战场救护与远程医疗系统研究

□文｜翁兴伟 陈卫东 薛梦琪 孔冰 杨磊 李磊

(作者单位： 西安思源学院)

本项目属于远程医疗技术领域，涉及一种战场救护与远程医疗系统及其控制方法。目的：提供一种战场救护与远程医疗系统，以解决我国在战地救治方面的空白，士兵远程治疗难的问题。方法：基于无线传感器网络和ZigBee数传模块,对战场医疗救护信息采集系统的内外部网络结构、软件模块流程、系统模型、硬件构成等进行了研究设计。结果：该系统能在400米以内依靠心电、温湿度等传感器实时监控士兵的监测生命体征,并使用ZigBee模块实现无线回传数据，掌握战场和士兵各种信息。结论：该系统具有成本低、便携性、易操作、信息传递稳定等优势特点,在战场上对掌握士兵生命状态情况和减少伤员有重要作用。

现代武器的杀伤力强，造成的伤员多，危害也大，第一次世界大战期间，在战场上死亡的人数约1000万人，受伤人员达2000万以上。第二次世界大战期间，各交战国因战争总共死亡5000万人，伤亡的数量远远超过了第一次世界大战。这充分说明了，在现代战争武器越来越先进，杀伤力越来越大的情况下，大力开展群众性战地救护就显得更加重要。远程现场处理系统主要由笔记本电脑、便携式卫星通信终端等组成。目的是利用高速无线网络建立远程医疗会诊和会诊系统。目前美军无线网络的传输速率为256kpa，远高于中国有线电话的传输速率。在这个速率下，视频和图像信息可以正常传输。这些小型、节能的现场远程医疗系统是我国军队迫切需要的。美军高度重视这一发展，包括正在开发的士兵生理状态监测(WPsM)系统，这是实现这一目标的技术之一，被列为军队医学优先发展的20大项目之一[1]。士兵生理状态监测系统是将一系列微型无线传感器佩戴在士兵的重要部位，其价格便宜，并且对士兵的行动不影响，例如：传感器、体温、血氧等，这些传感器采集到的数据通过个人无线局域网传到无线终端。DARPA（美国国防先进研究项目局）在去年九月份公布了一项让士兵受伤治愈的研究计划ElectRx,该计划一度被人们所关注。它在概念上讲就像一个小型的智能心脏起搏器，它可以监控士兵的身体情况，士兵在受伤时，该系统就会给予受伤士兵量身定做的药物和刺激，以促进自身愈合，达到第一时间的救治。现在世界各国在战地救护方面投入了很多的经历和时间，但我国在这方面仍处于落后阶段。现在配发给部队的制式卫生急救包版本较为传统，只能进行简单的处置。目前，我国在战地救治方面较为落后，仍然使用传统的设备进行救治，研制新一代的战场救护产品已经势在必行。

Zigbee数传模块的运用

芯片5：选用型号STM32F103ZET6，采用了Zigbee模块用来无线传输数据。该系统中加入了红外对管、血氧传感器、心电传感器、温湿度传感器等可佩带的传感器系统。各传感器采集的数据经由芯片5处理后，由无线网络传递给后方医院终端（野战医院）；由后方的医生综合各项生命体征数据，既往病史等，在预存在医院终端的治疗方案中选择合适的方案反馈给前方战场。

同时考虑到战事一旦开启，野战医院收治的伤员过多，所以本项目开发了以STM32F103ZET6芯片5为平台的无线点滴监控自动报警系统，医院的一个电脑终端可以监控全部病人的点滴有无、余量多少等信息，最大程度上节约了医疗力量。使用一个芯片5实现了组件单个作战单元的生命体征信息采集回传，直到住院的全套智能医疗系统。

ZigBee数传模块：选择了ZigBee作为无线模块用来传输数据。总之，Zigbee是一种高度可靠的无线数据网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数据传输模块类似于移动网络基站。通信范围从标准的75米到几百米和公里，并支持无线扩展。物理层采用扩频技术，具有一定的抗干扰能力。MAC应用层具有应答和转发功能。MAC层的CSMA机制使节点在发送之前监听信道，可以避免干扰。当ZigBee网络受到外界干扰无法正常工作时，整个网络可以动态切换到另一个信道[2]。

使用ZigBee考虑到其有低功耗、低成本、短时延、高容量、高安全、免执照频段等特点。在低电耗待机模式下2节5号电池可支持一个节点工作6～24个月，节点只需30ms即可接入网络，节约电能，而蓝牙需要3～10s。

图1 用于战场救护的远程医疗系统的模块连接示意图

由于前线距离后方医院距离过远，可能超出了ZigBee节点之间的传输距离。如图1所示，本项目设置了战场单兵--连卫生员--团卫生队--野战医院的传输结构，即芯片5的数据依次通过连级ZigBee数传模块6和团级ZigBee数传模块7无线传输至后方的医院终端8。同时为确保信息能够稳定传输，在连级ZigBee数传模块6和团级ZigBee数传模块7上增加发射功率增强器，增加其传输距离。[3]

心电传感器的运用

心电传感器3：传统的脉搏测量方法主要有三种，一是从心电信号中提取；二是脉搏率是通过测量血压时压力传感器测量的波动来计算的。第三，光电容积法。前两种提取的信号如果长期使用，不仅会限制患者的活动，而且会增加患者的生理和心理不适。本课题采用光电体积法设计的心电传感器3脉冲传感器，具有方法简单、易磨损、可靠性高等特点。

光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管中搏动时的透射率差来测量脉搏。它使用传感器和光电转换器两部分,通过绑定或夹在病人的手指或耳垂,光源,一般用于动脉的血氧和血红蛋白选择性特定波长(500 nm - 700 nm)发光二极管(led),当光束通过人类外周血管,由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也有周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率[4]。

温湿度传感器的运用

温湿度传感器4：本项目温湿度传感器4采用AM2302湿敏电容数字温度模块，这是一个温度和湿度传感器校准数字信号输出。采用特殊的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有高可靠性和优良的长期稳定性。传感器包括电容式水分传感器和高精度水分传感器。该产品具有响应快、抗干扰能力强等特点用来配合心电传感器测量单兵基本单元的体温[5]。

体点滴速度检测模块的运用

体点滴速度检测模块1：考虑到战事一旦开启，伤病员数量激增，而野战医院医疗力量有限，难以照顾到所有病人，为节省医疗力量，抢救重点人员，设计了液体点滴速度检测模块1，液体点滴速度检测模块1的电路如图2所示。配合心电传感器3、温湿度传感器4来监控伤病员情况，如果有哪项指标低于额定值，会在系统中自动报警。

图2 用于战场救护的远程医疗系统液体点滴速度检测模块中的电路图

利用红外管ST180检测液滴是否下落。在滴管两侧固定红外对管，接收管和发射管的光轴成直线，所述红外对管通过液滴连续滴落产生与液滴频率相同的电脉冲信号来计算液体的速度。为减小误差，在对管处包裹一层黑色胶布，使外界对红外对管传感器的影响最小[6]。

本项目的用于战场救护的远程医疗系统通过主站控制从站的输液速度，及时掌握输液余量。既方便医生、护士照顾病患，又能让病人安心治疗，不必担心输液瓶液滴倒流，引起血液倒流。[7]

本项目的用于战场救护的远程医疗系统的有益效果

使传统设备具备智能和互联功能。在点滴输液管上加入了红外对管用来测量滴速，同时加入压力传感器测量点滴余量，并使用无线模块将信息及时回传给主机。通过主机来无线控制从机的变化。通过建立上位机，从而实现定点和巡回监测点滴剩余情况和病人的生理状态。

将远程医疗与电子医疗设备结合。系统中加入了PulseSensor、DHT22 AM2302 电子医疗传感器，实时监控士兵的生命体征，并使用ZigBee模块实现无线回传数据，掌握战场和士兵的各种信息，较少伤亡，避免意外发生，实现了单兵的智能可穿戴。

借用物联网系统，传输生命体征数据。使用ZigBee进行无线组网，将战场上各个点的信息汇总，该物联网可以集中数万个子节点，充分满足了战场需求，同时具有稳定传输数据的功能，具有高安全性。让指挥官了解战局的发展，控制战场的局势。

在传输结构方面进行了简洁化创新。信息具有时效性，过于复杂的信息传输结构不利于信息的传输。为了方便指挥员及时掌握战场信息，系统设置了野战医院——团指挥所——连卫生员的三级机构，最大程度上保障了信息的及时传递，有助于指挥员做出反应。

本项目的目的是提供一种战场救护与远程医疗系统，以解决我国在战地救治方面的空白，士兵远程治疗难的问题。与现代技术相比，具有成本低、便携性、易操作、信息传递稳定等优势特点。