戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)與遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)研究

□文｜翁興偉 陳衛(wèi)東 薛夢(mèng)琪 孔冰 楊磊 李磊

(作者單位： 西安思源學(xué)院)

本項(xiàng)目屬于遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)與遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)及其控制方法。目的：提供一種戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)與遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，以解決我國(guó)在戰(zhàn)地救治方面的空白，士兵遠(yuǎn)程治療難的問(wèn)題。方法：基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee數(shù)傳模塊,對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)醫(yī)療救護(hù)信息采集系統(tǒng)的內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、軟件模塊流程、系統(tǒng)模型、硬件構(gòu)成等進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。結(jié)果：該系統(tǒng)能在400米以內(nèi)依靠心電、溫濕度等傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控士兵的監(jiān)測(cè)生命體征,并使用ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線回傳數(shù)據(jù)，掌握戰(zhàn)場(chǎng)和士兵各種信息。結(jié)論：該系統(tǒng)具有成本低、便攜性、易操作、信息傳遞穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),在戰(zhàn)場(chǎng)上對(duì)掌握士兵生命狀態(tài)情況和減少傷員有重要作用。

現(xiàn)代武器的殺傷力強(qiáng)，造成的傷員多，危害也大，第一次世界大戰(zhàn)期間，在戰(zhàn)場(chǎng)上死亡的人數(shù)約1000萬(wàn)人，受傷人員達(dá)2000萬(wàn)以上。第二次世界大戰(zhàn)期間，各交戰(zhàn)國(guó)因戰(zhàn)爭(zhēng)總共死亡5000萬(wàn)人，傷亡的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了第一次世界大戰(zhàn)。這充分說(shuō)明了，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)武器越來(lái)越先進(jìn)，殺傷力越來(lái)越大的情況下，大力開(kāi)展群眾性戰(zhàn)地救護(hù)就顯得更加重要。遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)處理系統(tǒng)主要由筆記本電腦、便攜式衛(wèi)星通信終端等組成。目的是利用高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建立遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診和會(huì)診系統(tǒng)。目前美軍無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率為256kpa，遠(yuǎn)高于中國(guó)有線電話的傳輸速率。在這個(gè)速率下，視頻和圖像信息可以正常傳輸。這些小型、節(jié)能的現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)是我國(guó)軍隊(duì)迫切需要的。美軍高度重視這一發(fā)展，包括正在開(kāi)發(fā)的士兵生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)(WPsM)系統(tǒng)，這是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)之一，被列為軍隊(duì)醫(yī)學(xué)優(yōu)先發(fā)展的20大項(xiàng)目之一[1]。士兵生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將一系列微型無(wú)線傳感器佩戴在士兵的重要部位，其價(jià)格便宜，并且對(duì)士兵的行動(dòng)不影響，例如：傳感器、體溫、血氧等，這些傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)個(gè)人無(wú)線局域網(wǎng)傳到無(wú)線終端。DARPA（美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目局）在去年九月份公布了一項(xiàng)讓士兵受傷治愈的研究計(jì)劃ElectRx,該計(jì)劃一度被人們所關(guān)注。它在概念上講就像一個(gè)小型的智能心臟起搏器，它可以監(jiān)控士兵的身體情況，士兵在受傷時(shí)，該系統(tǒng)就會(huì)給予受傷士兵量身定做的藥物和刺激，以促進(jìn)自身愈合，達(dá)到第一時(shí)間的救治?，F(xiàn)在世界各國(guó)在戰(zhàn)地救護(hù)方面投入了很多的經(jīng)歷和時(shí)間，但我國(guó)在這方面仍處于落后階段?，F(xiàn)在配發(fā)給部隊(duì)的制式衛(wèi)生急救包版本較為傳統(tǒng)，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的處置。目前，我國(guó)在戰(zhàn)地救治方面較為落后，仍然使用傳統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行救治，研制新一代的戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)產(chǎn)品已經(jīng)勢(shì)在必行。

Zigbee數(shù)傳模塊的運(yùn)用

芯片5：選用型號(hào)STM32F103ZET6，采用了Zigbee模塊用來(lái)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中加入了紅外對(duì)管、血氧傳感器、心電傳感器、溫濕度傳感器等可佩帶的傳感器系統(tǒng)。各傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由芯片5處理后，由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給后方醫(yī)院終端（野戰(zhàn)醫(yī)院）；由后方的醫(yī)生綜合各項(xiàng)生命體征數(shù)據(jù)，既往病史等，在預(yù)存在醫(yī)院終端的治療方案中選擇合適的方案反饋給前方戰(zhàn)場(chǎng)。

同時(shí)考慮到戰(zhàn)事一旦開(kāi)啟，野戰(zhàn)醫(yī)院收治的傷員過(guò)多，所以本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了以STM32F103ZET6芯片5為平臺(tái)的無(wú)線點(diǎn)滴監(jiān)控自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，醫(yī)院的一個(gè)電腦終端可以監(jiān)控全部病人的點(diǎn)滴有無(wú)、余量多少等信息，最大程度上節(jié)約了醫(yī)療力量。使用一個(gè)芯片5實(shí)現(xiàn)了組件單個(gè)作戰(zhàn)單元的生命體征信息采集回傳，直到住院的全套智能醫(yī)療系統(tǒng)。

ZigBee數(shù)傳模塊：選擇了ZigBee作為無(wú)線模塊用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。總之，Zigbee是一種高度可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通信范圍從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米和公里，并支持無(wú)線擴(kuò)展。物理層采用擴(kuò)頻技術(shù)，具有一定的抗干擾能力。MAC應(yīng)用層具有應(yīng)答和轉(zhuǎn)發(fā)功能。MAC層的CSMA機(jī)制使節(jié)點(diǎn)在發(fā)送之前監(jiān)聽(tīng)信道，可以避免干擾。當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾無(wú)法正常工作時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以動(dòng)態(tài)切換到另一個(gè)信道[2]。

使用ZigBee考慮到其有低功耗、低成本、短時(shí)延、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段等特點(diǎn)。在低電耗待機(jī)模式下2節(jié)5號(hào)電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，節(jié)點(diǎn)只需30ms即可接入網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約電能，而藍(lán)牙需要3～10s。

圖1 用于戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的模塊連接示意圖

由于前線距離后方醫(yī)院距離過(guò)遠(yuǎn)，可能超出了ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離。如圖1所示，本項(xiàng)目設(shè)置了戰(zhàn)場(chǎng)單兵--連衛(wèi)生員--團(tuán)衛(wèi)生隊(duì)--野戰(zhàn)醫(yī)院的傳輸結(jié)構(gòu)，即芯片5的數(shù)據(jù)依次通過(guò)連級(jí)ZigBee數(shù)傳模塊6和團(tuán)級(jí)ZigBee數(shù)傳模塊7無(wú)線傳輸至后方的醫(yī)院終端8。同時(shí)為確保信息能夠穩(wěn)定傳輸，在連級(jí)ZigBee數(shù)傳模塊6和團(tuán)級(jí)ZigBee數(shù)傳模塊7上增加發(fā)射功率增強(qiáng)器，增加其傳輸距離。[3]

心電傳感器的運(yùn)用

心電傳感器3：傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量方法主要有三種，一是從心電信號(hào)中提??；二是脈搏率是通過(guò)測(cè)量血壓時(shí)壓力傳感器測(cè)量的波動(dòng)來(lái)計(jì)算的。第三，光電容積法。前兩種提取的信號(hào)如果長(zhǎng)期使用，不僅會(huì)限制患者的活動(dòng)，而且會(huì)增加患者的生理和心理不適。本課題采用光電體積法設(shè)計(jì)的心電傳感器3脈沖傳感器，具有方法簡(jiǎn)單、易磨損、可靠性高等特點(diǎn)。

光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管中搏動(dòng)時(shí)的透射率差來(lái)測(cè)量脈搏。它使用傳感器和光電轉(zhuǎn)換器兩部分,通過(guò)綁定或夾在病人的手指或耳垂,光源,一般用于動(dòng)脈的血氧和血紅蛋白選擇性特定波長(zhǎng)(500 nm - 700 nm)發(fā)光二極管(led),當(dāng)光束通過(guò)人類外周血管,由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng)脈血管容積也有周期性變化，因此光電變換器的電信號(hào)變化周期就是脈搏率[4]。

溫濕度傳感器的運(yùn)用

溫濕度傳感器4：本項(xiàng)目溫濕度傳感器4采用AM2302濕敏電容數(shù)字溫度模塊，這是一個(gè)溫度和濕度傳感器校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出。采用特殊的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有高可靠性和優(yōu)良的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括電容式水分傳感器和高精度水分傳感器。該產(chǎn)品具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)用來(lái)配合心電傳感器測(cè)量單兵基本單元的體溫[5]。

體點(diǎn)滴速度檢測(cè)模塊的運(yùn)用

體點(diǎn)滴速度檢測(cè)模塊1：考慮到戰(zhàn)事一旦開(kāi)啟，傷病員數(shù)量激增，而野戰(zhàn)醫(yī)院醫(yī)療力量有限，難以照顧到所有病人，為節(jié)省醫(yī)療力量，搶救重點(diǎn)人員，設(shè)計(jì)了液體點(diǎn)滴速度檢測(cè)模塊1，液體點(diǎn)滴速度檢測(cè)模塊1的電路如圖2所示。配合心電傳感器3、溫濕度傳感器4來(lái)監(jiān)控傷病員情況，如果有哪項(xiàng)指標(biāo)低于額定值，會(huì)在系統(tǒng)中自動(dòng)報(bào)警。

圖2 用于戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)液體點(diǎn)滴速度檢測(cè)模塊中的電路圖

利用紅外管ST180檢測(cè)液滴是否下落。在滴管兩側(cè)固定紅外對(duì)管，接收管和發(fā)射管的光軸成直線，所述紅外對(duì)管通過(guò)液滴連續(xù)滴落產(chǎn)生與液滴頻率相同的電脈沖信號(hào)來(lái)計(jì)算液體的速度。為減小誤差，在對(duì)管處包裹一層黑色膠布，使外界對(duì)紅外對(duì)管傳感器的影響最小[6]。

本項(xiàng)目的用于戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)通過(guò)主站控制從站的輸液速度，及時(shí)掌握輸液余量。既方便醫(yī)生、護(hù)士照顧病患，又能讓病人安心治療，不必?fù)?dān)心輸液瓶液滴倒流，引起血液倒流。[7]

本項(xiàng)目的用于戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的有益效果

使傳統(tǒng)設(shè)備具備智能和互聯(lián)功能。在點(diǎn)滴輸液管上加入了紅外對(duì)管用來(lái)測(cè)量滴速，同時(shí)加入壓力傳感器測(cè)量點(diǎn)滴余量，并使用無(wú)線模塊將信息及時(shí)回傳給主機(jī)。通過(guò)主機(jī)來(lái)無(wú)線控制從機(jī)的變化。通過(guò)建立上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)和巡回監(jiān)測(cè)點(diǎn)滴剩余情況和病人的生理狀態(tài)。

將遠(yuǎn)程醫(yī)療與電子醫(yī)療設(shè)備結(jié)合。系統(tǒng)中加入了PulseSensor、DHT22 AM2302 電子醫(yī)療傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控士兵的生命體征，并使用ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線回傳數(shù)據(jù)，掌握戰(zhàn)場(chǎng)和士兵的各種信息，較少傷亡，避免意外發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了單兵的智能可穿戴。

借用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，傳輸生命體征數(shù)據(jù)。使用ZigBee進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)，將戰(zhàn)場(chǎng)上各個(gè)點(diǎn)的信息匯總，該物聯(lián)網(wǎng)可以集中數(shù)萬(wàn)個(gè)子節(jié)點(diǎn)，充分滿足了戰(zhàn)場(chǎng)需求，同時(shí)具有穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的功能，具有高安全性。讓指揮官了解戰(zhàn)局的發(fā)展，控制戰(zhàn)場(chǎng)的局勢(shì)。

在傳輸結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了簡(jiǎn)潔化創(chuàng)新。信息具有時(shí)效性，過(guò)于復(fù)雜的信息傳輸結(jié)構(gòu)不利于信息的傳輸。為了方便指揮員及時(shí)掌握戰(zhàn)場(chǎng)信息，系統(tǒng)設(shè)置了野戰(zhàn)醫(yī)院——團(tuán)指揮所——連衛(wèi)生員的三級(jí)機(jī)構(gòu)，最大程度上保障了信息的及時(shí)傳遞，有助于指揮員做出反應(yīng)。

本項(xiàng)目的目的是提供一種戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)與遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，以解決我國(guó)在戰(zhàn)地救治方面的空白，士兵遠(yuǎn)程治療難的問(wèn)題。與現(xiàn)代技術(shù)相比，具有成本低、便攜性、易操作、信息傳遞穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。