無線集散醫學監護系統的設計

 

無線集散醫學監護系統的設計

[日期：2008-8-20]

來源：電子技術應用  作者：武 麗 朱玉玉 蔡 波

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多參數監護儀是臨床護理中的重要裝置，該裝置可以監測病人的心電、血壓、血氧飽和度、呼吸速率、脈率和體溫等生理參數。目前，國內普遍使用帶有CRT或LCD顯示屏的攜帶型監護儀，該儀器能夠進行即時的資料和波形顯示，並且操作比較靈活，因此主要用於協助醫生診斷和分析病人的病情。然而由於其體積較大、耗電量高（接220V交流電或內建電池），因此不便於病人隨身攜帶，更無法同時對多個病人進行監護。本文設計的無線集散醫學監護系統可以彌補上述之不足。該系統由於採用三個獨立的OEM模組進行生理參數測量，每個模組分別和一個具有無線收發功能的控制顯示模組相連構成獨立的裝置，因此每個模組的耗電量大為減少，體積也相應減小。病人可以根據不同的需求選擇不同的模組使用，每個模組上的LCD顯示屏可以即時顯示測量訊號是否正常。所有這些模組都跟上位機進行無線資訊互動，PC機可以給每個模組註冊一個唯一的序號，並可以訪問每個模組的資訊，對該資訊進行儲存、分析、顯示、警示等，這樣就非常方便地實現了許多模組的擴充，即實現對多個病人的即時監護。
1 系統結構及工作原理
    該系統主要由硬體和軟體兩部分構成。硬體主要包括PC機和三種獨立的模組，即心電模組、血氧模組和血壓模組，這三種模組都是由OEM模組和控制顯示傳輸模組組成。心電模組主要用來測量心電、呼吸速率、體溫等參數；血氧模組主要用來測量血氧飽和度和脈率等參數；血壓模組用來測量血壓參數。軟體部分主要是上位機的中央監護軟體，包括資料庫部分和使用者介面。圖1是無線集散醫學監護系統的結構框圖。

 

    圖1中，各OEM模組都和PC機通過無線傳輸模組進行串口通訊來交換資訊。各OEM模組採集的資料在PC機上進行處理後被儲存。使用者可以在中央監護軟體介面上選擇任意模組查看即時採集來的資料或波形，軟體可對資料自動作出分析，發現異常及時發出警示訊號。
2 各模組功能與特點
2.1 控制顯示傳輸模組
    控制顯示傳輸模組以Atmega161單片機為核心，外接WGM-12864圖形LCD模組、按鍵和NRF903無線收發模組。其電路結構2所示。

 

    Atmega161是Atmel公司生產的一款低功耗CMOS RISC的8位單片機，其具有1MIPS/MHz的效能，16K位元組的FLASH,512位元組的EEPROM,1K位元組的儲存空間，35個通用I/O口，32個通用工作寄存器，三個定時器，內外中斷源，兩個可程式化的UART、SPI口以及三種可以通過軟體選擇的省電模式。
    WGM-12864B模組是單色圖形點陣液晶顯示模組，點陣數為64×128。其8位元據線與Atmega161的PA口相連，控制線和PC口的高6位相連，D/I表示資料匯流排上的訊號是點陣數還是控制命令字，R/W表示當前操作是讀或寫操作，E是使能控制端，RST是複位端，CS1、CS2是左右點陣區選端。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互動介面，控制相應的OEM模組。在工作模式下LCD可以顯示從OEM模組擷取的相關資料資訊。
    NRF903模組是無線收發模組。NRF903是NORDIC公司推出的單片無線收/發一體晶片，它採用Bluetooth（藍芽）核心技術設計，在一個32腳的晶片中包括了三段高頻發射、高頻接收、PLL合成、I/Q調製、I/Q解調、多頻道切換、非同步通訊介面等，其編程介面CFG_CLK（配置寄存器時鐘）、CFG_DATA(配置寄存器資料)、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進行編程設定。設定CS為高電平，來自單片機的14位控制字，在每個CFG_CLK編程模式時鐘訊號的上升沿，將CFG_DATA端上的邏輯值寫入組態寄存器，編程資訊被裝入，參數設定完成。STBY、PWR_DWN分別和Atmega161的PD6、PD5相連，可以設定為待機或掉電模式。資料介面DATA和Atmega161的一個UART1口相連，用來接收和發送資料。TXEN腳和PD7相連，用來控制資料的收發。
2.2  心電OEM模組
    心電OEM模組採用北京邁創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、呼吸速率、體溫等參數，具有如下特點：同步七通道心電波，四級程式控制增益，三級濾波方式（診斷方式、監護方式、手術方式），起博脈衝抑制功能，導聯脫落警示，心率範圍20～250BPM，抗除顫及電刀幹擾，阻抗呼吸，呼吸速率範圍5～99BPM；採用雙體溫測量，測量範圍為0～50°C,顯示精度0.1°C,測量精度0.2°C。與使用者的通訊介面為UART串口通訊方式，內部有兩種通訊協議：同步三通道心電協議與同步七通道心電協議,可以通過跳線選擇。同步三通道心電協議的特點為：19200傳輸速率，8位元據，1個起始位,一個停止位，無同位位元；同步七通道心電協議的特點為：28800傳輸速率，8位元據，1個起始位，一個停止位，無同位位元。可以通過MCU向該模組發送控制字，控制心電增益、濾波方式等；心電板向MCU傳送的資料，以1個位元組資料頭加若干位元組資料為一組，成組發送，其中資料頭為251～254，資料位元組為0～250。MCU可以對這些資料進行歸類儲存、分析、顯示並即時傳送給PC機。
2.3  血氧OEM模組
    血氧OEM模組採用北京邁創通元電子儀器有限公司的DIGISAT脈搏血氧模組。該模組通過TTL電平的UART口與MCU進行通訊。它可以提供如下資料：動脈血氧飽和度、脈率、體積掃描圖、棒圖、訊號強度和狀態資訊。它的通訊協議和BCI通訊協議相容，資料傳送傳輸速率為4800bps，傳送格式為：8位元據+同位位元+1個停止位。每秒鐘向MCU發送60個資料包，每個資料包為5個位元組。
2.4 血壓OEM模組
    血壓OEM模組採用北京邁創通元電子儀器有限公司的BTN602無創血壓測量模組。該模組也通過TTL電平的UART口與MCU進行通訊。其接收外部命令後，完成相應操作，返回系統狀態和相應資料。資料格式為：起始位+8位元據位+1位停止位，無同位位元，傳輸速率為4800bps。
3 軟體系統的設計——中央監護軟體
    該軟體採用VC語言進行設計。在同醫院以往管理系統結合的前提下，按照統一規範的原則，實現了新老系統的有機結合，充分保證了原有系統的獨立可靠性，實現了軟體結構的模組化和重構性。該系統首先需要管理員將入院病人資訊手工錄入到電腦系統，其中關鍵資訊儲存到中央資料庫伺服器中；然後對資料庫中的關鍵資料進行排序、統計、分類。按照類別把資料複製到各個部門的監護中樞資料庫中，當啟動監護需求時，開始對病人進行監護並記錄。病人的監護資料警示層級可根據監護需要進行調節。查詢時，可分別顯示關鍵資料和映像，並可對查詢的關鍵資料進行備忘，對映像進行批註，還可批量列印輸出關鍵資料和影像檔。其軟體系統結構3所示。

 

    系統的安全控制主要從三方面來保證:資料庫的安全性、影像檔的安全性、使用者權限的安全性。建立在NT Server上的資料庫伺服器SQL Server使使用者和資料庫操作人員登陸時都需要身分識別驗證。只有用資料庫使用者的帳號和密碼登陸的使用者才能管理和維護資料庫，使用者對不同的表有不同層級的許可權。檔案伺服器採用連接埠控制訪問，保證了檔案伺服器的安全性。
    系統軟體通過無線收發模組，採用輪詢的方式採集低端各模組資料，如果系統在查詢病人資訊時逾時，則跳過本模組查詢，進入其它模組的查詢，軟體會記錄查詢失敗次數，當查詢失敗次數超過一定的閾值後，系統會發出警示訊號。
參考文獻
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