無線集散醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計

?? 摘要：介紹一種能測量心電波、呼吸波、心率、呼吸率、體溫、脈率、血氧和血壓等多種生理參數(shù)的無線集散醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。通過三個獨立的OEM模塊分別和一個具有控制、顯示和無線收發(fā)功能的模塊連接，實現(xiàn)上述參數(shù)的測量以及和上位機(jī)的信息交互。該方案設(shè)計的系統(tǒng)具有體積小、便于攜帶、分散控制、集中管理、開發(fā)周期短、性能可靠、易于維護(hù)、便于升級等優(yōu)點。

多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀是臨床護(hù)理中的重要設(shè)備，該設(shè)備可以監(jiān)測病人的心電、血壓、血氧飽和度、呼吸率、脈率和全溫等生理參數(shù)。目前，國內(nèi)普遍使用帶有CRT或LCD顯示屏有便攜式監(jiān)護(hù)儀，該儀器能夠進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)和波形顯示，并且操作比較靈活，因此主要用于協(xié)助醫(yī)生診斷和分析病人的病情。然而由于其體積較大、耗電量高（接220V交流電或內(nèi)置電流），因此不便于病人隨身攜帶，更無法同時對多個病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)。本文設(shè)計的無線集散醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)坷以彌補(bǔ)上述之不足。該系統(tǒng)由于采用三個獨立的OEM模塊進(jìn)行生理參數(shù)測量，每個模塊分別和一個具有無線收發(fā)功能的控制顯示模塊相連構(gòu)成獨立的裝置，因此每個模塊的耗電量大為減少，何種也相應(yīng)減少。病人可以根據(jù)不同的需求選擇不同的模塊使用，每個模塊上的LCD顯示屏可以實現(xiàn)顯示測量信號是否正常。所有這些模塊都跟上位機(jī)進(jìn)行無線信息交互，PC機(jī)可以給每個模塊注冊一個唯一的序列號，并可以訪問每個模塊的信息，對該信息進(jìn)行存儲、分析、顯示、報擎等，這樣就非常方便地實現(xiàn)了許多模塊的擴(kuò)展，即實現(xiàn)對這多個病人的實時監(jiān)護(hù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

該系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件主要包括PC機(jī)和三種獨立的模塊，即心電模塊、血氧模塊和血壓模塊，這三種模塊都是由OEM模塊和控制顯示傳輸模塊組成。心電模塊主要用來測量心電、呼吸率、體溫等參數(shù)；血氧模塊主要用來測量血氧飽和脈率等參數(shù)；血氧模塊主要用來測量血氧飽和度和脈率等參數(shù)；血壓模塊用來測量血壓參數(shù)。軟件部分主要是上位機(jī)的中央監(jiān)護(hù)軟件，包括數(shù)據(jù)庫部分和用戶界面。圖1是無線集散醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1

??? 圖1中，各OEM模塊都和PC機(jī)通過無線傳輸模塊進(jìn)行串口通訊來交換信息。各OEM模塊采集的數(shù)據(jù)在PC機(jī)上進(jìn)行處理后被存儲。用戶可以在中央監(jiān)護(hù)軟件界面上選擇任意模塊查看實時采集來的數(shù)據(jù)或波形，軟件可對數(shù)據(jù)自動作出分析，發(fā)現(xiàn)異常及時發(fā)出報警信號。

2 各模塊功能與特點

2．1 控制顯示傳輸模塊

控制顯示傳輸模塊以Atmega161單片機(jī)為核心，外接WGM-12864圖形LCD模塊、按鍵和NRF903無線收發(fā)模塊。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Atmega161是Atmel公司生產(chǎn)的一款低功耗CMOS RISC的8位單片機(jī)，其具有1MIPS/MHz的性能，16K字節(jié)的FLASH，512字節(jié)的EEPROM，1K字節(jié)的存儲器，35個通用I/O口，32個通用工作寄存器，三個定時器，內(nèi)外中斷源，兩個可編程的UART、SPI口以及三種可以通過軟件選擇的節(jié)電模式。

WGM-12864B模塊是單色圖形點陣液晶顯示模塊，點陣數(shù)為64×128。其8位數(shù)據(jù)線與Atmega161的PA口相連，D/I表示數(shù)據(jù)總線上的信號是點陣數(shù)還是控制命令字，R/W表示當(dāng)前操作是讀或?qū)懖僮鳎珽是使能控制端，RST是復(fù)位端，CS1、CS2是左右點陣區(qū)選端。PC1、PC2、PB1、PB0為功能選擇鍵，可以和LCD一起形成菜單方式的人機(jī)交互界面，控制相應(yīng)的OEM模塊。在工作模式下LCD可以顯示從OEM模塊獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

NRF903模塊是無線收發(fā)模塊。NRF903是NORDIC公司推出的單片無線收/發(fā)一體芯片，它采用Bluetooth（藍(lán)牙）核心技術(shù)設(shè)計，在一個32腳的芯片中包括了三段高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、I/Q調(diào)制、I/Q解調(diào)、多頻道切換、異步通訊接口等，其編程接口CFG_CLK（配置寄存器時鐘）、CFG_DATA（配置寄存器數(shù)據(jù)）、CS（配置寄存器片選）分別和Atmega161的SPI口PB7（SCK）、PB5（MOSI）、PB4（SS）相連，可對工作頻率、通道、輸出功率和輸出時鐘頻率等參數(shù)進(jìn)行編程設(shè)置。設(shè)置CS為高電平，來自單片機(jī)的14位控制字，在每個CFG_CLK編程模式時鐘信號的上升沿，將CFG_DATA端上的邏輯值寫入組態(tài)寄存器，編程信息被裝入，參數(shù)設(shè)置完成。STBY、PWR_DWN分別和Atmega161的PD6、PD5相連，可以設(shè)置為待機(jī)或掉電模式。數(shù)據(jù)接口DATA和Atmega161的一個UART1口相連，用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。TXEN腳和PD7相連，用來控制數(shù)據(jù)的收發(fā)。

圖2

??? 2.2 心電OEM模塊

心電OEM模塊采用北京邁創(chuàng)通元電子儀器有限公司的BT007七通道心電板。BT007能夠自動測量人體的心電波、呼吸波、心率、呼吸等、體溫等參數(shù)，具有如下特點：同步七通道心電波，四級程控增益，三級濾波方式（診斷方式、監(jiān)護(hù)方式、手術(shù)方式），起博脈沖抑制功能，導(dǎo)聯(lián)脫落報警，心率范圍20～250BPM，抗除顫及電刀干擾，阻抗呼吸，呼吸率范圍5～99BPM；采用雙體溫測量，測量范圍為0～50℃，顯示精度0.1℃,測量精度0.2℃。與用戶的通訊接口與UART串口通訊方式，內(nèi)部有兩種通訊協(xié)議：同步三通道心電協(xié)議與同步七通道心電協(xié)議，可以通過跳線選擇。同步三通道心電協(xié)議的特點為：19200波特率，8位數(shù)據(jù)，1個起始位，一個停止位，無奇偶校驗位；同步七通道心電協(xié)議的特點為：28800波特率，8位數(shù)據(jù)，1個起始位，一個停止位，無奇偶校驗位?？梢酝ㄟ^MCU向該模塊發(fā)送控制字，控制心電增益、濾波方式等；心電板向MCU傳送的數(shù)據(jù)，以1個字節(jié)數(shù)據(jù)頭加若干字節(jié)數(shù)據(jù)為一組，成組發(fā)送，其中數(shù)據(jù)頭為251～254，數(shù)字字節(jié)為0～250。MCU可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類存儲、分析、顯示并實時傳送給PC機(jī)。

2.3 血氧OEM模塊

血氧OEM模塊采用北京邁創(chuàng)通元電子儀器有限公司的DIGISAT脈搏血氧模塊。該模塊通過TTL電平的UART口與MCU進(jìn)行通訊。它可以提供如下數(shù)據(jù)：動脈血氧飽和度、脈率、體積掃描圖、棒圖、信號強(qiáng)度和狀態(tài)信息。它的通訊協(xié)議和BCI通訊協(xié)議兼容，數(shù)據(jù)傳送波特率為4800bps，傳送格式為：8位數(shù)據(jù)+奇偶傳送波特率為4800bps，傳送格式為：8位數(shù)據(jù)+奇偶校驗位+1個停止位。每秒鐘向MCU發(fā)送60個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包為5個字節(jié)。

2.4 血壓OEM模塊

血壓OEM模塊采用北京邁創(chuàng)通元電子儀器有限公司的BTN602無創(chuàng)血壓測量模塊。該模塊也通過TTL電平的UART口與UCM進(jìn)行通訊。其接收外部命令后，完成相應(yīng)操作，返回系統(tǒng)狀態(tài)和相應(yīng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為：起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位，無奇偶校驗位，波特率為4800bps。

圖3

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計——中央監(jiān)護(hù)軟件

該軟件采用VC語言進(jìn)行設(shè)計。在同醫(yī)院以往管理系統(tǒng)結(jié)合的前提下，按照統(tǒng)一規(guī)范的原則，實現(xiàn)了新老系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，充分保證了原有系統(tǒng)的獨立可靠性，實現(xiàn)了軟件結(jié)構(gòu)的模塊化和重構(gòu)性。該系統(tǒng)首先需要管理員將入院病人信息手工錄入到計算機(jī)系統(tǒng)，其中關(guān)鍵信息保存到中央數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中；然后對數(shù)據(jù)庫中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行排序、統(tǒng)計、分類。按照類別把數(shù)據(jù)復(fù)制到各個部門的監(jiān)護(hù)中心數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)啟動監(jiān)護(hù)需求時，開始對病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)并記錄。病人的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)報警級別可根據(jù)監(jiān)護(hù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。查詢時，可分別顯示關(guān)鍵數(shù)據(jù)和圖像，并中對查詢的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行備注，對圖像進(jìn)行批注，還可批量打印輸出關(guān)鍵數(shù)據(jù)和圖像文件。其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)的安全控制主要從三方面來保證：數(shù)據(jù)庫的安全性、圖像文件的安全性、用戶權(quán)限的安全性。建立在NT Server上的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器SQL Server使用戶和數(shù)據(jù)庫操作人員登陸時都需要身份驗證。只有用數(shù)據(jù)庫用戶的帳號和密碼登陸的用戶才能管理和維護(hù)數(shù)據(jù)庫，用戶對不同的表有不同級別的權(quán)限。文件服務(wù)器采用端口控制訪問，保證了文件服務(wù)器的安全性。

系統(tǒng)軟件通過無線收發(fā)模塊，采用輪詢的方式采集低端各模塊數(shù)據(jù)，如果系統(tǒng)在查詢病人信息時超時，則跳過本模塊查詢，進(jìn)入其它模塊的查詢，軟件會記錄查詢失敗次數(shù)，當(dāng)查詢失敗次數(shù)超過一定的閾值后，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號。