預(yù)警“運(yùn)動(dòng)性猝死”監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)研究

黃麗 包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院

一、引言

運(yùn)動(dòng)性猝死是人體在運(yùn)動(dòng)過程中或運(yùn)動(dòng)之后突然發(fā)生的猝死。一般情況下，運(yùn)動(dòng)性猝死常發(fā)生在有一定基礎(chǔ)性心臟疾病的人群。主要原因是運(yùn)動(dòng)過程中由于心臟負(fù)荷的增加，心室肌的不均勻，在劇烈的體力活動(dòng)或過度疲勞的情況下心臟負(fù)荷會(huì)急驟增加，引起心臟泵血功能障礙，出現(xiàn)突發(fā)心律失常而導(dǎo)致心臟停止，進(jìn)而出現(xiàn)的急性猝死現(xiàn)象，這也是運(yùn)動(dòng)員發(fā)生猝死的最常見原因。

現(xiàn)在市場(chǎng)上監(jiān)測(cè)心率等人體健康數(shù)據(jù)的儀器很多，醫(yī)院會(huì)通過心率檢測(cè)儀用于已有基礎(chǔ)性心臟疾病的人群。但是，近些年我們發(fā)現(xiàn)，猝死常常發(fā)生在年輕人身上，因此，日常預(yù)防“運(yùn)動(dòng)性猝死”監(jiān)測(cè)裝置需求越來越大，現(xiàn)在廣為大家熟悉的就是穿戴型心率監(jiān)測(cè)手表，主要研發(fā)商是像華為、小米等公司出品的系列產(chǎn)品，但是，這些手表僅僅是對(duì)心率的一個(gè)記錄監(jiān)測(cè)，而沒有預(yù)防預(yù)警作用。因此，本文研究就是針對(duì)普通人群，研究設(shè)計(jì)一款可以預(yù)警的“運(yùn)動(dòng)性猝死”監(jiān)測(cè)裝置，以達(dá)到真正保護(hù)人們生命健康的目的，提前預(yù)警做好防護(hù)。

二、系統(tǒng)架構(gòu)

本文主要針對(duì)普通人群研究設(shè)計(jì)一款可以預(yù)警的“運(yùn)動(dòng)性猝死”監(jiān)測(cè)裝置，以達(dá)到真正保護(hù)人體生命健康，提前預(yù)警做好防護(hù)。監(jiān)測(cè)裝置以結(jié)合“大數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”，實(shí)時(shí)有效監(jiān)控人體在日常、運(yùn)動(dòng)過程中的身體各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集、分析以及推送建議方案等。

本系統(tǒng)采用無線傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)相結(jié)合，建立一個(gè)智能傳感采集，結(jié)合采集數(shù)據(jù)分析模型算法下的可預(yù)警的防“運(yùn)動(dòng)性猝死”監(jiān)測(cè)裝置，采用的是手腕穿戴型。系統(tǒng)主要由無線傳感采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)模型、數(shù)據(jù)分析模型算法機(jī)制以及預(yù)警反饋處理模塊等組成。具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 人體監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

（一）人體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集層

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的裝置屬于便攜手腕式的，內(nèi)置熱感芯片，監(jiān)測(cè)人體心率等參數(shù)，根據(jù)使用者運(yùn)動(dòng)情況，獲取人體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，采用實(shí)時(shí)無線模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。接觸力檢測(cè)面積≥0.8m*0.8m（長(zhǎng)*寬），載荷Fz的檢測(cè)頻率≥500Hz，載荷Fx和Fy的檢測(cè)頻率≥300Hz，分辨率 Fz：±0.17N，線性度：0.2%FSO。

（二）無線傳輸層

系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式（WTLS協(xié)議），它是基于WAP協(xié)議棧的一個(gè)為了提供向上層安全傳輸服務(wù)接口的協(xié)議。WTLS 協(xié)議使用的加密技術(shù)分為對(duì)稱加密算法和非對(duì)稱加密算法。其在通信連接構(gòu)建之前，需要進(jìn)行安全校驗(yàn)，通信雙方首先使用非對(duì)稱加密算法加密，信息格式為報(bào)文模式，在整個(gè)過程中需要雙方進(jìn)行數(shù)字簽名以及驗(yàn)證。當(dāng)建立了安全通信連接之后，通信雙方再利用對(duì)稱加密算法加密傳輸實(shí)際數(shù)據(jù)內(nèi)容，可以獲得高效的通信效率。本文數(shù)據(jù)的采集以及傳輸都是在無線傳輸模式環(huán)境下，主要是4G/5G、WiFi、Zigbee等已經(jīng)非常成熟，傳輸穩(wěn)定性能夠完全保證，同時(shí)系統(tǒng)硬件架構(gòu)的復(fù)雜度以及建設(shè)成本都達(dá)到了良好的控制。

（三）數(shù)據(jù)分析服務(wù)層

數(shù)據(jù)分析服務(wù)層是本系統(tǒng)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。平臺(tái)服務(wù)器主要管理數(shù)據(jù)、信息交互以及存儲(chǔ)，既有日常的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還有在異常出現(xiàn)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)考慮。根據(jù)內(nèi)置數(shù)據(jù)分析模型算法進(jìn)行處理和分析，提供有效的結(jié)果分析上傳穿戴者裝置上，以提供有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提醒服務(wù)，同時(shí)服務(wù)層為確保準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，內(nèi)部也構(gòu)建了安全防護(hù)等措施。

三、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（一）單片機(jī)技術(shù)

單片機(jī)（Single-Chip Microcomputer）技術(shù)是以集成芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，其內(nèi)部集成了中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、多種并行、串行I/O接口、中斷與定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能。本文采用專用單片機(jī)芯片，主要功能有顯示采集的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，外置集成無線網(wǎng)絡(luò)模塊，可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)與后臺(tái)服務(wù)器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。

（二）采用無線WIFI或4G/5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

采用無線WIFI或4G/5G是無線局域網(wǎng)的一種典型應(yīng)用。它主要功能是提供無線站點(diǎn)和有線網(wǎng)絡(luò)之間的信息交互。特別是5G技術(shù)的應(yīng)用，其為第五代無線Wi-Fi解決技術(shù)，它將傳輸速度提升到了1Gbps，每秒可以傳輸約125MB的內(nèi)容。在這種情況下，無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)可以在覆蓋面積內(nèi)的無線站點(diǎn)通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，沒有無線網(wǎng)絡(luò)，在某種層面上是無法組建真正意義上可訪問互聯(lián)網(wǎng)。無線站點(diǎn)在廣域網(wǎng)中就相當(dāng)于發(fā)射基站在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的角色。

在本系統(tǒng)中無線網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)中心；同時(shí)，當(dāng)進(jìn)行定時(shí)控制時(shí)，將控制信號(hào)通過無線WIFI或4G/5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)服務(wù)器中。在復(fù)雜環(huán)境下，通過多點(diǎn)位置、全方位立體式架構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提升，同時(shí)增加了可實(shí)施性和安全性。

（三）基于B/S架構(gòu)和手機(jī)APP雙通模式

根據(jù)裝置屬于手環(huán)佩戴式的，需要在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，因此，系統(tǒng)預(yù)期采用兩種模式進(jìn)行管理：分別是B/S架構(gòu)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器管理模式和手機(jī)APP管理模式，這樣大大提升了用戶體驗(yàn)感和數(shù)據(jù)交互有效性，并且由于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求，在數(shù)據(jù)交互和存儲(chǔ)方面，采用分布式、多點(diǎn)采集的方式提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。

（四）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式

一般來講，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要是以數(shù)據(jù)庫(kù)完成，現(xiàn)在常用的數(shù)據(jù)是SQL Server和Oralce。本系統(tǒng)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)。SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)是美國(guó)Microsoft 公司推出的，它屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，主要支持NET框架、XML技術(shù)、ADO.NET數(shù)據(jù)訪問、SQL服務(wù)中介以及Web服務(wù)等。其數(shù)據(jù)引擎是作為存儲(chǔ)、處理和保護(hù)數(shù)據(jù)的核心服務(wù)，同時(shí)，SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)是可視化操作模式，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)非常簡(jiǎn)單和方便，因此，廣范圍的應(yīng)用于各個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域中。

四、系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸格式及傳輸機(jī)制

（一）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸格式

為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和異構(gòu)通用性，系統(tǒng)采用了任意終端設(shè)備操作系統(tǒng)，都可以讀取、傳輸和交互的格式——XML格式（可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言）。XML支持如SQL Server、Oracle等不同的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)系統(tǒng)，XML正是依托數(shù)據(jù)庫(kù)強(qiáng)有力的存儲(chǔ)和分析能力，在數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用。XML主要是為了傳輸數(shù)據(jù)，其屬于HTML（標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言），HTML主要用于顯示數(shù)據(jù)。由于XML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，因此，在web3.0技術(shù)出現(xiàn)后，發(fā)展極其迅猛。

XML在Web3.0技術(shù)應(yīng)用環(huán)境下，通常用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)共享。通過 XML，數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在獨(dú)立的XML文件中，特別是在系統(tǒng)異構(gòu)和分布式環(huán)境下，可以任意傳輸和存儲(chǔ)。可以這樣說，XML 是一個(gè)獨(dú)立于硬件、軟件的應(yīng)用程序，它可以在不同的應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可以是網(wǎng)頁(yè)中，也可以是某一個(gè)XML 數(shù)據(jù)源。目前，XML在各類設(shè)備中得到了大量使用，如手機(jī)、語(yǔ)音設(shè)備、閱讀器等。

首先，我們了解一下XML數(shù)據(jù)文件的具體模式，它以.xml為文件后綴，具備一定的結(jié)構(gòu)化元素，但也具有無結(jié)構(gòu)化（所謂無結(jié)構(gòu)化就是類似無格式，文字類的文本），具體格式如圖2所示。

圖2 一個(gè)典型的XML應(yīng)用實(shí)例

圖 2 中 XML 文檔中“”是文檔的命名空間，其中帶有 XSL 是 XML 文檔樣式表，可以支持XML文檔按照預(yù)設(shè)格式進(jìn)行顯示瀏覽；類似“”的格式，都是成對(duì)出現(xiàn)的，起始為“”，術(shù)語(yǔ)上成為“標(biāo)簽”。

本文研究的系統(tǒng)，構(gòu)建基于XML數(shù)據(jù)格式，有利于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在任意跨結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中都適用。

（二）系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制

XML數(shù)據(jù)格式傳輸需采用DOM4J解析XML。具體步驟如下：

1.創(chuàng)建一個(gè)指向XML文件的輸入流

FileInputStream fis = new FileInputStream（“xml 文件的地址”）；

2.創(chuàng)建一個(gè)XML讀取工具對(duì)象

SAXReader sr = new SAXReader（）；

3.使用讀取工具對(duì)象，讀取XML文檔的輸入流，并得到文檔對(duì)象

Document doc = sr.read（fis）；

4.通過文檔對(duì)象，獲取XML文檔中的根元素對(duì)象

Element root = doc.getRootElement（）；

根據(jù)DOM4J的解析，我們可以生成標(biāo)準(zhǔn)的XML格式文件，這樣就對(duì)在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面的安全性和數(shù)據(jù)有效性有了保障，具體數(shù)據(jù)傳輸需要通過基于JAVA技術(shù)的JSON（JavaScript Object Notation JS對(duì)象簡(jiǎn)譜，是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式）來實(shí)現(xiàn)。

五、結(jié)語(yǔ)

目前，本文研究?jī)?nèi)容在研發(fā)階段，主要針對(duì)的是有基礎(chǔ)性心臟疾病的患者的相關(guān)儀器，而忽視了普通人群健康的預(yù)防，而普通人群在未知個(gè)人是否存在心臟疾病的情況下，極容易發(fā)生猝死的危險(xiǎn)。因此，理論上講，本研究?jī)?nèi)容是對(duì)專有醫(yī)用型監(jiān)測(cè)儀器的有利補(bǔ)充，具有良好的理論研究?jī)r(jià)值。