CN113643800A

CN113643800A - 一种基于社区医疗模式的远程监控系统

Info

Publication number: CN113643800A
Application number: CN202110925091.XA
Authority: CN
Inventors: 张慧杰; 丁蓝宇
Original assignee: Cell Valley Nanjing Biotechnology Co ltd
Current assignee: Cell Valley Nanjing Biotechnology Co ltd
Priority date: 2021-08-12
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2021-11-12

Abstract

本发明提出了一种基于社区医疗模式的远程监控系统，包括：每个本地多参数监护系统包括：下位机数据采集子系统和上位机数据显示及分析子系统，下位机数据采集子系统用于通过心电传感器、脉搏传感器和压力传感器采集被监护者的相应生理信号；上位机数据显示及分析子系统用于根据提取的被监护病人的生理信号，对生理信号进行信号处理，然后将处理后的信号通过无线通信网络传输至远端中央监护中心；远端中央监护中心用于对接收到的生理信号进行分析处理，并与预设监护阈值进行比较，如果判断异常则发出报警信息，以提醒监护人员对被监护者采取措施，并实时显示被监护者的生理信号波形，以及建立病人信息数据库，建立病人病历信息的数据管理。

Description

一种基于社区医疗模式的远程监控系统

技术领域

本发明涉及智能监控技术领域，特别涉及一种基于社区医疗模式的远程监控系统。

背景技术

现有的病人监护装置通常体积较大，不方便携带，使用时需要被监护者躺在床上，影响其正常运动，从而无法满足社区医疗和家庭内使用。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于社区医疗模式的远程监控系统

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于社区医疗模式的远程监控系统，包括：

多个本地多参数监护系统和远端中央监护中心，每个所述本地多参数监护系统分别通过通信网络与所述远端中央监护中心通信连接，其中，

每个所述本地多参数监护系统包括：下位机数据采集子系统和上位机数据显示及分析子系统，所述下位机数据采集子系统用于通过心电传感器、脉搏传感器和压力传感器采集被监护者的相应生理信号；所述上位机数据显示及分析子系统用于根据提取的被监护病人的生理信号，对所述生理信号进行信号处理，然后将处理后的信号通过无线通信网络传输至所述远端中央监护中心；

所述远端中央监护中心用于对接收到的生理信号进行分析处理，以得到被监护者的生理数据，并与预设监护阈值进行比较，如果判断异常则发出报警信息，以提醒监护人员对被监护者采取措施，并实时显示被监护者的生理信号波形，以及建立病人信息数据库，建立病人病历信息的数据管理。

进一步，所述本地多参数监护系统对所述生理信号进行信号处理，包括：对心电信号、脉搏信号和血压信号进行放大、滤波和AD模数转换处理。

进一步，所述下位机数据采集子系统包括：心电传感器、脉搏传感器、血压传感器、多生理参数采集模块和第一无线通信模块，其中，所述心电传感器、脉搏传感器和血压传感器分别与所述多生理参数采集模块的输入端连接，所述多生理参数采集模块的输出端与所述第一无线通信模块的输入端连接，所述第一无线通信模块与所述远端中央监护中心双向连接。

进一步，上位机数据显示及分析子系统包括：第二无线通信模块、数据分析处理模块、数据存储模块、波形显示模块和有线网络通信模块，其中，所述第二无线通信模块与所述远端中央监护中心的第一无线通信模块双向连接。

进一步，所述远端中央监护中心包括：第二有线网络通信模块、第二数据存储模块、第二波形显示模块、数据信息分析模块和病历管理模块；

其中，所述第二有线网络通信模块用于通过端口注册为服务器，端口随时处于监听状态并响应本地多参数监护系统的连接请求；将接收到的本地多参数监护系统的数据存到信道缓冲区内；

所述第二数据存储模块用于将从本地多参数监护系统接收到的数据实时保存至数据库中，并记录数据保存时间；

所述第二波形显示模块用于实时显示被监护者的生理信号波形图像；

所述数据信息分析模块用于对实时接收到的生理信号进行FFT计算，得到被监护者对生理数据，并与预设的监护阈值进行比较，当判断异常时发出警报信息，以便及时通知医护人员进行救治；

所述病历管理模块用于建立病人病历信息表以及相应监护数据信息表，允许添加、修改、删除、查询记录的数据库访问操作。

进一步，心电传感器采用模拟量心电传感器和Ag/AgCl电极，其中，所述模拟量心电传感器采用加压单极导联方式，加压单极右上肢导联；监测时，将探查电极放置在被测者的右臂上，采用Ag/AgCl电极作为引导电极，放置在左臂与左腿上，引导电极与电阻串联在一起作为无关电极。

进一步，所述多生理参数采集模块采用MCU芯片、外围电路和电源电路，在所述MCU芯片中内置有A/D转换模块，以将由心电传感器、脉搏传感器、血压传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，发送至至PC机。

进一步，所述A/D转换模块采用12位精度的A/D转换模块，包括：16路模拟开关、12位的逐次逼近型转接器、内部参考电源、ADC采集与保持部分、ADC输出部分和ADC控制寄存器。

进一步，所述第一无线通信模块采用低功率多通道嵌入式无线通信模块，并提供UART/TTL接口、RS485接口和RS232接口。

根据本发明实施例的基于社区医疗模式的远程监控系统，基于无线通信的便携式多参数监护系统，采用无线通信技术将人体的多生理信息进行有效地短距离传输，小型便携式设计使得被监护病人不必再被束缚在病床上，在不影响正常活动下，病人便可得到身体各项生理信息的实时监护。监测得到的各项生理参数信息通过Internet远程传输到远端社区监护中心，社区医护人员可以及时获取病人体征信息，从而对社区病人进行更好的监护。监护中心由大容量的计算机硬件设备与软件系统构成，计算机界面实时显示被监护病人的体征波形信息，并将这些数据信息实时保存到病历管理系统中，以便社区医护人员随时查看。本发明可以应用于社区医疗模式着重于社区居民的预防保健以及心血管疾病、慢性病等疾病的术后追踪和辅助治疗，为社区居民提供更加贴心、便捷、安全的服务。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的基于社区医疗模式的远程监控系统的示意图；

图2为根据本发明实施例的基于社区医疗模式的远程监控系统的结构框图；

图3为根据本发明实施例的Internet与连接的主机的示意图；

图4为根据本发明实施例的基于社区医疗模式的远程监控系统的结构功能图；

图5为根据本发明实施例的心电传感器和引导电极的连接示意图；

图6为根据本发明实施例的HKD-10A模拟量心电传感器的接口电路图；

图7为根据本发明实施例的心电信号调理电路的电路图；

图8为根据本发明实施例的脉搏信号调理电路的电路图；

图9为根据本发明实施例的振动法血压测量原理示意图；

图10为根据本发明实施例的单片机的串行口通讯接口电路的电路图；

图11为根据本发明实施例的单片机最小系统原理图；

图12为根据本发明实施例的供电电源稳压电路图；

图13为根据本发明实施例的电源模块的电路图；

图14为根据本发明实施例的APC200A-43与终端设备接口电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种基于社区医疗模式的远程监控系统，下面首先对本发明涉及的几个技术点进行说明：

(1)基于Internet网络的C/S通信模式

网络是由若干个结点(node)和连接在这些节点上的链路(link)组成，结点可以是计算机、路由器或交换机等设备。很多情况下，我们用一朵云表示一个网络，这样的好处在于我们不必关心网络中的细节问题，只需考虑与网络互联的有关问题。互联网是指网络与网络通过路由器互联起来形成覆盖范围更大的网络，因特网(Internet)则是世界上最大的互联网络，其用户以亿计，互联的网络数以百万计。习惯上，我们将连接在Internet上的计算机都称为主机。如图3表示许多主机连接在Internet上，同样省略了网络内部细节问题如路由器怎样实现许多网络连接在一起。当网络互连将计算机在物理上连接起来之后，还需要在计算机上安装使计算机能够交换信息的软件来完成计算机之间相互交换信息的目的。本系统中客户端监护系统软件与服务器监护系统软件都提供了进行Internet通信的相关进程。

实际上Internet拥有非常复杂的拓扑结构，从它的工作方式来看，可以分为两大块：边缘部分与核心部分。边缘部分也就是指连接在Internet上的所有主机，这部分是由用户直接使用并进行通信和资源共享；核心部分由大量异构网络和连接在这些网络上的路由器组成，主要为边缘部分提供联通性和交换服务。

本发明设计的远程通信就是建立在边缘部分的基础上，利用核心部分提供的服务进行通信交换或共享信息，两端计算机之间通信也就是两端系统中应用程序之间进行通信。Internet中网络边缘主机进行通信的方式有客户服务器方式(C/S方式)与对等方式(P2P方式)两种方式。基于多参数监护系统终端与社区监护中心之间的服务与被服务关系，本系统采用的通信方式为客户/服务器方式，由客户程序(client)作为服务的请求方，服务器程序(server)作为服务的提供方。客户程序运行时，不需要特殊的硬件和复杂的操作系统，需要通信时可主动地向远端服务器发起通信请求。在此之前，客户程序必须知道服务器程序的地址，才能连接到服务器。服务器程序即专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。服务器程序启动后将一直不断地运行，被动地等待并接受来自各地的客户服务请求，此过程中无需知道这些客户程序的地址信息。然而服务器一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持，保证系统有足够的负荷能力以及稳定的性能。

所以基于C/S通信模式的远程多参数监护系统，客户端与服务器端都需要安装专门的软件，以及一些运行环境的设置。在这种模式下，合理地分配任务到两端，可以有效地降低网络的通信量以及服务器的运算量，如此C/S通信模式所拥有的交互结构性强、网络通信量低、响应速度快的特点有利于服务器端监护中心处理来自客户机端的大量数据。然而，软件系统需要不断更新与维护，以保证服务器端监护中心为客户端监护软件平台提供更优质的服务。

(2)监护软件用到的关键技术

在设计客户端监护软件系统与服务器监护中心软件系统的过程中，为实现预计的系统功能或增强系统的性能需要借助一些关键的编程技术，下面则就该系统的实现需要涉及到的关键技术进行简单介绍。

(2.1)多线程技术

多线程是在构建大型应用软件系统时需要关注的一项关键技术，尤其是在效率与性能之间做一个权衡的时候，恰当地使用线程可以极大地提高系统的工作性能。要理解线程首先得介绍一下进程，操作系统中进程被定义为应用程序的运行实例，每个进程都拥有自己的虚拟地址空间、数据、代码及其它的系统资源。而线程则是进程内部程序执行的路径，或者是进程的一个执行单元。从根本上讲，线程是可由系统调度的一个最简单的代码单元，负责执行包含在进程地址空间中的程序代码。每个进程又可以包含一到多个线程，单独的一个执行程序运行时，往往包含一个缺省的主线程，主线程以函数地址的形式出现，提供程序的启动位置，如main或WinMain函数等，进程随主线程终止而终止。在实际应用中，应用程序可分解成许多独立的执行线程，每个线程并行运行在同一个进程中。

一个进程中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中，共享该进程的全局变量和系统资源，由操作系统负责调度和执行。操作系统给每个线程分配了不同的CPU时间片，所有的请求通过操作系统消息队列进行串行化处理，这样保证了每个时刻CPU只执行一个时间片内的线程。多个时间片中的相应线程在CPU内轮流执行，但是每个线程的时间片时间非常短，从用户角度来看，仿佛各个线程在系统中是并行处理的，由此系统也可以响应同一时刻的多个用户的请求任务。实际上操作系统是根据线程执行的优先级进行调度并分配CPU的时间片，优先级高的线程优先运行，优先级低的线程则继续等待。所以一个采用了多线程技术的应用程序，可以更好的利用系统资源，其主要优势在于充分利用了CPU的空闲时间片，可以用尽可能少的时间来对用户的要求做出响应，使得进程的整体运行效率得到较大的提高，同时增强了应用程序的灵活性。更为重要的是，同一进程的所有线程是共享同一内存的，所以不需要特殊的数据传送机制，从而使得不同的任务之间的协调操作与运行、数据交互、资源的分配等问题更加易于解决。

同时多线程编程也存在一些缺点，如果存在大量的线程，操作系统需要在它们之间进行切换，反而会影响系统性能。而且线程越多，需要的内存空间也就越多，还有可能会给程序带来更多的“bug”。同时，当多个线程同步工作共享同一资源时，可能发生死锁情况，使用时需要设定线程优先级。所以在实际应用程序开发过程中，需要合理运用这种多线程机制，既要保证软件系统的效率也要维护系统的工作性能。

(2.2)TCP/IP技术

网络监控是实现远程通信的重要方面，网络监控的监视点与控制中心分居异地，它们打破了地域的界限，通过网络连接来传递信息。网络监控实现多元的信息传输，增加对数据安全的监控与管理，完成信息、资源和任务的共享，使监控更加实时、快速和安全，并且通过与其他的计算机网络系统互联，为人们提供一个更高效、更全面、更快捷的服务模式。

应用Internet技术成为当前网络监控技术的主流，在TCP/IP协议和WWW规范的支持下，通过合理组织软件结构，使用户能够通过访问网络服务器来快速获取自己权限下的所有信息。其中TCP/IP协议是进行网络传输的一组重要协议，包含Internet所使用的各种协议，而这个协议中最重要、最著名的就是TCP协议与IP协议。TCP协议为网络通信提供了一种可靠的、面向连接的服务，用于确保端到端传输的可靠性。这种可靠性主要体现在TCP协议提供了差错检验和纠错机制，以及TCP协议通过流量控制来调整网络中传输的数据分组流。IP协议使性能各异的网络在网络层上看起来好像是一个统一的网络，在IP协议的虚拟互联网络上的主机进行通信时，看不见互联的各网络的异构细节(如具体的编址方案、路由选择协议，等等)，彼此间通信就显得很方便、简单。同时TCP/IP协议也是一个开放式通信协议，在任何空间中，不管这些设备的物理特性差异有多大，只要两端系统对如何通信的问题达成一致，都可以进行通信。至今为止，TCP/IP协议已经发展成为使用最为广泛的网络通信协议，被运用在最大的开放式网络系统Internet上。

细致地了解TCP/IP通信协议，还需要认识TCP/IP协议的参考模型。TCP/IP是一个四层的体系结构，总体结构需要完成差错控制、流量控制、分段与重装、复用与分用以及建立连接和释放等功能。而TCP/IP参考模型侧重于互联设备间的数据传达、功能的分布，弱化功能层次的划分，所以只由四层结构组成，主要为应用层、传输层、互联网层和网络接口层，TCP/IP参考模型如表1。

表1

总言之，TCP/IP协议的开放性与可靠性是网络设计与开发过程中所强调的，它实现数据的可靠传输、自动检测，避免网络发生错误，为进行通信的两端计算机系统，提供可靠的网络连接。由TCP/IP协议参考模型可以看出，TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务，同时TCP/IP协议也允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行。

如图1所示，本发明实施例的基于社区医疗模式的远程监控系统，包括：多个本地多参数监护系统100和远端中央监护中心200，每个本地多参数监护系统100分别通过通信网络与远端中央监护中心200通信连接。

如图2所示，社区医疗模式下的远程多参数监护系统采用C/S(Client/Server，客户机/服务器)通信方式实现Internet中两端主机程序的远程通信。本系统由本地多参数监护系统100(客户端)、通信网络以及远端中央监护中心200(服务器端)三层结构组成。每一层结构被分配了不同的任务，本地多参数监护系统100需要实现病人的多项生理参数采集；远端社区监护中心负责接收生理数据，并将这些数据信息提供给社区监护人员；基于Internet实现了多客户端应用程序与远端服务器应用程序的通信连接。

具体的，每个本地多参数监护系统100包括：下位机数据采集子系统和上位机数据显示及分析子系统，下位机数据采集子系统用于通过心电传感器、脉搏传感器和压力传感器采集被监护者的相应生理信号；上位机数据显示及分析子系统用于根据提取的被监护病人的生理信号，对生理信号进行信号处理，然后将处理后的信号通过无线通信网络传输至远端中央监护中心200。

本地多参数监护系统100主要包括两个部分，即下位机数据采集系统和上位机数据显示、分析软件系统。下位机数据采集系统主要通过心电、脉搏、压力传感器采集被监护病人的相应生理信息。根据提取的人体生理信号特点，设计不同的调理电路完成三路信号放大、滤波、AD转换等处理。最后通过无线传感模块传输到本地PC机。

便携式多参数监护仪要求能够实时获取人体的心电与脉搏信号，以及能够无创测量人体的血压参数，并且还要求该设备应具备体积小、功耗低、性能稳定可靠等特性。为满足这些要求，本下位机系统的主控单元选择TI公司生产的低功耗的MSP430F149单片机作为微控制器，并设计信号拾取、信号调理、电源管理以及无线通信等电路来实现信号采集，以及信号传送至上位机的所有工作，其结构图如图4所示。前端采集单元负责完成心电、脉搏、血压三项参数采集；下位机平台设计了相应的信号调理电路，将采集信号的电压值调整到下位机单片机可处理的电压水平，并完成MSP430单片机外围电路以及电源电路与无线通信模块接口电路设计；上位机系统平台应用串口电路建立无线模块与上位机的连接。

本多参数监护系统前端采集单元采集的人体特征参数主要包括：心电、脉搏与血压三项参数。不同的生理信号采用不同的传感器及信号采集方式，根据输出信号特点来设计适当的调理电路进行调理，然后送入单片机内部的ADC内进行A/D转换。

本地多参数监护系统100对生理信号进行信号处理，包括：对心电信号、脉搏信号和血压信号进行放大、滤波和AD模数转换处理。

具体的，下位机数据采集子系统包括：心电传感器、脉搏传感器、血压传感器、多生理参数采集模块和第一无线通信模块，其中，心电传感器、脉搏传感器和血压传感器分别与多生理参数采集模块的输入端连接，多生理参数采集模块的输出端与第一无线通信模块的输入端连接，第一无线通信模块与远端中央监护中心200双向连接。

心电传感器采用模拟量心电传感器和Ag/AgCl电极，其中，模拟量心电传感器采用加压单极导联方式，加压单极右上肢导联；监测时，将探查电极放置在被测者的右臂上，采用Ag/AgCl电极作为引导电极，放置在左臂与左腿上，引导电极与电阻串联在一起作为无关电极。

具体来说，心电信号是人体重要的体征信号，是由心脏在每个心动周期中起搏点、心房、心室相继兴奋而引起的生物电变化。通常人们使用心电图来分析心电信号，而心电图主要是指通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形。一般ECG的主要频谱范围为0.05～100Hz，而90％的ECG频谱能量主要集中在0.25～35Hz之间，幅值范围约为0～4mV，因此心电信号属于低频微弱信号，但也不可避免地伴随了噪声。影响ECG信号检测的因素主要有波形变异与外部干扰，其中外部干扰对动态ECG检测影响较大，包括奇点噪声、基线漂移、运动伪迹和50Hz工频干扰等，这些干扰频带与心电信号频带发生重叠，从而对正确检测心电信号带来困难，所以拾取的心电信号必须进行滤波去噪。

心电监护的主要任务是采集人体的心电信号。测量时将一次性电极片安放到人体的四肢部位，通过导联线连接电极片。采集得到的心电信号，经过多级放大、带通滤波、陷波等处理后，送入到后续的处理单元中。

心电传感器与导联方式选择：根据ECG的特征与监护要求，本系统采用合肥华科电子研究所研发的HKD-10A模拟量心电传感器提取人体心电信号。HKD-10A模拟量心电传感器性能非常良好：能够将心电信号放大475倍，共模抑制比CMRR为65dB，并且输入阻抗达106MΩ；内部集成高通滤波器与低通滤波器提取ECG的主要能量频带，即0.05～100Hz；以及内部50Hz工频陷波电路，可有效滤除50Hz工频信号。

实验过程中选择Ag/AgCl电极作为心电信号监测的引导电极，它是拾取体表心电信号比较常用的引导电极。使用前需要用75％医用酒精对使用者的皮肤表面进行消毒，以减少电极与皮肤间的接触噪声，提高引导电极的拾取性能，获取高质量的心电信号波形。

上述已经介绍心电测量存在多种导联方式，一般情况下，较大型的医疗救助级别的心电设备所使用的心电导联多采用12导联]方式，分别记为I、II、III、aVR、aVL、aVF、V1～V6。其中，导联I、II、III称为标准双极导联，反应两肢体之间的电位差变化；aVR、aVL、aVF称为单极肢体加压导联，基本上代表该监测部位的电位变化；V1～V6称为单极胸导联。标准的12导联系统由10根ECG线缆所组成，用于连接4个肢体电极和6个胸电极。其中需要注意的是，肢体的电极可以放置于四肢的近端或远端(肩膀、臀部或腕关节、下肢胫骨内踝)，但是左右电极的位置一定要对称。

基于HKD-10A心电传感器，实验过程采用加压单极导联方式，具体为加压单极右上肢导联(aVR)。监测时，将探查电极放置在被测者的右臂(RA)上，引导电极则放置在左臂(LA)与左腿(LL)上，引导电极与5000Ω电阻串联在一起作为无关电极，这时加压肢体导联比单极肢体导联多了电压，单极肢体加压导联记录出来的心电图波幅比单极肢体导联增大50％，且不影响波形。连接方式如图5所，加压单极右上肢导联(aVR)方式(左下肢LL记为F)。

实验过程中采用加压单极导联方式连接引导电极的导联线。使用过程中将导联线与贴片式引导电极连接在一起，然后粘贴到电极线所指示的人体相应部位即可。

心电信号调理电路设计：图6为HKD-10A模拟量心电传感器的接口电路图，U4为HKD-10A心电模块的原理图，各管脚定义如表2所示。IN0、IN1、IN2为信号输入接口，经过传感器内部集成电路调理后，由OUT口输出准确的心电信号电压值。

表2

由于采用加压单极右上肢导联方式(aVR)，由HKD-10A心电传感器获取的心电波形幅值范围约为-0.8～0V，且ECG呈现倒像。本系统中单片机供电电压为3.3V，一般单片机最大输入电压与基准电压有关，不得超过基准电压，所以模拟输入电压应控制在3.3V以内。因此模拟心电信号在送入单片机进行A/D转换之前，还需将采集信号进行反相与电平抬升调理。心电信号调理电路如图7所示，ECG-OUT为心电信号的输入口，通过反相比例电路实现输入信号反相放大，并由放大器U00的1号口输出，此时输出信号波形幅值被调整到0～1.6V范围内；反相比例电路结合反相加法电路实现了电位抬高，其中滑动变阻器R-E，用于调整电位抬高幅度，心电信号经过调理后最终由ECGout口输出。实验过程中电平实际被抬高了0.8V，最终信号波形调整后幅值范围约为0.8～2.4V。此调理电路主要采用了TL082CN双电源集成运放来设计比例运算电路。TL082是一款通用的J-FET双运算放大器，主要特点有：较低的输入偏置电压和偏移电流与较高的输入阻抗、内有频率补偿电路、输出有短路保护，这些良好特性保证了调理电路可靠性运算。

下面对脉搏监护进行说明：脉搏的形成是由于心脏的舒缩活动时，大量血液进入动脉将使动脉压力变大而使管径扩张，在体表较浅处动脉可感受到此扩张。脉搏波的传播过程不仅受到心脏本身的影响，还受到沿途动脉和周围组织器官状况的影响，使脉搏波蕴藏着丰富的人体生理和病理信息。较之传统的靠不同指法下的指面触感来分辨脉搏的脉象研究，借助先进传感器技术可实现脉诊客观化[66]，能够全面提取脉搏信息，通过信息处理技术加以分析，可获取脉搏定量化指标。

脉搏监护是通过传感器获取脉象信号，经过仪表放大、A/D转换，然后送入微处理器。脉搏传感器选择了合肥华科电子研究所研发的HK-2000B型脉搏传感器。它采用高度集成化工艺，将力敏元件、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内部，具有灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大、性能稳定可靠、使用寿命长等特点。

HK-2000B型脉搏传感器主要是采用了PVDF压电膜元件，通过PVDF压电膜感知脉动引起的压力变化。PVDF材料检测的是压力的变化量，且压电常数大，因此应变力响应灵敏度高。除此之外，PVDF材料还具有以下优点：第一，在交变磁场中不易极化，单位体积能获得大的输出功率；第二，压电膜轻而柔韧，与人体组织的阻抗耦合性好，能紧贴皮肤；第三，机械品质因素低、阻尼小、密度低、具有宽带特性。PVDF压电薄膜测量信号的基本原理]是：在PVDF压电薄膜受到某一方向外力影响时会发生形变，此时它的材料晶面或极化面能够产生一定量的电荷，并在膜两侧的电极上聚集等量异性电荷。由此脉搏测量时，将PVDF压电薄膜与脉搏测量部位紧密接触，在脉搏跳动的过程中，物体表面细微的纹理颗粒对PVDF微单元造成挤压从而产生感应电荷，测量PVDF压电薄膜产生的电荷量可以间接判断所测脉搏信号的强度。

HK-2000B型脉搏传感器输出完整的脉搏波电压信号，波形幅值约为-0.2～1V，因此在送入单片机内置ADC之前，同样需要通过电位抬高电路进行调理，脉搏信号调理电路如图8所示。与心电调理电路相似，利用反相比例电路与反相加法电路完成了电平抬高电路的设计。PULSE-OUT为信号输入接口，调理后再由Pulseout接口输出，符号R-P为滑动变阻器，用于调整电位抬高幅值，最终脉搏信号波形被放大2倍，输出信号电压值被抬高至0.4～2.8V幅值范围内。

下面对血压监护进行说明：血压是血液在血管内流动时，对血管壁产生的单位面积侧压。通常人们所说的血压是指动脉血压，血压测量的主要参数是收缩压、舒张压与平均压，测量方法主要有直接血压测量与无创血压测量。在实际测量过程中，本监护系统所使用的血压监护模块主要采用无创血压测量，具体方法为振动法[39]。振动法的测量原理如下所述：

振动法是70年代发展起来的血压测量方法，随着袖带压变化，血管被袖带挤压，使用气压传感器检测脉搏波幅度变化来测量血压。通过袖带快速加气挤压血管，使血流完全被阻断，此时压力传感器感受不到脉搏波变化，然后慢慢放气，血管随之打开，脉搏波从无到有，形成钟形包络(如图9所示)，直到检测不到脉搏波时迅速放气。寻找脉搏波包络的顶点OM，该点对应袖带压PM即为平均压；在包络线上升段存在一点OD，其对应袖带压PS即为收缩压；包络线下降段有一点OD，对应袖带压PD即为舒张压。其中，OS与OD可根据经验公式求得：CS＝OS/OM，CD＝OD/OM，CS取值范围为0.45～0.57，CD取值范围为0.69～0.89。各厂家血压采集模块存在差异性，CS与CD取值不尽相同，应以临床实验结果为依据确定为常数。

本系统血压监护采用了型号为SUPERNIBP200A的血压测量单元模块来进行无创血压测量，它具有抗运动干扰能力强、测量准确度高等优点，并支持三种病人模式(成人/小儿/新生儿)，是多家国内监护仪厂家经常采用的血压测量模块。该模块单元测量范围为40～270mmHg，具有独立的软件保护压力：成人保护压力为300mmHg，小儿为240mmHg，新生儿为150mmHg；还具备独立的硬件保护压力，保障了被测量者不会受到袖带高压的伤害。并且该单元模块兼容所有NIBP协议，便于扩展开发。

SUPERNIBP200A血压模块通过串行口与微控制器进行通讯，通讯为TTL电平，波特率为4800bps，并通过接收外部命令，完成相应操作。SUPERNIBP200A血压测量模块有6个输入或输出引脚，各引脚定义如表3所示。在这里需要指出的是：(1)POWER接口中靠近阀门的引脚为第1引脚；(2)第3引脚和第6引脚连通，接任何一个都可以；(3)第4引脚和第5引脚连通，接任何一个都可以。血压模块主要通过TXD、RXD引脚发送/接收数据。

表3

系统中血压模块与心电、脉搏采集模块集成到统一的系统单元上，需要经过单片机与上位机完成通讯。本系统采用的微控制器MSP430F149单片机具有两个硬件通信模块USART0与USART1，USART0用于完成单片机与上位机的串行口通信任务，USART1则用于完成血压模块与单片机之间的串行口通信任务。所以血压模块与单片机系统的串行口通讯连接方式结构图，如图10所示。

SUPERNIBP200A血压测量模块与上位机通讯制定了串口通讯协议，该协议规定了串口通讯格式、上位机发送指令与模块返回上位机实时压力数据包。

(1)数据格式为：起始位+8位数据位+1位停止位，无校验位

(2)上位机发送指令包含了测量方式、测量周期时间、测量模式、预充气压力值设定与气路漏气检测等命令。如命令“0230313B 3B 443703”表示开启自动测量方式；命令“0230373B 3B 443903”表示设置成周期为60分钟的自动测量模式；命令“0233323B 3B444203”表示在成人/新生儿时，设置预充气压力为160mmHg。

(3)中止命令‘X’是指任何时候上位机发送‘X’，即为终止命令，使系统停止当前任何操作，关闭充气阀，打开阀门。当模块接收到命令包错误：包括命令包错、校验错、非法命令代码或同一命令包中相邻两字符间隔时间超过0.1s，均视为一次中止命令。

(4)在血压测量中，在校准方式下或是漏气检测时，模块向上位机发送实时袖带压力数据包。

依照上述制定的协议，血压参数测量的实现过程为：PC机通过串口向模块发送设置预充气、采样周期命令，随即发送开始测量命令，即指令“0230313B 3B 443703”。模块接收到命令后，开始向袖带充气，模块自动检测袖带内压力。当压力达到预设值，模块立即控制气泵放气。在放气的过程中继续检测脉搏波振动情况，如果脉搏波存在从无到有的变化，则说明检测到收缩压，袖带继续放气，直到袖带压力为0；如果在放气的过程中，一直存在脉搏波活动，则说明预设压力值小于或等于收缩压，那么模块会停止放气而继续充气，自动检测充气的合适程度，袖带压力达到适宜的最大值，然后再放气检测。这是血压模块的自适应调节过程，用于测量准确的收缩压。当袖带压力为0时，模块会把收缩压、舒张压与平均压的测量结果返回给PC机。如果测量过中存在特殊原因要中止测量，则按照上述协议，发送‘X’命令即可中止本次测量。

多生理参数采集模块采用MCU芯片、外围电路和电源电路，在MCU芯片中内置有A/D转换模块，以将由心电传感器、脉搏传感器、血压传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，发送至至PC机。

多生理参数采集模块中的处理器模块主要由主控MCU芯片MSP430F149单片机、单片机外围电路、以及电源电路组成。单片机机及其外围电路是保障微控制器正常工作的关键，电源电路为微控制器工作提供电源支持，并为实现拾取的模拟信号到数字信号的转换，主要是使用了MSP430单片机内部的ADC12模块进行A/D转换。

MSP430系列单片机是美国德州仪器公司与1996年开始向市场推出的一款16位超低功耗的信号处理器，具有精简的指令集(RIRS)、超低功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段等优点。在本系统设计中选用具有高速低功耗性能的MSP430F149单片机，下面是MSP430F149处理器的主要功能特点：

(1)低功耗是MSP430F149的最大特色之一，并可以通过软件编程来控制时钟实现低功耗；

(2)五种低功耗省电模式，从待机到唤醒只需要6μs；

(3)电压范围宽：电源电压1.8～3.6V；

(4)16位高性能CPU：16位精简指令(27条内核指令及大量的模拟指令)，丰富的寻址方式(7种远操作数寻址，4中目的操作寻址)，较高的处理速度，在8MHz晶振驱动下指令周期为125ns；

(5)通讯接口：两个串行异步通讯接口，USART0与USART1；两个串行同步外设接口，SPI0与SPI1。涵盖通用的典型串行通信标准接口，串行可在线编程，不需要外部单独供电；

(6)内部集成一个8通道12位的ADC模块；

(7)2KB的RAM，256KB可编程闪存；

(8)2个16位的可输出PWM单元的定时器；

(9)中断可有效简化编程，提高代码运行效率，而处理器每个外部模块几乎都可以中断，如此就可以方便的针对外围模块进行有效编程；

(10)处理器有四种时钟源：辅助时钟(ACLK)、系统时钟(MCLK)、子系统时钟(SMCLK)

以及数字控制震荡时钟(DCOCLK)。

MSP430单片机外围电路如下：MSP430F149单片机作为本采集系统的主控MCU芯片，共有64个管脚，其中通用数字I/O管脚48个。其最小系统是没有外围器件与外设接口扩展的单片机系统，主要包括MSP430F149单片机、晶振电路、JTAG接口电路以及复位电路。MSP430F149的最小系统及接口电路，如图11所示。

最小系统模块是保证单片机MSP430F149稳定工作的最主要的基本功能模块，其中复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行过程中用户的按键复位，复位电路可由简单的RC电路构成，也可根据用户需要使用其他相对较复杂但功能更加完善的电路。硬件复位主要是通过为RST/NMA提供一个低电平实现的，图中的R2、R3和C5构成了RC复位电路。JTAG接口电路主要用于微控制器的内部仿真和程序调试，分别使用了时钟管脚(TCK)，模式选择管脚(TMS)，数据输入管脚(TDI)以及数据输出管脚(TDO)。本发明主要通过JTAG接口的ISP(In-System Programmable，在线编程)功能，对系统进行flash编程，DVSS用于编程器对微控制器在编程时供电，RST/NM用于编程结束后的系统复位。

MSP430F149单片机在设计过程中可以使用多个时钟源来产生多个时钟信号[69]，由此用户可以选择不同的时钟信号作为CPU以及外围器件使用的数字信号。MSP430F149的时钟模块分为低频晶振、XT2晶振和DCO振荡器三个部分。如图中，低频晶振Y1采用32.768KHz晶振，引脚与XIN和XOUT相连，C1和C2两个陶瓷电容做电路调理，以获得稳定的时钟信号ACLK信号；XT2晶振为可选的高频外部晶振，系统中Y2采用8M的晶振，引脚与XT2IN和XT2OUT相连，通过C3和C4两个陶瓷电容调理获得稳定的时钟信号，用作MCLK或者SMCLK时钟；DCO则为内建RC振荡器，可以通过软件设置以及控制其频率。由此，可选择的时钟源利于微控制器在满足工作需要的情况下，确定适宜的工作频率，以达到低功耗的目的。其低功耗模式及对应的CPU时钟工作状态如表4所示。

表4

A/D转换模块采用12位精度的A/D转换模块，包括：16路模拟开关、12位的逐次逼近型转接器、内部参考电源、ADC采集与保持部分、ADC输出部分和ADC控制寄存器。

ADC(模数转换器)是完成心电与脉搏模拟信号转换为数字信号的重要器件，而MSP430F149内部集成的ADC12模块是一个12位精度的A/D转换模块，满足心电与脉搏信号的转换要求。ADC12模块主要由16路模拟开关、12位的SAR(逐次逼近型转接器)核、内部参考电源、ADC采集与保持部分、ADC输出部分、ADC控制寄存器等组成。

ADC12模块输入的16路模拟开关有8路独立的对外输入通道，4路内部参考电源及1路内部传感器源。可以通过软件编程来组合6种不同的基准电压，其内部基准电压为1.5V或2.5V，此外MCU也支持外部参考电压，即3.3V。需要注意的是，内部基准电压与外部参考电压不可同时使用，否则会对芯片造成一定的损坏。同时ADC12可选择ACLK、MCLK、SMCLK以及DCOCLK四种时钟源的一种，并可通过软件编程来进行分频。ADC12具有单通道单次转换、单通道多次、序列通道单次以及序列通道多次4种转换模式。转换过程中可根据信号输入个数或用户需求选择不同的转换模式。

ADC12内核在完成转换时，会把结果存储在相应的缓冲区的转换寄存器ADC12MEMx(x＝0～15)中，内核使用两个可编程设置其电压值的端点VR+、VR-来定义转换的上下限。上下限电压VR+、VR-的设置与输入通道的选择均有转换存储控制寄存器ADC12MCTLx控制。转换结果值计算公式如下所示：

如上公式，当输入电压Vin大于或等于上限电压VR+时，转换结果为0XFFF；当输入结果小于或等于VR-时，转换结果为0。所以为了保证精度，通常输入电压应控制在上下限范围内(留10％～20％的余量)，最后通过软件编程读取寄存器中的数据。

整个硬件系统设计过程中，各个芯片单元所需要的供电电压不尽相同，比如MSP430F149单片机需要+3.3V供电，心电、脉搏传感器需要单电源+5V供电，以及心电与脉搏的信号调理电路中的放大器TL082芯片工作需要±5V电源供电，血压监测模块正常工作也需要+12V供电。并且硬件系统设计按需求设计为便携式移动设备，只能采用电池供电。常用的电池容量有1.5V、9V、12V等，根据以上需求选用12v锂电池供电。12V的电池需使用降压型稳压电路将电池电压转换为+5V供电。+5V电源电压再进行降压转换为+3.3V，以及通过电源模块电路输出±5V电源电压。本发明采用AMS1117系列电压变换器实现降压，AMS1117是一个正向低压降稳压器，AMS1117-5与AMS1117-3.3可以固定输出5V与3.3V电压，具有1％的精度。其内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机系统的最佳选择。供电电源电路如图12所示。

如图13所示，采用DY 05D05-2W电源模块完成了将1117-5输出的+5V电压值(标记：VCC+5V)正反稳压输出±5V电压与公共地GND的任务。

第一无线通信模块采用低功率多通道嵌入式无线通信模块，并提供UART/TTL接口、RS485接口和RS232接口。

无线通信模块负责下位机采集模块和控制计算机之间的通信，是系统重要的组成部分。无线通信模块的设计主要包括选取射频芯片、设计外围电路以及射频天线的选取，本硬件系统采用APC200A-43模块作为上下位机之间的无线通信模块。

APC200A-43模块是一款低功率、低成本、多通道嵌入式无线通信模块，并设有性能稳定的高频微型化射频芯片。APC200A-43体积小，能够稳定工作在431～478MHz多个频段，可设置100个频道，发射功率高，但仍具有较低的功耗。由于采用了新一代循环交织检错编码技术，通信模块的抗干扰性与通信灵敏度都得到很大程度提升。APC200A-43还提供了UART/TTL、RS485以及RS232三种接口方式，同时拥有可靠的检错能力，能够自动滤除错误及虚假信息，真正实现了透明连接，特别适合应用在无线传感器网络中。在数据传输方式上，APC200A-43模块有两种数据传输方式，包括透明数据传输与分地址数据传输。本发明主要使用了透明数据传输方式，此数据传输方式能够适应任何标准协议或非标准的用户协议，在实际运用中接收端所接收数据就是发送端所发送数据。此外APC200A-43具有较远的数据传输距离，约为800～1000m的传输距离，波特率为1200bps，同时由于不需要用户进行复杂的编程，由此能够有效地提高研发人员研发效率。APC200A-43外围元件数量较少，可以有效控制通信模块的投入成本。APC200A-43各引脚定义如表5所示。

表5

APC200A-43与终端设备电路接口电路设计如图14所示。在无线通信模块中，射频天线的主要功能是数据的接收与发送，射频天线的性能直接决定了节点间通信的通信质量。射频天线的主要作用分为两部分，第一部分是能量转换部分，发射天线将电路中的高频电流能量最大限度转换为空间中的电磁波发射出去，接收天线将从空间中接收的电磁波最大限度的转换为高频电流输入到控制芯片。第二部分作用是定向发送或接收，即在指定方向上接收或发送电磁波。

多参数采集系统模块上设有与PC机进行通信的RS232串口，系串口主要用于实验过程中进行通信测试，不改变本系统与PC机之间无线通信的模式。本发明将心电采集模块、脉搏采集模块同MSP430F149微控制器单元集中设计在同一块PCB板上，而血压采集模块成为独立单元模块，通过串行接口(Vcc、GND、TXD、RXD)与单片机MSP430进行通信，由此可以避免血压模块进行采集工作时，气泵充气引起机械振动，而影响其他信号采集。无线通信模块通过串行接口电路连接到写码板，写码板则通过RS232串口与PC机串口线连接实现通信。通过两端无线通信收发模块实现了多参数采集系统与PC机之间的通信。

上位机数据显示及分析子系统包括：第二无线通信模块、数据分析处理模块、数据存储模块、波形显示模块和有线网络通信模块，其中，第二无线通信模块与远端中央监护中心的第一无线通信模块双向连接。

(1)网络通讯模块：本地多参数监护系统通过Internet与社区监护中心建立连接通信。(2)数据保存和波形回放模块：处理后的数据可以根据需求保存在本地PC机内，波形回放模块允许被监护病人随时观测自己的历史数据，进而对自身健康状况有更清晰的认识。

(3)

(4)波形显示模块：将接收到的生理信号送至PC机屏幕实时显示，为被监护病人或监护者提供直观认识。

(5)数据分析处理模块：该模块对实时显示的数据进行FFT(FastFourierTransformation，快速傅里叶变换)计算，准确地计算被监护者的心率与脉率等重要参数值。与监护阈值进行比较，一旦发生异常则发出警报信息，提醒监护人员对被监护病人提起注意。

(6)无线通信模块：用于实现下位机数据采集系统与本地PC机数据通信。

远端中央监护中心用于对接收到的生理信号进行分析处理，以得到被监护者的生理数据，并与预设监护阈值进行比较，如果判断异常则发出报警信息，以提醒监护人员对被监护者采取措施，并实时显示被监护者的生理信号波形，以及建立病人信息数据库，建立病人病历信息的数据管理。

远端中央监护中心也指服务器端中央监护软件系统，同样进行了功能模块化分，分为五个重要功能模块，即通信网络模块、病历管理系统模块、波形显示模块、数据存储模块与数据信息分析模块。

远端中央监护中心包括：第二有线网络通信模块、第二数据存储模块、第二波形显示模块、数据信息分析模块和病历管理模块。

本地PC机是指客户端的监护软件，整个应用程序是多任务协调工作的。对于一个包含数据采集处理与图形显示分析等功能的多任务应用程序，采用模块化编程是必要的。客户端监护软件共划分为五个主要功能模块，分别为网络通信模块、波形显示模块、数据保存和波形回放模块、数据分析处理模块及无线通信模块，各个功能模块的具体工作如下：

其中，第二有线网络通信模块用于通过端口注册为服务器，端口随时处于监听状态并响应本地多参数监护系统的连接请求；将接收到的本地多参数监护系统的数据存到信道缓冲区内。具体的，通过端口注册为服务器，端口随时处于监听状态并响应客户机(客户端应用程序)的连接请求。将接收到的客户机数据存到信道缓冲区内。

第二数据存储模块用于将从本地多参数监护系统接收到的数据实时保存至数据库中，并记录数据保存时间，以便在数据库中有条件查询数据信息。

第二波形显示模块用于实时显示被监护者的生理信号波形图像。屏幕可实时显示三名被监护病人的生理信号波形，包括心电波形、脉搏波形与血压值等信息，以及其他的重要数据信息。

数据信息分析模块用于对实时接收到的生理信号进行FFT计算，得到被监护者对生理数据，并与预设的监护阈值进行比较，当判断异常时发出警报信息，以便及时通知医护人员进行救治。具体的，数据信息分析模块与客户机端数据分析模块功能相同，该模块对实时接收到的数据进行FFT计算，得到心率与脉率等重要参数值。并与监护阈值进行比较，异常时发出警报信息，以便及时通知医护人员进行救治。

病历管理模块用于建立病人病历信息表以及相应监护数据信息表，允许添加、修改、删除、查询记录等数据库访问操作。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种基于社区医疗模式的远程监控系统，其特征在于，包括：多个本地多参数监护系统和远端中央监护中心，每个所述本地多参数监护系统分别通过通信网络与所述远端中央监护中心通信连接，其中，

2.如权利要求1所述的基于社区医疗模式的远程监控系统，其特征在于，所述本地多参数监护系统对所述生理信号进行信号处理，包括：对心电信号、脉搏信号和血压信号进行放大、滤波和AD模数转换处理。

3.如权利要求1所述的基于社区医疗模式的远程监控系统，其特征在于，所述下位机数据采集子系统包括：心电传感器、脉搏传感器、血压传感器、多生理参数采集模块和第一无线通信模块，其中，所述心电传感器、脉搏传感器和血压传感器分别与所述多生理参数采集模块的输入端连接，所述多生理参数采集模块的输出端与所述第一无线通信模块的输入端连接，所述第一无线通信模块与所述远端中央监护中心双向连接。

4.如权利要求1所述的基于社区医疗模式的远程监控系统，其特征在于，所述上位机数据显示及分析子系统包括：第二无线通信模块、数据分析处理模块、数据存储模块、波形显示模块和有线网络通信模块，其中，所述第二无线通信模块与所述远端中央监护中心的第一无线通信模块双向连接。

5.如权利要求1所述的基于社区医疗模式的远程监控系统，其特征在于，所述远端中央监护中心包括：第二有线网络通信模块、第二数据存储模块、第二波形显示模块、数据信息分析模块和病历管理模块；

6.如权利要3所述的基于社区医疗模式的远程监控系统，其特征在于，所述心电传感器采用模拟量心电传感器和Ag/AgCl电极，其中，所述模拟量心电传感器采用加压单极导联方式，加压单极右上肢导联；监测时，将探查电极放置在被测者的右臂上，采用Ag/AgCl电极作为引导电极，放置在左臂与左腿上，引导电极与电阻串联在一起作为无关电极。

7.如权利要3所述的基于社区医疗模式的远程监控系统，其特征在于，所述多生理参数采集模块采用MCU芯片、外围电路和电源电路，在所述MCU芯片中内置有A/D转换模块，以将由心电传感器、脉搏传感器、血压传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，发送至至PC机。

8.如权利要7所述的基于社区医疗模式的远程监控系统，其特征在于，所述A/D转换模块采用12位精度的A/D转换模块，包括：16路模拟开关、12位的逐次逼近型转接器、内部参考电源、ADC采集与保持部分、ADC输出部分和ADC控制寄存器。

9.如权利要3所述的基于社区医疗模式的远程监控系统，其特征在于，所述第一无线通信模块采用低功率多通道嵌入式无线通信模块，并提供UART/TTL接口、RS485接口和RS232接口。