基于社区医疗的无线多参数遥测监护系统的设计与实现

郑传权 王春渊

基于社区医疗的无线多参数遥测监护系统的设计与实现

郑传权①王春渊①

目的：充分利用社区医疗和医院的医生资源，提供远程监测诊断，为患者和医院提供更便利高效、安全的医疗服务。方法：设计专用新型无线保真(WiFi)技术的多参数遥测监护系统，包含专用新型WiFi模块、佩戴式多参数遥测监护仪盒、无线中继网络和医疗监视软件等，使用无线网络对心电、血氧及呼吸等进行检测及数据传输。结果：患者能够在正常生活的状态下进行监护，随时随地将电生理数据发送到医院，医生可以根据患者的电生理数据进行远程诊断及做进一步的治疗。对系统运行的稳定性、可靠性及各参数的准确性进行严格的测试，数据传输准确率达到了98%以上。结论：该系统通过临床试验反馈良好，具有广阔应用前景和重要临床意义。

社区医疗；无线传输；多参数监护；家庭监护；远程诊断

[First-author’s address] Houjie Hospital Affiliated to Guangdong Medical College, Dongguan 523945, China.

目前，随着社会的发展心脑血管疾病的发病率逐年攀升，由于其疾病的隐蔽性和突发性，使患者心电、血氧及呼吸等参数的长期监护具有重要的医学预防意义，但长期的住院治疗给患者带来了沉重的经济负担。无线远程医疗系统，使用无线网络进行数据传输，患者能在正常生活的状态下进行监护，随时随地将电生理数据发送到医院，医生可根据患者的电生理数据进行远程诊断及做进一步的治疗。

由于医疗技术、工程技术、传感技术、通信技术及计算机技术的高速发展，监护设备不断更新换代，已逐步在普通病房、社区及家庭广泛应用。无线保真(Wire1ess Fide1ity，WiFi)网络由于其价格低廉、传输速率高，可结合未来互联网与无线通信的高速融合，基于社区医疗的无线多参数遥测监护系统可通过公共网络传送心电、血氧和呼吸等远程多参数监护信号，具有高速传输且不受空间限制、准确性高，是未来无线医疗器械监测的方向。

1 多参数遥测监护系统原理及功能结构

本研究设计一种基于WiFi网络的远程多参数监护系统，利用WiFi的高速传输速度与低成本接入的特点，结合未来打造WiFi的城市计划与WiFi网络间无缝连接的优势，建立心电图、血氧、呼吸及体温等数据的实时传输系统。由受监护人身上佩带一个心电、血氧、呼吸和体温等多参数信号采集器，先将其数据采集到微处理器(STM32L151)中，同时将以上微处理器采集到的多参数模拟信号进行A/D转换及相关计算后将其结果传给主控微处理器单片机(STM32F103)，提供至LCD显示屏显示，无线数据通过微处理器MCU通过I2C接口与主控微处理器MCU进行连接，定时将存储在主控微处理器MCU内部的数据传给无线数据通信微处理器MCU，并通过主控微处理器MCU控制无线通信芯片上传数据与接收下发控制命令，主控微处理器单片机首先驱动WiFi模块加入AP所在的局域网并与网内服务器建立连接，受监护人的多参数信号成功上传至服务器，可通过以太网传至医生电脑进行诊断。

图1 无线多参数遥测监护系统功能模块原理图

1.1 多参数监护系统功能模块

无线多参数遥测监护系统功能模块包括：①血压测量与实时时钟；②心电与呼吸、体温测量；③血氧饱和度测量；④主控MCU(数据收发与显示)；⑤LCD显示屏；⑥无线数据通信；⑦电源供给(如图1所示)。

1.2 多参数监护系统线路连接

各功能模块通过数据通信接口与主控微处理器MCU(STM32F103)连接。

(1)血压测量。血压测量微处理器MCU(STM32L151)通过I2C接口与主控微处理器MCU(STM32F103)连接，实时时钟通过I2C接口送到主控微处理器MCU并在显示屏显示，血压测量命令通过I2C接口送传到血压测量微处理器MCU，血压测量微处理器MCU控制气泵、气阀动作进行血压测量，得到数据后回传到主控微处理器MCU并在在LCD显示屏显示。

(2)心电、呼吸和体温测量。微处理器MCU经过数据电气隔离芯片使用SPI接口与主控微处理器MCU连接，测量的心电、呼吸和体温数据回传主控微处理器MCU(STM32F103)并在显示屏显示，导联切换命令通过SPI传给心电与呼吸、体温测量MCU并执行控制。

(3)血氧测量。血氧测量通过I2C接口与主控微处理器MCU(STM32F103)连接，实时时钟通过I2C接口送到主控微处理器MCU并在LCD显示屏显示。

(4)LCD显示屏。通过并行接口与主控微处理器MCU连接，所有信息在显示屏显示。

1.3 多参数监护系统电源供给

多参数监护系统电源包括：①3.7 V锂电池经过稳压芯片(BL8021)稳压后输出3.3 V，供给多参数监护系统主控微处理器MCU和LCD显示屏；②无线数据通信，经过DC-DC隔离电源模块并稳压后供给心电与呼吸、体温测量；③气泵、气阀由另一个稳压芯片提供3.3 V电压；④实时时钟采用后备电池。

2 多参数遥测监护系统主要核心控制模块

2.1 主控微处理器MCU

主控微处理器MCU采用(STM32F103)为32位增强型ARM微控制器，其内核是Cortex-M3，该系列芯片按片内F1ash的大小可分为三大类：小容量(16 K和32 K)、中容量(64 K和128 K)和大容量(256 K、384 K和512 K)。芯片集成定时器，具有CAN、ADC、SPI、I2C、USB及UART等多种功能，具备睡眠、停机和待机模式以及低功耗、双采样和保持功能。

2.2 微处理器单片机

微处理器单片机(STM32L151)基于Cortex-M3内核，该系列性能卓越和超低功耗，与STM8L系列共享意法半导体独有的超低泄漏电流制程和优化架构，内置电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和停止模式下保存数据的后备寄存器，频率范围广，功耗较低(270 nA)，适用于便携式医疗设备。

2.3 嵌入式芯片

通信模块CC3000是Simp1eLink产品线下的WiFi嵌入式芯片，是设备齐全的无线网络处理器，可简化互联网连通的执行过程。Simp1eLinkTMWiFi可减少主机微控制器(MCU)软件需求，包含完整的TCP/IP通信栈和WiFi驱动，使其成为使用任何低成本和低功耗MCU的嵌入式应用的理想解决方案。

2.4 稳压电路

BL8021稳压电路是高效率的DC-DC降压开关稳压器，提供高达1.2 A的输出电流，工作输入电压为2.6～7.0 V，并提供了从输出电压0.6 V至输入电压(VIN)，使得BL8021理想的低电压电源转换。

2.5 隔离电源模块

B0303S-W25隔离电源模块体积小、功率密度高和效率高；输出纹波噪声低、热稳定性能好；工作温度为-40～85 ℃，隔离电压高达1000 Vdc、可靠性高。

3 多参数遥测监护系统的实现及关键技术

便携式多参数监护仪采集到患者心电、血压、呼吸及体温等信息通过WiFi模块上传至单片机，并加入AP所在的局域网并与网内服务器建立连接，再将实时的多参数模拟信号转换为数字信号交给WiFi模块传至服务器，并在广域网内的服务器上保存；总院专科医生可利用远程监测软件实时从服务器中下载患者数据并显示相关数据和波形进行显示和分析，达到远程实时监测患者生理信息和诊断。同时，在患者出现危急时告警提示，以便医生及时进行医疗处理(如图2所示)。

图2 远程无线多参数遥测监护系统实现步骤图

(1)采集段部分。完成心电数据的A/D转换，并将数据写入单片机内部缓存等待发送。通过串口用单片机驱动WiFi模块，以控制帧的方式向串口写入数据，完成WiFi模块对多参数电生理数据的发送。

(2)存储空间。设计外部存储空间，以避免在断开连接或在AP切换时造成数据丢失。

(3)结合心电数据的格式。在客户端与服务器端用软件解析相应的心、电及血氧等波形，并对传输过程中的准确率与完整性进行测试。

(4)专用WiFi模块。采用最新省电技术，提高联网接入速度，缩短掉线恢复时间和掉线期间的数据恢复技术。

(5)组网方式。组网设计采用数个无线AP，以桥接方式连接组成有相同SSID和密码认证的局域网，通过路由连接到外网。为保证高质量的传输信号，应有效设置AP切换条件，避免频繁切换AP。

(6)便携式多参数监护仪数据库的开发。心电、血氧及呼吸等算法的研究、后台软件数据库开发和后台客户端软件设计包含如下主要功能：①实时显示测量参数和波形；②保存测量参数和波形数据，可供查看；③可进行告警参数配置和导联切换；④提供心率、血压及血氧的趋势图；⑤有打印记录功能。

4 多参数遥测监护系统的优点及应用结果

多参数遥测监护系统的优点：①高速的数据传输速率；②不受空间限制，只要有连接网络的计算机进行通信，就能实现实时的远程监护；③能将数据传至互联网指定网站并共享，使患者能同时得到多方监护及专家会诊；④信号覆盖范围较广、安装方便、无需穿墙打孔及不需重新布线；数据传输过程中稳定性高、抗干扰能力强。

基于以上设计理念，本研究进行相关相应的组装及调试，并由广州锐迪医疗仪器公司生产出样机，对系统运行的稳定性、可靠性及各参数的准确性进行严格的测试，数据传输准确率达到98%，临床试验结果证明，本方案具有临床应用价值。

5 结论

本研究通过对便携式无线多参数遥测监护仪的设计，实现了远程诊断系统对心电、血氧、呼吸以及体温等电生理数据的采集，并采用专用WiFi模块最新省电技术，联网接入及组网设计，使其具有高质量的信号传输。无线多参数监护仪轻便，方便患者随身携带，成本低廉，操作简单，可在临床、社区及家庭广泛推广应用，为医院管理其社区医疗服务站的监护管理带来便利。然而，本设计在电生理参数具体的检测策略、心率失常等诊断分析及有效消除噪声干扰方面还待进一步的优化；可根据临床需要增加导联(五导联、七导联、十二导联等)和发射功率，提高无线传输距离、仪器的稳定性及数据处理速度，使得远程电生理诊断功能更加完善。

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Design and implementation of wireless multi parameter remote monitoring system based on community health care

ZHENG Chuan-quan,WANG Chun-yuan

China Medical Equipment,2014,11(7):34-37.

Objective:In order to achieve the use of community medical care and branch doctor resources, to provide monitoring of remote diagnosis, providing more convenient, safe and efficient medical service for patients and hospital objective. Methods: Multi parameter remote monitoring system design of special model of WIFI wireless technology, including special new WIFI module, wearable multi parameter telemetry monitor, wireless relay box network and medical monitoring software, testing and data transmission of ECG, respiration, blood oxygen using a wireless network, can the patient monitoring in normal life condition. Results: Whenever and wherever possible the electrophysiological data sent to the hospital, the doctor can according to the electrophysiological data of the patient for remote diagnosis and further treatment. The accuracy of the stability, the reliability of the system and the parameters of the tested strictly, data transmission accurate rate reaches more than 98%. Conclusion: The patients and doctors have been received good feedback, clinical trials, has very practical clinical significance.

Community health care; Wireless transmission; Multi parameter monitoring; Family care; Remote diagnosis

1672-8270(2014)07-0034-04

R197.324

A

郑传权，男，(1979- )，本科学历，工程师。广东医学院附属厚街医院设备科主任，从事医疗设备管理、维护、维修及研发工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.07.012

2014-01-17

①广东医学院附属厚街医院设备科 广东 东莞 523945