穿戴式智能健康监测与诊疗指导系统研究设计*

徐越斌 韦 哲 陈 韬

近年来，我国医疗卫生事业发展迅速，但仍然存在公共卫生医疗资源总量不足、优质医疗资源分布不均以及预防与监测重大疾病的有效监控体系不够健全等问题。目前，高血压、冠心病及糖尿病等慢性常见多发病的发生率呈逐年上升趋势，而许多患者因地域条件所限，发现不及时、治疗不得当而延误诊治[4]。随着世界信息化技术的发展，传感器技术、移动通信技术和物联网技术日趋成熟，使得人体体征信息实时监测和对患者实时远程诊疗指导成为可能。本研究使用先进的传感器技术、移动通信技术和物联网技术，设计一套穿戴式智能健康监测(看护)与诊疗指导系统，实时监测佩戴者的体征数据，对慢性病的发作进行预警，并支持远程诊疗指导功能。

1 穿戴式智能健康监测与诊疗指导系统

该系统需要实时采集佩戴者的体征信息，发送至远程云数据平台，供医生查阅并进行实时指导，从功能上可将系统分为穿戴式、远程云数据平台和医生指导三个子系统。

1.1 穿戴式子系统

穿戴式子系统可保存佩戴者的身份识别(ID)、姓名、性别、年龄等主要信息；可采集佩戴者的心电、血压、体温和脉搏4项主要生命体征，采集血糖及血氧饱和度等特殊指标，并对异常指标数据进行报警；可对患者进行定位，将以上数据无线发送至远程云数据平台模块，与医生指导模块进行双向语音通信。

1.2 远程云数据平台子系统

远程云数据平台能够对穿戴式模块和医生指导模块进行支撑，实时接收和保存穿戴式模块佩戴者的体征信息，存储佩戴者既往的疾病诊断、病历、检查和检验相关数据，并提供给医生指导模块实时调取，接收并存储医生指导模块发送的病历数据。

1.3 医生指导子系统

医生指导子系统能够无线登录远程云数据平台，查阅穿戴式模块佩戴者的相关病历资料以及实时体征数据，且能与穿戴式模块进行双向语音通信，新增并编辑病历数据，并发往远程云数据平台进行保存。

2 穿戴式智能健康监测与诊疗指导系统设计

根据本研究对3个子系统以及各子系统之间的通信功能进行设计，各系统功能结构如图1所示。

图1 系统功能结构框图

2.1 穿戴式子系统设计

(1)以物联网技术、自动控制技术为主要手段，整合微传感器，对心电、血压、体温和脉搏4项主要生命体征进行采集，并将4个微传感器输出的电压信号，经模拟数字转换器(analog digital converter，ADC)转换为数字信号，在数字化的同时对电路进行优化，合并冗余电路，控制穿戴式终端的体积[1-10，16，17]。设置阈值，集成报警器，对异常体征信号报警。集成全球定位系统(global positioning system，GPS)定位技术、对佩戴者进行定位。

(2)采用mini-SD卡作为穿戴式子系统的本地存储器，存储佩戴者的ID、姓名、性别、年龄等主要信息，采集其体征数据和位置数据。

(3)采用蓝牙、WiFi无线传输技术，手机3G和(或)4G无线传输技术，周期性地将佩戴者的基本信息、体征信息以及位置信息发送至远程云数据平台，对语音通信的支持也由手机3G和(或)4G无线传输技术实现[6，8，14-15，17]。

2.2 远程云数据平台子系统设计

系统设计以兰州总医院为信息服务中心，搭建基于云计算的医学信息监测与分析平台，参照医院现有的医院信息系统(hospital information system，HIS)的主体框架并进行简化，建立长期和系统的健康数据档案，同样采用internet网络传输技术和手机3G和(或)4G无线传输技术，实时接收、存储穿戴式子系统发送的佩戴者信息，使用网络服务(Web Service)技术对穿戴式子系统和医生指导子系统进行支持[5-6]。

Web Service技术能使运行在不同机器上的不同应用无须借助附加的、专门的第三方软件或硬件，即可相互交换数据或集成数据。依据Web Service规范设计的各应用程序相互之间，无论其使用何种语言、平台或内部协议，均可相互交换数据。Web Service之所以容易部署，是因为其基于常规的产业标准以及技术，诸如标准通用标记语言下的子集XML、超文本传输协议(hyper text transfer protocol，HTTP)。Web Service可为整个业务流程的集成提供通用机制，远程云数据平台子系统完全参照Web Service规范进行设计[11-12，15，17]。

2.3 医生指导子系统设计

由于服务端使用了Web Service技术，因此医生指导子系统的设计只需用普通浏览器和远程登录服务器，即可从远程云数据平台实时获取佩戴者的各种数据，支持电脑、ipad及手机等多种客户端。同时，医生指导子系统以Android WebView技术为核心，开发Android应用程序对手机登录进行特殊支持，使远程调取数据更加便捷。在诊疗指导方面，医生指导子系统设计使用Internet网络传输技术和手机3G和(或)4G无线传输技术，传输音频信息，实现与佩戴者的语音通信[10，12，15，18]。

2.4 通信子系统设计

穿戴式子系统能够使用两条通路将采集到的生命体征参数发送到远程云数据平台进行深入分析，并接收分析结果和医生反馈的指导信息。通信子系统的两条通路设计如下。

(1)通路1。Internet网络，以蓝牙、wifi等无线传输技术为手段，周期性地将采集到的生命体征参数发送至电脑等Internet网络终端，同时支持USB接口手动拷贝，由电脑通过Internet网络与医学信息平台连接，完成生命体征参数的发送与反馈工作。

(2)通路2。手机3G和(或)4G无线传输，内嵌手机3G和(或)4G无线传输技术与远程云数据平台以及医生指导子系统相连接，实现生命体征参数的发送与反馈。

(3)智能预警功能采用自动控制技术实现，当生命体征参数超过阈值引起预警时，生命体征智能监测终端自动启动蓝牙和WiFi，同时尝试通路1和通路2的两条通路，连接医学信息云平台和医院专家的智能手机，显示生命体征值，并可高亮度标出预警参数，自动开启远程互动功能。

3 穿戴式智能健康监测与诊疗指导系统测试

3.1 系统测试程序

编写系统测试程序，使用穿戴式子系统对佩戴者的心电、血压、体温、脉搏和位置数据进行采集，在服务器端进行调取，以确定设备的适用性，其测试界面可显示基于微传感器的穿戴式子系统可以采集并传输佩戴者的体征和位置信息(如图2所示)。

图2 数据采集结果界面图

3.2 系统验证

为了验证穿戴式智能健康监测与诊疗指导系统所采集体征和位置信息的准确性，本研究于2017年8月21-25日，选取100例在兰州总医院消化内科一病区就诊的患者纳入本研究，并将其分为观察组与对照组，每组50例。观察组患者佩戴该系统，采用10套样机，每日采集10位患者的体征信息；对照组患者采用医院现有医疗设备以及定位设备采集体征信息，比较两组体征和位置信息。两组患者体征血压、体温和心率采集数据比较，差异无统计学意义(x2=13.16，x2=33.56，x2=56；P＞0.05)，见表1。

表1 穿戴式子系统佩戴者体征和位置信息对照比较

本研究结果显示，观察组血压、体温和心率(脉搏)的数据与对照组数据P值皆＞0.05，表示本系统采集的体征信息与医院现有医疗设备采集结果基本一致，本系统的位置信息来自于可穿戴设备集成的GPS导航系统，对照组的位置信息来自于智能手机集成的GPS导航系统，对照结果完全相同，故本系统性能符合要求，并达到预期试验目的。

4 结论

本研究设计开发的基于微传感器的穿戴式智能健康监测与诊疗指导系统，可以采集佩戴者的心电、血压、体温、脉搏和位置信息，并发送至远程云数据平台进行保存，医疗专家可以通过浏览器或者手机APP与佩戴者互动，进行诊疗指导，经测试试验证明，本系统能够达到预期设计标准，且性能稳定。

随着科技的不断进步，高新技术层出不穷，源源不断地为医疗事业的发展提供着动力，课题组下一步将进一步拓展和完善体征采集和数据交换功能，并进行推广使用。

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