一種智能遠程監護慢性心力衰竭患者生理參數床墊的設計

趙國，徐友清，楊愛華，楊磊，王旭（通信作者）

1 首都醫科大學附屬北京兒童醫院 （北京 100045）；2 云南省老年病醫院（云南昆明 650000）

近年來，我國心腦血管疾病發病率逐年升高，且日趨年輕化。慢性心力衰竭（chronic heart failure，CHF）為心腦血管常見病之一[1]。CHF 是一組以左室充盈和（或）射血功能受損，心排量不能滿足機體組織代謝需要，以肺循環和（或）體循環淤血，器官、組織血液灌注不足為臨床表現的一組綜合征。CHF 患者常合并體液潴留和水腫，因此體液管理對CHF 患者非常重要。合理的體液管理可以有效減輕CHF 患者的癥狀，改善其生活質量。如液體管理不當，CHF 患者可能出現水腫、呼吸困難、肺部感染等并發癥，嚴重時甚至危及其生命。

智能遠程監護CHF 患者生理參數的床墊應用于臥床的CHF 患者，對其體內的水分含量進行實時監測，同時將實時獲取CHF 的體重、血氧飽和度和心率等參數遠程發送至監護人員的移動終端，為老年CHF 患者的體液管理提供強有力的支持。

1 臨床需求

CHF 患者住院期間或出院后，常需家屬協助記錄患者的體重、尿量、進食與飲水量、憋喘癥狀及發生時間等指標，通過對上述指標的分析及早識別隱性水鈉潴留、勞力性呼吸困難加重、外周水腫加重、體力活動下降等早期病情惡化指標[5]。患者及家屬執行中由于內容繁瑣，常導致依從性較差，因此，亟需一種可準確、高效、便捷、客觀地評估CHF 患者體液潴留情況的手段。

Sergi 等[6]的對照研究證實，CHF 組較健康組的細胞外水分（extracellular water，ECW）/體內總水分（total body water，TBW）明顯升高，成為內環境體液潴留的客觀證據，對CHF 的早期診斷具有預測價值。

2 系統整體設計

2.1 硬件設計

2.1.1 結構組成

智能遠程監護CHF 患者生理參數床墊的結構包括硬質底板和軟質墊體。其中，墊體粘貼固定于硬質底板上，硬質底板的一側設有功能操作臺，在底板的4 個角部固定有重量傳感器。同時，重量傳感器與功能操作臺連接，功能操作臺上設有顯示屏、操作按鍵和若干插孔。插孔中插接1 對足部電極片，1 對手腕電極片和1 個多功能監測手環。功能操作臺的一側引出電源線；功能操作臺的內部設置有無線通信模塊。多功能監測手環中固定有血氧飽和度傳感器和心率傳感器，血氧飽和度傳感器選用反射式光電傳感器。智能遠程監護CHF 患者生理參數床墊的結構圖如圖1 所示。

圖1 智能遠程監護CHF 患者生理參數床墊結構圖

2.1.2 硬質底板組成

如圖2 所示，硬質底板由蓋板和槽板組成。蓋板固定于槽板頂部。槽板中固定有隔板，隔板將槽板內空間分隔為第1 容置腔和第2 容置腔。第1 容置腔的4 個角部開有工作孔，重量傳感器的導線從工作孔中插入第1 容置腔中，第2 容置腔中固定有PCB 電路板，重量傳感器、顯示屏和操作按鍵均與PCB 電路板連接。

圖2 硬質底板機構圖

2.1.3 PCB 電路板

如圖3 所示，PCB 電路板上固定有AC 插頭、電源模塊、存儲模塊、模數轉換模塊、處理芯片、通信模塊、數模轉換模塊、可編程定時模塊、脈沖合成模塊、功率放大模塊和脈沖變壓模塊。PCB 電路板的端部固定有1 對足部電極片插頭、1 對腕部電極片插頭和1 個監測手環插頭。電源線與AC 插頭連接，AC 插頭與電源模塊接，電源模塊、存儲模塊、模數轉換模塊、通信模塊和數模轉換等模塊均與處理芯片連接，數模轉換模塊與可編程定時模塊連接，可編程定時模塊與脈沖合成模塊連接，脈沖合成模塊與功率放大模塊連接，功率放大模塊與脈沖變壓模塊連接，脈沖變壓模塊與1 對足部電極片插頭連接，1 對手腕電極片插頭和監測手環插頭均與模數轉換模塊連接，血氧飽和度傳感器和心率傳感器通過監測手環插頭與模數轉換模塊連接。處理芯片收到操作按鍵輸入的調節指令后向數模轉換模塊輸出1 個數字量，數模轉換模塊將其轉換為模擬電壓，該模擬電壓的大小決定脈沖幅度。可編程定時模塊通過編程產生脈沖，脈沖合成模塊收到可編程定時模塊輸入的脈沖信號后，將其與模擬電壓合成為目標脈沖并輸送至功率放大模塊。功率放大模塊驅動脈沖變壓模塊，脈沖變壓模塊對輸入的電壓脈沖進行升壓并輸出至足部電極片插頭處，并最終通過1 對足部電極片傳輸至足部。

圖3 PCB 電路板結構圖

2.1.4 血氧飽和度傳感器

系統選用MAX30102 反射式血氧傳感器芯片，芯片中有2 個發光二極管，分別通過一側向腕部發射波長為660 nm 的紅光和880 nm 的紅外光，并通過另一側的發光二極管接收反射光線，通過發射與接收的光強差計算血氧飽合度。處理芯片選用STC89C52 型處理芯片；電源模塊選用AMS1117-3.3V 型電源芯片；數模轉換模塊選用TLC5671 型數模轉換芯片；通信模塊選用 Lora 無線通信模塊；可編程定時模塊選用8253 型計數器芯片；脈沖合成模塊選用74HC14 型芯片；功率放大模塊選用LM3886 型功放芯片；脈沖變壓模塊選用ER2826 型脈沖變壓器模塊，如圖3 所示。

2.1.5 多功能監測手環

多功能監測手環是將監測的心率和血氧飽和度模擬電信號傳輸至模數轉換模塊中進行數模轉換，最后處理芯片將患者的身體含水量、心率和血氧飽和度信息發送至顯示屏顯示，同時將上述信息發送至通信模塊，由通信模塊將其無線發送至移動終端，如圖4 所示。

圖4 智能遠程監護CHF 患者生理參數床墊軟件設計圖

2.2 軟件設計及功能模塊

本研究設計的一種智能遠程CHF 患者監護床墊，軟件設計包括A/D（數模轉換）模塊、數據庫模塊及預警模塊。

2.2.1 A/D（數模轉換）模塊

臨床上一般通過測量人體生物性阻抗來分析人體的水分含量。如圖4 所示，數模轉換模塊將模擬電信號轉換成數字信號并傳輸至處理芯片。處理芯片根據脈沖電壓的降幅和心衰患者的身高計算其生物性阻抗，同時計算CHF 患者的體內含水量。床墊底板的4 個角部的重量傳感器將心衰患者的體重實時傳輸至模數轉換模塊，模數轉換模塊將其轉換成數字信號并傳輸至處理芯片，處理芯片將所有重量傳感器傳輸的重量相加得到底板、墊體、CHF 患者的體重、衣物的總重量，并通過操作按鍵輸入減去底板、墊體和衣物重量的指令，處理芯片減去相關重量后即可得到CHF 患者的體重。

2.2.2 數據庫模塊

CHF 是一種長期性疾病，在恢復的過程中需要患者家屬和患者共同努力，家庭護理對CHF 患者非常重要，能提升患者的生活質量，有效防止患者病情的惡化和反復[9]。后期可發展、建設為“互聯網+心衰預警”模式，提升心衰篩查效率和對患者救治能力，為老年CHF 患者的健康管理發揮示范引領作用。

心衰患者監護床墊數據倉庫采用Oracle 數據庫，以CHF 為主表，以患者信息和預警的提醒為輔表，構建新型數據模型。其特征包括集成性、穩定性和時變性，用于管理CHF 患者數據。CHF患者監護床墊數據統計功能主要針對使用該床墊的CHF 患者，在技術上，采用ECharts 前端框架實現系統指標的可視化展示，后臺使用PHP 進行數據處理，為院前急救和醫療決策提供支撐依據。

2.2.3 預警模塊

應用移動終端進行預警，其系統監護界面的設計使用 Matlab 軟件進行編程A/D（數模轉換）模塊，方便安裝在臺式電腦、平板、手機及移動工作站上，滿足各類應用場景的需求，如圖4 所示。

3 系統的創新點

3.1 多預警閾值的選擇

智能遠程CHF 監護床墊主要是利用生物組織、器官的電特性及變化規律進行測定。生物性電阻抗是一個由電阻和電容組成的復合量，電阻R、電阻率ρ、體長L、橫截面積A及容積V存在如下關系：

在理想狀態下，利用人體的導電特性，將人體視為1 個均質的圓柱體導電模型，借助置于體表的電極向人體輸入微小電流，檢測相應的電阻抗及其變化。人體本身存在成分多、形態不同的組織及器官，且具有不同的生物電特性。細胞作為機體最小的組成單位，在細胞膜內外存在不同濃度的離子分布，維持著“外+內-”的電容特性，其液體容量則由富含電解質的細胞內液和細胞外液組成，有良好的電阻特性，兩者在人體的等效電路可以看作是若干個電阻、電容互相串并聯構成的電路模型，為生物電阻測量法（bioelectrical impedance analysis，BIA）技術提供了理論實驗基礎。由于軀干部分占總體阻抗的比例較小（占全身總電阻抗的5%左右），而頭部由于被顱骨包圍，且骨質本身電導率較多，所以一般也不會用于測量。實際測量人體BIA 時，采用整體電阻抗分析，于4 個肢體末端放置電極進行測量，其中多功能監測手環中固定有血氧飽和度傳感器和心率傳感器。多參數的分析使相關預警更為靈敏、準確和真實。

3.2 多場景的適用性

從實用性出發，采用生物電阻抗與容量管理和血氧飽和度、心率組合的模式，由監測單元進行監控，兼具預警功能，系統監控單元既能用于住院患者，也能滿足家庭使用要求。該系統通過設置各項報警闕值及時發現危險因素便于監護人員干預。

4 討論

人體血容量的狀態常決定內環境穩態及病情危重程度，如血容量過多，可導致水腫、腹水及細胞外容量增加，反之則可造成多器官功能障礙甚至衰竭[7]。血容量的評估及體液潴留的管理是CHF 診斷、治療及預后評估的重要手段。智能遠程CHF 監護床墊可實時獲取老年CHF 患者的體重、血氧飽和度和心率，進行容量評估后獲取呼吸循環的重要參數，及時發現異常并進行預警，同時也能為醫生提供近期準確的數據，對降低CHF 患者死亡率、CHF 患者的管理意義重大。

5 結語

智能遠程監護CHF 患者生理參數床墊不影響受試者正常睡眠，解決了居家CHF 患者自我管理的難題。通過智能遠程監護CHF 患者生理參數床墊，可以對患者的體重、心率、血氧飽和度等數據進行動態、實時、連續的采集、分析，準確評估容量狀態，一旦出現異常情況及時發出報警，告知醫護人員及時予以干預。智能遠程監護CHF 患者生理參數床墊的設計具有獨特的個體化、易采集、適合遠程監測[10]等優點，且安全、可靠、舒適性好[11]，能確定容量管理目標。但智能遠程監護CHF 患者生理參數床墊僅作為1 項實用新型設計，其遠期療效仍需進一步臨床驗證。