无线远程医疗监护系统的设计

摘要：介绍了一种基于GPRS技术的无线远程医疗监护系统。以SPCE061A为主控芯片，将数据采集模块和GPRS通信模块相结合，以无线的方式连接到Internet，由监护中心接收数据并保存到数据库中。运用LabVIEW工具进行监控中心服务器端主面板的设计与处理，实现对患者生理参数的远程监测、分析及异常情况的判断和报警。阐述了系统的总体结构，从硬件和软件两个方面说明了系统的设计及实现方法。系统具有结构简单、实时性强、传输数据量大，在自然灾害和战争中伤病员的现场抢救等方面，具有良好的应用前景。
关键词：GPRS；医疗监护；单片机；LabVIEW

    远程医疗监护是利用远程通信技术和计算机技术实现远距离的疾病诊断、疾病治疗和健康护理等多种医学功能的一种医疗模式。它实时、连续、长时间地监测病人重要的生命体征参数，使得医护人员获悉病人状态，以便做出正确的判断和处理，在患有突发性和危险性疾病病人的监护、战争及自然灾害中伤病员的抢救等领域均具有重要的作用。目前，远程监护主要基于电话网、Internet及无线通信网络，因移动通信网络覆盖广、运行费用低，将无线通信技术与Internet技术相结合已成为无线远程医疗监护研究的热点。为了实现低成本、小型化和移动灵活的特点，系统设计以SPCE061A为主控芯片，将采集模块和GPRS(General Packet Radio Service)通信模块相结合，实现生理参数的无线传输。数据通过无线网络传到设在中心医院的监护中心，利用中心医院先进的医疗技术和专家队伍，保证病人在院内和院外得到及时地、有效地、专业地救治。

1 监护系统的总体结构
    系统设计由智能监护终端、GPRS通信模块(GPRS网络)、Internet公共网络、数据服务器、医院局域网及医院监护中心等部分组成，其框图如图1所示。其中，监护中心服务器端随时处于监听状态，实时响应用户发出的连接请求与读取请求，与之建立连接。智能监护终端可应用到家庭、急救车、救灾或战争急救现场，对病人的生理参数进行采集、处理、显示并作远距离传输。在救护车、救灾或战争急救现场监护终端利用GPRS模块以无线的方式连接到Inteenet；社区及附属医院通过独立上网或者以无线的方式连接到Internet；在中心医院内由医院的局域网将数据传输到监护中心，监护中心专家对数据进行统计观察及时地为病人诊断和提供救治指导，实现远程医疗。

2 监护终端的硬件设计
    监护终端以心电采集模块为核心，扩展血压测量OEM模块、血氧饱和度OEM模块、大容量FLASH存储器和无线传输GPRS模块等外围设备。其中，心电采集模块以16位SPCE061A单片机为控制芯片，扩展前置放大电路、滤波电路、工频陷波电路及心电导联等部分。SPCE061A是一款台湾凌阳公司推出的具有语音处理μ’nspTM结构的微控制器，采用Soc构架，芯片带有硬件乘法器，能够实现乘法、内积等复杂运算。CPU时钟为0．32～49．152 MHz(2．4～3．6 V)；内置2K字SRAM和32 K字FLASH；32位可编程的多功能I／O端口；14个中断源；两个16位定时／计数器；可编程音频处理；7通道10位电压模／数转换器；双通道10位DAC方式的音频输入功能，只需外接功放即完成语音播放，方便实现系统的语音功能。
    监护终端完成生理信号的采集和处理一方面在现场显示，另一方面发送给GPRS模块，利用单片机控制GPRS模块的启动、连接、模式转换等，并在资料模式下将经过加密和容错处理后的数据实时发送到监护中心服务器，实现系统功能。硬件结构如图2所示。

2．1 心电采集和调理模块
    心电信号是一种低频率的微弱双极性信号，带宽集中在0．05～100 Hz，幅度只有mV量级，快速检测并提取清晰的心电信号是进行监护和分析诊断的基础。实际采集到的心电信号常混有直流和高频干扰及人体运动、呼吸引起的基线漂移和肌电干扰，系统设计利用心电导联线获取心电信号，经AD623差分放大器完成前置放大，经后续的多级放大、滤波电路和陷波电路完成信号的调理，再送入单片机的电压模／数转换器完成心电信号的数字化。在采集端设有导联脱落检测语音报警电路，避免因患者移动造成导联脱落。心电信号的采集调理电路结构如图3所示。

    由于心电信号是高内阻的微弱信号源，源阻抗不稳定，受周围电磁干扰(50 Hz工频信号)大。因此，前置放大器要求具有高增益且可调节、高输入阻抗和高共模抑制比，以消除工频及电极化电压的干扰；输入失调电压和偏置电流小、温漂小、以保证信号的稳定性。系统设计采用ADI公司的仪表放大器AD623作为心电信号前置放大器的核心器件，其内设过压保护和高精度偏置与反馈电阻，输入失调电压漂移1μV／  ℃，输入偏置电流最大25 nA，CMRR抑制频率高达200 Hz，只需在1和8引脚间接入合适电阻Rg，就可以得到1～1 000dB之间的增益。考虑到极化电压的影响，增益不能太高，这一级的增益设定为10，否则会导致放大器饱和。电路如图4所示。

    为了使信号能满足A／D转换要求，须将信号放大至数伏量级，设置次级放大的增益为100倍左右，设计采用具有宽增益、低失调电压和漂移的运算放大器OP2335。为了消除高频干扰、低频干扰和50 Hz的工频干扰，在次级放大电路的前端采用二阶有源带通滤波器滤除0．03 Hz以下和100 Hz以上的低高频噪声。同时，采用经典的双T有源陷波电路滤除50 Hz工频干扰。限于篇幅，具体电路就不一一介绍。
2．2 血压与血氧模块
    血压模块与血氧模块分别采用北京迈创通元电子仪器有限公司的BTN602无创血压测量模块和BTN604血氧模块。BTN602模块可以测到收缩压、平均压、舒张压和脉压，其接收外部命令后，完成相应操作，返回系统状态和相应数据。BTN604模块单电源3．3 V供电，可以检测到动脉血氧饱和度、脉率、体积扫描图、棒图、信号强度和状态信息，它的通讯协议和BCI通讯协议兼容、数据传送波特率为4 800 bps，传送格式为：8位数据位+奇偶校验位+1个停止位，每秒向MCU发送60个数据包，每个数据包为5个字节。由于两个模块均采用串口协议与MCU通信，信号电平为TTL电平，可以直接与心电模块单片机SPCE061A相连，利用单片机普通I／O口模拟串口协议分别与两模块通信。
2．3 GPRS传输通信模块
    智能监护终端心电、血压及血氧模块采集的数据经单片机处理后，以数据流形式通过串行方式连接到GPRS通讯模块SIM300上，SIM300模块以TCP／IP数据包的形式通过GPRS网络与中国移动的内部网，由中国移动GPRS服务节点(GSN)，把数据发送到Internet上一个指定的IP地址服务器即系统监控中心服务器，监控中心专家通过Internet访问Web服务器，就可以浏览到监护病人的各种生理参数信息。
    SIM300是Simcom公司研制的GSM／GPRS通信产品，内嵌强大的TCP／IP协议栈，实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。SIM300模块上电后就会自动附着在GPRS网络上，通过按键对SIM300的PowerKEY引脚输入一个大于1 500 ms的低脉冲，开启SIM300模块。模块开启后，设计采用SPCE061A作为微处理器发送AT命令，完成对SIM300模块的控制和数据的收发。应用电路如图5所示。

2．4 显示与存储模块
    系统设计选用MSP-G320240DBCW-211N大规模点阵式液晶显示模块，实现各监护参数和波形的显示。该液晶显示模块采用功能强大的SED 1335FOA控制器，具有较强的I／O口缓冲器和丰富的指令系统，最大驱动能力达640x256点阵，能够实现图形和文本的混合显示。由于SPCE061 A片内的Flash存储器只有32K字，不能满足长时间测量的需要，系统扩展了一片4Mb总线闪存器SPR4096。硬件连接如图5所示。

3 监护系统软件设计
    系统软件设计主要包括监护终端的软件设计和监护中心监控软件的开发。监护终端软件由C语言编写，主要实现各采集模块的数据采集、显示和存储以及串行口数据的接收和发送。由单片机心电采集程序、单片机与血压及血氧模块的软串口程序、基于GPRS模块的通信程序、数据存储与显示程序、语音报警程序组成。为了实时有效地完成多参数的采集，充分利用了多种中断方式来完成系统功能，包括定时中断、串口中断、键盘输入中断等。
    监护中心监控软件部分主要由数据通讯模块、数据处理显示模块、诊断报警模块、医学数据库模块等组成，通过LabVIEW平台建立Web服务器，方便医院局域网里的专家对监测数据进行调用和处理，应用软件开发框图如图6所示。

    客户端界面是提供给医生和患者使用的软件界面，利用密码进行登录，不同的用户给予不同的权限。医生用户可以查看到他所管理的所有病人的信息、生理参数测量值和波形图；患者用户则只能看到测量信息和医生的建议。数据通讯模块随时处于监听状态，响应智能终端的连接请求，接收终端传输的加密数据，并存入相应的缓冲区。数据处理显示模块依靠LabVIEW提供的各种分析函数和显示控件将接收到的生理参数及处理的结果显示在计算机的屏幕上，使医护人员能够实时了解病人的生理状况。当生理信号出现异常时，诊断报警模块将发出报警信息，提示医护人员。数据库模块记录了医生信息、病人信息及各测量参数，方便查询和诊断，为建立病人病历、分析长期生理检测结果提供保障。

4 结束语
    基于GPRS技术和Internet技术的无线远程医疗监护系统，经多次测试基本实现了生理信号的采集、数据处理、存储、显示和传输功能。系统结构简单、功耗低、成本低，可实时、连续、长时间地监测病人心电、血压、脉搏、血氧等生理参数。GPRS技术和Internet技术的应用实现了将中心医院的先进医疗技术、医疗服务扩展到家庭、社区、救灾或战争急救，形成一种全新的基于网络的医疗体系。同时，有助于缓解我国社区及广大农村地区医疗力量薄弱，医疗资源分布不均的矛盾，实现医疗资源的共享。