基于嵌入式设备的家庭健康监护系统的设计与实现

基于嵌入式设备的家庭健康监护系统的设计与实现第38卷第3期2010年6月浙江工业大学JOURNALOFZHEJIANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol|38NO.3Jun.2010基于嵌入式设备的家庭健康监护系统的设计与实现范晓武(浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310032)摘要:针对家庭健康监护的时间长,患者差异性大,综合性强,需求变化快,功能要求灵活,费用要求低廉的应用特点,设计了一种基于嵌入式设备的家庭健康监护系统.该系统以基于嵌入式系统的家庭健康监护仪器为基础,将计算机信息技术与现代医学检测技术相结合,通过移动等通信网络将数字化的心电,呼吸,血压,血糖等信号发送到远程监护中心,并可以及时接收到专业医师的反馈意见和指导,实现了藉由家庭环境下非侵入式生理监测与非察觉式健康监测,同时结合医生针对病人定制的个性化的健康方案的执行,实现医疗进入家庭,预防为主代替治疗为主,使用户在家中实现诊断,监护和治疗.关键词:嵌入式;家庭;健康监护系统中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:10064303(2O10)03028905DesignandimplementationoffamilyhealthmonitoringsystembasedonembeddeddeviceFANXiaoWU(CollegeofInformationEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China)Abstract:Forfamilyhealthcarewithcharacteristicsoflongperiodsoftime,largedifferencesinpatients,comprehensivefunctions,fastchangesindemand,flexiblerequirementsonfunction,andrequirementsforlowcost,akindoffamlilyhealthmonitoringsystembasedonembeddeddeviceisdesignedinthispaper.Thesystemisbasedonembeddedsystemandcombinescomputerinformationtechnologywithmodernmedicaldetectiontechnology.ItcansendthedigitalsignalofECG,respiratoryfrequency,bloodpressure,bloodsugartothelongdistancemonitoringcenterthroughthemobilecommunicationnetwork.Thepatientscanreceivethefeedbackfromdoctorsintime.Thiscanrealizenoninvasivephysiologicalmonitoringandnondetect-stylehealthmonitoringinafamily.Inthemeantime,thecustomizedandpersonalizedhealthprogramssupportedbydoctorscanbeimplementedinordertoachievehealthcareintothefamily.Thiswayismainlyfocusingonpreventioninsteadoftreatmentandwillallowuserstogetdiagnosis,careandtreatmentathomeKeywords:embedded;home;healthmonitoringsystem进入20世纪,多数急性致命传染病,如痢疾,鼠疫等某些特定传染病已获得控制,主要疾病也逐渐从急性传染病变为慢性病,如心血管疾病,癌症,中风,糖尿病,慢性阻塞性肺病等.世界卫生组织估算,预计到2020年时,慢性病将成为人类失能(Disability)的主要原因,也将是医疗体系中,花费最昂收稿日期:20090114作者简介:范晓武(1972一),男,浙江绍兴人,工程师,工程硕士研究生,研究方向为计算机网络技术与应用开发,E-mail:.?29O?浙江工业大学第38卷贵的部份.目前,中国60岁以上人口已达到1.34亿,超过总人口的1O%;到2050年,我国老年人口总量将超过4亿.老年群体是医疗卫生资源的重要消费对象.卫生部曾经有过统计,60岁以上老年人慢性病患病率是全部人口患病率的3.2倍,伤残率是全部人口伤残率的3.6倍,老年人消耗的卫生资源是全部人口平均消耗卫生资源的1.9倍.可是我国卫生医疗事业发展较经济发展却相对滞后.老年人看病难,看不起病的问题尤为突出.大多数老人喜欢留在自己熟悉的住家环境里,即使生活起居无法自理,仍舍不得离开老家移住到机构.由于心理或生理上的压力,有相当一部分的人在医院测量的数据和他在熟悉的环境中测量的数据有本质的差别,研究表明有约2O%的被认为有高血压并有可能导致心脏病的人在真正放松时没有高血压.我国政府对实现世界卫生组织21世纪人人享有保健这一目标做出了承诺,2006年2月国务院关于发展城市社区卫生服务的指导意见提出以人为本,构建和谐社会的要求,实现人人享有基本卫生服务的目标,为了达到这些目标,我们面临了医疗资源有限,医疗不平等,医疗费用问题,老龄化社会所带来的老龄人口保健问题,发展面向家庭和社区的远程医疗技术就具有迫切和现实的意义_2J.随着传感技术和远程监护的发展,健康者也可以成为家庭监护的对象,通过对健康者的生理参数进行监护可以有助与疾病的早期发现和及时治疗_3.1系统总体设计基于嵌入式设备的家庭监护系统结合信息技术和医学等学科技术,基于嵌入式系统设备和Internet/Intranet建立先进的VPN网络平台,进行数据动态传输,将生理检测设备和服务中心,第三方服务方,用户紧密地连接起来,形成统一健康服务平台;如下图表述系统运行模式,共包括四大部分.圈图1系统运行模式Fig.1Systemoperationmethod(1)家用监测终端设备设备可以放置用户家中或办公室甚至随身携带,对使用者的各种生理参数进行检测,并根据需要将实时数据上传服务中心,并能接收医生诊断结果和健康管理方案.(2)服务中心作为健康管理运营机构提供管理客户(慢性病患者或者有健康管理需求的人员如减肥人员等)健康数据的统一平台.健康管理人员(如医生和健康管理师等)通过为客户分配健康管理方案并收集客户方案在家用机的执行信息,可以在远程监控客户的反馈信息,并对客户的重点检测指标进行跟踪和分析,从而判定客户的KBSG风险并对有风险的客户进行管理干预以达到健康管理的目的.(3)医院等第三方服务方医院集中了社会主要的医疗资源和大量的医学专家,可以为系统提供各种疾病健康管理方案,远程专家咨询,并完善专家系统知识库.(4)连接上述三方的通信网络随着Internet/Intranet技术的发展,宽带和无线网络的普及,通信网络为系统的实现提供了技术平台.2技术方案与实现2.1家用生理监测终端设备一家庭监护仪家庭监护终端设备是系统的前端检测设备,属于医疗仪器,必须符合医用电器设备国家标准4,其对数据采集的准确性和实时性有严格的要求,同时设备为适应家庭用户使用,需满足经济性和多功能性要求,采用如下设计策略:(1)为适用各类家庭用户不同监护项目的要求,设备设计系列化,模块化.(2)多功能家用检测设备多功能家用检测设备可以具有多达11个串口和3个USBEl,实现多模块多参数同时检测,有利于医生对各种生理参数的对比分析.(3)为了在不干扰使用者的日常生活情况下实现实时监护,采用灵活的通信方式,可以选择ADSL,LAN,GPRS,CDMA等有线和无线方式联入INTERNET与服务中心通信.(4)为了适应长时间稳定工作并省电,采用嵌入式系统作为设备的软硬件平台.第3期范晓武:基于嵌入式设备的家庭健康监护系统的设计与实现(5)长时间的心电和呼吸记录功能,方便用户使用,采用汉字图形界面,支持触摸屏操作,具有良好的人机界面.按上述要求,家用监护终端设计包括:硬件平台,操作系统,应用软件和通信接口4个部分.2.1.1家用监测终端设备的硬件平台选择(1)STR710硬件平台STR710基于领先的ARM构架,由9个变量组成,串行端口高达10个,带有256kBFlash/64kBRAM,USB,CAN和一个外部存储器接口,是那些需要体积小却功能强大的MCU和多功能可扩缩解决方案的嵌入式应用的理想之选.(2)S3C2440硬件平台$3C2440处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核,$3C2440是一款高度集成的芯片,这是目前世界上主频最快的嵌入式移动CPU,内核速度为533MHz,内核电压为1.3V,采用16/32位ARM920TRISC核心,提供的接口支持:数码摄像头,TFT/STN液晶屏,USB,HOST/DEVICE,IIS音频,NAMD闪存,SD/MMc/sDIO存储卡以及触摸屏等.2.1.2家用监测终端设备的操作系统选择(1)C/oS_II操作系统C/OSII是一个基于优先级的支持多任务的实时操作系统,它可以保证重要任务总是优先占有CPU.使用信号量的方法对共享资源提供了保护机制,uc/osII的内核是和应用程序放在一起编译成一个文件的,使其在单片机系统中的启动过程比较简单,同时其是源码公开的一个开放式内核,它是免费的,可以根据自己的需要对它进行修改.(2)wince操作系统微软的WindowsCE嵌入式系统的主要特点是模块化及可伸缩性,实时性能好,通信能力强,支持多种CPU,同时内置了多媒体功能,可以播放MP3,甚至是视频.检测设备封装了WINCE操作系统的SHELL和通信模块,其特点是灵活的图形用户界面设计,支持全部构成的WINCE的窗口,对话框,各种常规控件,菜单以及资源.封装后的通信模块,广泛支持各种通信硬件,支持直接的局域网连接以及拔号连接,并提供与PC,内部网以及Internet的连接.基于WindowsCE的平台能够充分利用Windows环境丰富的资源,省去了大量的硬件驱动编写工作,实现快速的操作系统构建.微软提供一个构建OS平台的强大IDE集成工具PlatformBuilder,当构建一个定制的oS时,只要第一次将最基本的内核调试环境建立起来,就不需要专门的调试手段如仿真器等,只需一个PC主机和一个目标机通过USB或以太网或串口连接,其他从应用到驱动的开发调试工作都可并行前进.PB提供丰富的调测工具,在开发主机上可单步设断点调试目标机上的程序运行,可查看其内存变量,堆栈,进程运行,文件系统等.并提供一个单独工具CETestKit对目标机进行压力测试并详细记录测试结果.(3)Linux操作系统Linux是一个和Unix相似,以内核为基础的,具有完全的内存访问控制,支持大量硬件(包括X86,Alpha,ARM和Motorola等现有的大部分芯片)等特性的一种通用操作系统,源代码可以免费得到.嵌入式Linux内核一般由标准Linux内核裁剪而来,经过裁剪,压缩后的系统内核一般只有300k左右,十分适合嵌入式设备.Linux是一个分时而非实时操作系统,一个较好的方法是在标准的Linux内核上增加一个实时内核,标准Linux内核作为一个任务运行于实时内核上,强实时性任务也直接运行在实时内核上;类似于win32类的MiniGUI提供完整,漂亮的图形用户界面.2.1.3应用软件设计(1)人机界面多功能检测设备采用用户熟悉的Windows图形界面,控制键盘和触摸屏结合使用,会用电脑或智能手机的用户都能方便使用;大屏幕显示动态心电图和血压,血糖等趋势图,提供实时显示或回放功能,实现医院心电监护仪相同的功能和相似的界面风格.单功能设备采用图形和文本结合的方式.(2)模块控制和检测数据采集显存储设计统一的模块通信协议集,各种模块使用一致的报文协议,保证模块的适应性和扩展性.设计统一的数据存储格式,保证单一模块使用或多模块同时使用,生成的数据文件格式是一致的.(3)健康管理方案的执行设备使用者的特征和他们的疾病被医生或其他医务人员进行评估l_5,定制模式分析规则和报告触发条件,作为健康管理方案下载到用户的设备中,方案按照规则自动执行,引导用户定时进行相关的检测,并实时分析检测数据,并触发异常报告.?292?浙江工业大学第38卷所有的检测数据和过程信息将及时上传到服务中心,供医生分析,重新评估或修改相应的规则有关的参数.2.1.4设备通信接口设计各类设备由STR71O,ARM系列嵌入式系统,采用肚C/OII,wince,Linux等操作系统,鉴于系统集成的复杂性,需要设计一系列的接口,图2描述了各种检测设备之间及检测设备与服务中心设备之间的通信接口.图2检测设备通信接口Fig.2Detectequipmentcommunicationinterface根据不同用户的需要,检测设备分为两大类一类为可以连接其他检测设备的多功能检测设备,如HM型家用检测终端,选择$3C2440硬件平台+wince操作系统组成的嵌入式系统设计,HG型检测网关,选择$3C2440硬件平台+Linux操作系统组成的嵌入式系统设计.这些设备本身带检测模块插槽,可以插心电模块,呼吸模块,血氧模块,血压模块,通信模块等模块,现实心电,呼吸等生理参数的实时检测显示,存储和同服务中心通信,同时提供串口,USB,WIFI等接口,外置连接其他生理检测仪器,如b类设备.另一类为单功能检测设备,如手持心电仪,血氧仪,血压仪,肺功能仪,血糖仪,电子体温计,电子体温计等,选择STRT10硬件平台+vC/OS-II操作系统组成的嵌入式系统设计.这类设备可以单独作为单功能的检测仪使用,也可以通过适应的接口接人多功能检测设备.2.2服务平台子系统服务平台子系统由中心数据库服务器,文件服务器,WEB服务器,TCP通信服务器,HTTP服务器等组成,信息交换使用XML和自定义协议,支持SOAP数据打包和HTTP等传输协议,提供广泛的接人方式,实现与基于UNUX,1ND0WS,WINCE,c/osII等操作系统的设备,pc机和服务器之间的互联互通.服务平台子系统面向系统使用者提供系统管理,服务管理,方案管理,知识库管理,客户管理等管理服务;面向第三方服务商提供知识库管理,方案管理等管理服务;面向用户提供健康档案,用药管理,膳食管理,运动管理,运动管理,随诊管理,教育管理等服务.2.3第三方服务子系统第三方服务子系统可以由第三方自行建设;医院系统作为已建立的第三方服务子系统,服务平台子系统通过电子病历系统与之无缝连接,实现患者信息共享;疗养院,养老院,健身机构等第三方建立的系统也可以联入服务平台子系统.3临床应用远程家庭健康监护系统2006年开始设计,在Holter和移动手持心电仪的基础上,与中华医学会和北京协和医院,北京安贞医院联合研制,其中移动手持心电仪,外置血氧仪在2008年初通过了近1O家三甲医院的临床应用,已获得SFDA认证,HM型家用检测终端2008年9月送SFDA认证中;2008年10月份系统在北京整体开始试应用,服务中心设在安贞医院,开始阶段征集了30位患者开展糖尿病健康管理服务,经过2个月的试运行,对系统的使用情况进行了评测,认为:(1)系统性能稳定,所有参加测试的患者每天按照系统由医生为个人设定的个性化糖尿病健康管理方案,定时测量血糖值,服用治疗药物,按照个人饮食指导安排每餐膳食,医生依据实时上传的数据,及时了解患者的情况,制定和修改针对个人的管理方案.(2)系统图形界面操作简便,老年患者和家庭妇女经过短时间的培训都能正确使用本系统;服务中心的医生为国内健康管理领域的专家,使用后认为系统使用便捷高效,同时给系统设计和完善了大量的管理方案.(3)系统有助与糖尿病人的日常检测,患者在使用系统后,对病情的控制更有了信心.下阶段,系统将在HM型家用检测终端等检测第3期范晓武:基于嵌人式设备的家庭健康监护系统的设计与实现?293?设备通过SFDA认证的基础上,在全国范围内征集1000名患者进行第二阶段的临床试应用.4结论随着医疗费用的急剧升高,改革医学模式的呼声愈来愈高,它必将由生理一医学一技术模式发展成认知一心理社会更加密切结合的模式.有人认为医学工程的发展与其说是用高科技取代原有技术,不如说是发展适应于个体患者需要的合适的技术.因此医学将不仅为疾病诊断与治疗服务,更要着眼于保健与预防.诸如:社区医疗与家庭保健的发展,亚健康状态的定量检测,集体与个体医学信息的充分利用.结合当前的医疗制度改革,医疗资源供给不足的现状,研究老年人和慢性疾病患者的健康照护方式,建立远程家庭健康监护系统是针对21世纪所面临的社会老龄化,医疗费用高,以及我国人口众多,医院和交通有限等一系列严重的社会问题提供的一种解决方案,目标是实现医疗进人家庭,预防为主代替治疗为主,使用户在家中实现诊断,监护和治疗,这也是信息化社会发展的必然趋势.参考文献:1白净,张永红.远程医疗概论M.北京:清华大学出版社,2000.2高文.计算医学工程与医学信息系统M.北京:清华大学出版社,2002.3彭文青,谢敬辉.面向家庭的远程健康监护医疗系统探讨J.医学信息,2006,19(10):17001703.4上海市医疗器械检测所.GB9706.252oo5医用电气设备第227部分:心电监护设备安全专用要求Is.北京:中国标准出版社,2005.5杨杰,周小四,沈利.家庭远程医疗监护报警和咨询智能系统J.高技术通讯,2002,12(6):4-9.(责任编辑岩)(上接第288页)3结论采用SoA的非线性效应可以实现多种全光逻辑门,利用单个SOA实现了速率为2.5Gb/s的全光逻辑与门,仿真结果与理论一