基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程人體脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與家庭醫(yī)療智能數(shù)據(jù)分析

1、基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程人體脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與家庭醫(yī)療智能數(shù)據(jù)分析文章資訊關(guān)鍵詞：脈沖信號(hào)的生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；電子醫(yī)療保??；序列數(shù)據(jù)分析摘要：通過逐年下降的生育率可見，許多國(guó)家已經(jīng)成為老齡化社會(huì)。由于老年人的家人很難時(shí)刻照顧他們，他們往往獨(dú)立生活。因此，在現(xiàn)代社會(huì)中計(jì)算機(jī)輔助護(hù)理越來越受到重視，這也解釋了為什么智能系統(tǒng)與電子醫(yī)療保健生理信號(hào)監(jiān)測(cè)是發(fā)展對(duì)患有慢性病或突發(fā)疾病的老年人的家庭護(hù)理的一個(gè)新興領(lǐng)域，一個(gè)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以幫助醫(yī)務(wù)人員有效監(jiān)督和分析的生理信號(hào)，使得它們不僅可以立即監(jiān)測(cè)患者的生理狀態(tài)，還能降低醫(yī)療費(fèi)用，并避免患者輾轉(zhuǎn)來到醫(yī)院看醫(yī)生。因此，本研究采用的芯片（SOC）技術(shù)嵌入人體脈搏

2、監(jiān)控的系統(tǒng)開發(fā)、疾病的檢測(cè)和長(zhǎng)期保健智能數(shù)據(jù)分析機(jī)制。本次所提出的系統(tǒng)可用于監(jiān)測(cè)和分析在日常生活中人體的脈沖信號(hào)。同時(shí)還具有對(duì)醫(yī)務(wù)人員友好的基于網(wǎng)絡(luò)的界面來觀察眼前的脈沖信號(hào)，進(jìn)而來進(jìn)行遠(yuǎn)程治療。因此，該系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程醫(yī)療的輔助，可以探索潛在的慢性疾病，并告知突發(fā)疾病在緊急情況下的發(fā)展趨勢(shì)。此外，本研究還提出基于修改的余弦相似性度量的智能數(shù)據(jù)分析方案來診斷異常的脈沖，探索潛在慢性疾病。1. 介紹對(duì)許多國(guó)家而言，醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了老年人口的加速增長(zhǎng)，從而對(duì)家庭健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了越來越多的要求，以確保老年患者，可獨(dú)立生活（斯特凡諾夫，邊，和邦，2004年）。特別是，在有關(guān)生理傳感器的飛速發(fā)展，無線

3、通信和信息技術(shù)越來越多的被用在了各種健康或疾病的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，這使家庭和生活質(zhì)量日益提高。（爾霍寧，Parkka，和Van的改善延長(zhǎng)獨(dú)立生活的飛速發(fā)展GILS，2003）。許多生理信號(hào)的測(cè)量都是在從個(gè)人在他們的生活環(huán)境下，通過日常活動(dòng)來進(jìn)行測(cè)量，并且可能運(yùn)用到早期階段就到觀察的健康狀況的偏差在，或者在緊急情況下自動(dòng)地警告醫(yī)務(wù)。許多研究（爾霍寧等，2003;文瀾，公園，基弗，和邁耶，2002; Varshney，2006年）的結(jié)論是，在現(xiàn)實(shí)生活條件下的監(jiān)測(cè)生理信息對(duì)慢性疾病或保健問題的管理特別有用。重要的是，進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)過程有助于提供后續(xù)數(shù)據(jù)來觀察在健康或健康狀況的長(zhǎng)期趨勢(shì)。最近的許多研究都集中

4、在發(fā)展長(zhǎng)期的保健監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（安藤，渡邊，中村，與高須，2004; Braecklein等，2005; Choi等，2004;戴張，2006;庫(kù)馬爾拉赫曼，2004; Vilem與馬立克，2007;玉及歐，2004年），而這個(gè)測(cè)量?jī)x系統(tǒng)被要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功耗低，成本低，在任何時(shí)候都可以舒適的使用。此外，他們必須能夠在各種干擾下可靠且穩(wěn)定地標(biāo)識(shí)生理信號(hào)。對(duì)于外部的醫(yī)院環(huán)境保健監(jiān)測(cè)研究大多都集中在在家就能進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)（巴恩斯和沃倫，2002;菲格雷多和迪亞斯，2004;爾霍寧等，2003;文瀾等，2002; Vilem馬立克，2007;姚，施密茨，和沃倫，2005;玉及歐，2004）。田中，野川

5、，何山耀（2005）提出了安裝在馬桶座上的血壓測(cè)量系統(tǒng)。他們的系統(tǒng)是一個(gè)完全自動(dòng)化的“不自覺的”監(jiān)測(cè)家庭醫(yī)療保健體系。菲格雷多和迪亞斯（2004年）提出，采用了手機(jī)的串行端口來實(shí)現(xiàn)家庭健康護(hù)理和病人監(jiān)護(hù)儀的通用接口的移動(dòng)遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)。 Lin等人。（2004）開發(fā)，集成的個(gè)人數(shù)字助理（PDA）技術(shù)，無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)來傳輸實(shí)時(shí)一個(gè)病人的生命體征向遠(yuǎn)程中央管理單元的移動(dòng)病人監(jiān)控系統(tǒng)，以便授權(quán)醫(yī)務(wù)人員可以訪問數(shù)據(jù)和患者的病歷。此外，許多研究已經(jīng)提出，可以測(cè)量各種生物信號(hào)，并使用網(wǎng)絡(luò)健康科技（巴恩斯和沃倫，2002年至用戶提供衛(wèi)生保健服務(wù)的可穿戴生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng);李某，李某，李某，與李某，200

6、6; Yao等人，2005年）。此外，通過一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的接口重要信號(hào)的遠(yuǎn)程監(jiān)控（Daras等人，2002;香港，吳，翁，2000年），其是用于發(fā)送即時(shí)生理參數(shù)到誰可以解釋測(cè)量為個(gè)體醫(yī)生有用的，也是生理信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要的問題。這些接口不僅方便個(gè)人誰主動(dòng)愿意接受反饋意見他們的健康，并參加自己的照顧，但也提供了治療的距離的好處。在人的生命信號(hào)，脈沖評(píng)估長(zhǎng)期以來一直在生理學(xué)領(lǐng)域感興趣的研究領(lǐng)域，因?yàn)槊}沖反映一個(gè)人的健康狀況（喬希，庫(kù)卡尼，德蘭，亞拉曼，與庫(kù)卡尼，2007年;劉和章梓雄，2000年）的狀態(tài)。脈沖是指心臟跳動(dòng)的速率。因此，脈沖通常稱為心臟速率，并且是用于心臟跳動(dòng)每分鐘的次數(shù)。然而，心跳

7、的節(jié)奏和強(qiáng)度也可以觀察到，血管以及是否感覺硬或軟。在心臟速率或節(jié)奏，或弱脈沖或硬血管改變，可以通過一個(gè)問題，如心臟疾病引起的。此外，脈沖傳輸是基于在動(dòng)脈壁上的彈性膨脹。脈搏波速度（PWV）指示動(dòng)脈段的局部彈性狀態(tài)（Chen等，2004;原田，岡田，周麗淇，張，與菅原，2002）。另外，由于PWV與動(dòng)脈的平均半徑發(fā)生變化，PWV通常指示血壓的，因?yàn)樵黾拥膲毫υ黾恿似骄鶆?dòng)脈擴(kuò)張。根據(jù)監(jiān)測(cè)脈的重要性，這項(xiàng)研究提出了一種基于Web的遠(yuǎn)程人體脈搏監(jiān)測(cè)與智能數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上生理傳感器，SOC，無線通信，萬維網(wǎng)和智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)，為健康監(jiān)控和家庭護(hù)理系統(tǒng)。主要強(qiáng)調(diào)的是對(duì)構(gòu)建與有線家庭的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)集成，通過在

8、SOC平臺(tái)上的無線通信接口來發(fā)送生理信號(hào)到遠(yuǎn)程生理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的手持基于SOC的脈沖監(jiān)控系統(tǒng)。所提出的系統(tǒng)還集成了一個(gè)友好的基于Web的界面，便于觀察即時(shí)生理信號(hào)，支持遠(yuǎn)程治療。此外，本研究還提出基于修改的余弦相似性度量，以確定任何兩個(gè)脈沖序列之間的相似性的智能數(shù)據(jù)分析方案。該方案有助于診斷異常脈沖探索潛在的慢性疾病。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本節(jié)詳細(xì)描述了基于生理傳感器，信號(hào)預(yù)處理，嵌入式系統(tǒng)，無線通信和萬維網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第2.1節(jié)提出的系統(tǒng)架構(gòu)的概述。章節(jié)2.2和2.3描述了系統(tǒng)部件和系統(tǒng)操作過程的細(xì)節(jié)。章節(jié)2.4和2.5描述了計(jì)劃用于計(jì)算心臟速率，和用于識(shí)別脈沖序列之間的相似性的基礎(chǔ)上，提出了修改的

9、余弦相似性度量。2.1 系統(tǒng)架構(gòu)這項(xiàng)研究提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程脈沖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括三個(gè)部分，包括脈沖信號(hào)測(cè)量模塊，嵌入式高級(jí)RISC機(jī)器（ARM）系統(tǒng)平臺(tái)和遠(yuǎn)程服務(wù)器。圖1給出了該系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)。的脈沖信號(hào)測(cè)量模塊經(jīng)由壓電傳感器感測(cè)的脈沖信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理以濾除噪聲。到的脈沖信號(hào)傳送到嵌入式系統(tǒng)中，模擬脈沖信號(hào)使用的是模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第一傳輸轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后被通過串行發(fā)送裝置以預(yù)定的波特率發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)。當(dāng)所收集的脈沖數(shù)據(jù)滿足預(yù)定的數(shù)據(jù)量，嵌入式系統(tǒng)發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)通過無線通信的遠(yuǎn)程服務(wù)器。最后，遠(yuǎn)程服務(wù)器存儲(chǔ)所述感測(cè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成人體生理數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過網(wǎng)頁界面顯示生理信號(hào)給醫(yī)務(wù)人員

10、。基于Web的界面提供在家庭保健在線遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷方面的好處。此外，本研究提出了一種基于改進(jìn)的余弦相似性措施，以確定家庭保健異常脈沖智能數(shù)據(jù)分析方案。2.2 系統(tǒng)組成這個(gè)部分詳細(xì)說明所提出的基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程人工脈沖信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)組件。2.2.1 用于檢測(cè)脈沖MLT1010脈搏傳感器壓電式傳感器本研究采用公元儀器產(chǎn)生的脈沖傳感器壓電式傳感器捕捉到的脈沖信號(hào)。傳感器手指脈沖轉(zhuǎn)換成基于施加到換能器表面上的壓力的電信號(hào)。2.2.2 信號(hào)預(yù)處理電路放大脈沖信號(hào)，并過濾掉噪音2.2.2.1 儀表差分放大器。由于由脈沖換能器的壓電傳感器測(cè)量的人體脈搏非常弱并且通常含有共模噪聲，該研究利用的差分放大器來濾除噪

11、聲，同時(shí)放大該脈沖信號(hào)。 圖2顯示的就是儀器差分放大器。圖1 基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程人體脈搏的系統(tǒng)架構(gòu)監(jiān)視系統(tǒng)圖2 儀表差分放大器在這種情況下，擴(kuò)增率的脈沖電壓大致是100的放大率可以由以下公式計(jì)算。 (式-1）其中R代表第i個(gè)電阻。2.2.2.2 高通濾波器和低通濾波器。除了共模噪聲，該脈沖信號(hào)還包含高，低頻率的噪音。因此，二階壓控電壓源型的高通和低通濾波器被用于消除噪聲。圖3和圖4分別示出了高通和低通濾波器。圖3 二階壓控電壓源型的高通濾波器圖4 二階壓控電壓源型的低通濾波器因?yàn)橐粋€(gè)人的脈沖信號(hào)的頻率是約1-2Hz，本研究設(shè)置二階壓控電壓源型高通和低通濾波器的截止頻率分別為3Hz和1Hz，通過調(diào)整

12、電阻用于電容比。所述二階壓控電壓源型的高通和低通濾波器的截止頻率可以由下式計(jì)算： (式-2）其中R代表第i個(gè)電阻，和CJ是第j個(gè)電容器。2.2.2.3 電壓鉗位電路。人類脈沖換能器傳感器的輸出同時(shí)包含具有負(fù)電壓電平的脈沖信號(hào)。然而，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）不能處理具有負(fù)電壓電平的人類脈沖信號(hào)。以增加的脈沖信號(hào)的電壓電平以高于零的水平，本研究中采用的電壓鉗位電路。 圖5所示的是電壓鉗位電路。移位電壓電平可通過電阻19的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖5 電壓鉗位電路2.2.2.4 脈沖采樣和傳輸接口。這項(xiàng)研究使用了8051的單芯片微控制器通過一個(gè)額外的ADC采樣人的脈沖信號(hào)。取樣脈沖信號(hào)通過在8051單片

13、微控制器的串行傳輸接口發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)。圖6示出了設(shè)計(jì)的脈沖采樣和傳輸接口。圖6 設(shè)計(jì)脈沖采樣和傳輸接口2.2.3 所采用的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)脈沖采集和無線發(fā)送這項(xiàng)研究提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的手持人體脈搏的生理監(jiān)控系統(tǒng)。不像基于一個(gè)單片微處理器的系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)可以安裝一個(gè)操作系統(tǒng)。因此，一個(gè)用戶友好界面可以方便地設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。此外，嵌入式系統(tǒng)提供了延伸的外圍設(shè)備，諸如全球定位系統(tǒng)（GPS）和WLAN機(jī)制靈活，而且容易修改系統(tǒng)通過小的調(diào)整功能。本研究采用的XSCALE PXA255的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)所提出的基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程脈搏生理監(jiān)控系統(tǒng)。2.2.4 所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)界面直接觀察脈沖信號(hào)以

14、使醫(yī)務(wù)人員觀察和在遠(yuǎn)端側(cè)立即診斷脈沖，這個(gè)研究提出，可以接收測(cè)量的脈沖信號(hào)，并把它們存儲(chǔ)到人體生理數(shù)據(jù)庫(kù)，用于支撐距離治療的脈沖收集服務(wù)器。顯著，眼前脈沖信號(hào)和心臟速率可以立即通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口所示。2.2.5 用于計(jì)算脈搏率所使用的實(shí)時(shí)QRS波檢測(cè)算法脈沖信號(hào)和它們的相應(yīng)的脈沖率是立即顯示web界面，以便他們可以遠(yuǎn)程觀察。由于從傳感器獲得的脈沖信號(hào)類似于心電圖的QRS波群（ECG）信號(hào)，脈沖率是使用實(shí)時(shí)QRS波檢測(cè)算法（平移和Tompkins的，1985年）來計(jì)算。 QRS波是在對(duì)應(yīng)于心室去極化所述ECG的結(jié)構(gòu)。不是每個(gè)QRS波群包含所有一個(gè)Q波，R波和S波。這些波的任何組合可以被稱為QRS復(fù)

15、合波。2.2.6 建議修改余弦相似度連續(xù)語義的探索異常脈沖序列因?yàn)槊}沖是環(huán)狀的信號(hào)和隨時(shí)間的變化，它們屬于順序數(shù)據(jù)類型。本研究提出的改性余弦相似性度量考慮順序語義測(cè)量任何兩個(gè)脈沖信號(hào)之間的相似程度來檢查異常的脈沖序列。詳細(xì)的方案，提出在后面的章節(jié)。2.3 系統(tǒng)操作過程所提出的基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程人體脈搏監(jiān)視系統(tǒng)（圖1）的系統(tǒng)的操作過程概括如下。步驟1：脈沖生理信號(hào)是從由MLT1010脈沖換能器的手指進(jìn)行測(cè)定。步驟2：該脈沖信號(hào)由儀表差分放大器，高通濾波器，低通濾波器和電壓鉗位電路進(jìn)行預(yù)處理，使得該ADC可以正確轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)。步驟3：模擬脈沖信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字式。步驟4：脈沖信號(hào)通過串

16、行傳輸接口傳遞到嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)。步驟5：嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上收集的脈沖信號(hào)被輸送到WLAN接口傳送給人類脈沖集合的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。步驟6：脈沖信號(hào)通過在嵌入式系統(tǒng)中的無線網(wǎng)絡(luò)接口卡轉(zhuǎn)移到人體脈搏收集Web服務(wù)器。步驟7：脈沖信號(hào)和由實(shí)時(shí)QRS波檢測(cè)算法（平移和Tompkins的，1985年）確定的對(duì)應(yīng)心臟速率顯示所設(shè)計(jì)的web界面上，使醫(yī)務(wù)人員能夠立即通過在網(wǎng)絡(luò)界面監(jiān)控脈沖信號(hào)一個(gè)遠(yuǎn)程端。步驟8：最后，異常脈沖信號(hào)可以根據(jù)遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷和家庭保健所提出的智能數(shù)據(jù)分析方案進(jìn)行探討。2.4 用于計(jì)算脈搏率所采用的方案由于脈沖信號(hào)是類似于ECG信號(hào)，實(shí)時(shí)QRS波檢測(cè)算法（平移和Tompkins的，1985）是適用于確定脈沖速率。所述算法檢測(cè)的脈沖信號(hào)的峰值波位置，然后采用二峰位置之間的間隔時(shí)間來計(jì)算脈搏率。