无人值守伤员监护定位系统研制与应用

潘晓东，费 军，张益明

无人值守伤员监护定位系统研制与应用

潘晓东，费 军，张益明

目的：为满足自然灾害应急救援现实需求，研制无人值守的伤员中央监护定位系统。方法：利用无线数据传输技术构建数据传输网络；利用生命体征采集技术，得到伤员的血氧、血压、心率等参数；利用无线定位技术，获取每名伤员和救援人员的位置信息；最后设计相应的监控软件与合理的算法，将伤员生命体征参数与位置信息、救援人员位置信息显示在服务器屏幕上。结果：该系统可以实时显示每一名伤员的生命体征信息以及所处位置，实现了救援地域伤员监护定位无人值守且能保存历史监控数据的功能。结论：该系统具有携运负担小、适用目标多的优点，可以满足救援现场对伤员进行监护定位的需要，可用于战场卫勤保障活动。

伤员监护定位；自然灾害救援；无线传感器网络

0 引言

从全球范围看，影响人类生存和安全的仍然是严重的自然灾害，主要包括地震、洪涝、雪灾、海啸、山体滑坡等[1]。面对灾害救援这一多样化的医疗救援任务，灾害救援医学装备建设成为救援任务能否顺利完成的关键。然而，目前除了总后勤部配发的特种车辆（如X线车、手术车等），大部分还是以民用装备为主，普遍存在体积大、质量重、环境适应性差等缺点。研制方便携带、体积小、质量轻、对环境要求低的仪器类装备，应该是应急救援卫生装备配备的方向[2]，特别是面对灾区大批伤员需同时救护甚至需要生命体征监护、部分伤员暂时不宜搬动等特殊情况。

无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）作为一种新型的网络技术，是物联网最重要的基础支撑技术之一，目前得到了广泛的关注[3]。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂制定范围内的目标检测和跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广泛的应用前景[4-6]。在医疗救援方面的应用可以包括对人体生理参数的无线监测、对医护人员与患者的追踪和监控，被看护对象也可以通过随身装置向医护人员发出求救信号。具体的实施方法可采取在监护地域范围内部署无线网络，患者根据需要携带无线传感器节点（如血压、呼吸、脉率等），通过此类传感器网络对患者的生理指标进行实时监测。

基于以上使用需求与技术背景，我院自行研发了无人值守伤员监护定位系统，以满足救援现场对伤员进行监护定位的需要。

1 系统组成及原理

无人值守伤员监护定位系统主要由伤员移动信息终端、无线数据传输网络、中央监控服务器、救援人员信息终端等部分组成，系统内的信息流程如图1所示。

1.1 伤员移动信息终端

伤员移动信息终端由生命体征参数采集单元、伤员主动呼叫单元以及数据通信单元组成。

1.1.1 生命体征参数采集单元

该单元由血氧饱和度监测模块和无创血压监测模块组成。

图1 系统流程图

1.1.1.1 血氧饱和度监测模块

利用指套式血氧饱和度监测仪进行改进设计，成为符合实际工作需求的血氧饱和度监测模块（如图2所示）。

图2 改进后的血氧饱和度监测模块

利用指套式血氧饱和度监测仪进行改进设计的原因在于，伤员由于异物压迫很有可能无法连接胸部导联，而指端相对来说便于连接，且指套式血氧饱和度探头不易脱落。

该类血氧饱和度监测仪采用光电式血氧饱和度仪作为基础，根据血液中的氧合血红蛋白和血红蛋白对光的不同吸收特性，通过2个发光二极管交替发射波长为660μm的红光和940 μm的红外光，经光电接收器转换成电信号。2种光线信号的直流和交流成分之比对应血液中的氧含量，通过测量脉搏波的波峰和波谷的吸光度变化计算得到血氧饱和度值，同时根据血氧脉搏波形计算脉率。

微处理器对获取的参数进行判断，如超出阈值范围，则发出报警声与报警信号。这些参数（包含报警信号）通过血氧饱和度监测仪自带的蓝牙模块与伤员移动信息终端进行数据交换。

为满足救援地域工作环境的实际需要（主要是可能的电磁干扰），课题组在指套式血氧饱和度监测仪的基础上加载由限流电阻、稳压管组成的限流、限压电路以滤除瞬时脉冲电压与瞬时脉冲电流，对后级电路进行保护；采用电阻、电容构成的低通滤波器滤除高频杂波，目的在于提高整体的抗电磁干扰能力。

1.1.1.2 无创血压监测模块

该模块利用臂式无创血压测试仪进行改进设计，原因在于，此类仪器技术可靠且测量准确，受外界干扰小。

以标准的臂式无创血压仪为基础，其工作原理称为振荡法。通过袖带的导气管将气压传导到压力传感器，在增加或减少静压的过程中，提取、放大动脉搏动引起的袖带内的气压波动并描绘其包络线，然后对包络线的几何形态加以分析。包络线最高点对应的静压为平均压，由平均压通过比值法或拐点法估算收缩压和舒张压。

标准的臂式无创血压测试仪工作需要人为触发（即需要手工按“开始”键），不适合实际使用需求。本系统采用555定时器组成的多谐振荡器与继电器组合构成自动定时开关电路，如图3所示。继电器J的1、2脚与振荡器的输出相连接。当1、2脚的输入为高电平时（即处于T1阶段），4、5脚断开；当1、2脚的输入为低电平时（即处于T2阶段），4、5脚短接。这样就起到开关一次，血压仪对伤员进行一次检测功能。0.5 s后，振荡器翻转，再次进入T1阶段，30 min后进入T2阶段，再次触发，周而复始。血压测试结果通过蓝牙端口与伤员移动信息终端进行数据交换。

图3 带自动触发功能的血压检测仪

1.1.2 伤员主动呼叫单元

在临床护理中，病房呼叫系统是患者经常使用以实现患者和护理人员有效沟通的基本工具，由安装在护士站的报警提示单元和设置在病床的呼叫单元组成。一旦患者在病房内按呼叫按钮，护士站的报警装置即发出声光提示信号，提示医疗和护理人员及时到病房处理医疗状况[7]。本文将此概念引入系统研发中，如需救援人员帮助，则按动信息终端上的按键发出报警信息。

伤员移动信息终端基于Android系统设计，应用界面如图4所示。通过蓝牙主动接收的方式接收2种生命体征参数，采集该单元采集的生理信号以及某项生理参数超出阈值或者参数采集单元脱落产生的报警信息，接收伤员主动发出的呼叫；终端自带定位单元（可以任意选取定位方式，现主要采用GPS、GPRS 2种，今后可以考虑使用北斗定位系统），可实时获取位置信息。在获取上述信息的同时，通过数据传输模块经由无线网络传输至中央监控服务器。

图4 伤员终端界面

为减少携运负担，各生命体征参数采集单元采用模块组合的方式，对部分无需血压监测的伤员只进行基础生命体征监测。

1.2 无线数据传输网络

（1）救援现场由于破坏严重或者区域的特殊性，无第三方无线传输网络（移动或者联通公司的2G、3G网络）可以使用，此时可自己建立无线数据传输网络。优点在于无额外网络费用产生，对展开地域无特殊要求。

在具体实施过程中，根据救援指挥部的指示精神，结合现场实际情况，对临时救援地域进行网络覆盖，工作频段采用2.412～2.484 GHz；无线覆盖区内可接通率保持在覆盖区的95%位置、99%的时间；无线覆盖边缘场强应≥-65 dBm。

网络系统主设备为交换机和无线访问接入点，1个交换机配2台室外无线访问接入点。接入点天线的安装应牢固，与周围环境协调，并且不能损毁其他设施。天线安装完毕后，对其进行防雷接地处理。

（2）救援现场有第三方无线传输网络（移动或者联通公司的2G、3G网络）可以使用，此时可以直接利用其进行数据传输。优点在于携运负担小，展开便捷。

1.3 中央监控服务器

中央监控服务器的功能主要包括以下4个方面：

（1）接收伤员端发送的伤员生命体征参数信息与位置信息，接收伤员体征参数超出阈值产生的警报，接收伤员发出的主动呼叫救援；接收救援人员的位置信息，接收救援人员解除警报的指令。

（2）显示伤员生命体征参数信息、伤员与救援人员的位置信息（如图5所示）。其中，数据A显示血氧饱和度监测模块采集到的数据，而数据B显示血压监测模块采集到的数据。

图5 无伤员生命体征参数超出阈值或者伤员主动发出的呼叫屏幕截图

（3）如监测到报警信息，则主动向救援人员（离伤员距离最近）发送伤员警报与伤员位置，实现无人值守监护的功能。

（4）保存伤员最近7 d的历史监控数据。

1.4 救援人员信息终端

救援人员信息终端（应用Android系统设计，终端界面如图6所示）用于接收目标伤员的位置，并在屏幕上显示自己与目标伤员的相对位置。主要功能包括以下4个方面：

（1）从监控端接收报警信息；

（2）显示本人以及异常伤员的位置信息；

（3）救援人员到位后，通过伤员终端报警取消按键（也为组合键）可解除警报。

（4）救援人员完成救援工作后，通过救援终端发出指令给中央监控服务器，可以接收下一个救援指令。

图6 救援人员终端界面

2 应用效果

救援队伍进入现场后，根据现场实际情况展开Wi-Fi无线数据传输网络或者直接利用移动公司的3G网络；在救援过程中，遇到有伤员需要使用监护终端的，如伤情复杂需要生命体征监护又被异物压迫无法动弹的，则根据需要协助其佩戴好生命体征采集单元，并指导使用主动呼叫报警及告知其他注意事项；服务器显示屏幕上将会显示如图5所示的监控界面，内容主要包括伤员体征信息以及伤员和救援人员的相对位置信息。

在监测过程中，如果伤员的某项生命体征参数超出阈值范围，生命体征参数采集单元的微处理器除了接收体征参数外，还根据预设值判断异常情况产生，促发声光报警；报警信息与体征参数一起封装后，通过蓝牙传输发送至伤员终端；伤员终端通过无线传输网络将所有信息（体征参数信息、报警信息、位置信息）传输至中央监控服务器；服务器获悉报警信息后，激活并放大伤员的信息内容，计算所有救援人员与该伤员的位置距离后，选择最近的救援人员发送警报以及与伤员的相对位置信息（如图6所示）；救援人员根据救援终端上的地图信息找到该名伤员，并解除救援警报；救援工作完成后，救援人员通过救援终端上的按键告知服务器救援工作已完成，可继续接收下一个救援指令，否则系统默认其为忙碌状态，如有其他伤员需要处理，不再发指令给他，而是选取另外的救援人员；监测过程中，如果另一个伤员也发出报警，则2个显示窗口同时高亮，且在放大窗口进行交替显示，同时再发送警报至救援终端。

3 讨论

该系统以Android信息终端、生命体征参数采集单元以及定位模块为核心，借助成熟可靠的2G、3G无线数据传输网络或者Wi-Fi无线数据传输网络，实现救援地域伤员监护定位无人值守且能保存历史监控数据的功能。

系统终端及其包含的生命体征参数采集单元、定位单元体积小、质量轻；所用的服务器使用移动计算机，可以直接使用移动网络进行数据传输；系统具有携运负担小、适用目标多的优点。

该系统也可用于战场卫勤保障活动，伤员到达后，将信息终端佩戴到伤员身上，并接好生命体征采集单元；终端把伤员的体征信息与位置信息传输给中央服务器，同时对伤员进行位置管理，有利于人员管控，防止意外事件发生。

[1] 饶叶俊，程晓斌，陈洪，等.重大自然灾害抢险救援行动卫勤保障特点与对策[J].解放军医院管理杂志，2011，18（3）：297-298.

[2] 费军，潘晓东.应急救援工作的卫生装备与技术需求[J].医疗卫生装备，2012，33（9）：102-104.

[3] 王汝传，孙力娟.无线传感器网络技术及其应用[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[4] Akyildiz I F，SU W，Sankarasubramaniam Y，et al.A survey on sensor networks[J].ComminicationsMagazine，IEEE，2002，40（8）：102-114.

[5] AkyildizIF，SUW，SankarasubramaniamY.Wirelesssensornetworks：a survey[J].Computer Networks，2002，38（4）：393-422.

[6]DavidEC，WEIH.Wirelesssensornetworks[J].ComminicationofACM，2004，47（6）：30-33.

[7] 曾凡，姬晓波，刘锋.基于WLAN的无线定位技术及其在医疗卫生行业的应用[J].医疗卫生装备，2014，35（7）：134-136.

（收稿：2014-03-04 修回：2014-08-20）

Development and application of unattended casualty monitoring and location system

PAN Xiao-dong,FEI Jun,ZHANG Yi-ming
（The 117th Hospital of the PLA,Hangzhou 310013,China）

ObjectiveTo develop an unattended casualty monitoring and location system for disaster relief.Methods Wireless data transmission technique was used to establish data transmission network,vital signs acquisition technique was applied to obtaining casualty parameters such as Sa（O2）,blood pressure and heart rate,and wireless location technique was employed to gain the position information of the casualty and rescueman.Monitoring software and algorithm were developed to display the information on vital signs and position on the server screen.ResultsThe system could display the information on the casualty's vital signs and position at real time,which realized unattended casualty monitoring and location as well as the storage of historical data.ConclusionThe system with high mobility and adaptability can be used in battlefield medical support.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（4）：44-47]

casualty monitoring and location;natural disaster relief;wireless sensor network

R318；R472.9

A

1003-8868（2015）04-0044-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.04.044

潘晓东（1978—），男，工程师，主要从事生物传感器应用方面的研究工作，E-mail：panxiao1386745@sina.com。

310013杭州，解放军117医院（潘晓东，费 军，张益明）

张益明，E-mail：hz117zym@163.com