體溫、心率和呼吸頻率等三項生理參數(shù)是人體最重要、最基本的生命體征。對傷病人員進行多項生命體征的監(jiān)測有利于對其進行及時有效的治療處理，但目前我國大部分監(jiān)護系統(tǒng)都是人工床邊監(jiān)護和有線方式床邊監(jiān)護，前者浪費人力，可靠性低；后者成本高，布線困難。這就迫切需要一種既能夠可靠監(jiān)護病人，又能節(jié)約人力物力的監(jiān)護方式。本文介紹的無人值守病房監(jiān)護系統(tǒng)正是為滿足這樣的需要而設(shè)計，該系統(tǒng)采用生物醫(yī)學(xué)傳感器對病人的體溫、心率(脈搏)、呼吸頻率等生理參數(shù)進行實時檢測，并將檢測數(shù)據(jù)通過無線射頻模塊發(fā)送給監(jiān)控中心，實時監(jiān)測病人的身體情況，不但節(jié)省了人力物力，提高了醫(yī)院醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量、醫(yī)院管理水平，并且安裝方便、成本低、使用簡單。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
無人值守病房監(jiān)護系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器、無線射頻模塊SM50、監(jiān)控計算機等部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
佩戴在病人身上的數(shù)據(jù)采集器集心率傳感器、呼吸頻率傳感器以及溫度傳感器等多種生物醫(yī)學(xué)傳感器于一體，它可以實時監(jiān)測病人的心率、呼吸頻率以及體溫等生理體征參數(shù)，并通過鐵電存儲器記錄數(shù)據(jù)的采集時間，然后通過無線射頻模塊SM50實時發(fā)送到中心病房監(jiān)控計算機。如果某個病房發(fā)送數(shù)據(jù)的某項指標出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會報警提醒監(jiān)控人員對相關(guān)病人采取及時地處理措施，從而比較及時的對病人治療，保證了病人的安全并提高了監(jiān)控效率。當(dāng)然，監(jiān)控人員也可對監(jiān)控計算機數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)索引，有針對性地對某些病人的生理體征參數(shù)進行分析，及時更改治療手段或者提前對病癥進行有效的防控，進而最大限度上保證了病人的權(quán)益。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計
數(shù)據(jù)采集器佩戴在病人身上，主要完成對病人生理體征參數(shù)的采集、處理和存儲等功能，由傳感器電路、微處理器以及鐵電存儲器等部分組成。傳感器包括溫度傳感器DSl8820、HK-2000A型集成化脈搏傳感器、HXB-2型壓電呼吸傳感器以及其他待擴展傳感器，微處理器選用了PLILIPS公司的高速、低功耗、8位FLASH單片機LPC932，鐵電存儲器選用RAMTRON公司集成時鐘電路的FM31256。數(shù)據(jù)采集器電氣原理圖如圖2所示。
將連接到數(shù)據(jù)采集器上的數(shù)字溫度傳感器DSl8B20、HK-2000A型集成化脈搏傳感器和HXB-2型壓電呼吸傳感器分別按要求安裝到病人身體的相關(guān)部位，然后開啟數(shù)據(jù)采集器，開始采集病人的體征參數(shù)，連同數(shù)據(jù)采集的時間一并存入鐵電存儲器FM31256，同時啟動無線射頻模塊SM50，實時地將病床號、采集時間以及監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送出去，紅指示燈D3閃爍標示數(shù)據(jù)傳輸成功。當(dāng)供電電池電壓不足，單片機LPC932會發(fā)生比較中斷，這時黃指示燈D4會閃爍指示，提醒工作人員更換電池，提高了數(shù)據(jù)采集器的工作可靠性。
2．2 無線射頻模塊SM50的使用
上海桑博電子科技有限公司提供SM50模塊提供兩個串口，COMl(CONl的Pin3、Pin4)固定為TLL電平的UART串行口；COM2(C0Nl的Pin6、Pin7)可通過跳線J2的D位來選擇接口方式，包括RS 485和RS 232兩種。本設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集器和SM50之間為TTL電平，而監(jiān)控計算機與SM50間為RS 232。SM50模塊提供1 200 b／s，2 400 b／s，4 800 b／s，9 600 b／s，19 200 b／s等接口波特率，波特率的設(shè)定可通過改變模塊反面的J2跳線B,C的狀態(tài)來確定。模塊工作電壓為+3．3～+5．5 V。為有效節(jié)約功耗，模塊可設(shè)置為休眠狀態(tài)。使用SM50最大的優(yōu)點是微功耗（對人體特別是嬰兒沒有傷害）。
3 通信協(xié)議的設(shè)計
無線通信系統(tǒng)中，由于供電、空間噪聲以及傳輸路徑等因素的影響，數(shù)據(jù)傳播過程中很容易受到干擾，造成通信失敗，因而需要設(shè)計一種傳輸協(xié)議，保證在這種不可靠的物理鏈路上建立起可靠的數(shù)據(jù)連接。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集器與監(jiān)控計算機是一個簡單的多點對一點通信。
3．1 波特率設(shè)置及通信方式的選擇
考慮到無線射頻模塊SM50自身的特點并兼顧到數(shù)據(jù)通信的速度和穩(wěn)定性，本設(shè)計采用9 600 b／s。由于通信是多對一的關(guān)系，串口選擇工作方式3。
3．2 數(shù)據(jù)校驗方式的確定
使用無線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時，很容易遇上干擾，使傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致傳輸錯誤。考慮到系統(tǒng)的實際要求，本設(shè)計采用8位的CRC(循環(huán)冗余校驗)校驗方式。
CRC校驗和的計算是一種循環(huán)計算。從數(shù)學(xué)角度看，CRC校驗和是用生成多項式(算法規(guī)則)去除一個多項式(由數(shù)據(jù)塊表示)，CRC校驗為相除后所得的余項。CRC校驗是對要傳送的一個數(shù)據(jù)塊附加一些校驗位這些校驗位(CRC校驗位)由該數(shù)據(jù)塊算出，并隨同數(shù)據(jù)塊一并傳送。在接收端，對收到的數(shù)據(jù)塊重新按規(guī)定的算法計算CRC校驗和，從而可以判別數(shù)據(jù)傳輸過程是否出錯。
本系統(tǒng)中的CRC校驗子程序如下：
3．3 通信數(shù)據(jù)的編碼
為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏蚀_性，本設(shè)計采用的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。其中，前兩字節(jié)為起始同步信號，地址碼占用一個字節(jié)(O～255)，用它來標示不同床位號；待發(fā)數(shù)據(jù)包括：心率(1 B)、呼吸頻率(1 B)、體溫(2 B)和采集時間(7 B)；校驗碼為8位的CRC校驗碼。傳輸順序為：心率、呼吸頻率、體溫(高位在前，低位在后)、采集時間(依次為：秒、分、小時、日、月、年)；當(dāng)發(fā)送應(yīng)答命令時，待發(fā)數(shù)據(jù)為2 B的0xcc或者0xBB。
4 計算機軟件系統(tǒng)設(shè)計
在Windows操作平臺上采用可視化程序設(shè)計語言Visual Basic：設(shè)計系統(tǒng)的Database Server，Visual Basic是面向?qū)ο蟮目梢暬焖賾?yīng)用開發(fā)工具，具有功能強大、界面友好、簡便易用和代碼執(zhí)行速度快等優(yōu)點。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)索引、系統(tǒng)設(shè)置、報表等功能。根據(jù)病人病情的不同，醫(yī)生可以制訂不同的監(jiān)測標準。圖3是系統(tǒng)操作界面的截圖(包含部分實驗數(shù)據(jù))。
5 結(jié)語
基于無線射頻技術(shù)的無人值守病房監(jiān)護系統(tǒng)省略了復(fù)雜的布線，安裝方便、操作簡單、工作可靠、故障率低、易于維護，一旦進入實用階段必將為醫(yī)院節(jié)省經(jīng)營成本，提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量和管理水平，最終使患者及醫(yī)務(wù)人員真正受益，這對于加快我國醫(yī)院的智能化建設(shè)進程具有重要意義。
摘電子工程專集
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