基于无线网络的居家养老医疗系统设计

基于无线网络的居家养老医疗系统设计

0 引言

从2009年开始，我国老龄化进入快速发展阶段，再过10～20 a将迎来老龄化高峰。养老服务已经成为重大的社会问题[1]，如何保证这些高危群体的生命健康，最大限度地提高其生活质量，是当今我国面临的严峻课题。

目前，我国家庭养老功能日益弱化，政府养老服务供给不足、质量不高，不能满足老年人日益增长的服务需求。居家养老服务是指政府和社会力量依托社区，为居家的老年人提供生活照料、家政服务、康复护理和精神慰藉等方面服务的一种服务形式。它是对传统家庭养老模式的补充与更新，是我国发展社区服务、建立养老服务体系的一项重要内容。全面推进居家养老服务，是破解我国日趋尖锐的养老服务难题，切实提高广大老年人生命、生活质量的重要出路。

本文以居家养老为基础，依托无线网络通信，就医疗保障方面设计了一套系统，为居家养老服务。文中以智能手机和平板计算机等多种智能移动终端为接入，实现用户心电、血压、体温、血氧、血糖等医学指标的医疗监护和告警以及用户电子病历档案的管理功能等。

1 系统结构设计

1.1 系统总体框架结构

该系统综合应用现代物联网技术、无线医疗技术、计算机技术、移动互联网技术，由4大部分组成（如图1所示[2]）：可穿戴式带有蓝牙（Bluetooth）模块的无线心电仪、血压计、血氧仪、血糖仪等便携式医疗设备组成的健康数据采集部分；老人随身携带的智能手机、平板计算机等设备组成的移动终端；宽带、报警系统组成的通信网络；社区医疗系统和数据库等组成的服务终端部分。

图1 居家养老医疗保障系统

该系统具有老人主动报警和社区医疗系统根据老人的体征参数判断报警的双重报警功能，其工作流程是：无线蓝牙采集模块把采集的健康数据传送给老人随身携带的移动终端（智能手机或平板计算机），移动终端以3G移动或GPRS通信网络把数据传输到因特网（如有老人紧急呼救，直接拨打报警电话），最后传送到社区医疗系统。社区医疗系统根据老人的体征参数给出健康评估，如发现异常或需施救，就紧急报警和通知中心医院，并通过手机短信或者语音告知家属。

1.2 数据采集采用无线蓝牙通信

蓝牙是无线数据通信的全球规范，是远程医疗中研究的热点。它功耗较低、芯片体积小、速率相对较高。通过表1[3]的全方面比较，考虑到该系统的移动终端主要是支持蓝牙的智能手机和平板计算机，所以采用蓝牙作为社区医疗系统最科学、最便捷、低成本的接入方式。以目前比较常见的蓝牙2.0为例，其数据传输速率在1～2 MB/s，已足够穿戴式医疗设备的数据通信使用。另外，高速蓝牙标准正在发展，其在便携式无线医疗设备中有较好的应用前景，且为该系统留下了很大的升级拓展空间。

表1 各种无线通信方式传输参数比较

2 心电及腕带模块设计

该系统的采集模块不仅有心电模块，还有腕带（血压、脉搏、体温）、血氧、血糖、呼吸等各种人体重要的生理参数采集模块，本文限于篇幅，只详细叙述其中的心电、腕带采集模块。

2.1 心电模块

心电模块重点监测老人的心脏活动状态，是该系统的重要组成部分。

2.1.1 心电模块设计要求

可穿戴医疗系统的心电模块的芯片要基于低成本、低功耗、高速率无线通信才易于接受。心电传感器采用穿戴胸带式的可重复使用导电橡胶电极，老人没有医生的帮助也可以轻松方便地穿戴。橡胶电极能够随形紧贴皮肤，既柔软又舒适，采集效果还好；橡胶材质符合医用要求，对身体没有副作用；心电主机卡扣在胸带上，主机轻巧，适于佩戴；省去了导联线的连接，增加了可靠性并减少了干扰；采用大容量电池，能够提供长时间的心电监测[4]。

2.1.2 心电模块的硬件设计

心电模块主要由单导联BMD101芯片、蓝牙模块（HC-06）和电源模块等组成（如图2所示）。其中BMD101是Neurosky（神念科技）的第三代生物信号监测和处理芯片，具有先进的模拟前端电路和强大的数字信号处理结构，可以完成各种数字滤波运算、R波的提取以及心率和心率变异性的计算。它可以采集μV～mV的生物信号，然后经过Neurosky的专利算法处理。

图2 心电模块系统框图

BMD101是现存世界上最小的心电SOC芯片（面积仅为3 mm×3 mm）。其精度高、功耗低，外围无器件，具有极低的系统噪声和可控增益，使用16位高精度ADC模拟数字转换器。其模拟前端还包含一个监测电极脱落电路。

BMD101的核心是一个功能强大的系统管理单元。它负责整体系统配置、运行管理、内外通信、专有算法计算和电源管理。另外，BMD101还配有固化DSP数字信号处理模块来加速对系统管理单元监控下的各种数字滤波的计算[5]。

蓝牙系统采用HC-06模块，由蓝牙芯片CSR BC4和8MB FLASH组成。

2.2 无线腕带模块

无线腕带模块实时监测老人的健康状态，由外壳和芯片装置组成。外壳由特殊医用材质制造，不会刺激皮肤或使老人感到不舒适。外壳由表带和表头部分组成，表带的松紧度可自由调整，表头内置芯片装置。芯片装置由传感器、GPS定位芯片、单片机控制、无线蓝牙、电池模块等组成。

2.2.1 无线腕带模块主要功能

（1）健康状态监测：该功能通过腕带上的传感器实时监测老人的血压、脉搏、体温等关键生理参数，并传输给移动终端。

（2）GPS实时定位：可以主动对老人所处的位置进行定位追踪，便于救援人员第一时间到达现场，保障老人的生命安全。

（3）警报和通信：该功能用于老人与社区医疗终端进行通信，当佩戴腕带终端的老人需要服务时向社区医疗终端发出呼叫信息。

（4）ID身份信息：ID号是老人的电子身份号，老人的信息包括姓名、年龄、性别、家庭信息（家人、联系方式、家庭住址等）、病历档案等[6]。ID信息在给老人佩戴腕带之前存储到腕带内，腕带内的数据与计算机中的数据同步。

2.2.2 无线腕带健康状态监测硬件设计

无线腕带健康状态监测由脉搏传感器、血压传感器、体温传感器、微处理器（MSP430F149）及无线传输模块（HC-06）等组成（如图3所示）。微处理器MSP430F149是美国德州仪器（Texas Instruments）公司的一种新型的混合信号处理器，具有16位总线，外设和内存统一编址，有1个14路的12位模数转换器（ADC12）和大容量的存储空间（60 KB Flash ROM和2 KB RAM），2路USART通信端口、2个16位定时器、硬件乘法器，串行在线编程，低电压、超低功耗，能完全胜任现设的几路传感器数量，并且可扩展空间大[7]。

图3 无线腕带健康状态监测框图

体温测量选用美国达拉斯（DALLAS）公司生产的DS18B20温度传感器。DS18B20的工作温度是-55～+125℃，测量精度为±0.5℃。DS18B20与MCU接口采用单总线接口，可把温度信号直接转换成串行数字信号供MCU处理，仅需一根线读写，因而使用DS18B20使系统结构更简单、可靠[8]。

脉搏传感器选用合肥华科电子技术研究所研发的HK-2000B型脉搏传感器。该传感器是软接触式的无创伤脉搏传感器，它采用高度集成化工艺将力敏元件、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器模块中。HK-2000B型脉搏传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、柔性好、频率响应广、性能稳定等特点。

血压测量采用无袖带腕表式血压监测器。腕表式血压监测器不需要充气，通过监测脉搏波沿手部动脉的传播速度来计算血压，这种血压计使医生能详细了解佩戴者的血压变动，及时发现异常状况，最终将有可能利用这些数据来预测心脏病患者的发病时间。

3 社区医疗管理系统总体功能

作为社区医疗管理系统，软件支持多用户账号的管理和使用、健康评估、紧急急救等功能以及与网络服务器的实时交互。

3.1 用户档案管理

该系统为需要服务的老人维护一个用户账号，老人或亲属也可以以此账号访问社区医疗管理系统。社区医疗管理系统用用户名和密码来区分不同的老人以提供服务，为每一个用户账号保存其用户配置和监测信息。用户可以随时更改自己的某些配置信息以及查看自己的相关测量记录。

3.2 健康评估、健康教育

健康评估就是软件系统利用测得的生理参数，结合现有病历进行整理、分析，形成当前健康状态、发展趋势及可能出现的结果等诸多方面的判断。健康评估系统以评估报表的方式向老人及其亲属提供评估结果和健康改善意见，为老人提供健康管理服务。鼓励和帮助老人纠正不健康的行为习惯，制订个性化的健康措施。同时，系统还为老人提供膳食和运动方面的建议，增强其健康意识，降低疾病风险，并对个人健康干预的效果进行评估。

健康教育包括膳食、运动、心理、生活方式等与健康相关的知识。此模块主要提供与健康有关的各方面的信息，使老人提高健康保健的意识，自觉关注自身的健康状况，积极采取改善建议，从而达到良好的干预效果[9-10]。

3.3 急救机制

利用所测得的老人体征数据和腕带的GPS模块，系统建立基于用户健康状况同时包含用户位置的告警机制。在本地和远端服务器都产生相应的告警行为，达到紧急急救的目的。并且依托于智能手机平台，还可以扩展出短信模块和电话模块，增加收发短信和拨打电话的方式，进一步完善告警策略。

告警急救机制的加入可使老人的状况发生突变时得到及时救治的几率更大，使得社区医疗系统确实起到监测、急救的作用，大大提高了救治成功率。

4 社区医疗服务器设计

医疗服务器主要包括数据库和Web服务器，系统的扩展性很重要。一方面，需要与老人的传感器、手机终端实时通信以获取监测信息；另一方面，需提供老人及其亲属、医护人员以及管理员的用户终端。针对老人及其亲属的Web用户端主要用于查看老人的账户信息以及对用户配置参数进行相应的修改，医护人员Web用户端则可以进行老人的电子病历查看、实时体征数据查看和诊断等活动。

5 应用效果

笔者对本单位小区56位老人进行应用检测。他们的情况为心血管病患者34人（高血压病患者26人）、糖尿病患者4人、中风偏瘫患者1人、老年

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）痴呆患者1人，最小51岁，最大87岁，平均69岁。历时6个月，结果显示：发生警报21例（心脏骤停1例、急性心肌梗死1例、心力衰竭3例、高血压10例、体温异常5例、误报1例），发现新病患者并确诊6例（冠心病2例、老年窦性心动过缓1例、心房颤动1例、高血压2例），GPS定位2例，服务通信243人次，医疗数据信息372人次，用户查询112人次。

综上情况，该系统能够及时、准确地对心血管病患者进行心电的检测，对高血压患者及身体异常的老人进行及时提醒和救助，能够发现并确诊新病例，定时形成健康评估报告，达到预期的目的。

6 结语

本文重点介绍了一种居家养老系统在医疗保障服务方面可行方案的分析与设计。该系统中融合多种接入方式的无线医疗服务，基于智能手机和平板计算机等，给家中需要进行健康护理的老人使用，简单易用，便于推广。而其可移动监护性和实时性，更能为需要急救的老人争取宝贵的时间，大大提高救治成功率。希望居家养老医疗保障系统为当前日益激化的养老问题贡献出一份力量，方便老者，同时也能使人们的生活质量越来越好。

[1]方勇军，骆星九，邓亲恺.监护仪在社区医疗模式中的发展与应用[J].医疗卫生装备，2013，34（1）：86-87，113.

[2]刘耀东，王明宇，杨吉江.基于无线网络的远程健康管理与急救系统设计[J].计算机技术与发展，2012，22（3）：129-132.

[3]黄进，王磊，张元亭.基于可穿戴式医疗系统芯片的无线收发器[J].中国生物医学工程学报，2009，28（4）：581-583.

[4]刘晨亮，师丽菊.基于CC430的无线胸带式心电采集终端[J].电子世界，2011（10）：33-36.

[5]林金朝，李国军，陈志勇，等.可穿戴式生命体征监护设备的研制[J].传感技术学报，2009，22（5）：632-638.

[6]王震，刘智斌.基于物联网的养老院管理系统设计与实现[J].计算机与现代化，2012（6）：77-80.

[7]贾灵，王薪宇，郑淑军.物联网/无线传感网原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011：45.

[8]黄晓东，陈怡彬，黄小贤，等.基于ZigBee的远程心电监护系统设计[J].医疗卫生装备，2013，34（4）：7-9.

[9]曾庆勇.物联网系统在社区医疗服务中心的应用分析与设计[J].微型计算机应用，2012，28（1）：24-25.

[10]赵秋芬，黄岳山，吴效明.基于.NET的社区医疗服务平台的设计与研究[J].医疗卫生装备，2013，34（4）：50-51，87.

（收稿：2013-09-22 修回：2013-12-26）

杜新峰，秦 燕

目的：设计基于无线网络的居家养老医疗系统，为国内日趋尖锐的养老问题服务，提高老年人的生命及生活质量。方法：利用无线蓝牙、3G移动或GPRS通信网络，把传感器检测的健康状态参数传输给社区医疗系统，实现用户心电、血压、体温、血氧、血糖等医学指标的医疗监护和告警以及用户电子病历档案的管理功能等。结果：该系统实现了老年人健康状态参数的检测，保护了老年人的生命安全。结论：该居家养老医疗系统的实现，可为进一步提高居家养老的医疗服务水平和构建智能社区提供参考，并可缓解人口老龄化带来的矛盾。

无线网络；居家养老；社区医疗系统；健康评估

Design of home-based medical care system for aged based on wireless network

DU Xin-feng1,QIN Yan2
（1.Department of Medical Engineering,Guilin Sanatorium of Guangzhou Military Area Command,Guilin 541003, Guangxi Zhuang Autonomous Region,China;2.Department of Medicament,Guilin Sanatorium of Guangzhou Military Area Command,Guilin 541003,Guangxi Zhuang Autonomous Region,China）

ObjectiveTo design a home-based medical care system based on the wireless network to improve the living quality of the aged.MethodsWireless Bluetooth,3G mobile network and GPRS network were used to transmit the physiological data obtained by the sensors to the community medical system,and the monitoring and alarming could be realized for the indexes on ECG,blood pressure,body temperature,SaO2and blood glucose.The electronic medical records could be also managed by this system.ResultsThe system could implement the detection of the physiological data of the aged.ConclusionThe system lays a foundation for intelligent community and home-based medical care for the aged.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（10）：39-41，55]

wireless network;home care;community health care system;health assessment

R318；TP311.13

A

1003-8868（2014）10-0039-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.10.039

杜新峰（1979—），男，主管技师，主要从事医疗装备维修、管理等方面的研究工作，E-mail：13768135495@163.com。

541003广西桂林，广州军区桂林疗养院医学工程科（杜新峰），药剂科（秦 燕）