基于物聯(lián)網(wǎng)的危重病人體征監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計

劉孝天

(福建師范大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，福州 350108)

0 引言

在我國醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，危重病人是臨床醫(yī)學(xué)最需關(guān)注的病人，為了給病人贏取時間和條件，在醫(yī)學(xué)設(shè)備上應(yīng)加強管理［1］。目前，危重病醫(yī)學(xué)水平尚處于起步階段，而且醫(yī)院有關(guān)這方面的設(shè)備并不完全，為此如何解決危重病人體征出現(xiàn)的異常狀況，成為了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域急需解決的問題，為此對病人體征進行監(jiān)測與報警可有效解決該問題，并引起了國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注［2］。有學(xué)者提出在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下對體征進行監(jiān)測與報警，該方法可通過對病人進行以往病史中體征數(shù)據(jù)的提取，與現(xiàn)有的臨床診斷相融合，可獲取一組變量，進而對病人體征變化情況進行監(jiān)測與報警。但是該方法存在耗費時間長、計算復(fù)雜等缺點，無法為病人贏得關(guān)鍵性時間;還有學(xué)者提出了特征統(tǒng)計危重病人生命特征的監(jiān)測報警方法，該方法是將病人在發(fā)生疾病時的生命特征信號作為數(shù)據(jù)樣本，利用特征統(tǒng)計方差作為判斷病人是否出現(xiàn)異常情況的依據(jù)，但是由于該方法存在風(fēng)險大、耗費時間長、效果差等問題，不能得到醫(yī)院應(yīng)用;使用傳統(tǒng)方法對危重病人體征進行監(jiān)測與報警，雖然已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院中，但是存在準(zhǔn)確率低、誤警率高等問題，依然存在較大風(fēng)險［3］。

基于上述存在的問題，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的危重病人生命體征監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)在設(shè)計時，融合線性調(diào)頻規(guī)則來分析危重病人生病體征，并以此為基礎(chǔ)提取出危重病人體征信號與干擾噪聲存在的不同頻域差異，利用濾波器去除掉高頻干擾因素，以病人的正常生命體征為基礎(chǔ)進行實驗驗證。通過實驗驗證該系統(tǒng)設(shè)計是具有有效性的，信號提取準(zhǔn)確率高、誤警率低，能夠被醫(yī)院廣泛使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

針對病人體征信號進行監(jiān)測與報警系統(tǒng)設(shè)計的基本原理為:根據(jù)監(jiān)測基本定義，利用電子設(shè)備或者機械裝置對信號進行轉(zhuǎn)換與收集，以此獲取病人在正常狀態(tài)下和異常情況下生理狀態(tài)下的特征數(shù)據(jù)，經(jīng)過模擬信號的放大與濾波等相關(guān)病人體征信號的處理，可將模擬的生理信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息，通過計算機收集相關(guān)數(shù)據(jù)并進行處理，經(jīng)過詳細計算，可提取出二次信號，并將結(jié)果以折線或者數(shù)據(jù)走向形式展現(xiàn)在屏幕上，一旦出現(xiàn)所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過正常值，那么執(zhí)行報警功能。

1.1 硬件設(shè)計

危重病人體征監(jiān)測報警系統(tǒng)是由生命體征信號的采集和監(jiān)控指揮這兩個部分組成的，采集器終端是由危重病人隨身攜帶的，主要負責(zé)各項生命體征信號采集與上傳，經(jīng)過上傳的數(shù)據(jù)被監(jiān)測指揮中心所獲取，并進行數(shù)據(jù)分析，最終可將生命體征數(shù)據(jù)以折線的形式展現(xiàn)出來，也是對病人出現(xiàn)異常情況的報警，具體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計如圖1所示。

針對危重病人體征信息的采集是由體征傳感器與信息采集傳輸接口進行連接的，該接口主要負責(zé)對病人體征數(shù)據(jù)進行傳輸。其中，體征傳感器主要用于對病人體溫、心率、呼吸速率和三軸加速器為一體進行多功能信息融合的傳感器，可用于對體征信號和運動狀態(tài)的捕捉，可實現(xiàn)對危重病人心率、呼吸率、體溫、靜止姿態(tài)、活動度等體征的采集。將該裝置放置于病人胸部，利用藍牙對信息進行實時傳輸，可將具有低消耗功率的嵌入式終端設(shè)備作用發(fā)揮得淋漓盡致，其內(nèi)部鑲嵌的安卓操作系統(tǒng)，具有GPS定位、強光震動等提示功能［4］。傳輸接口通過接收到的藍牙信息將病人體征實時傳輸?shù)较到y(tǒng)中，并通過WIFI、數(shù)傳電臺等無線通信方式與監(jiān)測報警中心取得聯(lián)系，針對該接口的設(shè)置如圖2所示。

圖2 傳感器接口設(shè)計

在監(jiān)測報警指揮中心設(shè)有監(jiān)控組件，可與病人體征信息傳輸終端緊密相連，實時獲取具有在線病人體征的生命信息，并以圖像或文字的形式進行顯示。如果出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，則給予報警提示，根據(jù)生命體征信息對數(shù)學(xué)模型進行評估，可對出現(xiàn)危重病人異常狀況進行報警。針對報警的病人，可統(tǒng)一部署附近的醫(yī)生組建救援小組，通過對系統(tǒng)中病人體征信號的顯示進行分析，并及時采取急救措施［4］。

1.2 軟件設(shè)計

我國危重病醫(yī)學(xué)水平尚處于起步階段，而且醫(yī)院有關(guān)這方面的軟件功能設(shè)計并不完全，為此如何解決危重病人體征異常情況突發(fā)成為了該領(lǐng)域急需解決的問題［5］。危重病人體征監(jiān)測報警是解決該類問題的重要途徑之一，引起了國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注［6］。危重病人在出現(xiàn)生命體征信號波動微弱的情況，需利用系統(tǒng)軟件部分的功能來抵觸外界干擾影響。病人體征信息采集的終端軟件功能設(shè)計是在安卓操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行研發(fā)的，按照軟件功能和多線程的設(shè)計方式，進行初始化主界面程序整理后，可實現(xiàn)藍牙連接、信息采集、命令接收、信息顯示和報警的功能，由此可提高程序執(zhí)行的效率。

1.2.1 危重病人生命體征信號的提取

針對危重病人體征監(jiān)測報警信號的提取，需先融合線性雷達原理對病人的生理狀態(tài)，包括心跳和呼吸速率展開分析［7］，根據(jù)其引起的回波幅度大小、相位高低等之間關(guān)系獲取危重病人體征信號，具體提取步驟如下所示:利用危重病人體征線性調(diào)頻信號頻率，獲取危重病人體征掃描斜率和初始信號頻率，并以此描述危重病人在正常情況下的生命體征狀態(tài)。根據(jù)初始危重病人體征信號相位，可獲取回波信號發(fā)射的延遲時間。以該時間為基礎(chǔ)，對危重病人在正常情況下的生理狀態(tài)所引起的信號相位變化進行計算，并將不同掃描信號進行混頻放置，同時去除掉過高頻率，進而獲取危重病人體征信號的回波中間頻率。在報警過程中，由于危重病人心跳與呼吸都是由于口腔與胸腔共同振動所引起的，為此可利用心跳速率和呼吸頻率計算腔體共振幅度和振動角頻率。在對危重病人體征進行監(jiān)測時，如果雷達掃描到危重病人出現(xiàn)心律不齊或呼吸不順暢的現(xiàn)象，那么可以利用回波信號對系統(tǒng)進行信息傳達，促使系統(tǒng)及時報警。

危重病人在正常情況下，其心跳和呼吸會引起病人胸壁發(fā)生振動，即為病人呼吸時，胸部的提起與放平［8］，此時的信號映射變化是在雷達回波信號中產(chǎn)生的瞬時位移變化，利用病人正常時的生理信號對低頻周期產(chǎn)生的微弱信號進行分析，并在病人體征監(jiān)測報警過程中，融合非接觸監(jiān)測原理實時分析病人心跳速率和呼吸頻率所造成的雷達回波幅度值大小與相位高度值等，以此為基礎(chǔ)，可快速對為何總病人生命體征信號進行提取，為系統(tǒng)設(shè)計提供數(shù)據(jù)。

1.2.2 藍牙與網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)監(jiān)測

針對藍牙與網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)監(jiān)測可通過某段監(jiān)測的體征傳感器信號進行顯示，并判斷藍牙連接狀況，如果在10 s內(nèi)該信號沒有出現(xiàn)，那么需對藍牙進行初始化設(shè)置，并自動完成搜索功能，進行一系列的注冊與連接。連接成功后，可發(fā)送時間同步命令信息，促使傳感器對信號進行傳輸?shù)臅r間與網(wǎng)絡(luò)終端保持一致，同時，將采集終端所發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)信息通過遠程網(wǎng)絡(luò)進行及時接收，斷線或重啟后的網(wǎng)絡(luò)，需采取重連機制，確保網(wǎng)絡(luò)通信正常。

1.2.3 生命體征信息采集與上傳

在藍牙連接成功條件下，信號采集終端設(shè)備需接收來自傳感器接口傳遞的病人心率、呼吸率等體征信息數(shù)據(jù)包，經(jīng)過解析后，利用遠程通信方式，將解析后的數(shù)據(jù)包重新協(xié)議封包，并上傳至網(wǎng)絡(luò)終端服務(wù)器，最后對數(shù)據(jù)進行存儲。生命體征信息采集與上傳具體流程如下所示:

①藍牙接收來自接口的數(shù)據(jù)包;②將數(shù)據(jù)包進行解析處理;③將解析后的數(shù)據(jù)包重新協(xié)議封包;④如果發(fā)送的數(shù)據(jù)包為1個，那么需將數(shù)據(jù)上傳;如果不是一個，那么需對數(shù)據(jù)直接存儲;⑤進行“睡眠”狀態(tài)，經(jīng)過沉淀后，再次返回到第①步，開始新的數(shù)據(jù)收集。

1.2.4 遠程命令接收與顯示

針對遠程命令接收與顯示需利用線程機制對監(jiān)測報警中心所發(fā)送的命令信息進行存儲與解析，并使用最高級的顯示方式，即語音播報對位置進行標(biāo)記。

1.2.5 實時信息顯示與報警提示

對于實時信息顯示與報警采用人機交互線程方式，主要負責(zé)病人體征數(shù)據(jù)的顯示和藍牙與網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)的顯示［9］;針對命令信息需按照等級啟動聲音、震動等提示，還可以利用手動報警按鈕，發(fā)送成功數(shù)據(jù)，具體線程工作流程如下所示:①信息實時顯示;②通信狀態(tài)顯示;③殘留數(shù)據(jù)包是否為1個，如果是，則需啟動聲音或震動方式。如果不是，則需發(fā)出呼救;④進行“睡眠”狀態(tài)，經(jīng)過沉淀后，再次返回到第①步。

1.2.6 終端軟件界面實現(xiàn)

在危重病人體征數(shù)據(jù)監(jiān)測與報警界面可顯示出具體生理參數(shù)值、運動狀態(tài)數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)，并設(shè)有一鍵呼救按鈕，具體界面設(shè)置如圖3所示。

2 報警系統(tǒng)的實現(xiàn)

針對危重病人體征監(jiān)測與報警的過程中，需提取病人生理特征和在不同干擾環(huán)境下的頻域差異數(shù)據(jù)，利用濾波器去除掉高頻噪聲對報警的影響，保證危重病人體征信號在正常或非正常狀態(tài)都能在統(tǒng)計特征上具有明顯的差別標(biāo)準(zhǔn)，以該標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進行體征異常信號判斷，達到及時報警的效果，具體實現(xiàn)步驟如下所示:

1)如果病人出現(xiàn)異常情況，那么系統(tǒng)需先提取出危重病人的體征信號與數(shù)據(jù)，并在不同干擾因素下實現(xiàn)收集頻域差異數(shù)據(jù);

圖3 終端軟件界面設(shè)計

2)如果危重病人出現(xiàn)生命體征微弱的現(xiàn)象，且外界干擾程度較大，那么系統(tǒng)需依據(jù)危重病人體征信號實現(xiàn)自身頻域所匹配的濾波器，達到去除干擾因素影響的目的;

3)以危重病人體征信號在正常狀態(tài)和異常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)特征為基礎(chǔ)，設(shè)S(x)為危重病人體征信號隨著隨機變量x的方差，具體可表述為變量x取值范圍主要取決于危重病人體征信號在正常狀態(tài)下的偏離程度，如果S(x)取值較小，那么變量x取值范圍則在正常狀態(tài)下的偏離范圍之內(nèi)。反之，如果S(x)取值較大，那么變量x取值比較分散，此時可將危重病人體征出現(xiàn)的異常信號收集，經(jīng)過處理，予以報警。

在對病人體征進行監(jiān)測報警的過程中，危重病人的體征信號和周圍環(huán)境存在的干擾信息都會隨著時間變化而發(fā)生改變［10］，并且它們之間的方差不會為0，由于病人體征信號與干擾信號之間是相互獨立的，為此雷達回波信號方差大小取決于病人體征信號與干擾信號的總和，具體可表述為:

由公式 (1)可知:S(a)為雷達進行回波時所收到的信號整體方差;S(b)為危重病人體征信號方差;S(c)為由于環(huán)境干擾而噪聲的方差。如果危重病人體征信號是在正常情況下，那么S(b)=0;如果病人體征信號處于異常狀態(tài)下，那么S(b)＞0。根據(jù)上述公式，設(shè)定閾值，進而實現(xiàn)危重病人體征信號的高效監(jiān)測與實時報警功能。

3 實驗

為了驗證基于物聯(lián)網(wǎng)的危重病人體征監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計的有效性，進行了如下實驗，在Matlab環(huán)境下構(gòu)建危重病人體征監(jiān)測報警實驗平臺。

3.1 實驗參數(shù)設(shè)置

針對系統(tǒng)驗證是在實際環(huán)境中能夠完成監(jiān)測和報警功能的，為此，選取某醫(yī)院危重病人共10人參加實驗，實驗參數(shù)是在危重病人體征正常狀態(tài)下設(shè)置，具體設(shè)置如表1所示。

3.2 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述選取的10位病人正常狀態(tài)下的體征數(shù)據(jù)，分

表1 實驗參數(shù)設(shè)置

別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)對危重病人體征監(jiān)測報警信號進行提取，將提取到的信號準(zhǔn)確率進行對比，結(jié)果如表2所示。

表2 不同系統(tǒng)信號提取準(zhǔn)確率對比結(jié)果

由表2可看出，改進設(shè)計的系統(tǒng)對于危重病人體征監(jiān)測報警信號的提取準(zhǔn)確率要大于傳統(tǒng)系統(tǒng)，主要是由于改進系統(tǒng)融合了雷達原理分析危重病人的生理狀態(tài)所引起的微小回波幅度和相位，促使危重病人體征信號準(zhǔn)確率提取能夠得到保障。

在同樣實驗數(shù)據(jù)條件下，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與改進系統(tǒng)對危重病人體征監(jiān)測的誤警率進行對比，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知:參與人員編號為A和B時，傳統(tǒng)系統(tǒng)誤警率高于改進系統(tǒng)，然而參與人員編號為C時，傳統(tǒng)系統(tǒng)誤警率逐漸降低，當(dāng)編號為D時，傳統(tǒng)系統(tǒng)與改進系統(tǒng)誤警率折線重合，直到編號為E時，才出現(xiàn)分離，并呈現(xiàn)上升趨勢，誤警率增加。

3.3 實驗結(jié)論

根據(jù)上述實驗內(nèi)容，可得出實驗結(jié)論:

圖4 兩種系統(tǒng)監(jiān)測誤警率對比結(jié)果

改進設(shè)計的系統(tǒng)對于危重病人體征監(jiān)測報警信號的提取準(zhǔn)確率要大于傳統(tǒng)系統(tǒng)，主要是由于改進系統(tǒng)融合了雷達原理分析危重病人的生理狀態(tài)所引起的微小回波幅度和相位，促使危重病人體征信號準(zhǔn)確率提取能夠得到保障，并且兩種系統(tǒng)的誤警率折線呈現(xiàn)分離－重合－分離的現(xiàn)象，主要是因為改進系統(tǒng)在設(shè)計時采用了濾除高頻干擾分量的濾波器，促使危重病人特征信號是否出現(xiàn)異常能夠進行準(zhǔn)確判斷，進而大大降低了誤警率。由此可知:改進系統(tǒng)信號的提取準(zhǔn)確率高，且監(jiān)測報警的誤警率低。

4 結(jié)束語

針對危重病人體征信號監(jiān)測與報警需采用信號波動信息來保障病人的生命安全，由于病人在進行體征監(jiān)測時，容易受到外界各種因素的干擾導(dǎo)致信號監(jiān)測存在較大誤差，為此在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對病人體征進行監(jiān)測與報警。融合線性雷達原理對危重病人生理狀態(tài)進行分析，并以此為基礎(chǔ)提取體征信號，采用濾波器去除高頻干擾，以危重病人體征正常狀態(tài)為參考資料，進行實驗驗證。通過實驗結(jié)果可知，該系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測報警性能，大幅度提升了危重病人監(jiān)控報警準(zhǔn)確性。