用于隔離裝置的無線監護系統*

鄭捷文，錢紹文，吳太虎，宋振興，趙 鵬，張 廣

(軍事醫學科學院 衛生裝備研究所，天津 300161)

多參數監護儀和聽診器作為傳統的物理學診斷儀器，已經被廣大的臨床醫生所接受，是臨床醫生進行病情診斷不可或缺的重要設備。目前對患者的多生理參數監護為有線方式，在這種方式下，如果要診察病人的心肺音等生理情況，醫護人員不可避免與病人有近距離的接觸，極大地增加了疾病傳染的機會，這充分體現在SARS、禽流感和甲流等疫情中，引起了臨床專家及國家衛生部門的關注[1]。

因此，迫切需要一種無線監護系統，以無線通信方式傳輸病人的生命體征、心肺音等生理信號，使醫護人員和專家不必在現場即可對病人進行診斷，實現遠程監護和會診。此外，隔離病房、隔離擔架、隔離救護車等隔離裝置一般具有較好的封閉性[2]，一定程度上影響了裝置內部患者和外部醫護人員的交流，更需要一種無線監護系統來實現醫患之間的交流。

本文提出了一種用于隔離裝置的無線監護系統，只要將各功能探頭安裝在病人身體相應部位，醫務人員就可以在隔離裝置外對病人生命體征進行無線遙測，并與病人無線通話，很大程度上避免了醫務人員和病人的交叉感染。本系統精度高、成本低、功耗低、便攜輕巧，具有一定的臨床實用價值。

1 系統設計

系統硬件整體設計如圖1所示。主要分為無線監護信號采集發送子系統和接收子系統。采集發送子系統設置于隔離裝置內部的病人端，主要由病人多參數生命體征檢測傳輸模塊、病人心肺音檢測傳輸模塊、無線通話模塊組成。接收子系統設置于隔離裝置外的醫生端，主要由多參數生命體征監護顯示與操作模塊、多參數生命體征無線接收模塊、聽診模塊、心肺音無線接收模塊以及無線通話模塊組成。系統工作時，只需要在采集端將各功能探頭或電極等安放在病人相應部位，采集端將采集到的病人生命體征信號、心肺音信號和通話信息通過相應模塊無線傳輸到接收端，醫生可根據所接收的病人信息采取相應的治療措施。

圖1 用于隔離裝置的便攜式智能一體化無線監護系統總體結構示意圖

1.1 多參數生命體征監測和無線傳輸模塊

1.1.1 多參數監護儀研究方案分析

目前，多參數監護儀模塊化集成方式主要有基于PC104工控板和基于嵌入式處理器兩種。然后，以此為控制核心，集成其他生理信號檢測模塊構建多參數監護儀。基于PC104工控板的本質是將PC機嵌入在一種具體的應用環境中，用PC104總線來與其他設備通信，它的核心是Intel x86的通用CPU，同時擴展一些外圍設備。該方式的優點是：抗干擾性強、軟件編程簡單(操作系統為Windows3.x或 DOS，對于Windows程序員來講比較熟悉)、程序運行可靠。缺點是：由于要擴展大量的外圍設備，因此功耗和體積比較難控制。基于嵌入式微處理器的多參數監護構建方式目前比較流行，已有多家國內外知名廠商推出了基于嵌入式微處理器和嵌入式實時操作系統集成平臺的多參數監護儀[3]。由于嵌入式處理器擁有較高的工作頻率和大容量的存儲空間，很容易在其上架構實時操作系統。但是，嵌入式處理器在抗干擾性能上要遜色于工控板，因此，必須在系統的抗干擾方面做大量的工作才能夠保證系統的可靠運行。

本文以嵌入式處理和實時多任務操作系統為平臺構建多參數監護儀。生理參數檢測模塊采用市場上比較成熟的OEM產品。這些OEM模塊的選擇主要基于以下幾點：低功耗、小體積和高抗干擾性。微處理器采用Samsung公司的ARM9系列S3C2440微處理器，其內部集成了大量功能模塊，包括TCP/IP接口、USB口、LCD控制模塊等。生理信號提取子單元包括心電/呼吸/體溫測量子模塊、血壓測量子模塊、血氧測量子模塊以及擴展串口。心電/呼吸/體溫測量子模塊采用超思公司的心電/呼吸/體溫測量模塊，血壓測量子模塊采用CRNE公司EP80FA型臂式無創血壓模塊，血氧測量子模塊采用貝瑞公司的血氧模塊[4]。

1.1.2 無線通信方式

本系統的無線通信方式屬于短距離無線通信的技術范疇。目前比較常用的短距離無線數據傳輸方式主要有：非標準協議無線通信技術、Bluetooth、Wi-Fi和ZigBee。Bluetooth具有復雜的協議層，這導致了其硬件復雜性和數據處理量大幅度增加，因此功耗成為其致命的缺陷。Wi-Fi具有很好的通用性、更快的數據速率，其軟件接口處理較為復雜，且同樣擁有功耗大的缺點。ZigBee也是一種近距離低速率數據交換的可選設計，但ZigBee協議復雜、開發難度大、周期長，限制了中小廠商的使用。而非標準協議無線通信技術不需要繁瑣的協議處理，因此具有低成本、低功耗和接口簡單的優點，但也存在組網復雜的缺點。由于本文研究系統只需要點對點的數據傳輸，不需要組網，因此本系統采用非標準協議的短距離無線通信方式[4]，采用Nordic公司2.4 GHz無線通信模塊NRF24L01。多參數監護電極采集病人生理信號并經過濾波放大A/D轉換后通過擴展串口發送到嵌入式微處理器S3C2440中，對信號進行處理、顯示、報警、存儲和傳輸等操作。生命體征監測及無線傳輸系統原理結構圖如圖2所示。

圖2 生命體征監測及無線傳輸系統原理結構圖

1.2 心肺音檢測傳輸模塊

1.2.1 心肺音檢測設計

本系統采用集成式的心肺音檢測模塊，因為集成模塊可以將電路做到最小且穩定。合肥華科電子技術研究所研制的HKY-06B型心音采樣模塊是一款集傳感器、放大和濾波電路于一體的集成傳感器。該模塊結構小巧，使用靈活方便，其PCB插件式封裝便于設計傳感器接口，利用新型高分子聚合材料微音傳感元件，可準確采集心肺音信號。該傳感器輸出0.5～1.5 V的低阻抗音頻信號，非常方便后級電路進行A/D轉換處理。

1.2.2 心肺音信號的無線傳輸及信號還原

目前，心肺音信號的傳輸一般采用廉價的FM波段信號收發模塊，該類模塊具有價格低廉的優點，但是容易受外界干擾[5]。為了增強抗干擾能力，本系統采用集成式2.4 GHz的無線音頻模塊來處理音頻信號的A/D轉換、D/A轉換、無線發送和接收。深圳恩比科技公司推出的EB352TP/R2.4G是一款價格低廉、結構小巧的無線數字音樂耳機收發模塊。該模塊工作在2.4 GHz自由頻段，采用數字傳播方式，具有很強的抗干擾性。無線音頻發射模塊EB352TP將心音采樣模塊HKY-06B輸出的模擬音頻信號進行A/D轉換和數字信號處理，然后以其內部特定通信協議將聲音數據打包發出。無線音頻接收模塊EB352R將接收到的信號進行D/A轉換后，就得到了原始的心肺音信號，將其進行功率放大后，輸出到驅動耳機。EB352R具有50 mW的音頻輸出功能，可直接驅動耳機工作[6]。原理結構如圖3所示。

圖3 人體心肺音提取及無線傳輸系統原理結構圖

1.3 無線通話模塊

設計無線醫患通話系統的目的就是讓隔離裝置內的病人與裝置外的醫護人員之間可以進行無障礙通話。理論上也類似于無線聽診，屬于音頻信號的無線傳輸范疇。但是醫患通話信號質量并不要求像心肺音信號那么苛刻，心音信號不能有任何雜音干擾，因此對音頻信號的提取、轉換、濾波、通信協議都提出了較高的要求。而醫患通話系統只要能保證醫患能夠清晰地通話即可，因此不必對信號采集、轉換、濾波和通信協議做太復雜的工作[7]。本設計采用集成式全雙工無線通話模塊構建無線醫患通話系統。Billthink公司工業級8頻道全雙工無線通話模塊YESU-PHONE-V，具有價格低、體積小和功耗低的優點。該模塊采用頻率合成二次變頻無線收發技術和電磁屏蔽技術，內置壓制背景噪音的動態壓擴電路。 工 作 頻 率 可 以 在 409/465 MHz、430/450 MHz、450/470 MHz、610/630 MHz及 650/670 MHz頻段， 通話聲音清晰。其外圍電路簡單，只需外加喇叭、咪頭、天線即可工作，非常適合本系統便攜式和低功耗的要求。

最終，所設計的用于隔離裝置的便攜式智能一體化無線監護系統如圖4所示。

圖4 用于隔離裝置的便攜式智能一體化無線監護系統實物圖

2 測試數據和結果分析

該系統經過了兩個階段的測試：實驗室技術性測試和臨床應用測試。實驗室主要測試系統運行功能正確性、穩定性以及電磁兼容性；臨床應用主要測試系統的可靠性和實用性等特性。

2.1 測試結果

在實驗室環境下，經過多次72小時持續試驗，證明該系統可以準確、穩定地工作，在100 m范圍內可以實現生命體征信號、心肺音信號和通話信息的準確實時傳輸。同時，監護端能同步顯示波形、播放聲音，并將接收信號自動存儲。在臨床測試中，可以采集到隔離病房內病人的實時生理信號和聲音數據。醫學專家認為本系統數據和音頻信號噪聲低、實時性好，在大部分情況下可以取代常規監護裝置。圖5所示為在臨床試驗環境下采集正常人多參數生理信號(包括心電、呼吸、SPO2、血壓、體溫、心率和呼吸率)，可以看出其心率較低，心跳過緩。圖6所示為臨床試驗下醫生端采集的病人多參數生理信號，心電發生異常，有連發室早的癥狀，如圖6右上角橢圓內所示。

圖5 多參數生理信號正常監護界面

圖6 心電發生異常監護界面

本文所設計的無線心肺音檢測聽診系統摒棄了傳統的FM波段信號收發模塊，而采用了集成式2.4 GHz的無線音頻模塊來處理音頻信號，具有更強的抗噪聲能力。在臨床使用過程中，大多數專家認為此聽診器比傳統聽診器聽診心音肺音更加清晰，在隔離裝置內可以取代傳統聽診器。

2.2 結果分析對比

目前國內外對病人心電、呼吸、SPO2、血壓、體溫、心率和呼吸率監護的研究機構較多，也較成熟。相關醫學研究也較成熟，當某一信號發生異常，經驗豐富的醫師就可以迅速做出診斷結果。圖5和圖6采集到的多參數生理信號較好地反映了正常人生理信號狀態和病人異常的生理信號。在使用過程中，也有專家指出，雖然采用無線心肺音檢測聽診系統的耳機聽診心肺音能判斷出心肺音特征，但聲音聽起來沒有普通聽診器渾厚。

本研究集成了多參數監護系統、心肺音采集系統以及醫患通話系統，實現了用于隔離裝置的100 m范圍內的心電、呼吸、SPO2、血壓、體溫、心率、呼吸率、心肺音和醫患通話的無線傳輸，并保證數據的準確性、實時性和穩定性。同時，該裝置具有便攜式和通用性的特點，可以在不改變隔離裝置現有結構情況下應用其中，實現了隔離裝置的信息化功能，彌補了現有裝備的不足。當然，本研究也存在不足的地方，如耳機方式聽診系統的音質、抗噪聲及消毒問題，仍需在后續研究中進一步完善。

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