态控制模式由人体系统、控制策略、比较、标准组成，如图1所示。人体系统的输入u是运动、饮食、吸烟、饮酒等生活行为，输出x是血压、血糖、心率、BMI等状态变量。控制过程是首先采集人体血压、血糖、心率、BMI等状态变量数据x，将这些数据与指南标准进行比较，比较结果进行控制策略分析，分析结果给出人体运动、饮食、吸烟、饮酒等危险因素的限制量和需要量u。控制目标是人体血压、血糖、心率、BMI等参数保持或回归在健康状态，状态变量数据用电子血压计、电子血糖仪、体重秤等家用医疗仪器测量，危险因素限制量和需要量u通过移动式监控仪提示受控人遵照执行。控制策略根据血压、血糖、心率、BMI的当前量和变化率分析，这种用人体状态变量数据当前量和变化率制定的控制策略称为状态控制。

图1 危险因素状态控制模式Fig.1 Model of status control of risk factor

2 危险因素状态控制系统

图1的状态控制模式由慢性病社区防治的无线反馈控制系统实现。它包括危险因素状态控制的移动式监控仪和社区中央服务器两部分组成，如图2所示。

图2 危险因素状态控制系统Fig.2 Status control system of risk factor

移动式监控仪是个体持有的个人医疗仪器，其功能有两个：(1)收集人体血压、血糖、心率、BMI等状态变量的数据，并及时发送给社区中央服务器；(2)接受社区中央服务器控制策略分析结果的运动、饮食、吸烟、饮酒等危险因素限制量和需要量数据。

社区中央服务器由社区卫生服务中心的社区医师使用，其功能有两个：(1)对接受的状态变量数据进行控制策略分析，并给出针对个体的危险因素限制量和需要量数据；(2)对所有信息数据进行管理。

移动式监控仪与社区中央服务器之间通过无线方式进行数据通讯，实现“任何时间任何地点”将受控者状态数据变量给社区医师，以及将危险因素的限制量和需要量数据给受控者，以提高慢性病危险因素的控制率。

3 移动式监控仪设计

移动式监控仪由嵌入式微处理器、液晶屏及其驱动电路、触摸屏、键盘、RAM、ROM、SD卡、通讯单元等组成。电子血压计、电子血糖仪、触摸屏与嵌入式微处理器的模数转换接口连接，嵌入式微处理器的LCD控制器输出接口与液晶屏驱动电路连接，液晶屏驱动电路与液晶屏连接，键盘、RAM、ROM、SD卡、通讯单元等分别与嵌入式微处理器的I/O接口、RAM接口、ROM接口、SD接口、串行通讯接口连接，如图3所示。设计说明如下[4]：

(1)嵌入式微处理器 采用三星公司(Samsung)基于ARM920T内核的32 bit RISC微处理器S3C2410X。

图3 危险因素状态控制系统Fig.3 Status control system of risk factor

(2)一次测量信号输入接口 一次测量是指利用传感器或电极直接检测的状态参数，如血压、血糖等。电子血压计和电子血糖仪通过各自的信号处理将检测的血压和血糖信号统一转换为(0～3)V的电压信号输入到嵌入式微处理器模数转换器(ADC)接口。

(3)人机接口 包括液晶屏、触摸屏和键盘等。个体可以通过触摸屏或键盘手工输入体重等随访数据；液晶屏显示来自于社区中央服务器的危险因素控制量数据。

液晶屏选用三星公司(Samsung)TFT-LCD型液晶屏(LTS350Q1-PE1)，并设计了与之配套的驱动电路，将嵌入式微处理器的LCD控制器、TFT-LCD驱动电路和液晶屏结合起来构成嵌入式液晶显示系统。驱动电路包括时序控制器、DC-DC变换器、公共电源发生器和背光驱动电路等。

液晶屏内集成有数字电路和模拟电路，需要外部提供数字电源和模拟电源。DC-DC变换器和公共电源发生器为液晶屏提供多路电压。液晶屏需要用外部时序控制器(即伴侣芯片)进行数字时序匹配，其专用芯片为LCC3600。

DC-DC变换器为TFT-LCD型液晶屏的专用电源MAX1779(MAXIM公司)，其输入电源DVdd、输出电源AVdd、Von、Voff分别与液晶屏的数字电源DVDD、模拟电源AVDD、栅极开电源VON、栅极闭电源VOFF连接。公共电源发生器数字电源DVDD和模拟电源AVDD分别来自于DC-DC变换器的电源DVdd和AVdd，控制信号REV和REVB来自于时序控制器(LCC3600)的输出信号。输出电源VCOM与液晶屏的公共电源VCOM连接。

液晶屏必须提供背光驱动电路，以使液晶屏上的画面更清晰。液晶屏内部采用了LED背光方式，并配置专用LED驱动芯片(MP1521)。将驱动芯片的3个反馈回路FB1、FB2、FB3短接，可提供更大的驱动电流来驱动LED背光灯，电路设计有过流保护功能。液晶屏亮度可通过驱动芯片亮度控制信号BRT的电压来调节。为了提高应用的灵活性，本设计将该电压设为固定电平。为了节省功耗，背光驱动电路接受来自于嵌入式微处理器LCD控制器电源使能控制信号LCD_PWREN。当LCD_PWREN高电平时，背光驱动电路被点亮工作；为低电平时电路关断，以便节省功耗。

液晶屏可以兼用触摸屏。它由横向电阻丝X和纵向电阻丝Y组成的4线电阻式触摸屏。嵌入式微处理器有8个模拟输入通道，其中通道7为触摸屏接口的X坐标输入，通道5为触摸屏接口的Y坐标输入。微处理器的4个信号nYPON、YMON、nXPON、XMON分别控制4个MOS管(S1、S2、S3、S4)的通断。嵌入式微处理器触摸屏控制器有X/Y位置分别转换和X/Y位置自动转换两种模式，本设计采用X/Y位置自动转换模式。

键盘采用3×7矩阵式键盘扫描方式连接，包括数字键0-9，*，#，BACK，SELECT，OK，四向，Power和接通等21个键，Power键和挂机键复用，用长按和短按方法区分实现，其余20个键利用键盘矩阵扫描方式实现。矩阵式键盘的3根纵向线分配于嵌入式微处理器普通输入输出接口，7根横向线分配于普通输入输出接口。键盘单独定制为键盘FPCB(柔性印制电路板)，与主板连接，采用20板对板连接器，软件去抖，背光灯和限流电阻均采用薄膜封装。键盘背光信号采用PWM(脉宽调制)，4个背光灯共用一组背光信号，由于每个背光灯额定电流5 mA，限流电阻值68 Ω。每组背光信号驱动电流为30 mA，4个背光灯需20 mA。

(4)二次测量数据计算 二次测量是通过一次测量所获得的数据进行计算获得。在嵌入式微处理器内计算包括体重指数(BMI)为：

其中：W 为体重(kg)；H 为身高(m)。

(5)数据采集 移动式监控仪通过触摸屏或键盘手工采集体重，以及自动采集血压和血糖等数据。采集周期通过触摸屏或键盘设置，并显示提醒。

(6)数据存储系统 包括1个128 MB的随机存储器RAM、1个128 MB的只读存储器ROM和1个SD存储卡。存储器芯片为Hynix S3C2410X。

(7)数据通讯 采用SIEMENS公司支持GSM/GPRS的MC35i手机引擎(Cellular Engine)，与嵌入式微处理器的连接如图4所示。嵌入式微处理器通过异步串行通信接口(UART)与MC35i中ZIF连接器的R232实现数据通讯，同时MC35i中ZIF连接器的SIM信号与SIM卡连接，确认移动式监控仪的身份。嵌入式微处理器通过MC35i的专用AT命令对该引擎进行控制和数据传输，并通过通讯单元向社区中央服务器发送所采集的生理参数数据和危险因素状态数据，或接收危险因素控制量数据等。

图4 通讯单元的数据传送Fig.4 Data transfer of communication unit

在发送数据时，嵌入式微处理器先将采集到的状态变量数据、危险因素数据提交给TCP/IP协议栈，TCP/IP协议栈根据目的地址和端口将这些数据封装成完整的IP数据包提交到PPP层，该IP数据包经PPP层封装之后，通过串口逐字节地提交至MC35i并向社区中央服务器发送。在接收数据时，MC35i首先将来自于社区中央服务器的接收数据逐字节地提交至PPP层，经PPP层将分散的各字节重组成一帧完整的IP数据包之后，再提交至TCP/IP层进行详细的处理。

社区中央服务器中的通讯单元可以与多台移动式监控仪的通讯单元进行通讯。各个移动式监控仪在TCP/IP协议栈中均设置有自己的目的地址，社区中央服务器根据移动式监控仪的目的地址来识别，实现与多台移动式监控仪的通讯。

4 结果与讨论

选择3例志愿者做状态控制验证性试验，男1例，女2例，年龄(52±12)岁。驻家监测血压和血糖，血压计为欧姆龙电子血压计HEM-7051，血糖仪为欧姆龙电子血糖仪HEA-214，每2周监测1次。3例验证例中，1例高血压用药者，1例高血压高危者，1例血糖高危者。在社区中央服务器中应用危险因素控制软件(RFCS)[5-6]进行状态控制分析，分别对3例受控者给出运动、饮食、吸烟、饮酒的限定量和需要量。目前，这3例受控者均不吸烟，饮酒只控制在偶尔聚会，并每次限定在200 mL红酒，运动控制在每天至少60 min的疾步，饮食严控盐6 g/d。

状态控制的核心是根据血压、血糖、心率、BMI的当前量和变化率分析，这种分析方法不但关注状态变量的当前值，而且关注未来趋势[7]，与传统慢性病防控只关注当前值的做法有很大不同。然而，状态控制需要提高数据的采样频率，采样频率越高，状态变量的变化率越接近即时，分析也越准确。但就目前慢性病防控来说，数据采样主要是依靠体检，要求受控人在规定的时间到规定的地点(医院)做体检，时间和空间受到了限制，大大降低了控制率。移动式监控仪可以将包括测血压、血糖、体重等简单体检延伸到家庭让受控者自己完成，一方面避免时间和空间受到的限制，另一方面减少了社区医师的检测工作，将主要精力集中到制定控制策略上来。因此，移动式监控仪是慢性病危险因素状态控制中的一个关键技术，需要继续发展。

[1]World Health Organization.Preventing chronic diseases: a vital investment [R].Geneva,WHO,2005.

[2]World Health Organization.2008-2013 action plan for the global strategy for the prevention and control of noncommunicable diseases [R].Geneva,WHO,2008.

[3]白雅敏,周敏茹,陈波,等.全国慢性病社区综合防治示范点基本情况调查[J].中国慢性病预防与控制,2007,15(1):3-6.

[4]包家立,汪蔷,朱朝阳.慢性病社区防治的无线反馈控制系统与方法: 中国,200910099498.0 [P].2009-12-9.

[5]汪蔷,朱朝阳,包家立,等.一种慢性病危险因素的二值控制及应用[J].仪器仪表学报,2011,32(8): 1788-1795.

[6]包家立,朱朝阳,汪蔷.一种慢性病危险因素社区防治的控制方法及其应用: 中国,200810164104.0[P].2009-5-27.

[7]毛连根,朱朝阳,包家立,等.一种血压反馈控制系统的状态分析方法[J].中国生物医学工程学报,2010,29(2): 259-264.