景月娟，石強，侯媛媛，張騰飛，程震，溫紀鸼

（西安航空學院計算機學院，陜西 西安 710077）

隨著現(xiàn)代經濟的不斷增長，人們的生活方式已經從豐富的物資需求逐漸轉變?yōu)閷ψ陨斫】档年P注。醫(yī)護終端系統(tǒng)的設計在解決我國長久以來醫(yī)療資源短缺、分配不均勻、效率低下、看病難等一系列問題的同時，也保障了我國人民生活質量的穩(wěn)步提升，為實現(xiàn)全面小康社會奠定了堅實的基礎。經過各業(yè)界與學術界的共同努力，目前關于創(chuàng)新智慧城市醫(yī)護終端的研究[1]，雖然已經取得了一定成果，但文獻分析顯示，它依然存在著實踐與理論上的問題[2]。目前臨床上使用的監(jiān)護儀產品主要是短距離監(jiān)控，且功能單一，因此，開發(fā)創(chuàng)新型智慧醫(yī)護終端，對于偏遠地區(qū)的中老年患者可以享受到大城市同等的醫(yī)療服務，顯得尤為重要[3-4]。

該文基于ARM 嵌入式物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，設計了一個智慧城市醫(yī)護終端，通過相關模塊硬件采集患者的心率、體溫、呼吸以及病房環(huán)境等數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡節(jié)點、SQL技術分別進行數(shù)據(jù)傳輸與存儲，實現(xiàn)對人體生理參數(shù)的遠程實時監(jiān)控[5]，以方便醫(yī)生后期查看，從而實現(xiàn)醫(yī)護系統(tǒng)的網(wǎng)絡化與智能化，推動我國醫(yī)療事業(yè)的蓬勃發(fā)展，提高人民群眾的生活健康水平[6]。

1 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)采用分層結構進行設計，具備對患者數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測、顯示和存儲功能，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架結構

1.1 患者數(shù)據(jù)采集層

該層的主要功能是實時采集系統(tǒng)各個模塊的數(shù)據(jù)，包括患者的體溫、心率、血氧飽和度以及氣體濃度值等[7]?；贚inux3.0 內核編寫對應的硬件模塊驅動，完成時序的分析與對應數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)讀到應用層待后續(xù)處理。

1.2 以太網(wǎng)傳輸層

該層設計屬于應用軟件層設計，主要實現(xiàn)患者體征數(shù)據(jù)的讀取、處理與傳輸。將所有數(shù)據(jù)進行相應的封裝，利用SOCKET 套接字進行實時檢測，結果不空則發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡端[8]。

1.3 PC網(wǎng)絡顯示、查看

作為整個系統(tǒng)的最上層，在數(shù)據(jù)顯示方面要考慮到及時性和準確性，在存儲方面應注意存儲格式、數(shù)據(jù)大小，并且要考慮后續(xù)查詢方式。該層主要基于Qt Create 設計相應的登錄、患者信息錄入以及顯示界面，同時增加數(shù)據(jù)存儲模塊，根據(jù)時間將所有數(shù)據(jù)依次存儲到SQL 數(shù)據(jù)庫[9]，醫(yī)生只需點擊查詢按鈕即可查詢歷史數(shù)據(jù)記錄。

2 硬件模塊設計

該文設計應用三星廠商生產的Cortex A9 系列高性能處理器中的一款Exynos4412，它是韓國三星的第一款四核處理器[10]，集成了四個1.5 GHz 超高頻率的處理器核心和一個Mali400MP 圖形處理器核心，由外接溫度采集控制模塊、心率檢測傳感器模塊、氣體介質濃度檢測模塊和蜂鳴器報警提示模塊組成，利用Linux 內核驅動從硬件層獲取數(shù)據(jù)，并做進一步處理。整個系統(tǒng)設計的硬件結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構

2.1 患者體溫數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)體溫數(shù)據(jù)采集采用DS18B20 溫度傳感器，它具有精度高、體積小、應用范圍廣等特點[11]，同時具備多重封裝形式，具有不同數(shù)量的引腳，適用于不同設備或者環(huán)境。其數(shù)據(jù)端口需要接一個4.7～10 kΩ的上拉電阻，否則采集的值不能正常輸出，DS18B20 實物圖如圖3 所示。該傳感器適用于潮濕環(huán)境，具備防水功能[12-13]。

圖3 DS18B20實物圖

2.2 患者心率數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)采用美信公司生產的集成了心率脈搏血氧飽和度檢測的多功能生物傳感器模塊MAX30102 來采集患者的心率數(shù)據(jù)。它包括內部檢測使能LED，用于發(fā)射探測光束的新型光電探測器，溫度傳感器以及其他光學元件，在抗干擾方面，具有環(huán)境光抑制的低噪聲電子器件。MAX30102 的工作電壓介于1.8～5.0 V之間，用于內部LED 供電，該模塊可以通過零待機電流的軟件關閉，使電源始終保持供電[14]。與普通的脈沖傳感器相比，MAX30102 具有非常明顯的優(yōu)點。

1）具有較高的集成度：多種功能集成在指甲大小的芯片上，功耗小、抗干擾強。

2）直接以數(shù)字方式輸出：利用IIC 接口與控制端MCU 進行通信，自身攜帶18 位高精度模數(shù)轉換[15]。

3）功能強大：芯片雖小，卻集成了LED、溫度以及心率血氧等多種功能。

在醫(yī)學上，心率脈搏檢測方法有以下幾種：

第一種是從生物體內采集的心電信號中提??；第二種是通過血壓傳感器檢測到有規(guī)律的波動計算脈搏率；第三種是采用光電容積法，該方法最為普遍，便攜式可佩戴檢測，及其方便，且具有特別高的性能[16]。所以文中使用的MAX30102 模塊即是采用第三種光電容積法進行檢測。

2.3 病房環(huán)境數(shù)據(jù)采集

利用活性二氧化錫制作的MQ2 氣體傳感器對病房內的大氣煙霧、甲烷、丁烷、丙烷、液化氣、酒精等各種放射性有害氣體濃度進行實時探測。其是利用不同濃度氣體對二氧化錫在物理上電導率的影響而實現(xiàn)的，將各種氣體下的電導率輸出，并經過計算后得出，在傳感器的四個引腳中，有兩個數(shù)據(jù)引腳AO 和DO，分別為模擬輸出和數(shù)字輸出[17]。該傳感器靈敏度較高，抗干擾性好，使用壽命久，工作電壓小于24 V 即可，加熱時使用的電壓為(5±0.2)V。

3 軟件模塊設計

系統(tǒng)軟件設計總體分為客戶端與服務端兩部分，軟件結構框圖如圖4 所示。

圖4 軟件結構框圖

系統(tǒng)由上層到下層依次為Qt 應用顯示設計、Linux 服務應用程序設計、Linux 內核編譯和Linux 模塊驅動設計。首先，對Linux3.0 內核進行編譯，基于該內核，編寫硬件模塊對應的驅動程序，將模塊驅動插入到內核，在應用程序中，分別對每個驅動設備進行操作，獲取硬件數(shù)據(jù)。將獲取到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一封裝，通過SOCKET 發(fā)送到PC 端，最后在Qt 環(huán)境下設計一款簡潔的網(wǎng)絡接收端應用[9]。整體系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程

3.1 體征數(shù)據(jù)采集軟件設計

該采集軟件分別通過DS18B20、MAX30102、MQ2 控制模塊實現(xiàn)對體溫、心率血氧飽和度、病房氣體的數(shù)據(jù)讀取與處理，其中，MAX30102 心率模塊通過IIC 總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，包括心率（次/min）和血氧飽和度（所占血液中的濃度比）[18]。

3.2 數(shù)據(jù)處理與傳輸軟件設計

數(shù)據(jù)處理與傳輸層實現(xiàn)數(shù)據(jù)確認、合法性與異常性判斷，在必要時觸發(fā)報警裝置。同時搭建SOCKET 通信的服務端，將數(shù)據(jù)實時寫入發(fā)送通道。

3.3 數(shù)據(jù)顯示與存儲軟件設計

1）患者信息錄入界面設計。軟件系統(tǒng)中設計該界面的目的在于錄入患者個人信息到系統(tǒng)，以方便醫(yī)生識別查看。錄入的患者信息包括姓名、性別、主治醫(yī)師、病床號等便于系統(tǒng)化管理的信息。通過“提交”按鈕，將輸入的信息提交給系統(tǒng)并保存在系統(tǒng)中，以方便檢查和數(shù)據(jù)顯示。

2）患者體征數(shù)據(jù)信息顯示界面設計。數(shù)據(jù)界面顯示設計是該軟件系統(tǒng)的核心。該設計的目的在于接收硬件服務層發(fā)送來的數(shù)據(jù)，包括體溫、心率、血氧飽和度以及呼吸指數(shù)，同時將接收到的數(shù)據(jù)及保存在系統(tǒng)的患者個人信息顯示在終端界面，并實時更新數(shù)據(jù)，以達到病情監(jiān)控的功能。

3）患者數(shù)據(jù)存儲設計。該模塊主要實現(xiàn)患者數(shù)據(jù)的存儲及顯示。一方面將采集到的體征數(shù)據(jù)按照時間進行存儲，包括患者的姓名、性別、病床號、體溫、心率、呼吸頻率、血氧飽和度以及對病房空氣監(jiān)測的結果。另一方面，在網(wǎng)絡端啟動連接到服務器端時，依照接收速率每隔一秒將數(shù)據(jù)存儲一次。當監(jiān)測其他患者時，重新啟動服務器，并啟動網(wǎng)絡端，輸入患者信息，如不刪除之前的數(shù)據(jù)庫，則所有患者數(shù)據(jù)將存儲在該數(shù)據(jù)庫中。

4 系統(tǒng)測試驗證

系統(tǒng)功能模塊測試主要包括服務端數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡端數(shù)據(jù)接收機顯示與數(shù)據(jù)庫存儲測試三大部分，每一部分又相對應包括幾個小模塊的測試，如表1 所示。測試驗證表明系統(tǒng)設計比較符合預估效果：1）系統(tǒng)運行的整個流程包括硬件的連接、系統(tǒng)啟動等比較順暢；2）患者心率、體溫、病房氣體檢測等硬件驅動模塊與蜂鳴器報警模塊測試正常；3）網(wǎng)絡客戶端從登錄到信息錄入，再到數(shù)據(jù)實時顯示的結果一切正常?？傊撓到y(tǒng)數(shù)據(jù)采集、傳輸存儲及顯示基本可靠。

表1 測試項目表

5 結束語

為了實時監(jiān)護患者，減輕醫(yī)護人員負擔，該文設計了一款可實時監(jiān)測患者狀況的醫(yī)護終端系統(tǒng)，充分展示了現(xiàn)代科技的力量。該系統(tǒng)運用嵌入式應用開發(fā)相關技術實現(xiàn)了對患者體征數(shù)據(jù)與病房氣體等的實時檢測，實現(xiàn)了對異常檢測數(shù)據(jù)的驗證，并觸發(fā)報警裝置以提醒醫(yī)護人員，同時實現(xiàn)了將檢測數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡端進行存儲及顯示，方便了醫(yī)護人員遠程實時監(jiān)控患者的情況，提高了醫(yī)療效率，提升了人類生活質量，促進了健康智慧城市的發(fā)展。