设计多个生理参数的远程实时监控系统基于智能手机

文摘

背景。利用广泛使用的可穿戴传感器和智能手机远程监控技术代表了一个医疗突破。本研究旨在设计一个远程实时监控系统为多个生理参数(心电图、心率、呼吸率、血氧饱和度和温度)基于智能手机,考虑高性能、自动报警器,警告传播,通过多种方法和安全。方法。监测数据集成电路参数获得的可穿戴传感器和收集的Arduino大型250 R3。收集到的数据通过无线传输接口是智能手机。病人应用程序开发分析、过程,并以数字和图形形式显示数据。的异常阈值参数识别和分析系统中生成一个自动报警器和传输数据的医生应用程序通过一个第三代(3 g)移动网络和无线网络。提出系统的性能验证和评估。提出了系统主要是为了满足(传感、处理、显示、实时传输、自动报警器一代,和阈值识别)和辅助需求(兼容性、舒适、低功耗和成本,体积小,和是否适合动态应用程序)。结果。系统性能可靠,具有足够的精度测量平均(99.26%)。系统演示了14年代的平均延时传输数据到一个医生应用程序通过wi - fi相比,68年代的平均时间通过3 g移动网络。提出系统实现低功耗与时间(4 h 21 m 30年代)和主要和辅助需求与安全数据远程同时监测多个参数。结论。该系统可以为远程监控病人独居或提供经济效益在农村地区,从而提高医疗服务,如果在大量生产。

1。介绍

远程监控的做法已成为普遍的生理参数。智能手机和可穿戴传感器(WS)广泛使用,可以提供实时监测卫生保健提供者和病人的关键参数。因此,集成和结合WS和智能手机技术(墓场)系统可以减少监测患者的生命参数的挑战复杂的健康状况不管他们的位置(例如,远程或农村)1- - - - - -3]。同样墓场的使用可以提高远程医疗和医疗保健服务,为慢性病患者提供先进的服务1,4]。

众多创新开发了实时监控和/或转发使用无处不在的远程医疗服务连接工具和简单的手机或WS应用程序。墓场发展随着时间的推移,由于各种内置的应用程序的创建和通信工具,如全球定位系统(GPS)和第三代(3 g)和第四代互联网电话网络(5,6]。墓场发展伴随着越来越多的智能手机用户,这是预计将从21亿年的2016增长到大约25亿2019年,以及越来越多的应用程序被开发用于实时监测和健康诊断(3,7]。

远程监控系统提高了逐步满足老年人的需求,以及为了减少慢性疾病的死亡人数,如心律失常、高血压和糖尿病(8]。因此,许多研究已经进行了监视多个生理参数负责此类疾病(1,9- - - - - -14]。然而,其他研究专注于发展墓场监控特定疾病(15- - - - - -18]。

几项研究已经强调发达墓场的使用在医疗应用中考虑到积极的墓场的静态数据的测量特点,诸如可靠性和准确性在连续或实时监控19- - - - - -21]。其他的研究都集中在墓场的缺点,如能耗高、假警报的一代,长期健康监测效率,和大规模的利用率(1,3,20.]。一些研究还讨论了移动技术的组合或监控问题[3,22,23]。

这样的设计系统的局限性包括单个参数的测量、分析和数据传输和接收方法/时间(15- - - - - -18]。改善在这一领域一直都在设法克服这些限制在动态应用程序中,具体来说,只有一个重要参数的监测、电池寿命、成本效益,监测功能,警告的monomethod传输和数据安全。

当前的研究整合专业墓场设计多个生理参数的远程实时监控系统基于健康发达的智能手机应用程序可以监视和显示测量的重要参数,包括心电图(ECG)、心率(HR)、呼吸速率(RR),血氧饱和度(热点₂),和温度。拟议的系统应该满足的主要需求等传感、处理、显示、实时传输和应该有能力生成一个自动报警器的基础上,分析多个监测参数的阈值。此外,它应该确保警告消息通过两种传输的调度方法,即短消息服务(SMS)和互联网,通过GPS和识别病人的位置。系统还应满足兼容性等辅助要求舒适、低功耗和成本,体积小。此外,开发的应用程序应该允许用户记录,保存和传送实时数据的视频和文本形式。

在这项研究中,WS获得身体数据,首先被发送到一个Arduino兆2560 R3然后通过无线接口的智能手机。数据收集在一个智能手机开发病人应用程序,分析,处理,显示数据传输之前医生开发应用程序。病人应用程序包含两个工作模式。第一个模式不断传送数据,而第二个数据传送模式只有在检测到异常时。因此,第二个模式可以节约手机或设备电源以及时间的医生/运营商。应用程序提示一个自动报警器,当检测到异常值基于先前确定的阈值和向医生发送警告消息应用程序(医生/运营商)。开发应用程序的设计与足够的安全保护患者信息。特别权力银行也是为了确保系统的长期输送功率和智能手机。

系统性能和可靠性评估精度测量,功耗测试与时间和平均时间延迟。收集参数的平均测量精度为99.26%,与时间和系统实现低功耗(4 h 21 m 30年代)喂养测量电路。此外,结果表明,数据传输的平均延时医生应用程序通过wi - fi是14,而68年代通过3 g移动网络。

结果证明了系统的可靠性和可接受性以及主要和辅助的成就需求。因此,当前推荐系统不仅为农村地区,特别是在发展中国家,也为医院和特定的医疗中心和提供急救,初步诊断和治疗。系统还将提供如果在大规模生产的经济效益。

2。材料和方法

提出的设计是通过结合WS电路和智能手机技术通过一个Arduino电路(如图1)。WS电路获取和计算使用Arduino身体数据,进行主数据收集。电子接口Arduino电路连接到智能手机应用程序监控、分析、过程,和传输数据。数据是保证和担保为目的的人。

图1显示了系统架构设计的概述,图1(一个)显示了一个框图的硬件组件及其连通性和图序列1(b)演示了数据传输网络的监控参数。

2.1。硬件组件

所有硬件组件都是精心挑选,以满足需求的设计,也就是说,低功耗,适合动态应用程序、准确性、可靠性、可购性和可用性。辅助需求等简单处理,舒适,最小重量,和长期的电池供电(能耗)也认为,这些特性可以解决和克服的限制和挑战这个领域(3]。硬件组件说明如下。

2.1.1。心电图和HR电路

这些电路被用来获得第一个测量参数(即。心电图),第二个参数(即。、人力资源)计算使用MAX30003电路(24),这样可以减少运动工件在连续监测和常见的遥测监控(8]。

心电图电路消除运动构件使用的仪表放大器双刀活跃的抗锯齿过滤器与一个600 Hz−3 dB的频率。高通滤波器的选项包括一个一阶无限脉冲响应(IR)与0.4赫兹转角频率巴特沃斯滤波器,选择对应的动态应用程序。低通滤波器的选择包括12-tap线性相位(恒定的群延迟)与40 Hz转角频率有限的红外滤光片。放大过程中在这项研究中使用20 V / V。

ECG信号的原始数据是保存在内存的心电图电路,然后作为一个序列发送Arduino(兆2560 R3)使用DM74LS125A集成电路(IC)之间通过高速接口,防止干扰数据的心电图信号和其他信号。

(1)人力资源提取。人力资源被定义为计算R- - - - - -R持续时间/间隔时间内连续心电图QRS复合物之间的波形1分钟的间隔,在哪里R是第一个向上偏转波后P波,波形的QRS波群是一系列心电图P波的波形后,和rr之间的时间间隔是两个连续的R波(25,26]。

在这个工作中,R波提取的Android程序记录心电图波形的最大值。接下来,相同的最大点 平均计算,分为1分钟间隔(60×1000 ms)。因此,人力资源是计算每分钟节拍(bpm)如下:

2.1.2。热点;₂电路

的热点;₂信号被一个手指收购探针使用来自德州仪器(AFE 449027),利用脉搏血氧计技术(发光二极管)。给出的信号电压的22-bit模拟-数字转换器(ADC),这是美联储数据处理机数字化和发送显示信号。

2.1.3。温度电路

体温信号通过皮肤温度使用MAX30205温度传感器,提供一个数字输出使用ADC和运营在0°C + 50°C的温度范围。完成的温度读数操作更新一个新的温度测量。在这个过程中,温度变化是打折,直到同行阅读完成。更新后的温度寄存器被送到Arduino兆2560 R3处理和显示信号。

2.1.4。RR电路

RR电路,包括收购10 K-negative温度系数热敏电阻安装成一个喷雾器面具分压器配置。热敏电阻在呼气由于相对热空气阻力减少,增加在吸入。获得的信号从电阻转换成电压和输入0.0884 - -0.8942 Hz带通滤波器。滤波器的输出是放大100倍,送到Arduino兆2560 R3通过Arduino Nano,如图1。

2.1.5节讨论。电源电路银行

电源电路是为了满足电力需求的银行提出的系统,如低成本而有效的长期消费。

图2说明了设计电路的组件,由一个充电器/放电器集成电路(芯片TP4056), IC转换器,一个液晶显示屏和一个锂离子电池。TP4056芯片被用来控制电池的充电和放电,这是由一个控制开关通过一个“在”和“关闭”功能。直流-直流提升集成电路转换器芯片被用来迎合5 V直流供应渠道,以确保稳定供应的不低于3.7 V直流电池。液晶屏显示剩余容量的百分比和工作状态。USB插座2 (OT)作为一个选项用于充电的智能手机(如果需要的话),和一个出口1 (OT 1)被用来喂通过恒流电路和电压(5 V)。电池的实际容量是3678 mAh,和实际充电时间1 h 50米15 s。电源电路的设计功能/规格表中演示了银行1。

2.1.6。R3 Arduino超级2560

Arduino大型2560 R3被选中是因为它的内存容量,多个和各种输入/输出引脚,数据处理速度、各种WS连接模式,和简单的电脑通过USB电缆连接。此外,它包括一个选项来发送无线信号或通过一个USB电缆。

2.2。病人数据收集和传播

2.2.1。病人数据收集

获得的数据来自多个WS收集2560年Arduino大型R3,数据收集的主要平台,准备向Android设备传播。Arduino是连接到一个平板电脑或智能手机通过USB电缆和计算机显示在测试中获得数据。然而,这种能力使监测参数在旁边的位置。

2.2.2。病人数据传输

病人数据传输从2560年Arduino大型R3的Android智能手机使用wi - fi ESP8266通过串行通信电路(RX / TX行),这是能够托管应用程序或者卸载所有wi - fi网络功能从另一个应用程序处理器。使用wi - fi ESP8266电路而不是蓝牙由于前< 1.0 mW的待机功耗和旋律和数据包传输的< 2女士和发送各种数据的能力。

智能手机的wi - fi被迫快速切换(833μs)两个操作之间自动接收和传输数据到医生应用程序。系统并没有失去对实时传输功能,因为延迟的切换。

2.3。Android健康应用程序设计

应用程序设计被认为是挽救患者生命的概率特性,有助于增加以及现代属性,从而呈现优于其他设计在最近的研究2,21]。病人和医生的当前应用程序由应用程序。

2.3.1。病人的应用

健康应用程序中创建该系统在Android studio接口简化程序的目的功能。Android应用程序是用Java编程语言编写的。主数据收集病人应用转换为整数值(二级数据)并与每个参数的阈值。应用程序同时不断更新扫描参数值和可视化中的值适应智能手机的窗口。应用程序工作在以下模式:(我)第一个模式同时实时监测和显示参数值通过一个智能手机,和一个传输这些值预期趋势的可能性。(2)第二个模式传输数据时异常/阈值检测。即系统监控和感觉异常参数值,然后这些数据传送到目的的趋势。

选择第二个模式帮助安排/节省时间与相关工作人员提出的系统。此外,这种模式节省了大量的能源;因此,它提供了更多的优势比以前作品(1,2,8,10,14]。开发应用程序还包括以下功能:(我)提供了一个平台基于主要的监测和显示测量参数分析和诊断(2)保存记录数据对时间审查活动在运动和锻炼(3)传输视频数据(图形和数值数据)或数值形式负责个人(医生应用程序)(iv)提供多个选择监控和传输数据(v)送病人位置通过GPS使用wi - fi和3 g以及警告其他个人运营商通过移动或/和互联网使用短信或/和WhatsApp,分别

2.3.2。医生应用程序

第二部分提供的医疗应用程序创建Android和屏幕窗口来显示从病人传播数据的应用程序。该组件允许医生或从保险公司负责人或医疗中心监视病人的情况并提供急救和诊断为关键的情况。门户网站要求用户名和ID /密码来保护隐私。web接口提供数据以视频形式(图形和数值数据)记录病人应用程序和/或数值数据的多个病人显示智能手机/ Android设备。

2.3.3。应用程序用户管理

应用程序界面和图标设计在一个简化的方式管理和使用容易被任何人,如图3。病人的菜单界面应用程序如图4。

2.4。自动报警器系统

设计系统生成一个自动报警器两种工作模式的健康应用程序时感觉到异常的一个或多个监控参数和传输数据使用两种预警的方法。

2.4.1。wi - fi和3 g预警方法

该方法用于应用程序模式的web接口传输数据趋势。智能手机的3 g网络是占主导地位的传输和接收数据通过wi - fi的Arduino由于默认wi - fi系统,如图5。

wi - fi是833年自动重新连接µ年代接收数据从应用程序Arduino送去看医生。提供wi - fi NAN,如在农村地区和地点远离卫生设施,该系统使用3 g网络提供的移动电话网络。通过系统生成的自动报警器接收web界面和通过声音和振动通知医生或运营商通过GPS与确定位置。

2.4.2。移动网络预警方法

这种方法被用来发送SMS警告消息中心如RMSPPS服务器,家庭,或医生。消息被显示为“我有发现异常情况;更多细节,请访问您的帐户在医生应用程序。“运营商的服务器/保险公司的电话号码和医生被确定之前在系统中。

图6显示了这一系列操作应用程序的工作机制,阈值识别和数据传输。应用程序的默认模式是模式1,而模式2中虚线被认为是作为一个用户选项。

2.5。确定阈值

提出系统的自动报警器的功能是基于阈值的确定监测生理参数,如人力资源,它反映了某些情况下的心电图异常和被认为是运动功能的指标(28]。在这项研究中,人力资源从心电图波形提取和计算算法的基础上提出了(25),确定基于工作的人力资源阈值(13,26]。

RR阈值定义在不同的范围取决于病人的采集方法和年龄(29日),被认为是作为一个指示器的各种症状,如心脏骤停,咳嗽,警觉性下降,可怜的喂养,咕哝着,发热(30.- - - - - -32]。平均观察RR 14.2(±4.17精度(SD))成年人每分钟呼吸(29日),低于平均RR 15.1 (±4.05 SD)每分钟呼吸衡量呼吸感应体积描记器(32]。在这项研究中,正常的RR监测老年人和成年人对象(年龄在20至50年)静止是每分钟呼吸次数从12到16每分钟呼吸。常见的RR异常限制如表所示2(30.,33]。

温度和热点;₂估算值测定范围,为病态定义(1,13]。表2显示目标参数的阈值的摘要。

2.6。系统测试

该系统受到大量的测试来确定远程监控和数据传输的准确性和可靠性。系统主要实现设计和评估功能需求在每个实现步骤。质量系统的性能测量计算精度。精度是由测量之间的协议(实验)值的系统和合格的设备的真正价值(病人监控模型tr6628 - 9500,东欧有限公司)在大学的生物医学工程实验室科技、也门。方程(2)演示了百分比误差计算,方程(3)显示百分比精度计算:

每个传感器的精度测量计算精度值获得的平均五个测量过程。然后,整个WS的总精度计算的平均总WS的测量准确性,如表所示3和4。

系统的可靠性测试和在不同时期举行。功耗长期使用均通过电池寿命充电时间(LCT)三种情况,即只提供工作电路、充电电路和智能手机同时(多样性),只提供智能手机(辅助),如表所示5。同样,系统的可靠性数据传输延迟时间与wi - fi和3 g检查。系统举行7连接/断开试验,考虑几个连接条件,如弱网络,覆盖范围,云服务器类型(见表6)。

3所示。结果

结果说明目前监控系统关键参数的成就与常见疾病相关,如人力资源、心电图,热点₂和温度,测量使用WS和Arduino电路和开发的应用程序在Android设备,如智能手机。病人应用遇到了接收的要求,处理,分析和传输数据预期趋势以及显示医生应用程序/ web界面。结果显示组织的主要成就。

图7显示了监测数据的界面显示,图形和数值形式表示。这些特性提升医疗保健人员、可读性等患者,医生,护士,和运营商。外部接口设计像一个病人的监测,反映出相同的功能和信息,但通过便携式设备。

结果显示自动报警器的成功生成系统在异常情况下,通过系统发送短信警告医生编写的应用程序通过声音和振动以及国旗吸引医生的注意。

图8展示了几个功能的系统设计,图8(一个)说明了通过网络接收手机短信的一个例子。因此,系统是用于跟踪病人,特别是当网络连接不可用。系统传输数据和/或录像获得异常病例的医生/运营商通过医生应用和WhatsApp,并显示他们在数据描述8 (b)和8 (d)。图8 (c)演示了通过GPS系统的能力来确定位置。

表3和4显示的结果精度测量评价通过比较我们的价值体系与标准的设备。精度测量计算的平均每个测量参数的准确性,和所有的精度测量平均作为整个系统的测量精度(99.25%)。

功耗测试的结果与时间显示足够的LCT的情况提供电路(4 h 21米30秒)。然而,在多样性的情况下,LCT很低,大约有45%的时间,如表所示5。

表6演示的结果所需的时间连接阶段,通过wi - fi和3 g系统传输数据。数据传输给医生应用程序的平均时间是18岁通过wi - fi通过3 g和70年代。平均延时少(14)与wi - fi网络与3 g网络相比(68年代)。因此,该系统可以达到目的,和报警响应时间取决于智能手机模型和网络速度。

最终的规格和我们的系统总结在表的特性7,最终设计如图9。

4所示。讨论

正确的结果提出系统出现明显和不干涉病人和医生的监控参数数据的应用程序。

接口中提供的功能显示在图形和数值形式(图7),区分该系统,克服的挑战在以前的工作在这个领域1,2,8,10,21]。此外,该系统包括其他功能,提高初级诊断提供急救,特别是同时临界情况下的多个病人。这些功能包括生成一个自动报警器,在多种形式传输数据。该系统还展品一般特性,比如将数据发送到社交媒体(WhatsApp)和确定病人通过GPS位置。

系统演示了一个令人满意的时间延迟(14)的数据传输通过wi - fi相比,最近提出了系统(30岁)[1]。通过3 g传输数据所需的时间是68年代由于低速测试中使用的区域,可以改善。3 g移动网络可以提供该系统长期实时监测达到一个广泛的覆盖范围。低功耗和可接受的与时间(4 h 21 m 30年代)是一个重要的功能,区分我们的系统。因此,使用更少的时间进行传输数据,与一个潜在的改进,和长时间操作使我们的系统优于其他系统在该领域的相关工作1,10,14]。

的结果结合墓场的主要需求和开发应用程序满足远程监控生理参数。这些需求包括设计一个了不起的成就和效率改进的准确实时传感、内化作用和显示以及低功耗。此外,系统达到辅助需求如舒适、兼容性、易用性,最小重量,体积小,负担能力,被认为是比所要求的在这样的系统3]。

尽管其特点和优势,系统应进一步发展和适应iPhone操作系统。也就是说,应用程序兼容Android设备,特别是Android操作系统从5.1.1版本。血压监测参数应该被添加到当前的五个参数的完整监控系统关键的情况下。在这项研究中,我们强调使用wi - fi而不是蓝牙智能手机发送数据是合理的,由于前的数据传输速度和最小功率消耗。因此,两个特征区分系统,满足实时监测的基本要求。

5。结论

墓场的使用在一个远程监控系统可以促进医疗服务,尤其是在农村地区老年人独自生活或有限或机构获得医疗服务。在这项研究中,基于智能手机的远程监控系统进行实时监控,并提供主要分析,诊断和治疗(即。同时,急救)。该系统有助于降低死亡率和慢性常见疾病相关重要参数的监测,如ECG-HR、热点₂、RR和温度。

该系统还具有的特性,使它优于其他系统,如应用程序功能,选择模式,自动报警器,报警器传输通过两种方法,安全的数据传输,和适当的形式显示这些数据同时对多个病人。此外,该系统满足主要的和辅助的需求。

因此,设计的系统提出了一种解决方案不仅为发展中国家的农村地区,也为所有类型的卫生保健设施。此外,系统将对经济有益的如果在大量生产,因为它会导致广泛的发展中国家的卫生服务网络的发展以及农村地区。

在未来,系统可以添加一个血压信号监测参数,因为它涉及到关键的情况下。此外,该系统将需要克服其局限性,如适应iPhone操作系统的设备,考虑到各种各样的人使用这种设备。

数据可用性

Arduino的Android应用程序代码,用于支持这项研究的结果已经存入RMSPPS存储库在GitHub的网站(https://github.com/adelalfusail/RMSPPS)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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