3G远程医疗监护系统的设计及探讨

史森中，刘 洋

第三军医大学大坪医院野战外科研究所信息科，重庆 400042

目前，用于人体健康监测的监护设备，多见于医院监护病房中使用的床边监护仪。患者的各种生理信号通过各自的传感器测量后经过导联线传导到监护仪上，监护仪实时地显示和分析这些生理信号，并能够在异常的时候报警。但这些仪器都需要在专业人士指导下使用，并不太适合于广大的亚健康人群及慢性疾病患者进行日常生活的保健监护，而且，这些监护仪器往往体积庞大，不便于携带。那么开发一种什么样的健康监护系统，才能使患者在家庭中就能得到更好、更快的医疗保健服务，同时又能减轻患者及社会的负担，这是摆在广大研究人员和医师面前的一个重要问题。

近年，移动通信网络日益成熟和发展，特别是3G网络及3G手机用户数量快速增长和普及率不断地提高，面向家庭和个人的远程医疗健康监护系统已成为远程医疗领域的热点，而移动健康医疗也将成为远程医疗发展的趋势之一［1］。通过3G移动通信网络的广泛覆盖，移动健康监护系统能实现对用户远程贴身、即时的健康监护，用户不但能及时了解自身的健康状况，还能及时应对诸如心血管疾病、高血压等各类突发疾病。因此，将移动健康监护系统带入社区和家庭，对患者或亚健康人群实施移动远程健康监护，不论是从提高早期的预防能力，减少患者或者亚健康人群的经济负担，还是从增强医院的医疗服务能力，减少医护人员的工作量来说，都具有非常重要的现实意义［2］。

1 移动健康监护应用现状

我国在移动健康监护领域起步较晚。而欧洲国家，如比利时校际微电子中心(IMEC)设计了一款无线心电图监护器(electrocardiograph，ECG)，该产品在一个很薄的类似腕表大小的封装内整合了电极、生物芯片传感器、MCU和射频电路。设备内处理器运行的算法，每周7 d、每天24 h监控心律不齐症状，只需要1块小电池就可以工作1周。这个带无线连接能力的、不起眼的微型ECG监护器可以通过对心律不齐的不间断扫描来挽救生命并降低急救成本。为了最大限度地发挥其优势，该设备还可分析ECG信号。通过本地分析ECG信号，人们可以采取适当举措，从数据存储到根据即将或可能发生的严重情况向患者和医疗服务的提供者发出警告［3］。丹麦利用3G网络和可视电话系统为患者在家中治疗糖尿病并发症足溃疡的实验过程［4］。该实验结果表明，通信、医疗设备易于使用。医师的治疗处方可以在远距离得以实现;来访的护士可实时与医院联系，治疗可立即按照医师的命令开始;节省了患者前往医院的时间。该系统具有极大的推广价值。

2 系统可行性分析

2.1 系统优势

移动医疗是远程医疗的一个重要分支，它继承了远程医疗的一些特点，同时又具备一些远程医疗不具备的优势:①便携性和小型化。携带方便，这对于需要经常更换监护地点的患者来说，无疑是非常方便的;②移动化和实时性。无论患者在何时何地，都可以实时地采集生理信号数据，然后通过移动通信网络传输到远程监控中心，最后得到及时的健康信息反馈;③价格优势。它充分地利用了用户现有的移动设备，只需要添加生理信号的采集终端就可完成原来远程监护设备完成的任务，对推广家庭健康监测具有经济方面的优势。

2.2 市场需求

用户使用这项业务，当身体状况出现异常时，能够及时地知道自己的异常状况，以便及时到医院接受检查治疗;当情况危急时，还能及时地得到亲人或医护人员的抢救。这对于白天子女外出上班独处的老年人显得尤其重要。因此，移动健康监护系统对于医疗保健管理、有效地监控患者和亚健康人群具有积极作用。随着我国人民生活水平的提高，该业务将具有很大的市场需求。

2.3 技术的可实现性

该系统拟使用的各项技术，包括内置全球定位系统(GPS)的3G手机、MEMS传感技术、J2EE、基于SIP协议的3G移动网络已经普及多年且技术成熟，在可靠性和稳定性方面都具有一定的保证［5］。若系统中要对被监护者进行追踪保护，我们还可以利用其3G手机内置的GPS(全球定位系统)模块来实现准确定位。系统服务器通过GPS能够及时准确地搜索到用户的具体位置，及时把用户的位置信息发送到医疗机构监控中心。

监控中心主要由监控台和信息管理系统组成。主要功能是通过GPRS模块和IP绑定技术接收、处理、保存来自移动单元的数据，并将当前同监护中心连接的用户的生理数据显示出来供医师参考。

3 系统设计

3.1 系统整体方案

为了降低工作量，可以在系统开发中尽量借鉴一些现有的、开放的、可重用、可移植的软件平台资源，降低系统开发成本。同时，为了使系统能够适用于不同的操作系统，3G网络移动监护系统拟采用J2EE架构。该系统无线传感器的无线通信拟采用基于SIP(是一个应用层的信令控制协议)协议的3G移动网络方案，此协议可以最大程度地降低系统开发的成本，在市场竞争中取得绝对优势。同时，该系统利用AT指令即实现短信收发功能。在手机端完成生理信号数据的分析和展现之后，需要将生理信号数据通过移动3G网络上传到远程社区健康监控中心的数据分析平台，我们采用基于HTTP协议的传输模式，以实现各种制式的兼容性以及高效率的传输。

3.2 系统物理架构

系统物理架构主要由佩戴在被监护者身上的无线传感器、具有GPS(全球定位系统)模块的3G手机、3G网络、社区监控中心的分析平台、短信平台(GSM模块)等几个部分组成。主要模块的功能如下:无线传感器主要是由用户随身携带，采集用户体征数据。它主要包括无线接收模块和体征传感器两个部分;采集后的数据通过安装在社区道路的路灯上的转发器传送到分析平台上;健康分析平台设在社区里的监护中心;短信平台(GSM模块)通过串口与服务器相连［6］。

3.3 系统功能模块

根据移动健康监护系统中的需求，核心部分可以分为三个主要方面:传感器信息获取功能;手机与远程数据分析平台的通讯功能;服务器信息的分析处理和存储功能。

3.3.1 传感器信息获取功能模块 这里采用的传感器主要是由微机电系统(micro-electro-mechanical systems，MEMS)传感，主要由微型锁定机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分组成。它具有体积小、重量轻、成本低、功耗小、可靠性高等特点，因此非常方便用户携带。通过MEMS传感器，用户体征数据信号被转化为便于传输的电信号，社区健康监护中心的主服务器就可以通过既定的无线传输协议接收到转化后的电信号，从而实现对用户体征信息的传送。

3.3.2 手机与远程数据分析平台的通讯 该系统采用该模型来实现手机与远程数据分析平台的数据通信，并设定了一套具体的握手协议:①手机终端通过基于HTTP的通信协议向远程服务器发起建立连接的命令请求;②远程服务器通过基于HTTP的通信协议接收建立连接的命令请求，并响应连接命令;③手机终端通过基于HTTP的通信协议接收响应命令，并启动人体生理数据包的传输;④远程服务器通过基于HTTP的通信协议接收人体生理数据包;⑤手机终端和远程服务器重复③、④步骤的操作直至该次人体生理数据传输完成;⑥手机终端通过基于HTTP的通信协议发起关闭与远程服务器连接的命令消息;⑦远程服务器通过基于HTTP的通信协议接收关闭命令消息;⑧双方断开连接，该次数据传输结束。该协议的流程图如图1所示。

图1 数据通过3G网络上传HTTP流程图

3.3.3 服务器信息分析模块 社区健康监控中心服务器信息的分析、处理和存储功能是实现远程监护的最主要载体:①利用无线电通信接收用户随身携带的无线传感器传输的用户生理数据信息［7］，实现对用户生理信号数据准确、实时地采集［8］;②存储用户体征数据。对传输过来的用户体征数据进行存储，并和预先设定的体征数据临界值相比对(体征数据的安全范围)，确定用户体征数据是否在合理的范围内并做出相应的处理;③如果用户的体征数据超出给定的安全范围，系统利用扬声器向工作人员发出预警信号，并发送短消息通知用户;④监控中心的工作人员应及时对系统报警做出相应的处理，与中心医院联系，处理结束，关闭报警。

4 系统应用

图2 系统应用结构图

如图2所示，移动健康监护系统通过佩戴在用户身上的便携式体征传感器或者嵌入在手机终端内部的体征传感器收集用户的多种生理信息，如运动状况、体温、血压、血氧、脉搏、心电等，通过手机终端将采集到的用户生理信息传送到无线数据转发器。为了实现信号的不失真传输，无线数据转发器的安装应该覆盖某一区域内的主要道路及用户主要活动区域，然后通过无线射频技术，将无线数据转发器接收到的数据传输到相应的社区健康监护中心的服务器上，根据接收到的各个用户的生理信息数据，社区的监护人员要做出及时、准确的处置措施。用户症状轻微时，可由社区派出医护人员前往，若严重时，要及时通知医疗条件更好的中心医院提供必要的支持。同时，监护系统还可以通过无线定位技术快速地确定用户当前所在的位置，出诊医师可以通过传回来的用户体征数据提前做好相应的处置措施，并对患者进行准确的救治。基于无线数据传输的监护系统可以实现监护行为的移动化和实时性，无论患者在何时何地，都可以实时地采集生理信号数据，同时又不会影响用户的正常生活。

5 结论及思考

我们对移动健康监护系统的设计基本功能已达到要求，取得了一定的效果。但是在精确度和可靠性方便还存在着一些不足，还有一些问题值得进一步的思考和研究:①在满足便携性和智能性的同时，还需要进一步提高它的可靠度［9］;在进行硬件电路设计的时候，需要尽可能地排除各种信号干扰，确保信号来源的稳定性，为后续的进一步处理排除干扰;②在对各种信号的预处理和特征识别时，确保实时性满足要求的前提下，进一步提高信号预处理和识别算法的复杂度和难度。我们相信，随着各种处理器的发展和各种信号处理算法的进步，这些在不久的将来都是能解决的问题。

移动远程医疗将是整个医疗领域的一个重要的发展方向［10］，它将使患者与医师更加紧密地交流。随着中国3G的普及使用，无线通讯更大的带宽和更高的速度将为移动远程医疗提供更加宽广的平台。同时，随着电子工业的发展，电子器件集成度的提高和体积的缩小，使便携式医疗产品的体积将更加小，功耗更低，更加便于携带。所以，移动远程医疗将会给整个社会带来巨大的社会效益和经济效益。

［1］林敏，乔自知.移动医疗的需求与发展思考［J］.移动通信，2010，(6):31-35

［2］刘杰.移动医疗等待启动［J］.中国医院院长，2009，(6):66

［3］Jack S.远程医疗监护:开创远程医疗时代新纪元［EB/OL］.2008-12-05［2008-12-28］.http//www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/1205/article_444_1.html

［4］Clemensen J，Larsen S B，Ejskjaer N.Telemedical treatment at home of diabetic［J］.J of Telemed and Telecare，2005，11(2):14-16

［5］李锡杰，师硕，王旭.生物电信号的滤波与现代分析方法［J］.医学信息，2005，18(12):1595-1598

［6］李昕，王秀清，宋佳霖，等.心电信号预处理方法研究与评价［J］.测试技术学报，2008，22(1):31-37

［7］苏毅.移动多媒体推送业务终端功能研究［D］.北京:北京邮电大学出版社，2009:10-11

［8］李长江，安筱鹏.开放手机联盟:重塑移动互联网产业链［N］.中国电子报，2008-08-06

［9］Wong M Y M，Zhang X Y，Zhang Y T.The Cuffless Arterial Blood Pressure Estimation based on the Timing-Characteristics of Second Heart Sound［C］.Proceedings of the 28th IEEE/EMBS Annual International Conference，2006:24-28

［10］杨雪.一种基于GPRS的家庭心电无线监护系统的研制［D］.北京:北京工业大学出版社，2007:21-22