基于家庭主站的远程医疗监护系统

1 引言
    随着人口平均寿命的增长和而人口出生率的下降，我国面临严重的人口老龄化问题。为了解决日益增加的老年人群身体健康护理问题，远程医疗服务逐渐兴起。目前已开发有基于Internet的远程医疗监护即时通信系统。已有部分医院和社区健康服务中心的住院部门应用该监控和护理系统，并起到积极作用，但存在诸多问题，如：监控与护理两个系统相互独立缺少协作；要求老年人必须住院接受服务治疗，这样就增加其医疗费用，而且大多老年人喜欢家居环境。
    基于上述问题，这里提出一种远程医疗服务系统——基于家庭主站的远程医疗监护系统。该系统实现监控和护理系统间的有效协作，在了解用户身体状态的同时，实时远程控制室内家电设备，如控制多功能护理床的位姿等。该系统针对居家老年人群而设计，在大大减少医疗费用的同时。可提供舒适、便捷、安全的家居环境，因而得到广大用户的青睐。

2 远程医疗监控系统结构
    该系统设计功能：社区健康监控中心通过家庭主站远程实时监控和护理老年病人及家庭环境，这样不仅老年人用户得到实时监控，而且医生还能获取相关有用资料，以便于老年人的医疗诊断。图l给出了该远程医疗监控系统的功能示意图。

    该系统设计分为3层：第1层为社区健康监控中心，实时监视用户的身体状况，并实现与用户在线交谈和录像，还可远程控制用户的的家电等设备，实现监控和护理的协作；第2层为家庭主站，负责家庭系统与监控中心的数据通信；第3层为家庭系统，包括生理指标检测仪器(心电图机、血压仪、脉搏仪等)、视频监视设备、多功能护理床、智能家居家电设备和安防设备。
2．1 社区健康监控中心
    社区健康监护中心利用通信网络，结合计算机多媒体技术，传输多媒体医疗信息实现远距离医疗监控活动。监护中心可通过摄像头实时观察用户基本状况，根据家庭主站发出的用户生命参数，综合判断用户的身体状况，再通过家庭主站简单控制用户家居环境，如控制电灯开关、多功能护理床面板的位姿等。图2为社区健康监控中心及功能示意图。

2．2 家庭系统
    家庭系统通过家庭主站实现家庭安全、舒适、信息交互与通信，包括多功能护理床、生理指标检测仪器、视频监视设备、、智能家居电器设备、安防设备等5种。这里介绍其中3种：
    (1)多功能护理床 辅助用户完成起身、躺下、左翻身、右翻身等6个姿态变换。其床体面板由6块板块组成，每块板都配有独立电机，用以控制其位姿变换。为了便于智能控制护理床，在床身安置6个传感器，实时了解床面板位姿。
    (2)生理指标检测仪器 包括心电图仪、心血管仪等生理指标检测仪表，仪表采集的用户生理信息经DSP调制后传送到监控中心，显示为图像信息。
    (3)视频监视设备 包括带云台的高分辨率CCD摄像头和视频服务器。 [p]

3 家庭主站设计
    家庭主站是负责家庭与社区健康监护中心通信的远程监护智能终端，其接收室内相关家电设备信息并传至监控中心，同时接收监控中心发送的控制信息，远程控制家电设备。
    本远程医疗监控系统的家庭主站主要由嵌入式DSP构成。DSP选用TMS320F2812型DSP开发板，处理家庭内各种家电设备与护理中心之间的大信息流。本监控系统将DSP嵌入便携式控制器中，并安装在多功能护理床上，便于用户操作。该控制器带有一液晶显示屏和若干按钮，包括床体、家电、语音和报警等控制按钮。利用该控制器，用户可手动或由监护中心远程控制室内相关家电设备。发生紧急情况时，如用户暂时失去知觉，监护中心会自动分析家庭主站传送的用户生理数据信息并结合视频信息发出报警，告知医护人员。根据模块化的设计思路，DSP划分为多功能护理床控制、生理数据信息采集传输、智能家居控制、视频传输控制、人机对话、网络通讯、RS485、USB等模块。以下重点介绍多功能护理床控制模块和和生理数据信号采集模块的设计。
3．1 多功能护理床控制系统设计
    多功能护理床的控制分为手动和远程两种控制方法，这两种方式均通过DSP进行控制。TMS320F2812型DSP开发板上有相应的电机控制接口EVA和EVB，可提供24 V直流电压为对功能护理床伺服电机供电，该电机控制接口EVA、EVB通过控制继电器控制电机的启停。图3为多功能护理床控制模块主程序流程。

    电机控制接口EVA的时间管理器模块初始化相关代码如下：

3．2 生理数据信号采集模块设计 [p]
    TMS320F2812型DSP通过相关传感器和模拟电路采集用户的各种生理信号，并将其传送到社区健康监护中心。这里以心电信号检测仪为例，介绍用户生理信号的采集。心电信号检测仪获取用户的心电信号，DSP采集这些数据信息并上传至社区健康监护中心，显示为心电图信息。
    采集心电信号的硬件主要由模拟电路和数字电路组成，其中，模拟电路是将心电信号从人体表面取得并将其调制成0～3．3 V范围内的模拟信号，而数字电路则将模拟信号转换为数字信号，并将采集的心电信号上传到监护中心。
    心电输入电极得到心电信号后，将信号上传至保护限流电路，获得约1 mV心电信号再经前置放大电路。为了消除工频、肌电等信号对心电信号的干扰，将心电信号送到0．05 Hz高通滤波器，再通过50 Hz陷波器，消除频率为50 Hz的工频信号。经陷波后的心电信号送到200 Hz低通滤波器，以消除肌电信号的干扰。心电信号通过上述放大滤波处理后经光电隔离得到0～3．3 V模拟信号。
    这里着重介绍50 Hz陷波器的设计。有源双T陷波电路的设计主要是双T网络R、C参数配置，由运算放大器输入阻抗的限制提出要求。首先根据需要确定电容为0．033μF，则电阻R=100 kΩ，Q=2．5，K=0．9。这里采用LM324低功率运算放大器。该放大器可工作电源为低至3 V或者高至32 V。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置电源的必要性。输出电压范围包括负电压。图4为陷波器电路。

    TMS320F2812型DSP的A／D转换器处理0～3．3 V模拟信号后，得到16位数字信号。DSP使用SPI总线读取数字化心电信号。这里需要注意以下几点：(1)为避免出现严重误码，SPI速率不应超过15 MB／s。(2)主模式和从模式的极性必须相同。本系统设置主模式为上升沿采样，下降沿输出。从模式也应设置相同，否则会出现采样数据不准确。(3)为避免数据丢失．应注意SPI FIFO的用法。首先，判断SPI TX FIFO中字的个数。如果FIFO已有16个字，此时应该停止发送新数据，而等待SPI总线上主机的时钟将TXBUF里数据移出，FIFO数据自动装载一个字到TXBUF里，这时才能发送新数据。图5为系统实验结果。

4 结论
    将昂贵的、复杂的、只能应用于医院的医疗监护系统简化为成本低廉、操作简单、可应用于家庭中的家庭主站，并将其嵌入便携式控制器中，可实现多种复杂功能，如远程控制等。这样节约成本，方便使用。该系统还可扩展医疗监护系统的功能，比如利用Internet和GPS将用户的信息传递给用户亲属；或在经常活动的家庭区域安装摄像头，利用专家系统根据用户的异常行为对其身体状况进行诊断。