無(wú)線集散醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種能測(cè)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(wú)線集散醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。通過(guò)三個(gè)獨(dú)立的OEM模塊分別和一個(gè)具有控制、顯示和無(wú)線收發(fā)功能的模塊連接，實(shí)現(xiàn)上述參數(shù)的測(cè)量以及和上位機(jī)的信息交互。該方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有體積小、便于攜帶、分散控制、集中管理、開(kāi)發(fā)周期短、性能可靠、易于維護(hù)、便于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞：OEM模塊 無(wú)線收發(fā)模塊 UART協(xié)議 中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

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(cè)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(guó)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(shí)時(shí)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(wú)法同時(shí)對(duì)多個(gè)病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)。本文設(shè)計(jì)的無(wú)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(gè)獨(dú)立的OEM模塊進(jìn)行生理參數(shù)測(cè)量，每個(gè)模塊分別和一個(gè)具有無(wú)線收發(fā)功能的控制顯示模塊相連構(gòu)成獨(dú)立的裝置，因此每個(gè)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(gè)模塊上的LCD顯示屏可以實(shí)現(xiàn)顯示測(cè)量信號(hào)是否正常。所有這些模塊都跟上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線信息交互，PC機(jī)可以給每個(gè)模塊注冊(cè)一個(gè)唯一的序列號(hào)，并可以訪問(wèn)每個(gè)模塊的信息，對(duì)該信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、顯示、報(bào)擎等，這樣就非常方便地實(shí)現(xiàn)了許多模塊的擴(kuò)展，即實(shí)現(xiàn)對(duì)這多個(gè)病人的實(shí)時(shí)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(dú)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(lái)測(cè)量心電、呼吸率、體溫等參數(shù)；血氧模塊主要用來(lái)測(cè)量血氧飽和脈率等參數(shù)；血氧模塊主要用來(lái)測(cè)量血氧飽和度和脈率等參數(shù)；血壓模塊用來(lái)測(cè)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(kù)部分和用戶界面。圖1是無(wú)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(guò)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行串口通訊來(lái)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(chǔ)。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(shí)時(shí)采集來(lái)的數(shù)據(jù)或波形，軟件可對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)作出分析，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 各模塊功能與特點(diǎn)

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(wú)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(chǔ)器，35個(gè)通用I/O口，32個(gè)通用工作寄存器，三個(gè)定時(shí)器，內(nèi)外中斷源，兩個(gè)可編程的UART、SPI口以及三種可以通過(guò)軟件選擇的節(jié)電模式。

WGM-12864B模塊是單色圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，點(diǎn)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(hào)是點(diǎn)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(diǎn)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(wú)線收發(fā)模塊。NRF903是NORDIC公司推出的單片無(wú)線收/發(fā)一體芯片，它采用Bluetooth（藍(lán)牙）核心技術(shù)設(shè)計(jì)，在一個(gè)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(shí)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(duì)工作頻率、通道、輸出功率和輸出時(shí)鐘頻率等參數(shù)進(jìn)行編程設(shè)置。設(shè)置CS為高電平，來(lái)自單片機(jī)的14位控制字，在每個(gè)CFG_CLK編程模式時(shí)鐘信號(hào)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(gè)UART1口相連，用來(lái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。TXEN腳和PD7相連，用來(lái)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(dòng)測(cè)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(diǎn)：同步七通道心電波，四級(jí)程控增益，三級(jí)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(bào)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(cè)量，測(cè)量范圍為0～50℃，顯示精度0.1℃,測(cè)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(guò)跳線選擇。同步三通道心電協(xié)議的特點(diǎn)為：19200波特率，8位數(shù)

據(jù)，1個(gè)起始位，一個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位；同步七通道心電協(xié)議的特點(diǎn)為：28800波特率，8位數(shù)據(jù)，1個(gè)起始位，一個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位�？梢酝ㄟ^(guò)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(gè)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(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類存儲(chǔ)、分析、顯示并實(shí)時(shí)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(guò)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(dòng)脈血氧飽和度、脈率、體積掃描圖、棒圖、信號(hào)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(yàn)位+1個(gè)停止位。每秒鐘向MCU發(fā)送60個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包為5個(gè)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(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量模塊。該模塊也通過(guò)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(wú)奇偶校驗(yàn)位，波特率為4800bps。

圖3

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

該軟件采用VC語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(shí)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(dú)立可靠性，實(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中關(guān)鍵信息保存到中央數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中；然后對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行排序、統(tǒng)計(jì)、分類。按照類別把數(shù)據(jù)復(fù)制到各個(gè)部門的監(jiān)護(hù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)啟動(dòng)監(jiān)護(hù)需求時(shí)，開(kāi)始對(duì)病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)并記錄。病人的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)報(bào)警級(jí)別可根據(jù)監(jiān)護(hù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。查詢時(shí)，可分別顯示關(guān)鍵數(shù)據(jù)和圖像，并中對(duì)查詢的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行備注，對(duì)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(lái)保證：數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)服務(wù)器SQL Server使用戶和數(shù)據(jù)庫(kù)操作人員登陸時(shí)都需要身份驗(yàn)證。只有用數(shù)據(jù)庫(kù)用戶的帳號(hào)和密碼登陸的用戶才能管理和維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶對(duì)不同的表有不同級(jí)別的權(quán)限。文件服務(wù)器采用端口控制訪問(wèn)，保證了文件服務(wù)器的安全性。

系統(tǒng)軟件通過(guò)無(wú)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(shí)超時(shí)，則跳過(guò)本模塊查詢，進(jìn)入其它模塊的查詢，軟件會(huì)記錄查詢失敗次數(shù)，當(dāng)查詢失敗次數(shù)超過(guò)一定的閾值后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

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