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遠距照護監測系統

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Academic year: 2021

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(1)

亞 東 技 術 學 院

遠距照護監測系統

王清松

*

鄧凱文

**

趙文嘉

**

洪佳婷

**

蔡承謁

**

摘要

在現今的社會裡,科技日新月異,醫療照護產 業也越來越進步,醫療照護已經由醫院向外發展至 居家照護,為因應醫院、護理機構等與病患間之互 動,希望能夠設計出ㄧ個遠距的監測系統,不管是 醫師或是家屬都能夠在任何地方利用手機上網功 能去下載病患的生理數據並了解病患情況的遠距 的監測系統,我們的設計是結合了血氧、血壓與心 電圖的量測並利用藍芽晶片無線傳輸至電腦,而得 以減少實體線路的空間,使量測環境不受限制,再 將所量測的數據傳送到伺服器中做儲存,利用 Android 手機軟體開發出可利用手機上網去下載病 患的生理量測數據,此系統也避免用手抄寫,降低 筆誤所造成的風險,並將資料匯整,在觀看生理數 據時可一目了然,便於讓醫師判斷,也方便讓家屬 了解病患的情況,符合我們所設計「遠距照護監測 系統」的理念。 關鍵字:藍芽傳輸、遠距照護、監測系統、Android、 血氧、血壓、心電圖。

壹、前言

隨著現今醫療產業的發達,生活型態的改變, 人口結構開始趨於老化的現象,慢性疾病也跟著纏 身,但由於慢性疾病諸如糖尿病、甲狀腺機能亢 進、高血壓、心臟衰竭等患者均可過一般正常的生 活;基於可能會隨時突然的發病,所以需要長期觀 察並且儘早做治療,提升生活品質[1]。因此,不 但醫療照護的模式改變,病患對於醫療監測產品的 需求也大大的提升,如果讓病人不斷往返醫院去做 診療,耗錢也耗時。目前無線傳輸在通訊方面使用 廣泛,可以更快速有效率的處理大量的量測資料並 透過無線傳輸傳送數據,所以很多國內外科技公司 和醫院合作紛紛投入遠距照護系統的研發,最近幾 年遠距監測系統等產品在市場上的市占率逐年上 升[2],而政府也邀請國外醫療顧問在遠距醫療方 面分享經驗作交流與探討,藉此研發一個完善的遠 距照護監測系統,可以不用讓病患常常往返醫院, 也替偏遠地區的病患省了很多麻煩,更可以節省醫 療成本。 本研究利用藍芽晶片無線傳輸再經由 RS232 介面將所量測到的血氧、血壓以及心電圖等生理訊 號傳送至電腦並利用網路的特性上傳到伺服器,使 醫師可以使用近年發展迅速的 Android 系統軟體[3] 去下載病患所量測到的最新生理數值,做進一步專 業的判斷診療,不必等到就診時才發現事態嚴重, 而無法有效的進行治療,也實現了遠距監測的理 念,在忙碌的社會裡,家屬也可以下載數據,了解 病患的情況,讓家屬不用長時間的陪在病患身旁。

貳、量測裝置

2.1 背景分析 由於現今的社會裡,慢性疾病的病患越來越 多,因此需要花上很多的時間去做治療,必須藉由 一些簡單的量測來觀察生理數據,以了解病患的身 體狀況。本研究選用血氧、血壓及我們自製量測心 電圖縮小化的電路板,各自結合無線模組傳輸數 據,達到節省一些醫療量測器具的空間,使量測空 間更為寬廣。 * 作者為亞東技術學院電子工程系副教授。 ** 作者為亞東技術學院電子工程系學生。

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2.1.1 血氧 『血氧』是指血液中的含氧量,其在日常生活 中,常常被受到忽略,但是卻扮演重要的角色,血 氧太高會引起呼吸急促,太低又會造成頭暈目眩, 因此血氧是需要被重視的。血氧主要是利用探頭發 出紅光以及紅外光不停的閃爍來偵測病患血液中 的含氧量,而紅光的波長(peak wave length)選用 600 nm,紅外光(lnfrared)則是選用 905/880 nm,所 量測到的血氧濃度概略在 90%~99%皆屬於正常範 圍,(圖(1)為無線血氧濃度計實體圖)。 SPO2 = (HbO2/HbO2+Hb) x 100% (1) [HbO2]: 帶氧血紅素濃度 [Hb]: 去氧血紅素濃度 圖(1),無線血氧濃度計實體圖 2.1.2 血壓 『血壓』顧名思義就是血液在血管中流動時, 對血管壁所造成的側壓力,而較常指的是動脈血 壓。在眾多血管疾病之中,高血壓是最為普遍的, 容易罹患高血壓的人中,又以中老年人群居多。罹 患高血壓的人,有的是因為後天的飲食或者生活作 息不正常所導致,有的是因先天性遺傳的問題,導 致出生以後特別容易罹患高血壓,因為血壓是會對 腦、心、腎造成傷害,因此這類群的人是需要特別 注意的,預防的方法不外乎就是少油少鹽,並且多 運動,使罹患高血壓的機率降低。目前世界衛生組 織定義血壓的正常值為收縮壓在 140mmHg 以上, 舒張壓在 90mmHg 以下。 收 縮 壓 高 於 160mmHg , 舒 張 壓 高 於 95mmHg 時就稱為高血壓。至於收縮壓低於 90-100mmHg 時,稱為低血壓,本研究所使用 無線血壓計如圖(2)所示。 圖(2),無線血壓計實體圖 2.1.3 心電圖 心血管疾 病一直是 國人 的十大死 因之一 [4][5],而且心血管疾病在 97 年及 98 年內位居十 大死因前三名,每天約有 30 人死於心臟等相關疾 病,其中 98 年十大主要死因中,仍以惡性腫瘤占 28.1%最多;其次分別為心臟疾病 10.6%、腦血管 疾病 7.3%,『心電圖』是用來觀察心臟跳動的電位 變化圖,可由醫生觀察了解心電圖有何異常並做出 心臟疾病等診斷,心臟是人主要器官之一[6],位 於人體胸腔的左邊,人從出生到死亡心臟從來不間 斷的持續工作,使血液能充分藉由血管分佈全身, 心臟對人的重要性是不容置疑,而心電圖是對心臟 活動最直接的觀察方式,一般紀錄心電圖方式分為 12 導程心電圖、運動心電圖、可攜式心電圖等[7], 針對不同的病徵使用不同的測量方式。如圖(3), 我們自行製作的心電量測縮小化的電路板,是將訊 號經過儀表放大及濾波,再加上如圖(4)之 RF 無線 傳輸,如此不但節省了空間,而且利用單電源 OPA 使心電圖在低電壓的情況下,仍然可以使用,並利 用單導程原理[8],達到量測心電圖的作用,而縮 小化心電圖也方便讓病患攜帶使量測空間不受線 路限制。接著利用 Android 手機裡的 Bluetooth 類 別,把使用 Microchip PIC24FJ64GA004, 16 位元 晶片,所擷取 ECG 的資料編成兩組 8bits 資料,運

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用 SPP Profile 傳送,再經算式轉換成 ECG 資料, 算式如下:

ECG = |(Data[0] x 256 + Data[1]) x 0.003223) x 10000| ÷ 10000 (2) 圖(3),縮小化心電圖實體 利用單電源 OPA 使心電圖在低電壓的情況 下,只使用四顆 1.5V 三號電池即可使用,並利用 單導程原理,達到量測心電圖的作用。 圖(4),無線式心電圖儀架構

參、系統架構

現今無線通訊的發達,可以非常有效率的傳輸 大量的資料並傳送數據,所以應用非常的廣泛。如 圖(5)所示,因此,我們的系統,分為三大量測裝 置,使用血氧計、血壓計和縮小化心電圖等生理訊 號監測裝置,分別量測病患的生理訊號,透過藍芽 晶片模組傳輸再經由 RS232 介面的通訊設備將資 料傳輸至電腦裡面,而電腦也可顯示所量測的資訊 並做儲存,再利用電腦的網路特性將所量測的生理 訊號上載到伺服器中。隨著 Android 系統開發使用 的廣泛,手機業者也紛紛將手機改為 Android 系 統,為了希望能夠讓病患的家屬或著醫師能夠在遠 距離即可了解病患的身體狀況。因此,我們的研究 也開發出 Android 作業系統軟體,讓醫師、家屬皆 可以經由手機網際網路的功能來下載量測數據,並 將量測的血氧、血壓以及心電圖將資料整合,全部 皆可在手機介面上顯示出來,使醫師或家屬能夠一 目瞭然,不用讓醫師經由不同介面來觀察病患的情 況,而利用藍芽以及 RS232 等無線裝置最主要的 目的就是希望能夠將整個量測的空間更通暢,不必 讓病患受到一堆線路的束縛,也減少了很多不必要 的麻煩。這些生理訊號是對於病患做的遠距基本監 測,可經由醫師即時診斷目前病患的身體狀況,了 解病患最新情況。使偏遠地區的病患一樣能受到照 護,並提升醫療服務品質。 圖(5),遠距照護監測系統 3.1 硬體設計 本研究在血氧計以及血壓計的部分,皆裝上了 藍芽晶片 BlueGiga WT12 的無線裝置,將量測數 據傳送到電腦,而在縮小化心電圖的部分,訊號經 由儀表放大器後,先經過高通濾波器,此雖可有效 解決存於此系統的直流偏移電位,但訊號放大同時 也將雜訊一起放大,此時必須再設計低通濾波器將 不要的雜訊予排除,即可有效的隔離雜訊頻段,而 訊號經過處理之後,再經由無線傳輸將資料傳送出 去。 至於藍芽部分,藍芽是一種可應用在電腦、行 動電話、及其他家電用品上的無線傳輸技術,藍芽 傳輸的範圍約在 10 公尺到 100 公尺,採用每秒

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1600 跳頻技術,一個藍芽主裝置最多可以連結七 個藍芽裝置,而藍芽也因為低功耗以及低價位被廣 泛使用。如圖(6)所示,我們選用 BlueGiga WT12 晶片,符合 USB2.0 的規定,一個藍芽所能傳送最 小位元為 byte 單位,而在 byte 裡面分成不同的定 義碼,我們分為開頭、資料與結束等,在於開頭的 地方我們分為三個特徵值,並將這三個特徵值分為 血氧、血壓和心電圖,再分別做傳輸。藍芽技術目 前已經成為 IEEE 802.15 的國際標準。以現階段而 言,IEEE 802.15.1 主要是將藍芽技術中有關實體 層及媒體擷取層的規格標準化,IEEE 802.15.2 解 決藍芽與其他使用同頻帶之無線通訊技術的共存 性問題[9],IEEE 802.15.3 訂定高速的藍芽規格, IEEE 802.15.4 則 負 責 訂 定 低 速 藍 芽 規 格 。 圖(6),為結合藍芽模組定義碼的總系統流程圖 3.2 軟體設計 我們使用 Android 系統手機利用網際網路下 載 最 新 的 生 理 數 據 。 如 圖 (7) 所 示 , 首 先 利 用 Android 系統手機登入使用者帳戶,經過使用者認 證之後,方可進入整個監測照護系統內部,進而得 知病患血氧、血壓、心電圖等量測結果的最新情 況。 利用藍芽模組傳輸再經由 RS232 介面將量測 數據傳送至電腦中,再利用網路的特性上載至伺服 器,並使用 Android 智慧型手機網際網路的系統, 連結到伺服器並下載最新的生理訊號[10],可以讓 醫師或家屬了解到最新的情況,並做第一時間的診 療。而我們也利用了 Android 系統開發軟體自行開 發出用手機上網下載量測數據程式的部分,如圖(8) 所示,這部分的程式主要是 Android 手機能夠利用 網際網路的功能,上網連接到電腦伺服器,藉此下 載利用藍芽模組所傳送並儲存在電腦裡的量測生 理數據。 圖(7),為監測系統操作流程可以更了解使用 Android 系統手機監測軟體

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圖(8),利用手機上網下載資料之程式

肆、成果展示

所量測到的生理訊號,如血氧、血壓、心電圖 等,係透過藍芽模組 BlueGiga WT12 ,再經由 RS232 介面將量測結果,如圖(9),於電腦中顯示 出來,由左至右依序為血壓、心電圖、血氧,並將 此監測結果上載到伺服器中,而使用者即可利用手 機下載生理訊號。 圖(9),傳送於電腦之生理訊號 如圖(10)所示,使用 Android 手機,並利用手 機網際網路的功能下載最新的生理訊號量測結 果,並呈現出血壓、血氧、心電圖與體溫的量測, 由此研究結果,可讓醫師或是病患的家屬能夠在遠 距離即可得知病患的身體狀態。 圖(10),手機上網下載數據呈現

伍、結論

本研究針對遠距醫療做探討,並且討論使用手 機做遠距離的監測,使用者透過 Android 手機上網 下載生理數值,可以讓醫師或是病患不用親自到醫 院,即可做出初步的診療,替病患節省時間與金 錢,實現了遠距監測照護的理念,並利用遠距照護 監測系統提升偏遠地區病患的醫療品質,對社會做 出ㄧ些貢獻。 本研究使用血氧、血壓以及縮小化心電圖電 路,盡量節省一般醫療儀器所占用的空間,讓量測 環境不受限制,並利用藍芽無線傳輸將所量測的生 理數據透過 RS232 介面傳輸到電腦儲存資料,並 利用電腦的網路特性將資料上載到伺服器中,而使 用者再利用 Android 手機上網下載最新的生理數 據,了解身體狀況。

陸、 參考文獻

1. 蔡佑錚 ”遠距照護服務對醫料費用之影響 以南投地區系統建制為例”,南開科技大學福 祉科技與服務管理研究所 碩士論文,2011 年。

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2. 工業局智慧型醫療電子產業技術推廣與輔導 計畫”遠距健康照護市場”-工研院IEK 張慈 映產業分析師。 3. 林俊宏、紀光輝、江季翰 “在Android平台上 實現IEEE 802.21 換手機制”,國立雲林科技 大學電機工程碩士班 碩士論文,2010年6月。 4. 許鴻義,“心電圖訊號量測系統之製作與分 析”,國立雲林科技大學碩士論文 2003年6 月。 5. http://www.tsoc.org.tw/ 中華民國心臟協會。 6. 沈祖望、林羣晨”以心電圖為基礎之心血管疾 病專家 防治系統 慈濟大學 碩士論文2007 年8月。 7. 王清松、王政傑、吳建璋“無線式攜帶型ECG 系統雛型製作”,亞東技術學院 資訊與通訊 工程研究所碩士論文2010年6月。 8. 王清松、王政傑、吳建璋“手持式單導程心電 圖儀系統”,亞東技術學院 資訊與通訊工程 研究所碩士論文2010年6月。 9. 曾勇進“以藍芽為基礎的無線可攜式心電圖 量測系統”逢甲大學 碩士論文 2005年6月。 10. 李建南、朱耀棠、曾煥達“以個人數位助理為 平台的遠距醫療行動診察系統”,亞東技術學 院 資訊與通訊工程研究所碩士論文2007年9 月

Tele-Care Observation System

Ching-Sung Wang

*

Kai-Wen Teng

**

Wen-Chia Chao

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Chia-Ting Hong

**

Cheng-Yeh Tsai

**

Abstract

In today's society, The science and technology changes with each new day, more and more progress in the medical care industry, health care has been the development of home care out of hospitals, in response to hospitals, care institutions to interact with patients, hoping to design a distance care observation system, whether physicians or family members are able to use the Internet from anywhere using a mobile phone to download the patient's physiological function of the data and understand the patient's situation, our design is a combination of oxygen, blood pressure and ECG measurement and use Bluetooth wireless transmission to the computer chip, reducing the physical line of space, so that measurement environment Bushouxianzhi, then the measured data to be stored in the server using the Android mobile phone software developers can use the Internet to download patients in physiological measurement data, the system also try to avoid copying by hand, reducing the risks posed by clerical error, and compile the data do, in view of physiological data can be more clear and easier for physicians to determine also make it easier for families to do understand the patient's situation, is quite consistent with our design " Distance Care Observation System" concept.

Keyword:Bluetooth, Distance Care, Observation System, Android, SPO2, BPM, ECG

* Oriental Institute of Technology ** Oriental Institute of Technology

參考文獻

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