高明亮

(沈陽工程學(xué)院自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，心血管疾病已經(jīng)成為全球危害人們健康最主要疾病之一，心血管疾病發(fā)作時主要特點是：突發(fā)性、搶救有效時間短而且致死率極高。在日常生活中，如果突發(fā)心臟病且在發(fā)病時不能及時發(fā)現(xiàn)送往醫(yī)院治療，將直接導(dǎo)致發(fā)病人員死亡[1,2]。

多功能心電監(jiān)護儀對于心率過緩、心律失常、心率過速等癥狀均有明顯的監(jiān)測作用，貫穿于重癥患者整個心血管治療的全周期。傳統(tǒng)的床頭多功能心電監(jiān)護儀，價格較為昂貴，并且體積龐大，只能放于床頭不便于移動并且分散在醫(yī)院各個病房當(dāng)中，不僅不利于醫(yī)護人員的實時檢查，還會給患者造成困擾[3,4]。因此，本文首先結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)代遠(yuǎn)程醫(yī)療中央監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計思想，將電子和計算機等信息技術(shù)融入到醫(yī)療領(lǐng)域，最終設(shè)計一套智能化的遠(yuǎn)程醫(yī)療中央監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低功耗、低成本和工作穩(wěn)定等優(yōu)點。由于設(shè)計過程中，系統(tǒng)預(yù)留出了一定的擴展接口，使得本系統(tǒng)具有可擴展性。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計思想

本文設(shè)計了一套遠(yuǎn)程醫(yī)療中央監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠幫助醫(yī)護人員遠(yuǎn)程集中觀察多名患者生命指征參數(shù)，不僅可以提高醫(yī)院醫(yī)護人員的工作效率，而且還可以集中監(jiān)護觀察多名患者的生命指征參數(shù)，方便醫(yī)生和護士隨時了解各個住院患者的病情，能夠及時給予藥物治療。

本系統(tǒng)選用一臺計算機作為遠(yuǎn)程監(jiān)護的中央站(上位機)，若干個多功能監(jiān)護設(shè)備作為系統(tǒng)的終端裝置(下位機)。下位機的主要作用是對被監(jiān)護者的生命指征參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，同時將采集過來的數(shù)據(jù)實時準(zhǔn)確地傳輸?shù)缴衔粰C中；上位機接收各終端設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)，并且存儲與顯示出來。醫(yī)生和護士通過集中觀察上位機的數(shù)據(jù)信息，能夠及時了解各個患者病情，并有效的調(diào)整治療方案，該系統(tǒng)的上位機還可以向各個終端設(shè)備發(fā)送控制指令。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要分為終端監(jiān)測裝置與遠(yuǎn)程監(jiān)護的中央站兩大部分。圖2為終端監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)圖，該裝置核心控制芯片選用了TI公司的MSP430單片機，相比于傳統(tǒng)的51單片機，該芯片的使用可提高整個裝置的性能，降低裝置的功耗。與MSP430相連的有各種監(jiān)測傳感器電路，來測量生命指征參數(shù)；該裝置可以用鍵盤設(shè)定閾值，參數(shù)不在正常范圍時，則啟動聲光報警電路；終端裝置測得的數(shù)據(jù)都要通過顯示模塊顯示出來，同時通過串行通信把數(shù)據(jù)傳輸給上位機。

圖2 人體生命體征采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位機部分主要用一臺計算機，在上位機中設(shè)計上位機軟件，實現(xiàn)上位機與各個終端監(jiān)測裝置遠(yuǎn)程通信。各個生命體征參數(shù)會存儲在上位機中，同時在上位機界面中顯示出來。

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 終端監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)采集

1) 指端脈率的采集

指端脈率的采集中選擇DB-18傳感器，心臟跳動時，血管充盈度會發(fā)生變化，DB-18將這種變化轉(zhuǎn)換為電信號，并傳給MSP430，完成數(shù)據(jù)采集。具體電路如圖3所示。

圖3 脈搏傳感器接口電路圖

DB-18輸出波形是方波信號，利用單片機的定時計數(shù)器測得60s內(nèi)脈沖的數(shù)目，從而得到指端脈率。

2) 血氧飽和度的采集

測量原理：測量時，將傳感器套在人手指上，利用手指作為盛裝血紅蛋白的透明容器，使用紅光和近紅外光作為射入光源，測定通過組織床的光傳導(dǎo)強度，從而通過單片機計算血紅蛋白濃度及血氧飽和度。

本系統(tǒng)采用sws01型血氧飽和度測量模塊，能夠?qū)ρ躏柡投冗M行快速準(zhǔn)確地測量。

3) 呼吸波形的采集

本系統(tǒng)采用HXB-2型呼吸傳感器模塊。當(dāng)人體呼吸時，腹部會產(chǎn)生波動，這種波動對傳感器產(chǎn)生外部壓力，導(dǎo)致內(nèi)部兩電容極板發(fā)生相對位移，從而對電容的大小產(chǎn)生影響。這里對傳感器輸出波形進行采集，通過單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)字量數(shù)據(jù)傳送到上位機中，存儲并還原出呼吸波形。呼吸傳感器與單片機接口如圖4所示。

圖4 呼吸傳感器接口電路圖

4) 心電波形的采集

在本系統(tǒng)中，心電波形的采集，是通過對人體標(biāo)準(zhǔn)三導(dǎo)聯(lián)信號的采集以及放大濾波等處理，最終將信號傳至單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。心電波形采集電路主要是模擬信號的采集。模擬信號的采集中，主要由前置放大級、二階高低通濾波器、光耦隔離、一級放大，50Hz陷波電路和增益可調(diào)二級放大電路所組成，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，在整個采集電路中將采集過來的模擬信號通過單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換將模擬量變成數(shù)字量，從而利用單片機進行數(shù)據(jù)處理。

圖5 心電波形采集的結(jié)構(gòu)圖

2.2 終端監(jiān)測裝置的鍵盤與顯示模塊

終端監(jiān)測裝置的鍵盤模塊是向單片機輸入數(shù)據(jù)信息，這里主要輸入各個指標(biāo)參數(shù)的閾值。當(dāng)某個參數(shù)不在正常范圍內(nèi)，終端監(jiān)測裝置則啟動聲光報警模塊，同時上位機也會收到這些數(shù)據(jù)。在顯示模塊中，這里應(yīng)用LCD液晶顯示，顯示的信息包括：指端脈率、呼吸、血氧飽和度和心電波形等。在文字信息和波形信息之間是通過鍵盤進行切換。

2.3 中央站

此部分就是以一臺計算機作為上位機與終端設(shè)備進行通信，在上位機中，需要編寫上位機軟件，來接收數(shù)據(jù)與發(fā)送指令，同時上位機需要存儲大量數(shù)據(jù)，以便醫(yī)生能夠調(diào)取一定時間段內(nèi)的生命體征數(shù)據(jù)，并生成相應(yīng)波形。上位機軟件用JAVA來進行實現(xiàn)，設(shè)計出來的程序有自動和手動的功能。平時執(zhí)行自動檢測，緊急情況可啟動手動功能，來調(diào)取數(shù)據(jù)或給終端設(shè)備發(fā)送指令。上位機界面顯示的信息與各終端裝置顯示的基本相同，醫(yī)生和護士可以實時地觀察各患者的生命體征參數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)通信模塊

這里采用RS485通信協(xié)議。RS485通信協(xié)議適用于遠(yuǎn)距離有線通信，數(shù)據(jù)傳輸距離可達1 500 m[5-8]。在設(shè)計中將單片機串口與MAX485芯片連接，具體接口電路如圖6所示。在上位機中，接收到的數(shù)據(jù)首先進入到RS485轉(zhuǎn)RS232模塊，從而把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C中[9]。

圖6 單片機與MAX485接口電路

本系統(tǒng)實現(xiàn)中央監(jiān)護站和各個終端設(shè)備進行通訊，所以，基于異步通訊，利用對多個線程進行設(shè)計，以此實現(xiàn)一對多，提升實時通訊的速度。我們的系統(tǒng)是在windows中實現(xiàn)運行的，所以，為了使中央監(jiān)護站能夠快速地和終端設(shè)備通信，可以借助win32所具有的多任務(wù)系統(tǒng)平臺的特點，同時結(jié)合多線程技術(shù)。此外，實際中還需要對不同的床位機進行區(qū)分，所以針對所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，對數(shù)據(jù)包的源串口進行定義，以此為根據(jù)，對數(shù)據(jù)包的來源進行判斷。通過實驗測試，終端監(jiān)控設(shè)備與中央站遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信成功率可以達到99%以上，因此利用RS485很好解決遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信。

3 總結(jié)

本文研究了目前國內(nèi)外遠(yuǎn)程醫(yī)療護理行業(yè)的發(fā)展和所需，將前沿的信息技術(shù)融入到醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，能夠監(jiān)測指端脈率、呼吸、血氧飽和度和心電波形等參數(shù)，并將這些參數(shù)實時傳送給上位機中，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護。目前實驗室階段達到了系統(tǒng)的整體要求，在后面工作中，還需在實際應(yīng)用中進一步完善系統(tǒng)的其他方面功能。