基于NI ELVIS II的遠程健康共享醫療設備

李佳成，周媛，劉亞雄

(天津職業技術師范大學自動化與電氣工程學院，天津,300222)

0 引言

遠程健康共享醫療設備將當下最具發展性之一的共享醫療與現有設備結合起來，共同完成一套將人體體溫，心電圖，血壓、肺活量、心率等重要健康指標信息的監測通過NI ELVIS II儀器整合，形成一款功能強大，數據精準，可操作性強，便捷安全的現代共享醫療設備。經過調研，國內市場尚不存在此類醫療共享設備，各大藥店出售的相關產品如電子血壓計等在功能以及面向對象上較單一。隨著我國科學技術的創新和發展，截至2020年底，我國公立醫院在二級及以上應用遠程醫療的比例已高于63%，遠程醫療平臺的網絡搭建在全面進行，醫療種類在不斷拓展，遠程醫療政策保障體系進一步完善。雖然我國遠程醫療已經走進全國各省、市、區（縣），但是偏遠地區和貧困地區軟硬件配套設施仍然不足。因此，應加速發展，更加重視遠程醫療服務體系。論文中介紹的遠程健康共享醫療設備研究人體信號采集，通過采集電壓等信號, 利用LabVIEW設計的上位機數據分析軟件系統，完成對相應采集數據的處理。之后通過Systemlink的服務器端將身體征數據傳送到用戶手中。用戶便可了解自身情況，得到更加及時的診治，遇到相對復雜的病情也可得到外地或國外專家的醫治意見，提高了健康問題的解決效率，同時異地專家也可相互交流，互相學習。

1 原理與設計

1.1 遠程健康共享醫療設備工作原理

遠程健康共享醫療設備主要是利用信號進行時頻轉化的思想來實現信號采集，通過分析不同信號的幅頻特性、相頻特性、傳遞函數等，實現對數據信號的處理與分析。之后上傳至Systemlink的服務器端，用戶便可以通過訪問客戶端獲取自身體征數據。些數據可以儲存至數據庫，通過綜合考量用戶的性別、年齡等對這些數據進行分析，得出基礎的判斷，使用戶方便直觀的了解到自身的身體狀況。遠程健康共享醫療設備工作原理圖如圖1。

圖1 遠程健康共享醫療設備工作原理圖

1.2 遠程醫療健康共享設備前面板設計

設備功能全都顯示在前面板上，包括用戶登錄界面及體溫、心率、血壓、心電圖、肺活量測量等選項。如圖2所示。

圖2 遠程醫療健康共享設備前面板設計

1.3 系統軟、硬件設計

傳感器模塊：設備采用溫度傳感器、血壓傳感器、無線手握式心率傳感器ECG傳感器測量人體相關數據。采集到的數據通過嵌套的條件結構判斷是否在正常范圍內，更加合理的對采集到的數據分析處理。用戶可實時通過云端信息獲取身體狀況分析結果。

采用上述傳感器具有以下優點：(1)具有可靠的穩定性。（2）信號傳輸速度較快并且精確程度較高。(3)具有便捷性，低消耗性。

信號收集：我們的遠程健康共享醫療設備利用ELVIS II對各個傳感器信號進行采集，在labview的編程環境下調用輸出I/O的子VI，對采集到電壓信號進行初步處理。再對不同的傳感器的發出的信號，進行采樣濾波，根據相應的電壓轉換公式便得出數據。之后可實時上傳至NI Systemlink的服務器端；圖3是用戶信息數據上傳代碼及說明.

圖3 用戶信息上傳代碼及說明

2 實驗

溫度采集模塊：使用熱敏電阻式溫度傳感器采集信息，采集到的電壓信號需按照T=[1.02119-3+2.2246-4(lnR)+1.33342-7(lnR)3]-1和 R=R1*VT/(Vs-VT)的公式轉換成實際溫度顯示。

心率采集模塊：心臟的每次收縮都會產生微小的電信號，這些電信號可以通過皮膚表面的電極而被檢測。我們通過編程獲取和處理VERNIRE公司的手握式心率監測器，利用裝置內嵌的電極檢測到的這些信號，隨著每一次心跳，插入式接收器通過低頻電磁場收集數據，并將3v脈沖傳輸到硬件上，通過記錄得到的傳感。器檢測到的波形，我們從第一個峰值到最后一個峰值的5秒間隔內的跳動次數來計算心率。然后將這些信息以每分鐘的節拍輸出到屏幕上。人體心率檢測系統界面如圖4所示。

圖4 人體心率檢測系統界面

血壓采集模塊：振蕩法作為一種無創測量血壓的方法，是基于心臟泵入動脈的血液導致動脈壁彎曲的原理實現的，波形的峰與峰振幅形成一個鐘形的“包絡”(圖五)通過編程處理已知最大振幅的百分比來計算得到我們需要的收縮壓(SBP)。用同樣的方法計算出舒張壓。

圖5 血壓脈搏振蕩波形

心電圖測量模塊：我們使用附著在皮膚表面心電傳感器的三個電級進行測量，心電傳感器內部有著1V的偏移量，其精度為±0.3V，我們將傳感器的增益設置為將1mv的測量電位放大到1v進行輸出（為了后續優化，電位放大部分我們采取了程序上的實現，同時可避免硬件設備接觸不良等產生的誤差影響）。

人體心電圖數據處理代碼及說明。

圖6 人體心電圖數據處理代碼及說明

肺活量測量系統：肺活量測量系統使用一個差壓傳感器來測量空氣流量。在流頭的中心是一個篩網。當受試者向氣流頭吹氣時，當空氣通過時，屏幕的前后表面會產生輕微的壓力差異。屏幕前面的管子和屏幕后面的管子將壓力傳遞給壓差傳感器，從而可以直接測量氣流速率(L/s)。體積(L)可以通過對流量與時間的函數積分得到。肺量計可用于各種測試，包括用力呼氣量(FEV)、用力肺活量(FVC)和潮氣量(TV)的測試。FEV是短時間持續努力后呼出的空氣量。FVC是完全吸入后用力最大呼氣所呼出的空氣量。TV是平靜時吸入和呼出的氣體量。

3 結論

相較傳統的就醫模式，遠程健康共享醫療設備將提高用戶的就醫體驗，解決了體檢費用貴，耗時間長的問題，本項目將當下最具發展性之一的共享醫療與現有設備結合起來，共同完成一套將人體體溫，心電圖，血壓、肺活量、心率等重要健康指標信息的監測通過NI ELVIS II儀器整合，形成一款功能強大，數據精準，可操作性強，便捷安全的現代共享醫療設備；但是遠程健康共享醫療設備的功能數量還需要提高，根據用戶要求進一步研究相應理論繼續擴展相應檢測功能，以滿足用戶的需求。同時伴隨著物聯網、人工智能、可穿戴設備等前沿頂尖技術的不斷發展，醫療信息化的深入，都將引導遠程醫療走向進一步的深入發展，不斷地改革創新為遠程醫療的未來提供更加廣闊的空間，面向遠程和移動醫療的實時共享設備所適用的應用場景將越來越多。因此，遠程共享醫療設備把服務對象面向醫院、體檢中心、高校和用于街頭共享有著良好的應用市場前景。