医疗监护技术现状分析与探讨

王虹，吴飞

解放军第309医院 信息科，北京100091

医疗监护技术现状分析与探讨

王虹，吴飞

解放军第309医院 信息科，北京100091

医疗监护技术水平是反映医院、社区诊疗质量的重要指标之一。为完善和提升传统医疗监护的技术水平，使医院更多的就诊和住院患者，以及社区、家庭内被监护人均能受益，提高健康水平，本文从患者和医务人员不同的角度揭示了传统有线监护存在的问题，分析了目前医疗监护技术的国内外现状，并进一步讨论解决途径。

医疗监护；电子腕带；无线传感网络

1 医疗监护技术概述

医疗监护作为一种对重症患者进行高质量严密监测与护理的手段，通过实时、连续、长时间监测记录患者的重要生命特征参数，能及时捕捉患者瞬息变化的生命特征参数，使医生能通过监测数据进行及时精确的诊断和治疗，有效减少患者并发症的发生，降低死亡率。

我国作为一个迅速发展的社会，已成为全球工作时间最长、环境污染日益严重的国家之一，过劳死、亚健康已成为很多人的共同问题，环境污染造成的健康损害也成为我国的一个严峻挑战。因此，解决亚健康、环境污染等带来的健康问题，尽早检测发现人体异常生理参数并及时进行治疗、救护，是实现我国全民健康水平状况根本好转，建设和谐社会，提高生命质量，降低死亡率的关键一环。除强化医疗体制改革，提高医护专业水平外，以无线传感网络技术、信息技术等高新技术改造和提升传统医疗监护的技术水平，是提高全民健康水平的重要技术保障。

目前，医院内使用的传统有线监护方式采用有线传感器探头，在患者与监护设备之间连接以进行信号传递。该设备连线众多，与身体相连时只能由医护人员操作，进行监测时患者只能坐卧于床，行动受到很大限制；此外，时刻被监测的感觉使患者生理、心理负荷加重，可能造成所测得数据与真实情况有一定差距，影响病情的正确诊断。

在监测过程中，传统设备无智能诊断自动报警功能，医护人员需不断主动观察监测数据以判断患者状态并进行相应处理，给患者和医护人员均带来很大不便。另外，这种监护仪大多非常昂贵，使用费用高昂，只有住院的重症患者才不得不使用，很多外表病症轻微而实际病情已重的患者（包括门诊患者）不能在病发初期或病发期得到及时的监测诊断，错过了最佳治疗期，导致贻误了病情，甚至失去了生命。

无线医疗监护克服了传统有线医疗监护技术的局限，使人们可在任何时间、任何地点获得生理和病理的监护。目前，在无线医疗监护系统中支持较近距离无线数据传输的常用技术为IEEE802.11、蓝牙和无线超宽带（UWB）。表1归纳比较了这些技术在工作频段、传输速率、通信距离等方面的性能。

从表1可以看到这3种技术存在着某些关联, 但差异也是相当明显的。在需要更高资料传输率的实时多参数无线医疗监护应用中UWB是一个可选方案,但在美国以外的地区，仍然有一些法规及政策上的限制[1]。

2 国内外研究现状与分析

近年来，为使医疗监护系统能够在任意时间、任意地点实现人体在任意状态下的生理监护，国内外各科研机构的研究一直聚焦在无线传感网络的大规模快速组网和医疗传感监测系统的动态测量精准性、便携性三大方面，这三方面的研究一直互为支撑、相互促进。每一次无线医疗监护技术的革命性进步、发展，均建立在更方便、灵活，环境适应性更广的组网技术创新和更为小巧便携，动态测量更精准的传感监测系统创新之上。

2.1 基于点对点或局域网组网的医疗监护系统

2005年芬兰IST Vivago公司研制的WristCare系统[2]，主要用于在家庭或公共部门（养老院等）内实现对普通人或老年痴呆症患者的睡眠监测。家庭中的数据信息以点对点形式实现腕表监测生理数据向室内无线基站的传输，然后，无线基站再借助有线电话网络实现生理数据向监控中心的远程传输；公共部门的大规模监测网络，则基于走廊内的多个无线公共基站，建立了无线监测局域网监测腕表数据，然后通过有线Internet实现公共基站向远程监控主机的数据传输。

2007年，韩国研究的普适式医疗健康监护系统（U-Healthcare System）[3]如图1所示，通过Zigbee CC2430搭建无线监测个人局域网，然后借助移动手机通过CDMA或WLAN实现监测数据向移动公网的传输，并最终通过移动公网基站与Internet的数据交互实现远程网络的搭建。U-Healthcare监护系统中，生理参数的监测传输虽然采用了先进的Zigbee无线传感网络模块，但其实质依然为家庭内的点对点数据传输，仅适用于个人远程医疗监护系统，未形成同一区域内的大规模组网及多人医疗信息同时监护。

国内的中科院计算所，于2006年研究了基于无线传感网络的远程医疗监护系统[4]，该系统采用CC2430 RF（射频）模块，以点对点通讯方式，实现家庭内的无线监护数据传输。远距离数据传输则通过CC2430 RF基站设备以多种方式接入，包括直接联入Internet网络，使用GSM短消息通信方式或者通过modem接入Internet网络实现，与上述韩国的U-Healthcare System 无本质区别。浙江大学所实现的无线多参数监护仪实现方式也与此类同[5]。

上述医疗监护系统中，各研究机构均采用点对点或局域网方式实现个人生理传感数据与无线基站的通讯，并借助各种远距离通讯工具构成远程医疗监护网络，几乎未能形成同一区域内（医院、社区）的大规模无线传感网络组建及多人同时受监护的医疗监护系统，且均无医/患轨迹跟踪与定位功能。

2.2 基于大规模快速组网的医疗监护系统

美国哈佛大学CodeBlue系统[6]采用Chipcon公司早期推出的CC2420（基于802.15.4/Zigbee射频模块）构成大规模无线传感医疗监护网络。CodeBlue通过布撒短距离、低功耗zigbee RF CC2420节点（节点之间数据通讯最大距离为100m），迅速搭建大规模无线传感网络系统,并可根据需要任意扩展以应对战场或大型灾难性紧急事件。CodeBlue系统可在穿戴式医疗监护设备配合下，实现同一区域内多人生理数据的同时监测，多个生理数据可同时传输到笔记本或PDA移动终端等设备进行处理、显示、记录。当被救援者生理参数超过正常范围时系统会自动报警，并分类所有被救援者的救治紧迫性和救活可能性，跟踪定位其轨迹、位置。

但是CodeBlue CC2420 Zigbee RF（射频）模块仅具备无线数据收发功能，内核无CPU，也无自组网功能。为此CodeBlue系统不得不扩展16位MSP430 MCU实现自组网及传感器处理功能，大大增加了监测设备的复杂性和体积。为此，CodeBlue系统开发人员研究了各种算法实现定位跟踪功能，使系统软件实现复杂。

CodeBlue是目前为数不多的具有大规模快速组网能力的无线医疗监护系统。但是，由于CodeBlue项目所采用的RF器件功能单一，造成其整体架构、大规模自组网络实现架构，以及软件实现方法过于复杂，因此无法很好地实现复杂的3D环境下集成度很高、大规模自组网架构合理、定位简单、体积小、功耗低、价格适宜的区域级智能医疗监护系统。

2.3 无线传感监测系统

目前，国内外各科研医疗机构和跨国公司，利用红外、激光、光电、力学、电子、生化等技术，竞相研制出一系列能够自动辨识体温、心率、心电、血压、血氧、身体姿态参数异常的小型、高精度传感器，这些传感器被整合为智能戒指、手套、腕带佩戴式，以及智能衣（Smart Shirt）、胸带穿戴式2大类，以监测人体的各种生理参数。其中，前一类的优势在于测量、佩戴方便，易于携带且成本低，长期佩戴不会引起任何不适感；后一类的优势则在于可以测量更多种类的体征信号。如美国埃森哲公司开发的无线在线保健服务系统[7]，包含一件可监测30项生理指标（呼吸和跳动频率等）之多的衬衫。在线保健衬衫连续收集穿戴者的生理数据，并将这些数据安全发送到远程分析机中，经综合、过滤和筛选，当所设定的健康极限被打破后，系统会向保健机构发出预警。

图2 MIT的无线指环传感器

麻省理工学院（MIT）从20世纪90年代后期开始研制戒指型传感器（如图2所示）[10]。为了在比腕式更小巧的戒指上实现更多功能，MIT的研究者仅在戒指内采用了光电式血氧饱和度传感器作为其唯一的生理参数监测仪器，然后通过各种软件处理方法，实现脉搏容积（PPG）信号、血氧饱和度、脉搏和心率等多种参数的测量，巧妙地满足了小型化、多参数的测量要求；在动态测量精准性信号处理方面，除采用硬件阻容滤波方式外，MIT的研究者还在戒指上增加了体积非常小的2D加速度传感器，在2个最易被干扰的方向上检测手臂的加速度信号，然后采用自适应滤波器重构被这两个方向运动干扰的信号，增加监测信号的动态测量精准性和抗干扰性。

但是，从手指上可以测到的体征参数毕竟有限。为了同步测量多种生理参数，法国CRNS研究机构拓展了智能戒指的功能，研制了智能手套[12]，并为手套内的传感器加装了特殊的机械固定支撑，并在变形很少的胸廓部分加配了一套智能衬衫来弥补手套动态监测受干扰的缺陷。这种“智能手套+衬衫”的结构也使整个系统的复杂性大大增加。

韩国U-Healthcare监护系统设计了腕表和胸带2种生理信号监测设备，腕表内置光电血管容积图，脉搏和体表温度监测传感器；胸带内置心电、呼吸、体表温度检测传感器和加速度传感器；腕表和胸带分别内置CC2430 RF模块，以实现个人无线传感网络搭建和数据传输。腕表外形设计巧妙，向手肘方向大幅延伸，如图3所示，使腕表内腔体积增大，集成了多达3种传感器在内，但是系统未有动态测量精准性信号处理说明。

图3 韩国U-Healthcare腕表和胸带

国内提出了一种由ZigBee传感器和无线局域网构成的医疗监护系统的实现方法[15]，常用测量信号的频率范围和数据量如表2所示。

表2 常用测量信号的频率范围和数据量

综合测试过程中，系统在取得了初步的结果；通过ZigBee无线通信方式，传感器节点上的生命指标传感器将采集到的数据发送至监护基站设备，并显示在基站设备的LCD上。每个病人总的数据传输量在22～76 kb/s之间（依据心电图电极的数量而变化）。

3 提高医疗监护技术水平的对策与思考

从上述国内外医疗监护研究现状我们可以看出，在无线医疗监护系统方面的研究已取得了一些很有意义的进展，但在区域级基于无线传感网络的智能腕表式医疗监护系统技术研究方面，还存在许多尚未解决的问题。复杂3D环境下大规模自组网无线传感网络体系架构、生理参数动态精准测量，以及传感器系统小型化设计研究是亟待解决的主要问题，也是我们将要研究的，前人未能或未能很好解决的难题。

要建立医院内各住院病区、门诊就诊所有患者，以及社区医疗中心、家庭等区域级的现场自动医疗监护；要研究无线化、智能化、传感网络化、价格适宜的腕表式医疗监护系统；要重点攻克复杂3D建筑环境大规模无线网络体系架构及自组网技术特性、多种生命特征参数传感信息实时动态采集智能处理方法，还有微小型实现技术、自动诊断报警智能专家系统、医患精确定位与跟踪算法、医患身份认证与管理、系统集成及总体系统可靠性设计等核心技术，并进行医院病区现场工程试验验证。

由于实际3D环境大规模组网及多移动目标定位跟踪算法的复杂性，腕表式医疗传感监测器对运动的低抗干扰性及应用于不同患者造成实现技术的多体复杂性，使得这些问题在理论、试验和实践方面具有很大难度。要通过有效的研究工作，构建出适用于医院、社区、家庭等区域级的基于无线传感网络的智能腕表式医疗监护系统，验证无线腕表式医疗监护系统构成理论、实现方法的可实现性和普遍适用性。

具体来说，针对无线医疗监护系统的佩戴式传感监测器由于佩戴式主要应用于面积不大的手指、掌、腕各处，因此传感监测器的采集面及整体体积均不能很大，而要在不大的体积内尽量多地集成各种智能传感器（体温、脉搏、血压、血氧饱和度、身体姿态传感器等），首先要克服的难点就是各传感器系统的小型化设计及其技术，这是佩戴式监护系统能否实现的根本；另外，手腕部，尤其手部是人体动作最多的部分，生理参数的准确监测要求能在任意运动状态下实现。但是，运动会给监测生理信号叠加干扰，加上生理信号是微弱信号，因此佩戴式传感监测研究要克服的另一个难点就是动态测量精准性信号处理，即高精准、高抗干扰信号预处理技术研究，这是佩戴式监护系统能否实现的关键。

近来美国商业周刊和MIT技术评论Technology Review在预测未来技术发展的报告中，均将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。我们要加快脚步，基于无线传感器网络系统，研究能覆盖整个医院（病区）、社区、家庭的具备自组网、自诊断、自报警，且佩带方便、便携，被监护人可自由移动等特性的腕表式医疗监护系统关键技术。这种信息处理功能强大的区域级智能便捷医疗监护系统，将为医疗信息化带来新的发展，不久之后会成为各医院、社区、家庭监护保健的主流，成为实现医疗信息化、数字化、网络化的重要组成部分。

[1] 严壮志,张静,施俊,等.无线医疗监护技术综述[J].中国医疗器械杂志,2006,30(5):13-18.

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[4] 赵泽,崔莉.一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统[J].信息与控制,2006,35(2):139-143.

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Research of Wireless Intelligent Healthcare Monitor System Based on Electronic Wrist Strap

WANG Hong, WU Fei
Information Department,The 309 Hospital of PLA,Beijing 100091,China

The medical monitoring technical level is one of important indexes reflecting hospital, or community's diagnose and treat quality. In order to improve the technical level of the traditional medical monitoring, to profit hospital patients, community and family people, thus enhance the health standard,this paper reveals questions of the traditional wired guardianship from the patient and medical personnel's different angle, analyzes the present situation of medical monitoring technology home and abroad, and further discusses the solution of the situation.

medical monitoring; electronic wrist belt; wireless sensing network

TP29；TN98

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.07.018

1674-1633(2011)07-0062-04

2011-04-04

2011-05-24

北京市自然科学基金项目（4102065）。

本文作者：王虹，高级工程师，副主任。

作者邮箱：wang_hong@yahoo.com