便携式人体生命指征监测系统研发

杨耿煌，李 享，曹明哲，郑文栋

（天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津职业技术师范大学，天津 300222）

中国老龄化社会渐近，流行疾病年轻化趋势渐盛，以医院为中心的诊断治疗模式无法适应越来越多和越来越高的健康监护需求，而以社区医疗（含家庭和个人保健）为中心的模式必将是未来健康监护的方向[1]。远程健康监护这种新的医疗模式是一项非常重要的技术，且具有很多的优点：首先，它极大地方便了广大的病患者，尤其是一些特殊的人群，如行动不便的残疾病人和患慢性病的老年人，需要定期检查的孕妇和儿童，需要长期到医院复查病情的慢性病患者（如心脏病患者），远离医院交通不便的病人等；其次，这种新的远程健康监护模式也有效地降低医院门诊的工作负荷，使得医院门诊可集中精力于危急重症和疑难杂症，有效地配置和使用有限的医疗资源，为生活节奏紧张、时间紧迫的城市人提供了一个随时随地的家庭医疗保健。人们携带无线传感设备可以自由地移动，可以在熟悉的环境中时刻监护他们的生理参数而无需去医院[2-6]。这样不仅可以辅助治疗，还能在患者病情突然恶化时报警。医护人员可以在远端的监护中心观察病人的健康状况并提供实时的诊断和建议，也可以长期对病人进行监护。另一方面，对健康人群的远程监护，还可以发现疾病的早期症状，从而达到保健和预防疾病的目的。为此，本研究从社会需求出发，研发了低成本移动医疗与远程健康监护系统，以期解决人们需要的健康监护问题。

1 系统结构

本研究将综合电子信息技术、无线通信技术和生物医学技术，研究人体生理监测装置与生理信息集成与通信方法，从人们对社区或家庭健康监护的需求出发，基于掌上电脑、PDA或手机等无线移动终端实现远程健康监护，即根据监护的生理参数需求，开发分立的小型化装置，采集人体生理信号或参数，经由短距离无线通信技术，传送到无线移动终端，基于无线移动终端开发生理监护信息管理系统，实现心电、脉搏、血氧饱和度、血压等健康监护参数的数据存储、显示和信息处理，构建监护对象的生理监护体域网，并基于无线移动终端进行无线数据联网，建立健康监护对象体域网与监护服务器的远程数据交互，开发服务器端的健康管理系统，从而构建面向社区或家庭健康监护的低成本健康监护网络。健康监护网络结构如图1所示。

图1 健康监护网络结构图

本系统由3部分组成：健康监测装置、健康监护网络和相关通信协议。

1.1 监护终端

（1）采用自行研制的生理信号传感及前端调理集成芯片，研究心电、脉搏、血氧饱和度、血压等生理信号的传感、提取、传输或处理方法。

（2）结合微电子技术、电子信息技术和自动控制技术，研制便携式的生理信号采集与检测处理模块，实现穿戴式的生理信号传感和与数据采集。

（3）采用信号处理技术，研究心电图的各个波段特征参数提取方法以及心率、脉搏、血氧饱和度、血压等生理参数的测量方法。

1.2 健康监护网络

传统健康监护网络需要大量的硬件和软件支持，通信费用也较为昂贵。本系统采用由传感器构成独立的网络并将各种传感器汇聚到掌上电脑、PDA或手机等无线终端，再将体域网与外部其他智能单元数据通信，这样可以避免体域网内部通信造成的费用问题。系统的网络连接方式：

（1）采用技术成熟并具有价格优势的蓝牙技术，经由短距离无线通信，实现心电监测装置、血氧和脉搏监测装置以及血压监测装置与掌上电脑、PDA或手机等无线移动终端的数据通信。

（2）采用3G无线网络通信技术实现掌上电脑、PDA或手机等无线移动终端与健康管理服务器之间的网络通信，研究合理的网络拓扑结构，可靠、及时地实现生理监测装置到健康管理服务器之间的数据通信。

（3）基于数据库语言和计算机软件开发技术，开发基于无线移动终端平台上的人机交互界面，完成生理监测终端的参数设置、数据存储和显示，基于Windows操作系统开发服务器端的数据库和界面，实现远程健康管理。

1.3 生理监测装置、无线移动终端与健康管理服务器通信协议

在健康监护体域网内数据通信技术以及各个健康监护体域网之间的数据通信技术中，已经有直接与基础网络通信的方案，如欧洲MobiHealth项目采用2.5G与3G解决方案。在通信的高层协议中，IEEE 1073发挥着较大的作用。国内医疗监护过程中的数据管理模式多样化，本研究将简化复杂的协议内容，使之满足普通家庭用户的需求。这方面的研究主要包括以下方面：

（1）深入医院充分调研，参考医生对健康临床监护中的生理参数要求，根据常见健康监护参数，制定单一监护参数的子协议。

（2）综合各个监护参数的子协议，制定完整的生理监测装置与无线移动终端之间的通信协议，同时考虑监护内容的可扩展性，制定整体协议。

（3）根据生理监测数据完整性与可靠性的要求，根据无线移动终端的软硬件特点，制定完整的无线移动终端与健康管理服务器之间的通信协议。

2 硬件软件设计及检测结果

本设计中心电的传感部分由中国科学院半导体研究所研制的多种皮肤电极和低噪声多级放大及滤波专用集成芯片组成，对皮肤电极采用穿戴式设计；血氧饱和度传感器采用多芯片封装技术对双波长半导体发光器件LED和光探测器间以及集成专用信号处理电路进行高密度微型化的混合封装，降低器件的功耗和体积，进行小型化便携式或可穿戴改进，制作出方便连续监测的传感设备；心电图监测装置的信号采集与检测模块由带有液晶显示的监测盒组成，核心控制电路采用德州仪器公司（Ti）生产的嵌入式微处理器MSP430F5529；脉搏和血氧监测装置也由带有液晶显示的监测盒组成，其核心控制电路采用德州仪器公司（Ti）生产的嵌入式微处理器MSP430F439；无线远程传输模块选用美国安普德有限公司生产的内嵌意法半导体公司射频芯片的微型蓝牙模块，它采用内部天线设计，具有超低功耗、外围元件少等特点，该模块的供电电源由外部控制其通断，只在进行数据通信时被接通，对分立模块进行综合管理和智能化设置，大幅度降低了整个系统的功耗。

在软件设计上，移动终端采用基于安卓操作系统的智能手机或平板电脑，采用JAVA语言开发生理信息交互界面，并设计小型数据库，实现生理监测终端的生理信息管理；移动终端采用3G通信制式实现其与服务器的数据交互，通过高速率的无线网络实现实时的生理信息共享；采用Visual C++语言实现基于Windows操作系统的服务器界面，采用SQL Server实现生理信息数据库的设计和管理。

该产品可以实现人体心电数据的采集、数据上传和医嘱下达。通过手机上的镀银电极直接接触人的双掌、手掌与手臂或者手掌与胸部，即可采集标准单通道心电图，并经由手机公共无线通信网络传输到后台服务器进行诊断，并最终将诊断和相关的医嘱下达到手机上，为监护对象提供参考。实际采集信号如图2所示。

图2 便携终端检测结果示意

3 结束语

本文主要针对低成本健康监护网络心电监测终端、网络互联及网络协议进行研究，发现并较好地解决了以下问题：

（1）生理监测装置的信号采集是实施健康监护的根本，关键研究适合于动态监测的小型化低功耗生理信号采集模块，进一步集成各个功能模块，从而实现可靠的生理信号与参数监测。

（2）结合临床护理的经验，研究后续的生理信号分析方法，获取社区或家庭护理中常见突发性或慢性疾病在异常情况下，心电信号所表征的特征量，将采集分析出的特征量构建成专用数据库，从而可靠实现预警或报警。

（3）研究生理监测装置中通信模块与生理信号采集模块之间的无缝连接方法，特别是解决软件和功耗方面的冲突，实现监测装置与掌上电脑、PDA或手机的数据互联。

（4）开发的软件系统，实现了健康监测装置的网络化，重点研究开发了重要预警和报警信号的紧急传送方法。

［1］朱铭来，贾清显.我国老年长期护理需求测算及保障模式选择［J］.中国卫生政策研究，2009，2（7）：32-38.

［2］武利珍，张文超，程春荣.基于STM32的便携式心电图仪设计［J］.电子器件，2009，32（5）：946-949.

［3］武利珍.基于STM32的便携式心电图仪的设计与实现［D］.杭州：杭州电子科技大学，2009.

［4］张三军.基于DSP的便携式心电信号采集系统的研究与设计［D］.杭州：杭州电子科技大学，2009.

［5］彭飞武，熊平，蔡晓珠，等.论心电信号检测中的噪声与干扰及其消除方法［J］.医疗卫生装备，2007，28（9）：72-74.

［6］王陈海，吴太虎.短距离无线通信技术发展及在医疗监护中的应用［J］.医疗卫生装备，2008，28（1）：30-34.