ICU远程监护系统

秦文杰

（江苏科技大学电气与信息工程学院，江苏苏州，215600）

ICU远程监护系统

秦文杰

（江苏科技大学电气与信息工程学院，江苏苏州，215600）

随着信息化时代的飞速发展，医院的理念和服务将相应改变。利用计算机技术和网络技术等现代科技的先进成果，改善传统的医院病房监护系统势在必行，智能化的医院病房监护系统的实现使住院患者，尤其是重危病人的康复更加安全有效。本系统以STM32F103ZET单片机为基础，利用GSM、TFTLCD、Pulse sensor等模块并结合激光虚拟键盘构建了新型病房监护和医疗办公系统，并验证了系统的可靠性和稳定性。

医疗办公；STM32F103ZET；GSM；TFTLCD；激光虚拟键盘

1　课题的背景和意义

ICU对危重病的治疗以及原发病的治疗创造了时机和可能性，使原来一些治疗效果差或无法治疗的疾病得到有效的控制和满意的治疗。

但是在智能化和人性化的新型病房监护和医疗办公系统的发展仍然几乎处于空白状态，与国际先进水平差距较大，可以预见未来国内的新型病房监护和医疗办公系统市场需要一定十分可观。正因为以上所述原因，我们才把眼光投向它，对ICU监护系统进行研究与开发。

2　系统硬件组成及设计

2.1激光虚拟键盘

然而随着经济的发展和社会的进步，人们对医疗系统卫生条件要求日益苛刻，而在传统的医疗办公系统一直使用容易滋生细菌的机械键盘。另外，传统键盘体积庞大、携带不便，无法满足移动终端对输入设备的需求，因此需要设计一款具有体积小、便于携带、操作方便的虚拟键盘设备，来代替传统的机械式键盘，该虚拟键盘设备需要满足： ①高亮度，可以在正常室内照明环境下，显示出清晰的键盘图像； ②高稳定性和安全性，可长时间稳定运行，不会对人体造成伤害； ③低成本，便于推广这三个方面的要求，从而替代传统的机械式键盘。本系统所采用的激光虚拟键盘采用光投照技术，几乎能在任意平面上投影出全尺寸的电脑键盘，可方便地进行电子邮件收发、文字处理及电子表格制作，完全可以代替传统的机械键盘满足医疗办公系统的日常工作要求。

2.1.2激光虚拟键盘结构和工作原理

激光虚拟键盘主要由线性不可见激光发射器、摄像头采集器、键盘投影模组三部分组成，如图1所示。

图1　虚拟键盘图

在任意漫反射表面，通过红色波段的激光器透射刻有键盘图像的光栅，投影出电脑键盘图像，当用户“点击”投影出的键盘图像的某个按键时，通过红外摄像机捕捉键盘图像区域内的图像信息，利用图像处理技术识别出“点击”动作发生的位置坐标，然后将上述坐标转换成键盘平面的正交坐标系的位置信息，确定按键命令，实现与机械式键盘同样的功能，工作流程如图2所示。

图2　激光虚拟键盘工作流程

2.1.3 键盘功能的实现

2.1.3.1键盘输入事件的识别

虚拟键盘是基于三角测距原理，通过投射激光对目标物体进行检测。测距过程中，通过一束激光照射目标物体，反射光被摄像头捕捉到，利用三角测距原理，求出目标物体中被线激光照亮部分的坐标信息。在线性激光测距中，通过三角关系容易求出被激光照亮部分，相对于激光发射口为原点、位于线激光组成平面内的坐标P（x， y）。在本系统中，激光组成的平面可以等效于与桌面平行，故可以认为坐标点P（x， y）是位于桌面平面的，如图3所示。

图3　手指空间坐标检测示意图

2.1.3.2摄像采集器镜头扭曲矫正

在本系统中，实际使用为广角摄像头，与普通摄像头相比，广角摄像头采集图像具有中心偏大，两侧偏小的特征，如图4所示。

图4　广角镜头采集的图像效果

2.1.3.3图像兴趣点提取

通过调用OpenCV 库函数中的cvFindCoun- tours，对摄像头中的光斑进行提取，通过提取光斑获取图像的兴趣点，由于环境中光线的变化，因此存在高斯噪点，可以通过增加权重的方式来减少误判，提高系统识别图像兴趣点的精度，采集窗口如图5所示。

图5　图像兴趣点采集窗口

2.2心率传感器

2.2.1心率传感器模块简介

光电式脉搏传感器作为是根据光电容积法制成的脉搏传感器，通过对手指末端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。光电式脉搏传感器具有结构简单、无损伤、可重复好等优点。根据光电容积法原理，从改善光源、消除景光噪声、电磁屏蔽和提高信噪比四个方面出发，研究改进方法，对提高使用的灵活性和准确度有着重大意义。通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并用单片机技术进行数据处理，实现智能化的脉搏测试技术。

2.2.2心率传感器原理

人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血流压力以波的形式从主动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波称为脉搏波。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。

根据郎伯-比尔（Lambert-beer）定律，物质在一定波长处的吸光度和它的浓度成正比，当恒定波长的光照射到人体组织上时，通过人体组织吸收、反射、衰减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。血液是高度不透明的液体，光在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍。一般情况下，当光子穿越介质时，因能量被吸收而导致的强度衰减可描述为：

式中是入射光强，是与组织结构相关的吸收系数（哺乳动物的值在0.1至100之间），是沿光轴方向的坐标长度。

脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖，组织中的动脉成分含量高，而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。

手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液组织的光吸收量是恒定的，而在血液中，静脉血的搏动相对于动脉血是十分微弱的，可以忽略。因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的，那么在恒定波长的光源的照射下，本设计利用透射式的测量方法，通过检测透过手指的光强可以间接测量到人体的脉搏信号。

本系统所采用的心率传感器是星辉电子产的Pulse Sensor主要包括信号采集和处理电路、单片机系统及显示电路两大部分，Pulse Sensor的外观与引脚如图6所示，其中S表示脉搏信号输入端。

图6　Pulse Sensor外形图

3　系统软件设计

3.1系统主要函数介绍

3.1.1主函数的设计

系统主函数void main（）的开头首先对单片机和按键、LED、LCD显示屏和串口等外围器件进行初始化，初始化完后进入死循环，保证系统的连续运行。在主程序的设计中通过按键选择进入家属信息告知界面还是进入体征监测界面，即分别调用通讯函数和监测函数，其中按KEY0进入家属信息告知界面，按KEY1进入体征监测界面，主函数流程图如图7所示。

3.1.2通讯函数的设计

通讯函数同样通过按键选择通话界面和信息界面，按KEY0进入通话界面，按KEY1进入信息界面。在通话界面，可直接通过触摸屏按键拨打号码，而在信息界面也是通过按键选择由办公PC发送信息和发送界面。另外通讯还可以通过按KEY_UP键返回上级菜单，并能监测SIM卡是否工作正常。通讯函数的流程图如图8所示。

3.1.3监测函数的设计

在按KEY1进入体征监测界面后，系统自动执行监测函数。此时，将手指放在心率传感器，打开上位机通过Processing窗口可以观察到心率图，同时LED灯闪烁的频率随心率的变化而变化。

4　总结

该系统的设计改善了传统的医院病房监护系统，其主要特色为以下几点：（1）以采用心率监测与上位机心率波形图相结合的方式替代数据库的方式构建的心率监测部分，增强了系统的实时性与心率监测的直观性。（2）考虑到家属联系的方便性以及可靠性选择可实时更换联系号码的方式构建家属联系系统。（3）在本系统设计成本可以承受的情况下，我们选用了卫生条件更高的激光虚拟键盘配合GSM和TFTLCD模块实现信息的交流和公布，而弃用了容易滋生细菌和难以清理的传统机械键盘。

ICU remote monitoring system

Qin Wenjie
（College of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Suzhou 215600，China）

With the rapid development of the information age， the concept and the service of the hospital will be changed. Use the advanced achievement of modern science and technology such as computer and network technology， it is inevitable to improve traditional hospital ward monitoring system，intelligent hospital ward monitoring system makes hospitalized patients，especially critically ill patient rehabilitation more safe and effective.On a single chip STM32F103ZET based，using GSM，TFTLCD，pulse sensor and other modules of the system combined with virtual laser keyboard to construct the new ward care and medical office system，and validates the reliability and stability of the system.

medical office；STM32F103ZET；GSM；TFTLCD；laser virtual keyboard

图7　主函数流程图

图8　通讯函数流程图

秦文杰（1995-），男，江苏南通人，江苏科技大学在校本科生

［1］ Rafael C Gonzalez， Richard E Woods. Digital image processing ［M］. 2nd ed. New Jersey： Prentice Hall，2002.