創新智慧城市醫護終端的設計與研究

景月娟，石強，侯媛媛，張騰飛，程震，溫紀鸼

（西安航空學院計算機學院，陜西 西安 710077）

隨著現代經濟的不斷增長，人們的生活方式已經從豐富的物資需求逐漸轉變為對自身健康的關注。醫護終端系統的設計在解決我國長久以來醫療資源短缺、分配不均勻、效率低下、看病難等一系列問題的同時，也保障了我國人民生活質量的穩步提升，為實現全面小康社會奠定了堅實的基礎。經過各業界與學術界的共同努力，目前關于創新智慧城市醫護終端的研究[1]，雖然已經取得了一定成果，但文獻分析顯示，它依然存在著實踐與理論上的問題[2]。目前臨床上使用的監護儀產品主要是短距離監控，且功能單一，因此，開發創新型智慧醫護終端，對于偏遠地區的中老年患者可以享受到大城市同等的醫療服務，顯得尤為重要[3-4]。

該文基于ARM 嵌入式物聯網開發平臺，設計了一個智慧城市醫護終端，通過相關模塊硬件采集患者的心率、體溫、呼吸以及病房環境等數據，利用網絡節點、SQL技術分別進行數據傳輸與存儲，實現對人體生理參數的遠程實時監控[5]，以方便醫生后期查看，從而實現醫護系統的網絡化與智能化，推動我國醫療事業的蓬勃發展，提高人民群眾的生活健康水平[6]。

1 系統整體框架

系統采用分層結構進行設計，具備對患者數據進行實時監測、顯示和存儲功能，系統整體框架如圖1所示。

圖1 系統整體框架結構

1.1 患者數據采集層

該層的主要功能是實時采集系統各個模塊的數據，包括患者的體溫、心率、血氧飽和度以及氣體濃度值等[7]。基于Linux3.0 內核編寫對應的硬件模塊驅動，完成時序的分析與對應數據的采集，并將數據讀到應用層待后續處理。

1.2 以太網傳輸層

該層設計屬于應用軟件層設計，主要實現患者體征數據的讀取、處理與傳輸。將所有數據進行相應的封裝，利用SOCKET 套接字進行實時檢測，結果不空則發送數據到網絡端[8]。

1.3 PC網絡顯示、查看

作為整個系統的最上層，在數據顯示方面要考慮到及時性和準確性，在存儲方面應注意存儲格式、數據大小，并且要考慮后續查詢方式。該層主要基于Qt Create 設計相應的登錄、患者信息錄入以及顯示界面，同時增加數據存儲模塊，根據時間將所有數據依次存儲到SQL 數據庫[9]，醫生只需點擊查詢按鈕即可查詢歷史數據記錄。

2 硬件模塊設計

該文設計應用三星廠商生產的Cortex A9 系列高性能處理器中的一款Exynos4412，它是韓國三星的第一款四核處理器[10]，集成了四個1.5 GHz 超高頻率的處理器核心和一個Mali400MP 圖形處理器核心，由外接溫度采集控制模塊、心率檢測傳感器模塊、氣體介質濃度檢測模塊和蜂鳴器報警提示模塊組成，利用Linux 內核驅動從硬件層獲取數據，并做進一步處理。整個系統設計的硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構

2.1 患者體溫數據采集

系統體溫數據采集采用DS18B20 溫度傳感器，它具有精度高、體積小、應用范圍廣等特點[11]，同時具備多重封裝形式，具有不同數量的引腳，適用于不同設備或者環境。其數據端口需要接一個4.7～10 kΩ的上拉電阻，否則采集的值不能正常輸出，DS18B20 實物圖如圖3 所示。該傳感器適用于潮濕環境，具備防水功能[12-13]。

圖3 DS18B20實物圖

2.2 患者心率數據采集

系統采用美信公司生產的集成了心率脈搏血氧飽和度檢測的多功能生物傳感器模塊MAX30102 來采集患者的心率數據。它包括內部檢測使能LED，用于發射探測光束的新型光電探測器，溫度傳感器以及其他光學元件，在抗干擾方面，具有環境光抑制的低噪聲電子器件。MAX30102 的工作電壓介于1.8～5.0 V之間，用于內部LED 供電，該模塊可以通過零待機電流的軟件關閉，使電源始終保持供電[14]。與普通的脈沖傳感器相比，MAX30102 具有非常明顯的優點。

1）具有較高的集成度：多種功能集成在指甲大小的芯片上，功耗小、抗干擾強。

2）直接以數字方式輸出：利用IIC 接口與控制端MCU 進行通信，自身攜帶18 位高精度模數轉換[15]。

3）功能強大：芯片雖小，卻集成了LED、溫度以及心率血氧等多種功能。

在醫學上，心率脈搏檢測方法有以下幾種：

第一種是從生物體內采集的心電信號中提取；第二種是通過血壓傳感器檢測到有規律的波動計算脈搏率；第三種是采用光電容積法，該方法最為普遍，便攜式可佩戴檢測，及其方便，且具有特別高的性能[16]。所以文中使用的MAX30102 模塊即是采用第三種光電容積法進行檢測。

2.3 病房環境數據采集

利用活性二氧化錫制作的MQ2 氣體傳感器對病房內的大氣煙霧、甲烷、丁烷、丙烷、液化氣、酒精等各種放射性有害氣體濃度進行實時探測。其是利用不同濃度氣體對二氧化錫在物理上電導率的影響而實現的，將各種氣體下的電導率輸出，并經過計算后得出，在傳感器的四個引腳中，有兩個數據引腳AO 和DO，分別為模擬輸出和數字輸出[17]。該傳感器靈敏度較高，抗干擾性好，使用壽命久，工作電壓小于24 V 即可，加熱時使用的電壓為(5±0.2)V。

3 軟件模塊設計

系統軟件設計總體分為客戶端與服務端兩部分，軟件結構框圖如圖4 所示。

圖4 軟件結構框圖

系統由上層到下層依次為Qt 應用顯示設計、Linux 服務應用程序設計、Linux 內核編譯和Linux 模塊驅動設計。首先，對Linux3.0 內核進行編譯，基于該內核，編寫硬件模塊對應的驅動程序，將模塊驅動插入到內核，在應用程序中，分別對每個驅動設備進行操作，獲取硬件數據。將獲取到的數據進行統一封裝，通過SOCKET 發送到PC 端，最后在Qt 環境下設計一款簡潔的網絡接收端應用[9]。整體系統軟件流程如圖5 所示。

圖5 系統軟件流程

3.1 體征數據采集軟件設計

該采集軟件分別通過DS18B20、MAX30102、MQ2 控制模塊實現對體溫、心率血氧飽和度、病房氣體的數據讀取與處理，其中，MAX30102 心率模塊通過IIC 總線實現數據的采集，包括心率（次/min）和血氧飽和度（所占血液中的濃度比）[18]。

3.2 數據處理與傳輸軟件設計

數據處理與傳輸層實現數據確認、合法性與異常性判斷，在必要時觸發報警裝置。同時搭建SOCKET 通信的服務端，將數據實時寫入發送通道。

3.3 數據顯示與存儲軟件設計

1）患者信息錄入界面設計。軟件系統中設計該界面的目的在于錄入患者個人信息到系統，以方便醫生識別查看。錄入的患者信息包括姓名、性別、主治醫師、病床號等便于系統化管理的信息。通過“提交”按鈕，將輸入的信息提交給系統并保存在系統中，以方便檢查和數據顯示。

2）患者體征數據信息顯示界面設計。數據界面顯示設計是該軟件系統的核心。該設計的目的在于接收硬件服務層發送來的數據，包括體溫、心率、血氧飽和度以及呼吸指數，同時將接收到的數據及保存在系統的患者個人信息顯示在終端界面，并實時更新數據，以達到病情監控的功能。

3）患者數據存儲設計。該模塊主要實現患者數據的存儲及顯示。一方面將采集到的體征數據按照時間進行存儲，包括患者的姓名、性別、病床號、體溫、心率、呼吸頻率、血氧飽和度以及對病房空氣監測的結果。另一方面，在網絡端啟動連接到服務器端時，依照接收速率每隔一秒將數據存儲一次。當監測其他患者時，重新啟動服務器，并啟動網絡端，輸入患者信息，如不刪除之前的數據庫，則所有患者數據將存儲在該數據庫中。

4 系統測試驗證

系統功能模塊測試主要包括服務端數據采集、網絡端數據接收機顯示與數據庫存儲測試三大部分，每一部分又相對應包括幾個小模塊的測試，如表1 所示。測試驗證表明系統設計比較符合預估效果：1）系統運行的整個流程包括硬件的連接、系統啟動等比較順暢；2）患者心率、體溫、病房氣體檢測等硬件驅動模塊與蜂鳴器報警模塊測試正常；3）網絡客戶端從登錄到信息錄入，再到數據實時顯示的結果一切正常。總之，該系統數據采集、傳輸存儲及顯示基本可靠。

表1 測試項目表

5 結束語

為了實時監護患者，減輕醫護人員負擔，該文設計了一款可實時監測患者狀況的醫護終端系統，充分展示了現代科技的力量。該系統運用嵌入式應用開發相關技術實現了對患者體征數據與病房氣體等的實時檢測，實現了對異常檢測數據的驗證，并觸發報警裝置以提醒醫護人員，同時實現了將檢測數據傳送到網絡端進行存儲及顯示，方便了醫護人員遠程實時監控患者的情況，提高了醫療效率，提升了人類生活質量，促進了健康智慧城市的發展。