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作者:李哲熙、徐業良(2009-05-17);推薦:徐業良(2010-07-07)
附註:本文發表於國科會出版「工程科技通訊」第102期。

建立居家環境下高齡者心臟病復發預警評估系統-子計畫三:居家環境下非察覺性健康監測系統之設計與製作

一、摘要

本研究使用藍牙無線通訊和3.5G行動網路,透過軟體的撰寫與整合,開發一套適用於居家環境下的行動式生理訊號即時監測系統,使居家端的受測者可以在不受限制的情況下,由遠處監測端的照護者進行血氧濃度、血壓、脈搏以及心電圖等四項生理訊號的即時監測。系統中生理訊號裝置包含Nonin 4100血氧計、源星2.4G血壓計以及Alive ECG單導程心電圖儀,均獨立搭載藍牙傳輸介面與居家端電腦進行訊號的擷取,再透過後端3.5G行動網路以HTTP通訊架構傳送至監測端以及集中式健康照護平台,達成生理訊號的即時監測與後端資料庫的儲存。

使用時受測者需佩戴三項生理訊號裝置並開啟居家端電腦的應用程式,即時血氧值、脈搏值以及量測的血壓值等三項簡易數據,以HTTP Request方式每秒傳送至監測端以及集中式健康照護平台,達成生理訊號的即時監測與資料庫的儲存;心電圖訊號為資料量龐大且連續的訊號,為避免訊號的遺漏,心電圖訊號的傳送採用分散式的網路傳輸架構,即心電圖訊號完整儲存於居家端電腦中,每當完整儲存30秒心電圖資訊時,立即時透過3.5G行動網路告知監測端程式以及集中式健康照護平台有新的量測事件,再由監測端以及集中式健康照護平台各自對居家端電腦進行生理訊號的下載顯示,達成心電圖訊號的即時監測與後端的儲存。

二、研究目的

隨著無線通訊技術的發展,傳統固定式遠距居家照護系統有了多樣性的發展方向。達成遠距居家照護系統的通訊技術包含近端生理訊號的擷取,以及生理訊號的網路傳遞兩項次。近端生理訊號的擷取常見為RS232有線傳輸技術,隨著藍牙無線通訊技術的成熟,開始有市售醫療器材搭載藍牙傳輸介面進行生理訊號的傳輸;行動網路技術從早期的GSMGPRS,到新穎的3G甚至3.5G行動網路,網路頻寬的增加也增添了更多可能的使用情境。

本研究利用市售Nonin 4100血氧計、源星2.4G血壓計以及Alive ECG單導程心電圖儀等三項藍牙生理訊號裝置,透過Visual Basic 2005的整合,開發一套架構於HTTP通訊架構的居家環境多項生理訊號即時監測系統(如圖1)。受測者在居家環境中佩戴上述三項生理訊號裝置後,遠處監測端的照護者即可監測受測者的多項生理訊號,確保受測者的生命安全。監測過程中,多項生理訊號同步至集中式健康護平台加以儲存,可供醫師或照護者查詢受測者的歷史資訊。此外監測過程中生理訊號的傳遞,不可因3.5G行動網路頻寬的不穩定而造成訊號的遺漏。

1. 即時監測系統傳輸架構

三、研究內容

本研究首要工作為藍牙生理訊號的擷取,包含Nonin 4100血氧計、源星2.4G血壓計以及Alive ECG單導程心電圖儀等三項裝置,需瞭解各自裝置的傳輸通訊協定(如圖2~4)。Nonin 4100血氧計與Alive ECG單導程心電圖儀採用位元組的傳送方式,其中Nonin 4100傳遞速率為每秒4位元組,而Alive ECG為每秒300個位元組;源星2.4G血壓計則是採用字串傳遞方式,擷取完整字串後即可解析出量測的血壓值。訊號的擷取需利用Visual Basic 2005的序列埠元件進行開發,透過DataReceived屬性程式的撰寫,即可正確擷取即時血氧濃度、血壓值、脈搏值以及心電圖訊號。

2. Nonin 4100血氧計

3. 源星2.4G血壓計

4. Alive ECG心電圖儀

5為即時監測系統的軟體傳輸架構,即時血氧濃度、血壓值以及脈搏值等三項簡單生理訊號,經由每秒執行HTTP Request指令即可將生理訊號傳送至監測端以及集中式健康照護平台,達成多地點的生理訊號即時監測與資料庫的儲存。值得注意的是生理訊號的傳送應在另一個執行緒(thread)下獨立執行,不宜於主程式中執行,避免因3.5G行動網路品質的不穩定,而造成程式當機情況發生。

心電圖訊號的傳送採用分散式網路傳輸概念,即居家端電腦為伺服器端(Server),而監測端以及集中式健康照護平台為客戶端(Client)。心電圖訊號每30秒存成一特定格式的檔案,此時透過HTTP Request告知監測端以及集中式健康照護平台有新的量測事件,再由監測端以及集中式健康照護平台透過HTTP Request進而上傳之。心電圖訊號均完整儲存於居家端電腦,而以被動式方式將訊號加以上傳,可避免資料量龐大的心電圖訊號因3.5G行動網路品質的不佳,而造成心電圖訊號的遺漏。

5. 即時監測系統軟體傳輸架構

四、具體成果

已開發一套適合居家環境中使用的多項生理訊號即時監測系統,當使用者戴上特定生理訊號裝置並開啟居家端電腦中的應用程式,即可擷取多項的生理訊號並於程式介面中顯示與繪製,並於監測端的照護者進行多項生理訊號的即時監測(如圖6~7)。生理訊號的傳輸係採用無線藍牙通訊技術,因此監測過程中受測者可在藍牙通訊範圍內進行量測,相較於RS232有線傳輸,訊號的量測較不受限制。

6. 居家端生理訊號的即時監測

7. 監測端生理訊號的即時監測

多項生理訊號以HTTP通訊架構傳送至遠端監測端程式以及集中式健康照護平台,使監測端的照護者可得知受測者即時的生理訊號,而集中式健康照護平台可儲存受測者完整的量測資訊,提供未來歷史資訊查詢使用(如圖8~9)。

8. 集中式健康照護平台資料上載

9. 集中式健康照護平台ECG資料上載

五、應用範圍

3.5G行動網路的使用可使監測環境不受到網路環境的限制,使用者無論在居家環境或外出時,均可使用本系統進行生理訊號的即時監測。當異常事件發生時,回診過程中也可使用本系統與醫院急診事端進行生理訊號的即時監測,使就診的過程也能受到完善的醫療照護資源,使平日生理訊號的量測與異常事件發生時的即時監測,均整合於一套系統中。

目前系統是以市售筆記型電腦整合一般常見性的生理訊號裝置,未來可就各別使用者的需求開發特定的生理訊號監測系統。以氣切病患來說,血氧濃度的監測就顯格外的重要,可將產品開發成行動式個人血氧監測系統;以心臟病患來說,可將產品開發成行動式心電圖即時監測系統。若以單生理訊號即時監測系統進行開發,即可不需高效能的電腦進行開發,現今智慧型手機或PDA已有內建藍牙通訊以及3.5G行動網路的功能,且體型上輕巧具有行動力,可取代目前筆記型電腦。

以系統擴充性而言,現今系統已整合三項藍牙生理訊號裝置,以一主裝置而多從屬裝置的藍牙傳輸網絡中,仍可外接四項藍牙生理訊號裝置,提供系統未來擴充的可能性。HTTP建構於Web基礎上,是最穩定也最常見的通訊協定,以網路流覽器即可查看所需的相關資訊,現今大多數集中式遠距居家照護系統均以此架構下進行系統的建置。本研究亦採用HTTP通訊架構進行開發,目前可達成一對多的即時監測功能,未來也可與其它遠距居家照護系統進行整合,完整的結合區域性的醫療照護資源。