潘曉東，費(fèi) 軍，張益明

無(wú)人值守傷員監(jiān)護(hù)定位系統(tǒng)研制與應(yīng)用

潘曉東，費(fèi) 軍，張益明

目的：為滿(mǎn)足自然災(zāi)害應(yīng)急救援現(xiàn)實(shí)需求，研制無(wú)人值守的傷員中央監(jiān)護(hù)定位系統(tǒng)。方法：利用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；利用生命體征采集技術(shù)，得到傷員的血氧、血壓、心率等參數(shù)；利用無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)，獲取每名傷員和救援人員的位置信息；最后設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)控軟件與合理的算法，將傷員生命體征參數(shù)與位置信息、救援人員位置信息顯示在服務(wù)器屏幕上。結(jié)果：該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示每一名傷員的生命體征信息以及所處位置，實(shí)現(xiàn)了救援地域傷員監(jiān)護(hù)定位無(wú)人值守且能保存歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的功能。結(jié)論：該系統(tǒng)具有攜運(yùn)負(fù)擔(dān)小、適用目標(biāo)多的優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足救援現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傷員進(jìn)行監(jiān)護(hù)定位的需要，可用于戰(zhàn)場(chǎng)衛(wèi)勤保障活動(dòng)。

傷員監(jiān)護(hù)定位；自然災(zāi)害救援；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

0 引言

從全球范圍看，影響人類(lèi)生存和安全的仍然是嚴(yán)重的自然災(zāi)害，主要包括地震、洪澇、雪災(zāi)、海嘯、山體滑坡等[1]。面對(duì)災(zāi)害救援這一多樣化的醫(yī)療救援任務(wù)，災(zāi)害救援醫(yī)學(xué)裝備建設(shè)成為救援任務(wù)能否順利完成的關(guān)鍵。然而，目前除了總后勤部配發(fā)的特種車(chē)輛（如X線(xiàn)車(chē)、手術(shù)車(chē)等），大部分還是以民用裝備為主，普遍存在體積大、質(zhì)量重、環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。研制方便攜帶、體積小、質(zhì)量輕、對(duì)環(huán)境要求低的儀器類(lèi)裝備，應(yīng)該是應(yīng)急救援衛(wèi)生裝備配備的方向[2]，特別是面對(duì)災(zāi)區(qū)大批傷員需同時(shí)救護(hù)甚至需要生命體征監(jiān)護(hù)、部分傷員暫時(shí)不宜搬動(dòng)等特殊情況。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)最重要的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一，目前得到了廣泛的關(guān)注[3]。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜制定范圍內(nèi)的目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤，具有快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景[4-6]。在醫(yī)療救援方面的應(yīng)用可以包括對(duì)人體生理參數(shù)的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)、對(duì)醫(yī)護(hù)人員與患者的追蹤和監(jiān)控，被看護(hù)對(duì)象也可以通過(guò)隨身裝置向醫(yī)護(hù)人員發(fā)出求救信號(hào)。具體的實(shí)施方法可采取在監(jiān)護(hù)地域范圍內(nèi)部署無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，患者根據(jù)需要攜帶無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)（如血壓、呼吸、脈率等），通過(guò)此類(lèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)患者的生理指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

基于以上使用需求與技術(shù)背景，我院自行研發(fā)了無(wú)人值守傷員監(jiān)護(hù)定位系統(tǒng)，以滿(mǎn)足救援現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傷員進(jìn)行監(jiān)護(hù)定位的需要。

1 系統(tǒng)組成及原理

無(wú)人值守傷員監(jiān)護(hù)定位系統(tǒng)主要由傷員移動(dòng)信息終端、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、中央監(jiān)控服務(wù)器、救援人員信息終端等部分組成，系統(tǒng)內(nèi)的信息流程如圖1所示。

1.1 傷員移動(dòng)信息終端

傷員移動(dòng)信息終端由生命體征參數(shù)采集單元、傷員主動(dòng)呼叫單元以及數(shù)據(jù)通信單元組成。

1.1.1 生命體征參數(shù)采集單元

該單元由血氧飽和度監(jiān)測(cè)模塊和無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)模塊組成。

圖1 系統(tǒng)流程圖

1.1.1.1 血氧飽和度監(jiān)測(cè)模塊

利用指套式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，成為符合實(shí)際工作需求的血氧飽和度監(jiān)測(cè)模塊（如圖2所示）。

圖2 改進(jìn)后的血氧飽和度監(jiān)測(cè)模塊

利用指套式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的原因在于，傷員由于異物壓迫很有可能無(wú)法連接胸部導(dǎo)聯(lián)，而指端相對(duì)來(lái)說(shuō)便于連接，且指套式血氧飽和度探頭不易脫落。

該類(lèi)血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀采用光電式血氧飽和度儀作為基礎(chǔ)，根據(jù)血液中的氧合血紅蛋白和血紅蛋白對(duì)光的不同吸收特性，通過(guò)2個(gè)發(fā)光二極管交替發(fā)射波長(zhǎng)為660μm的紅光和940 μm的紅外光，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。2種光線(xiàn)信號(hào)的直流和交流成分之比對(duì)應(yīng)血液中的氧含量，通過(guò)測(cè)量脈搏波的波峰和波谷的吸光度變化計(jì)算得到血氧飽和度值，同時(shí)根據(jù)血氧脈搏波形計(jì)算脈率。

微處理器對(duì)獲取的參數(shù)進(jìn)行判斷，如超出閾值范圍，則發(fā)出報(bào)警聲與報(bào)警信號(hào)。這些參數(shù)（包含報(bào)警信號(hào)）通過(guò)血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀自帶的藍(lán)牙模塊與傷員移動(dòng)信息終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

為滿(mǎn)足救援地域工作環(huán)境的實(shí)際需要（主要是可能的電磁干擾），課題組在指套式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀的基礎(chǔ)上加載由限流電阻、穩(wěn)壓管組成的限流、限壓電路以濾除瞬時(shí)脈沖電壓與瞬時(shí)脈沖電流，對(duì)后級(jí)電路進(jìn)行保護(hù)；采用電阻、電容構(gòu)成的低通濾波器濾除高頻雜波，目的在于提高整體的抗電磁干擾能力。

1.1.1.2 無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)模塊

該模塊利用臂式無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)試儀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，原因在于，此類(lèi)儀器技術(shù)可靠且測(cè)量準(zhǔn)確，受外界干擾小。

以標(biāo)準(zhǔn)的臂式無(wú)創(chuàng)血壓儀為基礎(chǔ)，其工作原理稱(chēng)為振蕩法。通過(guò)袖帶的導(dǎo)氣管將氣壓傳導(dǎo)到壓力傳感器，在增加或減少靜壓的過(guò)程中，提取、放大動(dòng)脈搏動(dòng)引起的袖帶內(nèi)的氣壓波動(dòng)并描繪其包絡(luò)線(xiàn)，然后對(duì)包絡(luò)線(xiàn)的幾何形態(tài)加以分析。包絡(luò)線(xiàn)最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靜壓為平均壓，由平均壓通過(guò)比值法或拐點(diǎn)法估算收縮壓和舒張壓。

標(biāo)準(zhǔn)的臂式無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)試儀工作需要人為觸發(fā)（即需要手工按“開(kāi)始”鍵），不適合實(shí)際使用需求。本系統(tǒng)采用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器與繼電器組合構(gòu)成自動(dòng)定時(shí)開(kāi)關(guān)電路，如圖3所示。繼電器J的1、2腳與振蕩器的輸出相連接。當(dāng)1、2腳的輸入為高電平時(shí)（即處于T1階段），4、5腳斷開(kāi)；當(dāng)1、2腳的輸入為低電平時(shí)（即處于T2階段），4、5腳短接。這樣就起到開(kāi)關(guān)一次，血壓儀對(duì)傷員進(jìn)行一次檢測(cè)功能。0.5 s后，振蕩器翻轉(zhuǎn)，再次進(jìn)入T1階段，30 min后進(jìn)入T2階段，再次觸發(fā)，周而復(fù)始。血壓測(cè)試結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙端口與傷員移動(dòng)信息終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖3 帶自動(dòng)觸發(fā)功能的血壓檢測(cè)儀

1.1.2 傷員主動(dòng)呼叫單元

在臨床護(hù)理中，病房呼叫系統(tǒng)是患者經(jīng)常使用以實(shí)現(xiàn)患者和護(hù)理人員有效溝通的基本工具，由安裝在護(hù)士站的報(bào)警提示單元和設(shè)置在病床的呼叫單元組成。一旦患者在病房?jī)?nèi)按呼叫按鈕，護(hù)士站的報(bào)警裝置即發(fā)出聲光提示信號(hào)，提示醫(yī)療和護(hù)理人員及時(shí)到病房處理醫(yī)療狀況[7]。本文將此概念引入系統(tǒng)研發(fā)中，如需救援人員幫助，則按動(dòng)信息終端上的按鍵發(fā)出報(bào)警信息。

傷員移動(dòng)信息終端基于Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用界面如圖4所示。通過(guò)藍(lán)牙主動(dòng)接收的方式接收2種生命體征參數(shù)，采集該單元采集的生理信號(hào)以及某項(xiàng)生理參數(shù)超出閾值或者參數(shù)采集單元脫落產(chǎn)生的報(bào)警信息，接收傷員主動(dòng)發(fā)出的呼叫；終端自帶定位單元（可以任意選取定位方式，現(xiàn)主要采用GPS、GPRS 2種，今后可以考慮使用北斗定位系統(tǒng)），可實(shí)時(shí)獲取位置信息。在獲取上述信息的同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊經(jīng)由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央監(jiān)控服務(wù)器。

圖4 傷員終端界面

為減少攜運(yùn)負(fù)擔(dān)，各生命體征參數(shù)采集單元采用模塊組合的方式，對(duì)部分無(wú)需血壓監(jiān)測(cè)的傷員只進(jìn)行基礎(chǔ)生命體征監(jiān)測(cè)。

1.2 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

（1）救援現(xiàn)場(chǎng)由于破壞嚴(yán)重或者區(qū)域的特殊性，無(wú)第三方無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)（移動(dòng)或者聯(lián)通公司的2G、3G網(wǎng)絡(luò)）可以使用，此時(shí)可自己建立無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)額外網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用產(chǎn)生，對(duì)展開(kāi)地域無(wú)特殊要求。

在具體實(shí)施過(guò)程中，根據(jù)救援指揮部的指示精神，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)臨時(shí)救援地域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，工作頻段采用2.412～2.484 GHz；無(wú)線(xiàn)覆蓋區(qū)內(nèi)可接通率保持在覆蓋區(qū)的95%位置、99%的時(shí)間；無(wú)線(xiàn)覆蓋邊緣場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)≥-65 dBm。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主設(shè)備為交換機(jī)和無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)，1個(gè)交換機(jī)配2臺(tái)室外無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)。接入點(diǎn)天線(xiàn)的安裝應(yīng)牢固，與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)，并且不能損毀其他設(shè)施。天線(xiàn)安裝完畢后，對(duì)其進(jìn)行防雷接地處理。

（2）救援現(xiàn)場(chǎng)有第三方無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)（移動(dòng)或者聯(lián)通公司的2G、3G網(wǎng)絡(luò)）可以使用，此時(shí)可以直接利用其進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)點(diǎn)在于攜運(yùn)負(fù)擔(dān)小，展開(kāi)便捷。

1.3 中央監(jiān)控服務(wù)器

中央監(jiān)控服務(wù)器的功能主要包括以下4個(gè)方面：

（1）接收傷員端發(fā)送的傷員生命體征參數(shù)信息與位置信息，接收傷員體征參數(shù)超出閾值產(chǎn)生的警報(bào)，接收傷員發(fā)出的主動(dòng)呼叫救援；接收救援人員的位置信息，接收救援人員解除警報(bào)的指令。

（2）顯示傷員生命體征參數(shù)信息、傷員與救援人員的位置信息（如圖5所示）。其中，數(shù)據(jù)A顯示血氧飽和度監(jiān)測(cè)模塊采集到的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)B顯示血壓監(jiān)測(cè)模塊采集到的數(shù)據(jù)。

圖5 無(wú)傷員生命體征參數(shù)超出閾值或者傷員主動(dòng)發(fā)出的呼叫屏幕截圖

（3）如監(jiān)測(cè)到報(bào)警信息，則主動(dòng)向救援人員（離傷員距離最近）發(fā)送傷員警報(bào)與傷員位置，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守監(jiān)護(hù)的功能。

（4）保存?zhèn)麊T最近7 d的歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

1.4 救援人員信息終端

救援人員信息終端（應(yīng)用Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)，終端界面如圖6所示）用于接收目標(biāo)傷員的位置，并在屏幕上顯示自己與目標(biāo)傷員的相對(duì)位置。主要功能包括以下4個(gè)方面：

（1）從監(jiān)控端接收?qǐng)?bào)警信息；

（2）顯示本人以及異常傷員的位置信息；

（3）救援人員到位后，通過(guò)傷員終端報(bào)警取消按鍵（也為組合鍵）可解除警報(bào)。

（4）救援人員完成救援工作后，通過(guò)救援終端發(fā)出指令給中央監(jiān)控服務(wù)器，可以接收下一個(gè)救援指令。

圖6 救援人員終端界面

2 應(yīng)用效果

救援隊(duì)伍進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況展開(kāi)Wi-Fi無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)或者直接利用移動(dòng)公司的3G網(wǎng)絡(luò)；在救援過(guò)程中，遇到有傷員需要使用監(jiān)護(hù)終端的，如傷情復(fù)雜需要生命體征監(jiān)護(hù)又被異物壓迫無(wú)法動(dòng)彈的，則根據(jù)需要協(xié)助其佩戴好生命體征采集單元，并指導(dǎo)使用主動(dòng)呼叫報(bào)警及告知其他注意事項(xiàng)；服務(wù)器顯示屏幕上將會(huì)顯示如圖5所示的監(jiān)控界面，內(nèi)容主要包括傷員體征信息以及傷員和救援人員的相對(duì)位置信息。

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，如果傷員的某項(xiàng)生命體征參數(shù)超出閾值范圍，生命體征參數(shù)采集單元的微處理器除了接收體征參數(shù)外，還根據(jù)預(yù)設(shè)值判斷異常情況產(chǎn)生，促發(fā)聲光報(bào)警；報(bào)警信息與體征參數(shù)一起封裝后，通過(guò)藍(lán)牙傳輸發(fā)送至傷員終端；傷員終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)將所有信息（體征參數(shù)信息、報(bào)警信息、位置信息）傳輸至中央監(jiān)控服務(wù)器；服務(wù)器獲悉報(bào)警信息后，激活并放大傷員的信息內(nèi)容，計(jì)算所有救援人員與該傷員的位置距離后，選擇最近的救援人員發(fā)送警報(bào)以及與傷員的相對(duì)位置信息（如圖6所示）；救援人員根據(jù)救援終端上的地圖信息找到該名傷員，并解除救援警報(bào)；救援工作完成后，救援人員通過(guò)救援終端上的按鍵告知服務(wù)器救援工作已完成，可繼續(xù)接收下一個(gè)救援指令，否則系統(tǒng)默認(rèn)其為忙碌狀態(tài)，如有其他傷員需要處理，不再發(fā)指令給他，而是選取另外的救援人員；監(jiān)測(cè)過(guò)程中，如果另一個(gè)傷員也發(fā)出報(bào)警，則2個(gè)顯示窗口同時(shí)高亮，且在放大窗口進(jìn)行交替顯示，同時(shí)再發(fā)送警報(bào)至救援終端。

3 討論

該系統(tǒng)以Android信息終端、生命體征參數(shù)采集單元以及定位模塊為核心，借助成熟可靠的2G、3G無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)或者Wi-Fi無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)救援地域傷員監(jiān)護(hù)定位無(wú)人值守且能保存歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的功能。

系統(tǒng)終端及其包含的生命體征參數(shù)采集單元、定位單元體積小、質(zhì)量輕；所用的服務(wù)器使用移動(dòng)計(jì)算機(jī)，可以直接使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；系統(tǒng)具有攜運(yùn)負(fù)擔(dān)小、適用目標(biāo)多的優(yōu)點(diǎn)。

該系統(tǒng)也可用于戰(zhàn)場(chǎng)衛(wèi)勤保障活動(dòng)，傷員到達(dá)后，將信息終端佩戴到傷員身上，并接好生命體征采集單元；終端把傷員的體征信息與位置信息傳輸給中央服務(wù)器，同時(shí)對(duì)傷員進(jìn)行位置管理，有利于人員管控，防止意外事件發(fā)生。

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（收稿：2014-03-04 修回：2014-08-20）

Development and application of unattended casualty monitoring and location system

PAN Xiao-dong,FEI Jun,ZHANG Yi-ming
（The 117th Hospital of the PLA,Hangzhou 310013,China）

ObjectiveTo develop an unattended casualty monitoring and location system for disaster relief.Methods Wireless data transmission technique was used to establish data transmission network,vital signs acquisition technique was applied to obtaining casualty parameters such as Sa（O2）,blood pressure and heart rate,and wireless location technique was employed to gain the position information of the casualty and rescueman.Monitoring software and algorithm were developed to display the information on vital signs and position on the server screen.ResultsThe system could display the information on the casualty's vital signs and position at real time,which realized unattended casualty monitoring and location as well as the storage of historical data.ConclusionThe system with high mobility and adaptability can be used in battlefield medical support.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（4）：44-47]

casualty monitoring and location;natural disaster relief;wireless sensor network

R318；R472.9

A

1003-8868（2015）04-0044-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.04.044

潘曉東（1978—），男，工程師，主要從事生物傳感器應(yīng)用方面的研究工作，E-mail：panxiao1386745@sina.com。

310013杭州，解放軍117醫(yī)院（潘曉東，費(fèi) 軍，張益明）

張益明，E-mail：hz117zym@163.com