架构於Web服务.doc

架構於Web服務、藍芽與GSM簡訊之居家健康照護系統設計與實現1架構於Web服務、藍芽與GSM簡訊之居家健康照護系統設計與實現Design and Implementation of Home HealthCare System Based on Web Service, Bluetooth, and GSM Short Message Service 譚旦旭 白振祥 葉國瀧Tan-Hsu Tan, Chen-Hsiang Pai, Kuo-Lung Yeh國立台北科技大學電機工程系國立台北科技大學機電整合研究所國立台北科技大學自動化科技研究所摘要本研究應用新崛起的Web服務(Web Service)、藍芽通訊技術(Bluetooth)及GSM簡訊服務(GSM Short Message Service)，發展一套適用於居家環境之新型健康照護系統。我們首先製作一個行動式心電圖感測發收單元(ECG Sensor/Transmitter/Receiver)，接著我們利用藍芽模組將數位化後的心電圖(ECG)訊號傳至心電圖接收器(ECG Receiver)，再經由簡單物件存取協定(SOAP)傳給遠端健康照護Web服務(HealthCare Web Service)系統之資料庫中，藉此醫師可以透過網站伺服器檢視病患心電圖進行診斷。若醫生診斷後認為病人需要進一步檢查，則可使用簡訊Web服務(SMS Web Service)發送簡訊通知病人就診。本系統的軟體架構具有良好的擴充性，因此容易維護，亦可大幅降低系統整合及後續開發成本。另外透過藍芽技術的應用，本系統亦可大幅減少家中纜線的羈絆並增加機動性。實驗的結果驗證本系統有良好的效能，具備實用的價值。關鍵詞：Web服務、藍芽通訊技術、GSM簡訊、心電圖、簡單物件存取協定投稿受理時間: 92 年 10 月 15 日 審查通過時間: 92 年 12 月 24 日2臺北科技大學學報第三十七之一期ABSTRACTThis study presents a novel home healthcare system using the emerging Web Service, Bluetooth, and GSM short message service. We first implement a mobile ECG unit, which consists of a sensor, transmitter, and receiver. After the digitization process, the measured ECG signal is transmitted to the ECG receiver via the wireless Bluetooth module. Then, the ECG signal is passed along the Internet to the remote database of the healthcare Web Service unit based on the SOAP for diagnosis. The patient will receive the GSM short message from the doctor if further diagnosis is necessary. Since the software structure of the proposed system is very easy to expand and maintain, it can significantly reduce the costs required for future integration and development. Besides, the use of Bluetooth allows the residence to escape from the fetters of interconnection wires, thereby increasing system mobility. Experimental results verify the effectiveness of the proposed system for practical application.Keywords:Web Service, Bluetooth, GSM short message service, ECG, SOAP壹、緒論民國83年起，台灣地區65歲以上老人已超過總人口的7%，達到了聯合國所訂定的高齡化社會標準，預估民國100年將達10%，與歐美、日本等先進國家接近1。隨著老年人口急速增加，勢將衍生許多與老人醫療及照護相關的社會問題，造成政府及家庭日益沉重的負擔。近年來，我國國民的主要死因已由傳染性疾病轉移為慢性病及退化性的非傳染性疾病，除了老人因年齡因素易患有慢性病以外，青壯年人口由於工作壓力、不良飲食習慣、以及缺乏運動等因素而罹患慢性病的人數亦有逐年上升的趨勢。慢性疾病需要長期追蹤與治療，但目前的醫療資源並不允許病患長期住在醫院接受治療，因此慢性病患只能以定期回院複診的方式進行治療，但此方式不但浪費患者往返醫院的時間、金錢，也大大降低其生活品質，而且離院病患的病情若缺乏長期有效的監控與照護，將易演變成為急性，為社會醫療成本的負擔雪上加霜。因此，如何改善慢性病患的醫療品質，以有效運用醫療資源，是目前亟待解決的一個課題。居家健康照護(Home Healthcare System)是提升慢性病患醫療品質的一個可行機制，若是慢性病患能在此機制內，藉科技之助將居家所量測到的非侵入性生理訊號送至醫院，進行長期的監控和訊號的判讀，再由醫生根據判讀結果，提供病患後續處理之建議，這樣病患就毋須三天兩頭在醫院與家庭之間疲於奔命，使醫療資源能達到最有效的運用，因此近年來網路科技已被廣泛地應用於遠距居家照護系統之開發。目前這些系統大多建構在公眾電話網路或電視纜線之有線環境2-7，雖然在遠距看診等應用有一定的成效，但其主要缺點為患者在生理訊號的擷取上缺乏機動性，同時在醫療系統網路服務架構之規劃與設計方面也少有著墨，因此未來醫療系統擴展時將易面臨系統整合的問題。架構於Web服務、藍芽與GSM簡訊之居家健康照護系統設計與實現3為克服機動性的問題，Bai 等人8 利用市售無線通訊模組與心電圖量測儀器開發一套可攜式心電圖與血壓傳輸系統，以達居家照護無線化的目的，但其接收範圍限於30公尺以內，且其無線通訊模組無法像藍芽一般，在全球統一的通訊協定架構下，與其它電子裝置交換資訊，換言之，此系統應用範圍有其侷限性。Crumley等人9發展了一套適用於醫院病患監護、具低功率優點的可攜式無線電收發系統，但與8相同，此系統無法與其它電子裝置直接交換資訊。Shimizu等人10整合類比無線電、數位GSM系統，以及衛星通訊等技術，應用於遠距醫療照護，並有良好的效果，但衛星通訊的費率並不便宜，加上通道的時變特性，極易發生數據中斷現象，因此存在資料可靠度的疑慮。為克服上述缺點及促進醫病之時效性，本研究結合Web服務(Web Service)11-13，無線藍芽通訊(Bluetooth)14-17、以及GSM簡訊服務18-21等技術建構一套新穎的居家健康照護系統。此系統服務的對象為具備基本行動能力的慢性病患，由於心臟血管疾病在慢性病中佔有相當比例，因此在眾多生理訊號當中，我們將先著重於心電訊號的處理。為免除纜線之羈絆，我們將製作一個可攜式藍芽心電圖量測器，使慢性病患能在高度機動情況下量測心電圖(ECG：Electrocardiogram)訊號，心電訊號可利用無線藍芽技術與網路自動上傳至醫院(遠端診斷中心)的資料庫，再由醫生透過瀏覽器(Browser)檢視之。另外，我們使用GSM模組與健康照護網站伺服器開發一套簡訊Web服務(SMS Web Service)機制，醫生可以利用其提供的函式，直接對網站伺服器之串列通訊埠下達指令，以通知有異常狀況的病人儘速就診。另外，由於Web服務具備良好的擴充能力，我們只要解析該Web服務描述語言(WSDL)，就可以將Web服務連結到程式之中，毋需耗費額外時間與金錢在中介軟體(middleware)之開發，此使應用系統之開發及維護更為容易，因此本研究利用Web服務網路架構解決醫療系統間未來整合時的需求，達到降低醫療成本，維持病患一定生活品質的目的。本論文第貳節說明系統所應用的背景知識，第參節描述系統之設計與實作，第肆節為實驗結果，第伍節提出結論與未來研究方向。貳、背景知識本節說明本研究所應用之相關知識，包括心電圖(ECG)、Web服務(Web Service)、藍芽(Bluetooth)與GSM簡訊服務(SMS：Short Message Service)等。4臺北科技大學學報第三十七之一期一、心電圖(ECG：Electrocardiogram)心臟的肌肉是人體肌肉中唯一具有自發性跳動及節律性收縮的肌肉，心臟在收縮時會產生微弱的電流。人體表面兩點間的電位差隨時間變化而產生的波形即為心電圖(ECG )。電極片依其放置部位之組合而有不同的心電圖導程(ECG lead)。本論文使用愛因託芬(Einthoven)22所提出的標準雙極導程 (Bipolar Standard Lead I, II, and III)量測心電圖訊號：導程I：量測左手與右手間的電位差；導程II：量測左腳與右手間的電位差；導程III：量測左腳與左手間的電位差。三個標準導程形成愛因託芬氏三角形( Einthovens Triangle )，即導程II電位差導程I電位差導程III電位差。心電圖訊號的頻率屬於低頻，其訊號頻寬在0.02150 Hz 之間，且振幅僅13 mV23，因此需使用放大器與濾波器擷取心電圖訊號。一般市售的心電圖機為避免受到居家環境雜訊的影響，大都將頻率響應設定在0.550 Hz之間。二、Web服務(Web Service)Web服務是利用網際網路標準協定HTTP與XML，將軟體的功能完全地發揮在網際網路或是企業內部網路(Intranet)上運用的一種軟體服務技術。它使得應用程式之間可透過網際網路相互連結使用，利用這種物件模組技術讓企業系統易於進行彈性組裝，可隨時經由網路增減元件以調整系統功能，使應用系統之開發及維護更為容易，因此可快速滿足客戶的需求。另外，Web服務使用SOAP及XML技術以達到跨作業平台、跨程式語言的目的，因此任何系統平台、程式語言所撰寫的應用程式，都可以將它們引入自己的應用程式之中。Web服務能跨越網路及異質平台架構，其中的主要關鍵，說明如下：可延伸標記語言(XML)XML(Extension Markup Language)是由全球資訊網聯合會(W3C：World Wide Web Consortium)所率先提出，並在1998年二月中旬成為正式的規範。XML是一種有彈性且可擴充的描述語言，我們可以自由定義標籤，定義出來的標籤可以充分表達文件的內容，例如我們可以定義標籤來表達文件內容是地址。XML擅於描述結構化的資料並使用純文字的方式儲存，使用純文字的好處是可以直接檢視這些資料，不須再使用其它的轉換工具。簡單物件存取協定(SOAP)SOAP24是1999年由微軟的研發中心與Lotus、IBM等大廠所共同提出的一種協定。SOAP是傳輸架構的最底層，它能夠讓各種應用程式透過HTTP通訊協定，以XML格式相互交換彼此的資料。目前幾乎所有的防火牆都允許透過Port 80來溝通，所以SOAP可以利用現有的網際網路架構讓應用程式之間進行溝通，而不會被防火牆阻礙。SOAP可以使用Secure Sockets Layer(SSL)加密協定以維護安全。SOAP讓分散式物件通訊協定透過網際網路的溝通如同使用瀏覽器來存取網頁一樣方便。架構於Web服務、藍芽與GSM簡訊之居家健康照護系統設計與實現5Web服務描述語言(WSDL) WSDL(Web Service Description Language) 1213是一個以XML為基底的描述語言，可以描述Web服務的介面與實作。WSDL的職責在於告訴其他機器如何將請求與回應的訊息格式化，以便使用某項Web服務。透過WSDL這個標準，客戶端的程式可以依據WSDL的形容，打造調用Web服務的程式碼。三、藍芽(Bluetooth)藍芽14-17是一種短距離(10 m 100 m) 低功率無線通訊技術，操作於2.4 GHz ISM(Industrial, Scientific, Medical)頻帶，並將此頻帶分割成79個各為1 MHz的通道。它採用分時多工(Time Division Duplex, TDD)、跳頻(Frequency Hopping)及GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)調變等技術，適用於家庭、辦公室及車內等小區域環境中各樣電子裝置間的資料交換。1998年Ericsson、Nokia、IBM、Intel及Toshiba等五大廠商成立Bluetooth SIG(藍芽策略聯盟；the Bluetooth Special Interest Group)，共同制訂藍芽通訊標準。目前至少已有超過2500家來自資訊、通訊、半導體、消費性電子、網路及汽車製造等不同領域的廠商加入Bluetooth SIG。完整的藍芽通訊協定架構包括電波發射層，基層(Baseband)協定、LMP(Link Manger Protocal)協定、L2CAP(Logical Link Control and Adaption Protocol)協定、主機控制介面(HCI：Host Controller lnterface)、RFCOMM(RF Communication)，以及SDP(Service Discovery Protocol)等，如圖一所示。RF、Baseband以及Link Manger均由硬體來實現，HCI、L2CAP、SDP與RFCOMM等上層協定則是由軟體來實現。Baseband負責訊息編碼、碼錯重送及跳頻等工作；LMP負責連線確立、安全措施等工作；L2CAP負責上層與下層之間的封包切割及重組(SAR：Segmentation and Reassembly)與服務品質保證(QoS：Quality of Service)等功能；HCI提供藍芽模組和藍芽設備的應用軟體之間的介面控制；RFCOMM協定層可提供串列連線的功能，其規格是根據 ETSI 07.10 的標準模擬 RS232 介面；SDP則負責藍芽設備之間的服務功能搜尋。圖一藍芽通訊協定架構四、簡訊服務(Short Message Service)簡訊服務(SMS：Short Message Service) 192125是GSM系統所提供以行動電話收發簡訊的功能，每一則簡訊最長可傳送140個英文字母，或70個中文字。GSM有兩類簡訊服務：細胞廣播服務(Cell Broadcast Service)及點對點服務(Point-to-Point Service)。細胞廣播服務可將週期性的氣象報告、路況報導或股市行情等訊息傳給服務區內的行動電話用戶，點對點服務則提供兩個行動電話用戶之間互傳簡訊。6臺北科技大學學報第三十七之一期參、系統設計與實作一、系統設計本系統採用主從式架構(Client/Server)，客戶端由心電圖感測發送器(ECG Sensor/Transmitter)與心電圖接收器(ECG Receiver)組成，伺服端則是由健康照護Web服務(HealthCare Web Service)、健康照護網站伺服器(HealthCare Web Server)與簡訊Web服務(SMS Web Service)單元所構成，其整體架構如圖二所示。心電圖感測發送器利用藍芽模組將數位化後的心電圖訊號傳至心電圖接收器，再經由SOAP傳給健康照護Web服務系統之資料庫中，藉此醫師可以透過健康照護網站伺服器檢視病患心電圖進行診斷。若醫生診斷後認為病人需要做進一步檢查，則可以使用簡訊Web服務發送簡訊通知病人就診。二、客戶端軟硬體單元實作心電圖感測發送器心電圖感測發送器包含隔離電路、儀表放大器、高通濾波器、低通濾波器、帶拒濾波器、增益放大器、A/D轉換器與藍芽模組等單元，其中A/D轉換器與藍芽模組由8051單晶片控制，心電圖感測發送器系統架構如圖三所示。心電圖接收器心電圖接收器由個人電腦外掛藍芽模組所組成，我們以Visual Studio.Net C#撰寫應用程式，透過藍芽裝置之HCI介面控制藍芽裝置。首先將藍芽裝置初始化，接著呼叫詢問到的藍芽裝置以建立ACL連線。接收器在執行軟體程式時，開啟一個執行緒(Thread)，不斷地偵測藍芽串列通訊埠的輸入狀態，當接收到心電圖數位訊號時就啟動Timer並繪製心電圖，接著將數位化的心電圖訊號上傳至Web服務的資料庫。圖二 系統架構架構於Web服務、藍芽與GSM簡訊之居家健康照護系統設計與實現7圖三 心電圖感測發送器系統架構三、伺服端軟體製作在伺服器端我們採用ADO.NET(ActiveX Data Object Dot Net)資料存取介面進行資料庫程式之設計，並使用C#撰寫Web服務的Web函式，其架構如圖四所示。首先，心電圖接收器將心電圖數位訊號封裝成XML封包，並透過HTTP傳送給HealthCare Web服務的Web函式Upload ECG( )，接著Upload ECG( )將接收到的XML封包還原存入暫存資料庫DataSet，最後使用類別SQLDataAdapter的InsertCommand物件將資料存入SQL Server 2000的ECG表格中，完成心電圖訊號上載動作。當醫生透過Browser調閱病人心電圖記錄時，我們使用類別SQLDataAdapter的SelectCommand物件，將表格Patient與ECG從資料庫取出並存入暫存資料庫DataSet，接著使用函式QueryPatientData( )將資料轉換成XML格式透過HTTP傳送給Browser。醫生診斷後，將診斷結果透過函式DoctorAdvice( )存入SQL Server 2000的Advice表格中。另外，醫生可使用簡訊Web服務所提供的函式SendSMS( )傳送簡訊通知病人就診。圖四 Server端系統架構由於國內業者尚未推出簡訊Web服務(SMS Web Service)可以供健康照護Web服務引用(Bind)，所以我們使用GSM模組(Wavecom S.A.公司生產之WMOD2B dual-band 900/1800 MHz modem)與網站伺服器(IIS)組成一簡訊Web服務介面。肆、實驗結果為測試傳輸系統之正確性，我們使用訊號產生器產生頻率為2 Hz、峰對峰值為3 V之正弦波，如圖五所示，並分別經由RS-232傳輸線與藍芽傳送至心電圖接收器，再送至瀏覽器(Browser)比較。圖六為經由RS-232傳輸線傳送至接收器的訊號波形，圖七為透過藍芽傳送至接收器的訊號波形。8臺北科技大學學報第三十七之一期圖五正弦測試訊號圖六經RS-232傳輸線傳送至接收器之測試訊號圖七經藍芽傳送至接收器之測試訊號由於視覺上的觀察無法達到精確的結果，因此我們應用如下之均方根誤差百分比(PRD：Percent Root-mean-square Difference) 2，計算訊號傳送後的誤差。上式中，為訊號總筆數，為經由RS-232傳輸線送入藍芽發射器的心電圖訊號，為藍芽接收器收到之心電圖訊號。本系統的藍芽裝置使用ACL Link進行訊號傳送，經計算獲得PRD值為0 %，此結果驗證本系統的確可以精確地傳送訊號。接著我們在實際環境下進行實驗，測試環境如圖八所示。我們在二個研究室間進行ECG訊號之傳輸，藍芽裝置分別設置於P8與Room D，其中Room D的門為木頭材質，窗戶則為玻璃拉窗，實測時門窗皆為關閉狀態。在環境雜訊準位（noise level）部分，我們以RION Co. LTD的NA-14 sound level meter測得noise level為60 dB左右。我們邀請了三位研究生實際量測心電圖訊號，量測方式採用標準雙極導程II，測試結果分別如圖九(a)(b)(c)所示。圖八測試環境配置圖 (綜合科館416室) (a)(b) (c)圖九心電圖訊號實際量測結果架構於Web服務、藍芽與GSM簡訊之居家健康照護系統設計與實現9圖十為心電圖接收器的接收畫面，當系統接收到心電圖訊號時，會即時畫出心電圖，然後自動上傳數位化後的心電圖訊號至Web服務的資料庫。圖十一為網站登入畫面，使用者必須輸入合法的帳號與密碼才能進入本系統，認證通過後使用者就可以進入圖十二之搜尋畫面輸入病人的身份證號碼，以調閱病人的心電圖紀錄，其調閱結果如圖十三所示。當醫生點選欲觀察的心電圖紀錄時，瀏覽器會從資料庫取出心電圖訊號之數據並繪製心電圖，如圖十四所示。另外，可用來通知病人就診的簡訊服務網頁如圖十五所示。圖十心電圖接收器接收畫面圖十一系統登入畫面圖十二搜尋畫面圖十三調閱結果之畫面圖十四瀏覽器繪製之心電圖10臺北科技大學學報第三十七之一期圖十五發送簡訊之畫面伍、結論本論文應用Web服務技術、藍芽與GSM簡訊服務製作完成一套新型居家健康照護系統，實驗結果顯示本系統擁有良好的效能，可透過全球資訊網(WWW：World Wide Web)自動傳送心電圖訊號至遠方資料庫，因此可以減輕醫護人員的工作量及患者舟車勞頓之苦。另外，我們應用藍芽無線通訊技術傳送心電圖，大幅減少了纜線的羈絆。為測試系統之擴充性，我們亦以一套簡訊Web服務為例進行實驗，結果顯示Web服務確實具備良好的擴充能力。除心電圖訊號外，本系統也可同時應用在體溫、血壓、血糖與血氧等各式生理訊號。由於本系統擁有容易維護、兼具自動化與行動化特性等優點，因此具備實用的價值。本研究未來將朝以下方向發展與改善：1.干擾防制方面可搭配適應性跳頻(AFH: Adaptive Frequency Hopping )等機制作進一步的研究。2.醫療資料的彙整與文件格式部分，可進一步參考諸如DICOM、HL7與IHE計畫等之規範，以提升系統的相容性。誌謝本研究係由國科會補助，計畫編號為NSC-92-2218-E-027-005。參考文獻1.行政院衛生署，.tw。2.李仁貴，以混合光纖同軸有線電視網路進行遠距居家照護之應用，國立臺灣大學電機工程系博士論文，民國89年。3.何仁田，遠端生理監視系統與電子病歷之研究，國立中正大學電機工程研究所碩士論文，民國90年。4.李泰源，視窗化生理監視系統暨網路通訊技術，國立陽明大學醫學工程研究所碩士論文，民國90年。5.S. J. Dwyer III, et al., “Telecardiology Using Switched Dialup Networks,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, pp. 1161- 1172, 1992.6.K. Chipman, et al., “Medical Application: A B-ISDM Field Trial,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, pp. 1173-1186, 1992.7.A. I. Hernandez, et al., “Real-Time ECG Transmission via Internet for Nonclinical Applications,” IEEE Transactions on Informa- tion Technology in Biomedicine, pp. 253-257, 2001.架構於Web服務、藍芽與GSM簡訊之居家健康照護系統設計與實現118.J. Bai, et al., “A portable ECG and Blood Pressure Telemonitoring System,” IEEE Engi- neering in Medicine and Biology, pp. 63-70, 1999.9.G. C. Crumley, et al., “The Design and Performance of a 2.5-GHz Telecommand Link for Wireless Biomedical Monitoring,” IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, pp. 285-291, 2000.10.K. Shimizu, “Telemedicine by Mobile Communication,” IEEE Engineering in Medi- cine and Biology, pp. 32-44, 1999.11.J. Roy and A. Ramanujan, “Un