一种智能远程监护慢性心力衰竭患者生理参数床垫的设计

赵国，徐友清，杨爱华，杨磊，王旭（通信作者）

1 首都医科大学附属北京儿童医院 （北京 100045）；2 云南省老年病医院（云南昆明 650000）

近年来，我国心脑血管疾病发病率逐年升高，且日趋年轻化。慢性心力衰竭（chronic heart failure，CHF）为心脑血管常见病之一[1]。CHF 是一组以左室充盈和（或）射血功能受损，心排量不能满足机体组织代谢需要，以肺循环和（或）体循环淤血，器官、组织血液灌注不足为临床表现的一组综合征。CHF 患者常合并体液潴留和水肿，因此体液管理对CHF 患者非常重要。合理的体液管理可以有效减轻CHF 患者的症状，改善其生活质量。如液体管理不当，CHF 患者可能出现水肿、呼吸困难、肺部感染等并发症，严重时甚至危及其生命。

智能远程监护CHF 患者生理参数的床垫应用于卧床的CHF 患者，对其体内的水分含量进行实时监测，同时将实时获取CHF 的体重、血氧饱和度和心率等参数远程发送至监护人员的移动终端，为老年CHF 患者的体液管理提供强有力的支持。

1 临床需求

CHF 患者住院期间或出院后，常需家属协助记录患者的体重、尿量、进食与饮水量、憋喘症状及发生时间等指标，通过对上述指标的分析及早识别隐性水钠潴留、劳力性呼吸困难加重、外周水肿加重、体力活动下降等早期病情恶化指标[5]。患者及家属执行中由于内容繁琐，常导致依从性较差，因此，亟需一种可准确、高效、便捷、客观地评估CHF 患者体液潴留情况的手段。

Sergi 等[6]的对照研究证实，CHF 组较健康组的细胞外水分（extracellular water，ECW）/体内总水分（total body water，TBW）明显升高，成为内环境体液潴留的客观证据，对CHF 的早期诊断具有预测价值。

2 系统整体设计

2.1 硬件设计

2.1.1 结构组成

智能远程监护CHF 患者生理参数床垫的结构包括硬质底板和软质垫体。其中，垫体粘贴固定于硬质底板上，硬质底板的一侧设有功能操作台，在底板的4 个角部固定有重量传感器。同时，重量传感器与功能操作台连接，功能操作台上设有显示屏、操作按键和若干插孔。插孔中插接1 对足部电极片，1 对手腕电极片和1 个多功能监测手环。功能操作台的一侧引出电源线；功能操作台的内部设置有无线通信模块。多功能监测手环中固定有血氧饱和度传感器和心率传感器，血氧饱和度传感器选用反射式光电传感器。智能远程监护CHF 患者生理参数床垫的结构图如图1 所示。

图1 智能远程监护CHF 患者生理参数床垫结构图

2.1.2 硬质底板组成

如图2 所示，硬质底板由盖板和槽板组成。盖板固定于槽板顶部。槽板中固定有隔板，隔板将槽板内空间分隔为第1 容置腔和第2 容置腔。第1 容置腔的4 个角部开有工作孔，重量传感器的导线从工作孔中插入第1 容置腔中，第2 容置腔中固定有PCB 电路板，重量传感器、显示屏和操作按键均与PCB 电路板连接。

图2 硬质底板机构图

2.1.3 PCB 电路板

如图3 所示，PCB 电路板上固定有AC 插头、电源模块、存储模块、模数转换模块、处理芯片、通信模块、数模转换模块、可编程定时模块、脉冲合成模块、功率放大模块和脉冲变压模块。PCB 电路板的端部固定有1 对足部电极片插头、1 对腕部电极片插头和1 个监测手环插头。电源线与AC 插头连接，AC 插头与电源模块接，电源模块、存储模块、模数转换模块、通信模块和数模转换等模块均与处理芯片连接，数模转换模块与可编程定时模块连接，可编程定时模块与脉冲合成模块连接，脉冲合成模块与功率放大模块连接，功率放大模块与脉冲变压模块连接，脉冲变压模块与1 对足部电极片插头连接，1 对手腕电极片插头和监测手环插头均与模数转换模块连接，血氧饱和度传感器和心率传感器通过监测手环插头与模数转换模块连接。处理芯片收到操作按键输入的调节指令后向数模转换模块输出1 个数字量，数模转换模块将其转换为模拟电压，该模拟电压的大小决定脉冲幅度。可编程定时模块通过编程产生脉冲，脉冲合成模块收到可编程定时模块输入的脉冲信号后，将其与模拟电压合成为目标脉冲并输送至功率放大模块。功率放大模块驱动脉冲变压模块，脉冲变压模块对输入的电压脉冲进行升压并输出至足部电极片插头处，并最终通过1 对足部电极片传输至足部。

图3 PCB 电路板结构图

2.1.4 血氧饱和度传感器

系统选用MAX30102 反射式血氧传感器芯片，芯片中有2 个发光二极管，分别通过一侧向腕部发射波长为660 nm 的红光和880 nm 的红外光，并通过另一侧的发光二极管接收反射光线，通过发射与接收的光强差计算血氧饱合度。处理芯片选用STC89C52 型处理芯片；电源模块选用AMS1117-3.3V 型电源芯片；数模转换模块选用TLC5671 型数模转换芯片；通信模块选用 Lora 无线通信模块；可编程定时模块选用8253 型计数器芯片；脉冲合成模块选用74HC14 型芯片；功率放大模块选用LM3886 型功放芯片；脉冲变压模块选用ER2826 型脉冲变压器模块，如图3 所示。

2.1.5 多功能监测手环

多功能监测手环是将监测的心率和血氧饱和度模拟电信号传输至模数转换模块中进行数模转换，最后处理芯片将患者的身体含水量、心率和血氧饱和度信息发送至显示屏显示，同时将上述信息发送至通信模块，由通信模块将其无线发送至移动终端，如图4 所示。

图4 智能远程监护CHF 患者生理参数床垫软件设计图

2.2 软件设计及功能模块

本研究设计的一种智能远程CHF 患者监护床垫，软件设计包括A/D（数模转换）模块、数据库模块及预警模块。

2.2.1 A/D（数模转换）模块

临床上一般通过测量人体生物性阻抗来分析人体的水分含量。如图4 所示，数模转换模块将模拟电信号转换成数字信号并传输至处理芯片。处理芯片根据脉冲电压的降幅和心衰患者的身高计算其生物性阻抗，同时计算CHF 患者的体内含水量。床垫底板的4 个角部的重量传感器将心衰患者的体重实时传输至模数转换模块，模数转换模块将其转换成数字信号并传输至处理芯片，处理芯片将所有重量传感器传输的重量相加得到底板、垫体、CHF 患者的体重、衣物的总重量，并通过操作按键输入减去底板、垫体和衣物重量的指令，处理芯片减去相关重量后即可得到CHF 患者的体重。

2.2.2 数据库模块

CHF 是一种长期性疾病，在恢复的过程中需要患者家属和患者共同努力，家庭护理对CHF 患者非常重要，能提升患者的生活质量，有效防止患者病情的恶化和反复[9]。后期可发展、建设为“互联网+心衰预警”模式，提升心衰筛查效率和对患者救治能力，为老年CHF 患者的健康管理发挥示范引领作用。

心衰患者监护床垫数据仓库采用Oracle 数据库，以CHF 为主表，以患者信息和预警的提醒为辅表，构建新型数据模型。其特征包括集成性、稳定性和时变性，用于管理CHF 患者数据。CHF患者监护床垫数据统计功能主要针对使用该床垫的CHF 患者，在技术上，采用ECharts 前端框架实现系统指标的可视化展示，后台使用PHP 进行数据处理，为院前急救和医疗决策提供支撑依据。

2.2.3 预警模块

应用移动终端进行预警，其系统监护界面的设计使用 Matlab 软件进行编程A/D（数模转换）模块，方便安装在台式电脑、平板、手机及移动工作站上，满足各类应用场景的需求，如图4 所示。

3 系统的创新点

3.1 多预警阈值的选择

智能远程CHF 监护床垫主要是利用生物组织、器官的电特性及变化规律进行测定。生物性电阻抗是一个由电阻和电容组成的复合量，电阻R、电阻率ρ、体长L、横截面积A及容积V存在如下关系：

在理想状态下，利用人体的导电特性，将人体视为1 个均质的圆柱体导电模型，借助置于体表的电极向人体输入微小电流，检测相应的电阻抗及其变化。人体本身存在成分多、形态不同的组织及器官，且具有不同的生物电特性。细胞作为机体最小的组成单位，在细胞膜内外存在不同浓度的离子分布，维持着“外+内-”的电容特性，其液体容量则由富含电解质的细胞内液和细胞外液组成，有良好的电阻特性，两者在人体的等效电路可以看作是若干个电阻、电容互相串并联构成的电路模型，为生物电阻测量法（bioelectrical impedance analysis，BIA）技术提供了理论实验基础。由于躯干部分占总体阻抗的比例较小（占全身总电阻抗的5%左右），而头部由于被颅骨包围，且骨质本身电导率较多，所以一般也不会用于测量。实际测量人体BIA 时，采用整体电阻抗分析，于4 个肢体末端放置电极进行测量，其中多功能监测手环中固定有血氧饱和度传感器和心率传感器。多参数的分析使相关预警更为灵敏、准确和真实。

3.2 多场景的适用性

从实用性出发，采用生物电阻抗与容量管理和血氧饱和度、心率组合的模式，由监测单元进行监控，兼具预警功能，系统监控单元既能用于住院患者，也能满足家庭使用要求。该系统通过设置各项报警阙值及时发现危险因素便于监护人员干预。

4 讨论

人体血容量的状态常决定内环境稳态及病情危重程度，如血容量过多，可导致水肿、腹水及细胞外容量增加，反之则可造成多器官功能障碍甚至衰竭[7]。血容量的评估及体液潴留的管理是CHF 诊断、治疗及预后评估的重要手段。智能远程CHF 监护床垫可实时获取老年CHF 患者的体重、血氧饱和度和心率，进行容量评估后获取呼吸循环的重要参数，及时发现异常并进行预警，同时也能为医生提供近期准确的数据，对降低CHF 患者死亡率、CHF 患者的管理意义重大。

5 结语

智能远程监护CHF 患者生理参数床垫不影响受试者正常睡眠，解决了居家CHF 患者自我管理的难题。通过智能远程监护CHF 患者生理参数床垫，可以对患者的体重、心率、血氧饱和度等数据进行动态、实时、连续的采集、分析，准确评估容量状态，一旦出现异常情况及时发出报警，告知医护人员及时予以干预。智能远程监护CHF 患者生理参数床垫的设计具有独特的个体化、易采集、适合远程监测[10]等优点，且安全、可靠、舒适性好[11]，能确定容量管理目标。但智能远程监护CHF 患者生理参数床垫仅作为1 项实用新型设计，其远期疗效仍需进一步临床验证。