基于可穿戴技術的遠程醫療系統設計與實現

范珊

（中國電子科技集團第十五研究所 后勤信息化事業部 北京100083）

基于可穿戴技術的遠程醫療系統設計與實現

范珊

（中國電子科技集團第十五研究所 后勤信息化事業部 北京100083）

近年來，人口老齡化進程加快，同時伴隨著環境污染問題，醫療資源短缺問題，慢性病發病率不斷增加，發展遠程醫療并構建一個高效實時的遠程家庭醫療監護系統顯得尤為必要。本文建立了一個基于可穿戴技術的遠程醫療系統，用于實時監控病人的心率和血壓等生理參數，采用GPRS無線通信技術將采集到的數據實時傳輸到醫療中心，便于醫生及時發現問題，及時采取醫療措施。

可穿戴技術；遠程醫療；實時監控；GPRS無線通信

傳統醫療監護往往需要病人長期住在病房或往返于家庭和醫院之間，這樣給處于康復期或需要監護的病人的生活帶來很多不便，同時住院監護也給病人家庭帶來很多經濟負擔。可穿戴遠程醫療系統能夠為病人提供低經濟負荷、長期且連續的生理檢測，不需要病人往返醫院，成為疾病預防和治療的便利設備，改變了傳統的診療模式[1]。因此，本文設計了遠程醫療系統，實現心率和血壓的實時監控，異常情況下系統自動報警，提醒醫務人員及時施救。

1 系統總體設計

文中所介紹的遠程醫療系統由5個功能模塊構成，依次為可穿戴傳感器數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸、GPS定位和醫療中心遠程監控。系統整體框架如圖1所示。

圖1 基于可穿戴技術的遠程醫療系統框圖

系統的工作流程為：

1）將可穿戴傳感器穿戴到病人身上，實時采集病人的心率和血壓信息，并將信號傳送到開發板；

2）開發板接收到原始數據之后，對該數據進行數字濾波，去除基線漂移，然后將該數據數字化處理，轉換為數字信號，經過量化后，轉換成直觀的心率和血壓數字，同時，對模擬心率波形進行特征點識別，并且標注特征點；

3）數據處理完成后，將待發送的數據進行壓縮，并且通過GPRS無線通信模塊將數據發送到監控中心；

4）GPS定位模塊實時采集病人的位置信息；

5）監控中心接收到數據之后，對數據進行解碼，然后設置報警閾值對數據進行篩選，如果病人的心率或者血壓數據超出正常范圍時，系統報警，并向GPS模塊發送位置請求；

6）GPS模塊將位置信息發送到監控中心，系統組織報警信息和位置信息，并以短消息的形式發送到指定號碼，完成報警。

除了能夠實現以上功能，該系統還可以在服務器上將收集到的信息進行顯示，同時還會將數據進行保存，組建數據庫[2]。醫療中心收到報警信息后，醫務人員及時對病人進行救援。

2 系統硬件設計

2.1 生理數據采集

PulseSensor是根據人體肢體末端的透光程度來間接采集心率數據的一款傳感器。使用過程中，可以將該傳感器佩戴于肢體末端，將采集到的人體的細微的生理表現轉換為模擬數據[3]，并傳送到Arduino開發板。

血壓檢測采用了 JX0701血壓模塊，其原理是將壓力傳感器置于綁帶和人體間，對綁帶充氣加壓，直到綁帶和人體之間的壓力和人體體內的壓力相等時停止充氣，此時測量綁帶和人體之間的壓力就可以得到人體血壓值[4]。

PulseSensor和JX0701采用UART方式與主控制器Arduino開發板通信，主控制器通過發送相應命令來控制血壓測量模塊。

2.2 GPS定位模塊

GPS模塊的主要功能是準確定位病人當前位置。本文選用瑞士u-blox的ATK-NEO-6M-V2.3模塊，該模塊工作電壓范圍較廣，通過串口與外部系統連接，支持多種波特率的選擇，滿足用戶的多種需求。

2.3 數據無線傳輸模塊

在本系統中，被監測者的數據傳輸到醫療中心，選擇的通信方式是GPRS模塊。

鑒于系統中對于無線傳輸數據的需求，選用了一款高性能工業級的GSM/GPRS模塊。該模塊是由ALIENTEK生產的ATK-SIM900A型號。該模塊能夠兼容3.3 V/5 V接口，因此能夠與多種單片機系統對接，使得數據信息的傳輸功耗非常低。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括生理參數優化和服務器端數據處理兩個部分。

3.1 生理參數信號優化

心率信號的處理和優化包括數字濾波器的設計和模擬脈搏波的特征點識別兩個部分。

3.1.1 數字濾波器設計

由于電子設備中不可避免的各種噪聲以及基線漂移等，而且每種干擾因素的幅度都有可能與信號處于同一量級[5]，因此，心率和血壓信號很容易受到這些因素的干擾，造成信號失真，嚴重影響病人生命體征監控的準確性。人體的心率和血壓信號中頻率成分較多，有效頻率也十分復雜，因此，濾波應當首選具有線性相位的FIR濾波器。利用MATLAB得到的FIR濾波器的系數類型為浮點型，因此在Arduino開發板上的運行效率很低，為了提高運行效率，需要將浮點型的濾波器系數轉化為整數類型[6]。利用設計得到的FIR濾波器對采集到的心率信號進行濾波處理，效果如圖2所示。

圖2 心率信號的FIR數字濾波效果

一般情況下，峰值信噪比和信號的均方誤差是衡量圖像去噪是否有效的兩項重要指標，但是，考慮到心率信號的一維特性，評價的原則除了信噪比和均方誤差之外，還應當考慮在去噪和去基線漂移之后，信號的幅度和波形是否也受到了濾波的影響[7]。所以，衡量指標還應當包括信號波形的平滑程度和相似度。平滑度指標和信號相似度定義分別如公式（1）和公式（2）所示：

為了更加公正評價濾波算法的性能，本文將信號相似度和波形平滑程度兩個指標結合起來，來統一地分析濾波性能[8]：

一般情況下，去基線效果介于0和1之間。為了分析本文所采用濾波方法的濾波性能，將本文方法與主流的小波濾波[9]進行了對比，分析結果如表1所示。

表1 濾波性能表

3.1.2 心率波特征點識別

心臟的周期性跳動，將血液周期性地壓向肢體末端，然后再由肢體末端流回心臟，因此，肢體末端的血液濃度也會產生周期性的變化[10]。通過對一些病例和病理的研究，張大祥教授發現，當動物出現某些病變時，心率波的某些特征點也會產生相應的變化，因此，為了在早期檢測病變的發生，他對心率波進行了特征點的劃分[11]。文中通過零交叉小波檢測心率的特征點，并在波形上進行標定，便于醫療中心及時發現病變，檢測結果如圖3所示。

圖3 小波變換特征點檢測結果

3.2 服務器端數據篩選和報警

正常狀態下，人體的心率范圍在60～100次/分之間，血壓收縮壓在90～140 mmHg之間，舒張壓在60～90mmHg之間[12]，心率和血壓超過范圍就屬于異常。通常情況下，在某些小事件刺激下人體心率和血壓會超過正常范圍，但持續時間不會太長，如果人體的心率過快或過低，血壓過高或過高并且持續時間超過一定的閾值，那么說明人體目前處于危險狀況[13]，醫療人員應當及時對其進行救援。由于醫療人員不可能長時間關注顯示裝置，因此，需要一定的報警措施來提醒工作人員[14]。數據篩選和報警流程如圖4所示。

4 實驗結果分析

為了檢驗系統的工作情況，本文對系統進行了整體性測試，包括心率數據測試、血壓數據測試、系統報警測試等方面。

圖4 數據篩選和報警流程圖

圖5 系統整體硬件圖

4.1 心率數據測試

首先使用該系統對人體進行測試。選擇一名同學作為實驗對象，測量其心率數據，并記錄，該測試對象10次心率的測試數據如圖6（a）所示。該同學測量數據顯示平均心率為78，實際的心率平均值為75.5，存在少許差異。對10名同學的心率進行測試。將服務器端接收到的某個實驗對象的心率數值進行記錄，并且計算平均值，結果如圖6（b）所示。

4.2 血壓數據測試

圖6 心率數據測試

隨機和隨時選擇 5名同學分別做25組實驗[15]，得到血壓模塊血壓數值和標準血壓監護儀對比圖如圖7所示，其中圖（a）表示舒張壓，圖（b）表示收縮壓。通過數據對比，血壓模塊的值與標準血壓監護儀的值總體上偏小，但是相差都不是很大，都在允許范圍之內，能正確測得血壓數據，可以臨床使用。

圖7 血壓數據測試

4.3 報警測試

在測試報警是否正常時，本文采用的是測試一名同學在持續劇烈運動過程來模擬病人心率和血壓的異常情況。實驗結果表明，系統能夠在心率和血壓超出正常范圍并且持續一定的時間之后進行報警，報警短消息如圖8所示。

圖8 系統報警短信截圖

5 結束語

經過測試，本系統能夠正確測量病人的心率和血壓數據，實時傳輸到醫療中心，并且當病人心率和血壓出現異常時，系統能夠自動報警，并且發送報警短信，能夠實現遠程醫療的作用，具有一定的實用意義。

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Design and implementation of telemedicine system based on wearable technology

FAN Shan
（Department of Logistics Informationization，The Fifteenth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Beijing 100083，China）

Recently，with the accelerated aging process of population，environmental pollution，and shortage of medical resources，resulting in increasing incidence of chronic diseases.Therefore，building an efficient real-time remote home health care system is particularly necessary.This paper established a telemedicine system based on wearable technology for real-time monitoring of physiological parameters including pulse signal and blood pressure，in which real-time data gathered by wearable sensors were transferred to the medical center by GPRS.Doctors in the medical center can analysis physiological data conveniently，and take treatment measures once there was any problems.

wearabletechnology；telemedicinesystem；real-timemonitoring；GPRSwirelesscommunication technology

TN919

A

1674－6236（2017）10-0186-04

2016-04-18稿件編號：201604180

范 珊（1992—），女，山西臨汾人，碩士。研究方向：計算機系統結構。