唐　璐, 田傳耕, 吳　響, 張　立

(1. 徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院, 江蘇 徐州　221004；2. 徐州工程學(xué)院 信電工程學(xué)院, 江蘇 徐州　221018)

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ICU生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐璐1, 田傳耕2, 吳響1, 張立1

(1. 徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院, 江蘇 徐州221004；2. 徐州工程學(xué)院 信電工程學(xué)院, 江蘇 徐州221018)

為提高醫(yī)學(xué)類院校工科學(xué)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力,實(shí)現(xiàn)醫(yī)工結(jié)合,設(shè)計(jì)開發(fā)了一套ICU生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的組成與工作原理、硬件設(shè)計(jì)方案以及軟件開發(fā)工作,使傳統(tǒng)護(hù)士的“記、聽、看”模式變?yōu)橐罁?jù)手機(jī)提示工作的新型模式。該系統(tǒng)應(yīng)用于電子課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中,既豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,又提高了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)與技能的綜合運(yùn)用能力以及科研創(chuàng)新能力。

臨床監(jiān)護(hù)； 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)； 互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

監(jiān)護(hù)是醫(yī)院對(duì)患者進(jìn)行臨床診斷的常用手段之一,它能夠?qū)Σ∪说男穆?、心律、呼吸、血壓、血氧飽和度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。在重癥監(jiān)護(hù)室(ICU),每天每位患者平均可出現(xiàn)150～400次報(bào)警,有些甚至高達(dá)700次報(bào)警[1-2]。Gross等研究表明,普通病房里的監(jiān)護(hù)患者平均每天也可產(chǎn)生95.6次報(bào)警[3]。有些病人難以承受監(jiān)測(cè)儀器發(fā)出的報(bào)警聲音。

在ICU中,醫(yī)護(hù)人員需要實(shí)時(shí)了解病人的生命體征參數(shù)等信息,患者在需要幫助時(shí)要能及時(shí)呼叫醫(yī)護(hù)人員,但是也要減少各種噪音,給病人提供一個(gè)安靜的環(huán)境。為此,結(jié)合臨床醫(yī)學(xué)實(shí)際需求,綜合運(yùn)用臨床醫(yī)學(xué)概論、單片機(jī)原理[4]、無線傳感網(wǎng)技術(shù)[5-6]、C#、Java軟件開發(fā)等相關(guān)知識(shí),設(shè)計(jì)了一個(gè)ICU生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了醫(yī)學(xué)、工學(xué)等相關(guān)課程的結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科研能力。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由感知終端、中繼節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、監(jiān)護(hù)終端構(gòu)成。

1.1感知終端

感知終端需要實(shí)時(shí)采集臨床人體的特征信息。在感知終端的開發(fā)設(shè)計(jì)中,學(xué)生需要綜合運(yùn)用臨床醫(yī)學(xué)概論、單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理等相關(guān)知識(shí)。感知終端的主要功能有:

(1) 通過CC2530[7]獲取ECG心電電壓信號(hào),將采集的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波,對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣,實(shí)現(xiàn)從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上；

(2) 通過CC2530控制實(shí)現(xiàn)紅光與紅外光的切換,根據(jù)氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對(duì)紅光和紅外光的吸收量不同計(jì)算出血氧飽和度值;采集脈搏/血氧信號(hào),實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上；

(3) 通過按鍵可以選擇感知終端的復(fù)位,進(jìn)行心電采集與脈搏/血氧采集之間的切換；

(4) 監(jiān)護(hù)中能夠計(jì)算出心電脈搏的正常閾值,若超過閾值,系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別并提示醫(yī)護(hù)人員。

1.2中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)

將感知終端實(shí)時(shí)采集到的人體特征信息通過無線的方式直接發(fā)送或通過中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可配置的預(yù)處理工作,然后將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器,由服務(wù)器對(duì)這些人體特征相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并向監(jiān)護(hù)終端發(fā)送數(shù)據(jù)。因此,學(xué)生需要將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、Contiki操作系統(tǒng)、IPv6[8-9]的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行交叉運(yùn)用,按照教師提供的通信協(xié)議完成中繼節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。

1.3監(jiān)護(hù)終端

監(jiān)控終端包括PC監(jiān)護(hù)終端和手機(jī)監(jiān)護(hù)終端。護(hù)士不僅可以在護(hù)士站通過PC監(jiān)護(hù)終端實(shí)時(shí)觀察病人的特征信息,還可在任何地方通過手機(jī)監(jiān)護(hù)終端監(jiān)護(hù)病人。PC監(jiān)護(hù)終端軟件的開發(fā)采用的是Microsoft Visual Studio 2010,采用SQL Server2005設(shè)計(jì)。被監(jiān)護(hù)者的信息包括節(jié)點(diǎn)ID、姓名、性別、年齡、聯(lián)系方式、備注信息；監(jiān)測(cè)信息包括心電信號(hào)、每分鐘脈搏數(shù)、脈搏強(qiáng)度、血氧飽和度等。手機(jī)監(jiān)護(hù)終端界面以Eclipse為框架,使用C#、Java語(yǔ)言來編寫應(yīng)用程序、完成開發(fā)設(shè)計(jì)。由于C#、Java語(yǔ)言為課外選修課,學(xué)生掌握的程度不同,所以人機(jī)交互界面的全部代碼公開給學(xué)生,給對(duì)Android系統(tǒng)開發(fā)感興趣的學(xué)生提供良好的開發(fā)平臺(tái),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1感知終端設(shè)計(jì)

感知終端的主要構(gòu)成如圖1所示。TI公司的CC2530芯片集成了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051微控制器,其組網(wǎng)靈活、能耗低,可根據(jù)不同的應(yīng)用組建不同的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)可兼具路由與終端的功能,提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,可很好地完成無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。為了提高CC2530的無線傳輸性能,在CC2530模塊發(fā)射前端增加了功率放大芯片RFX2401。

圖1　生命體征感知終端硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.1心電采集

為了使CC2530可以準(zhǔn)確獲取ECG的電壓采集序列,需要由放大電路和濾波電路構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路完成對(duì)原始信號(hào)的放大和濾波。圖2是心電采集模塊的實(shí)物圖,其中U9、U10、U11是利用貼片電極,通過三聯(lián)導(dǎo)的方式采集人體心電信號(hào)序列電路圖,通過心電采集模塊的放大、濾波、去噪等處理,轉(zhuǎn)換成CC2530可以處理的電信號(hào)。在CC2530內(nèi)部利用12位A/D轉(zhuǎn)換器,對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣,實(shí)現(xiàn)從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

圖2　三聯(lián)導(dǎo)心電采集模塊

2.1.2脈搏/血氧采集

氧合血紅蛋白對(duì)可見紅光吸收較多,還原血紅蛋白對(duì)紅外線吸收較多。用分光光度法測(cè)定紅外線吸收量與紅光吸收量的比值即能直接確定血液的氧合程度。圖3為脈搏/血氧采集電路圖,圖3(a)中電路由2個(gè)9012三極管、2個(gè)9013三極管和6個(gè)電阻構(gòu)成。圖3(b)中U8的管腳5與圖3(a)的RED相連接收紅光,圖3(b)中U8的管腳6與圖3(a)的INFRARED相連接收紅外光,CC2530處理器通過控制該電路的通斷模式來實(shí)現(xiàn)紅光與紅外光的切換,從而根據(jù)氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對(duì)紅光和紅外光的吸收量不同計(jì)算出血氧飽和度值。

圖3　脈搏/血氧采集電路圖

2.1.3功能按鍵

功能按鍵部分主要包括3個(gè)10 kΩ限流電阻、3個(gè)非自鎖按鍵、3個(gè)0.1 μF的電容(見圖4)。按鍵模塊的功能是實(shí)現(xiàn)感知節(jié)點(diǎn)的復(fù)位、心電采集以及脈搏/血氧采集之間的切換,通過配置CC2530內(nèi)部的寄存器實(shí)現(xiàn)按鍵觸發(fā)中斷事件,根據(jù)重新組織的邏輯關(guān)系,實(shí)現(xiàn)不同按鍵觸發(fā)感知節(jié)點(diǎn)不同的采集功能。

圖4　功能按鍵模塊原理圖

2.1.4液晶顯示

為使心電圖和脈搏/血氧波形圖能夠及時(shí)顯示出來,采用了12864液晶作為顯示界面。該模塊具有靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令,具有全中文人機(jī)交互圖形界面,也可完成圖形顯示。12864液晶工作溫度為0～55 ℃,存儲(chǔ)溫度為-20～60 ℃,無需外加負(fù)壓、無需片選信號(hào),簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)過程。

2.2中繼節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

將感知終端的信息通過近距離無線多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后通過以太網(wǎng)總線將其發(fā)送到監(jiān)護(hù)終端。中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)模塊也選用CC2530芯片。該芯片具有51內(nèi)核,自帶IEEE802.15.4協(xié)議,組網(wǎng)靈活。網(wǎng)關(guān)軟件采用Contiki操作系統(tǒng)和與其配套的輕量級(jí)IPv6協(xié)議棧[10],能有效保證服務(wù)器和監(jiān)控終端之間數(shù)據(jù)的透明傳輸。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

感知終端上電后,首先完成協(xié)議棧的初始化,節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò),顯示感知終端ID號(hào),準(zhǔn)備臨床生命特征信息的采集。按下功能按鍵后,感知終端進(jìn)入實(shí)時(shí)采集狀態(tài)。在感知終端工作的過程中,會(huì)對(duì)患者不同的體征信號(hào)設(shè)置不同的采集周期,通過設(shè)置不同的計(jì)數(shù)延遲實(shí)現(xiàn)。感知終端將采集到的生命特征信息顯示在本地感知終端的顯示屏上,實(shí)時(shí)發(fā)送到PC監(jiān)護(hù)終端并推送到手機(jī)監(jiān)護(hù)終端。手機(jī)監(jiān)護(hù)終端和PC監(jiān)護(hù)終端也可以主動(dòng)向數(shù)據(jù)中心請(qǐng)求生命特征信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用休眠機(jī)制來降低節(jié)點(diǎn)的功耗,喚醒休眠的事件有定時(shí)器和按鍵。感知終端具體工作流程如圖5所示。

圖5　感知終端軟件工作流程

4　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

ICU生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)有PC監(jiān)護(hù)終端和Android系統(tǒng)的手機(jī)監(jiān)護(hù)終端。PC監(jiān)護(hù)終端通過計(jì)算機(jī)監(jiān)護(hù)；基于Android的手機(jī)監(jiān)護(hù)終端可以通過GPRS、Wi-Fi、3G等網(wǎng)絡(luò)接入Internet,以Eclipse和Android SDK來搭建開發(fā)環(huán)境,使用Java語(yǔ)言來編寫應(yīng)用程序[11]。用戶輸入用戶名和密碼登錄系統(tǒng),進(jìn)入監(jiān)護(hù)界面。

點(diǎn)擊“心電”按鈕進(jìn)入心電監(jiān)護(hù)界面。圖6(a)為心電信號(hào)采集,包括生命體征感知終端采集心電、PC監(jiān)護(hù)終端采集心電、手機(jī)監(jiān)護(hù)終端采集心電。

點(diǎn)擊脈搏強(qiáng)度按鈕可進(jìn)入脈搏/血氧監(jiān)護(hù)界面。圖6(b)為脈搏/血氧采集,包括生命體征感知終端采集脈搏/血氧,PC監(jiān)護(hù)終端采集脈搏/血氧,手機(jī)監(jiān)護(hù)終端采集脈搏/血氧。

圖6　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種ICU生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng),系統(tǒng)通過單片機(jī)技術(shù)、Android開發(fā)技術(shù)、無線傳感網(wǎng)等技術(shù)與臨床實(shí)際結(jié)合,有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能和學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生的專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用能力和科研創(chuàng)新能力。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,用戶使用Android智能手機(jī)可監(jiān)測(cè)病人的生命體征信號(hào)(如心電和脈搏/血氧),并且監(jiān)測(cè)結(jié)果正確,使用性能穩(wěn)定可靠。

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Design and realization of experiments for ICU life signs monitoring system

Tang Lu1, Tian Chuangeng2, Wu Xiang1, Zhang Li1

(1. School of Medical Imaging,Xuzhou Medical University,Xuzhou 221004, China；2. School of Information and Electrical Engineering, Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou 221018, China)

In order to improve the engineering practical innovative ability of engineering students in medical colleges,realizing the combination of medicine and engineering, a set of ICU life signs monitoring system is designed and developed. This paper introduces the components and working principle,system hardware design scheme and software development work. So that the traditional nurse’s “Remenbering-Listening-Seeing” mode becomes the basis of “Mobile Phone Prompts Work” new mode. The system is applied in the practical teaching of electronic course design,which not only enriches the content of experiment teaching,but also improves the ability of comprehensive utilization of professional knowledge and skills,and the ability of scientific research and innovation.

clinical care; remote monitoring system; Internet application

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.036

現(xiàn)代教育技術(shù)

2016-02-15

江蘇省科學(xué)技術(shù)廳產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金項(xiàng)目(BY2014033)；徐州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(KC15SH013)

唐璐(1982—),女,江蘇徐州,碩士,講師,主要從事生物醫(yī)學(xué)工程教學(xué)科研工作.

E-mail：xztanglu@163.com

TP393

A

1002-4956(2016)9-0140-04