楊輝，朱燕玲，徐露，李亞蘭，孫文，紀(jì)永章

東部戰(zhàn)區(qū)空軍醫(yī)院信息中心，江蘇南京 210002

ZigBee是一種擁有低功耗、近距離、低成本、低復(fù)雜度的主流無(wú)線通信技術(shù)，其組網(wǎng)模式較自由，且應(yīng)用場(chǎng)景較廣泛，在醫(yī)療監(jiān)護(hù)、工業(yè)監(jiān)測(cè)、智能家居等領(lǐng)域都具有成功的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)Zigbee在醫(yī)療無(wú)線監(jiān)測(cè)已有一段時(shí)間的探索，很多科研機(jī)構(gòu)、科技公司都對(duì)Zigbee在醫(yī)療行業(yè)內(nèi)地應(yīng)用做出了很多研究，但對(duì)照歐美的研究成果，尚存在一些距離。

目前醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備都以傳統(tǒng)模式為主，其特點(diǎn)是功能單一且接線復(fù)雜，也不便于移動(dòng)，與醫(yī)院信息化發(fā)展不吻合，也不符合移動(dòng)醫(yī)療發(fā)展趨勢(shì)。本研究提出利用Zigbee技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)具有成本低、易推廣、易擴(kuò)展等功能特點(diǎn)，便于醫(yī)護(hù)人員實(shí)時(shí)對(duì)患者的體溫進(jìn)行檢測(cè)，尤其在ICU對(duì)患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和慢病管理方面，由于其簡(jiǎn)單易操作便于居家期間的自行檢測(cè)，患者可以自行監(jiān)管，也可以大大提高醫(yī)護(hù)人員的工作效益，符合現(xiàn)代化醫(yī)療的趨勢(shì)，對(duì)推進(jìn)衛(wèi)生行業(yè)信息化發(fā)展具有一定的意義。

1 研究對(duì)象

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是無(wú)線技術(shù)和MEMS技術(shù)的發(fā)展，與醫(yī)療行業(yè)的切入點(diǎn)越來(lái)越多，對(duì)無(wú)線監(jiān)測(cè)管理技術(shù)的研究深入，各種應(yīng)用也越來(lái)越成熟，從而逐步取代傳統(tǒng)的人工模式，目前在醫(yī)院應(yīng)用的場(chǎng)景有體溫監(jiān)測(cè)、血糖監(jiān)測(cè)、血壓監(jiān)測(cè)等，特別是體溫監(jiān)測(cè)，在公共衛(wèi)生事件發(fā)生期間發(fā)揮了重要的作用。

1.1 無(wú)線技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)80年代美國(guó)軍方就開(kāi)始將無(wú)線技術(shù)用于戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)士生理數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)追蹤每名戰(zhàn)士的呼吸、心率、體溫等生理數(shù)據(jù)[1]。在國(guó)內(nèi)中科院趙澤研究出一種基于無(wú)線傳感器的遠(yuǎn)程無(wú)線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)提出具有擴(kuò)展性的多層次網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的設(shè)計(jì)[2]。國(guó)外對(duì)無(wú)線醫(yī)療技術(shù)研究較早于國(guó)內(nèi)，如法國(guó)CRNS實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的MARSIAN主要用于神經(jīng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)[3]，美國(guó)喬瓦樂(lè)從2005年開(kāi)始研究Zigbee網(wǎng)絡(luò)模型并應(yīng)用于患者，監(jiān)測(cè)患者的基礎(chǔ)生理數(shù)據(jù)，提前預(yù)判潛在的風(fēng)險(xiǎn)[4]。國(guó)內(nèi)汪豐教授等設(shè)計(jì)基于Zigbee的無(wú)線醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)；上海大學(xué)自助主研發(fā)的BOP系統(tǒng)應(yīng)用于鄉(xiāng)村醫(yī)生對(duì)患者的心率、心電、呼吸等進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，有效地幫助鄉(xiāng)村醫(yī)生對(duì)患者進(jìn)行各種救治工作等[5]；2010年南京試點(diǎn)“智慧養(yǎng)老”[6]，2011年大唐電信研制的Zigbee無(wú)線醫(yī)療設(shè)備出口至日本[7]。

1.2 醫(yī)療設(shè)備的無(wú)線應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的無(wú)線技術(shù)被應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域中，目前醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護(hù)中對(duì)無(wú)線的依賴比較明顯，特別是對(duì)患者的血壓、脈氧等的應(yīng)用可以大大降低醫(yī)護(hù)工作中機(jī)械的重復(fù)勞動(dòng)，也能降低在高強(qiáng)度工作下的出錯(cuò)率。另外現(xiàn)有的醫(yī)療設(shè)備大部分仍采用傳統(tǒng)模式，體積笨重、接線繁瑣、不便于醫(yī)護(hù)人員的操作，有時(shí)也會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的插頭不緊、傳感器掉落等造成檢測(cè)數(shù)據(jù)的丟失，在一定程度上影響到醫(yī)療工作開(kāi)展，增加醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。本課題設(shè)計(jì)的無(wú)線醫(yī)療設(shè)備檢測(cè)具有以下特點(diǎn)：無(wú)線技術(shù)成本低、不用綜合布線、移植性好、擴(kuò)展性優(yōu)、操作簡(jiǎn)單，便于醫(yī)護(hù)人員攜帶就診。無(wú)線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)定位也可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的監(jiān)測(cè)管理功能，一名醫(yī)護(hù)人員在工位就能管理多例患者，也能通過(guò)AI處理實(shí)現(xiàn)危急值自動(dòng)預(yù)警，提供對(duì)患者的實(shí)時(shí)管控，降低醫(yī)療不良事件發(fā)生率。

2 研究方法

目前國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)線醫(yī)療數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生很大的興趣，原因在于其功耗低、應(yīng)用效果明顯、患者體驗(yàn)感強(qiáng)、受醫(yī)護(hù)人員歡迎，致使其在部分領(lǐng)域的技術(shù)研究及技術(shù)實(shí)現(xiàn)已較成熟。

2.1 系統(tǒng)需求分析

近年來(lái)ICU重癥監(jiān)測(cè)、慢病管理逐步成為一個(gè)新興的研究課題，與之對(duì)應(yīng)的相關(guān)患者的生理數(shù)據(jù)收集顯得尤為重要，為此本課題設(shè)計(jì)出一款成本較低，基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線架構(gòu)的人體生理參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，具有人機(jī)交互方便、設(shè)備安全可靠、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

2.2 Zigbee技術(shù)的應(yīng)用

本研究選用Zigbee作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)，擬采用的架構(gòu)為傳感器節(jié)點(diǎn)--路由器--協(xié)調(diào)器--服務(wù)器形成的數(shù)據(jù)流。電路主控板采用STM32，因?yàn)镾TM32的處理核心為ARM 32位Cortex-M3 CPU，可以實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸[8]。

2.3 CC2530控制程序

CC2530控制程序由TI公司生產(chǎn)，是整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)體系中的核心，用于處理終端信息流轉(zhuǎn)[9]。該芯片的內(nèi)核是一顆8 051的單片機(jī)，符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的無(wú)線收發(fā)裝置，特點(diǎn)是低功率、抗干擾能力強(qiáng)、接收能力強(qiáng)、安全性能高。其嚴(yán)格按照IDEIAR的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[10]，具有完善的成熟二次開(kāi)發(fā)環(huán)境。

2.4 電路設(shè)計(jì)方案

本研究主要是基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架的患者體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選擇協(xié)調(diào)器、路由器進(jìn)行服務(wù)[11]。采用LM3S9B96作為本設(shè)計(jì)的硬件核心。以LM3S9B96芯片為核心的路由器硬件設(shè)計(jì)，為下一步的方案設(shè)計(jì)奠定硬件基礎(chǔ)。

3 體溫采集方案

3.1 方案設(shè)計(jì)原則

作為患者最重要的一項(xiàng)生理參數(shù)，體溫起著非常重要的作用，是人體新陳代謝、各項(xiàng)組織功能能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)、各種慢性疾病監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要指標(biāo)參數(shù)[12]?，F(xiàn)有的體溫測(cè)量方式有兩種，分別是接觸式和非接觸式。非接觸式體溫測(cè)量工作原理是利用紅外熱譜間接獲取人體體溫，也可以細(xì)化為額溫槍、耳溫槍等。接觸式體溫測(cè)量主要是利用水銀的熱脹冷縮原理來(lái)進(jìn)行體溫測(cè)量，又可以細(xì)分為直腸測(cè)量、口腔測(cè)量、腋窩測(cè)量、體表測(cè)量等[13]。本研究目的是實(shí)現(xiàn)患者體溫的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便于患者攜帶、便于醫(yī)護(hù)人員操作、便于工程技術(shù)人員維護(hù)為原則，同時(shí)兼顧設(shè)備的成本考慮，統(tǒng)籌各方面因素來(lái)整合設(shè)計(jì)本套采集方案。

3.2 體溫采集模塊

體溫傳感器采用DALLAS公司的數(shù)字體溫傳感器DSl88201[14-15]，體溫采集模塊采用的是單總線連接方式，需將控制器的通用I/O端口與DSl88201的DQ端口相連，便可能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息、控制信號(hào)的傳輸。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、組網(wǎng)方便等特點(diǎn)，溫度測(cè)量范圍為-55℃～125℃，如使用測(cè)溫范圍在-10℃～85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，最小可精確到0.062 5℃。DSl88201由ROM、存儲(chǔ)器、敏感元件、配置寄存器組成。下面簡(jiǎn)單介紹各個(gè)部件的作用：ROM的作用為編寫(xiě)地址序列碼，使得每個(gè)設(shè)備都有唯一標(biāo)志。存儲(chǔ)器的作用為儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)寄存器和低溫或高溫觸發(fā)器的數(shù)據(jù)信息。敏感元件的作用為探測(cè)、檢測(cè)物體的溫度[16-18]。配置寄存器的作用為配置DSl88201的分辨率的設(shè)置和工作狀態(tài)。因DS188201溫度傳感器的測(cè)量精度、溫度適用范圍都適合人體體溫測(cè)量要求，本課題選擇住院患者作為研究對(duì)象。DSl88201數(shù)字溫度傳感器的工作流程由2個(gè)功能模塊組成，一是體溫采集程序，二是溫度轉(zhuǎn)換程序。

3.3 溫度采集實(shí)現(xiàn)

本研究課題采用DSl88201包裝成溫度傳感器，通過(guò)CC2530來(lái)獲得患者的體溫?cái)?shù)據(jù)信息，ROM指令讀取不同序號(hào)來(lái)識(shí)別不同患者的DSl88201溫度傳感器數(shù)據(jù)信息，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)接收到傳感器的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)，因DS188201模塊功耗低，可以持續(xù)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。

4 結(jié)果

本研究的目的是通過(guò)Zigbee技術(shù)架設(shè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將理論研究應(yīng)用到實(shí)際的應(yīng)用中，將普通溫度傳感器DS188201封裝成適合體溫測(cè)量需要的設(shè)備，隨機(jī)從住院患者中每個(gè)病區(qū)抽取1例患者進(jìn)行體溫監(jiān)測(cè)，為了驗(yàn)證測(cè)試的正確性，定期用水銀溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量來(lái)佐證。通過(guò)DSl88201數(shù)字溫度傳感器采集患者的體溫，同時(shí)為了檢查本系統(tǒng)采集的可靠性與精度，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)手工監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)比較，通過(guò)CC2530控制程序發(fā)送至服務(wù)器中儲(chǔ)存，通過(guò)比較分析得出：采集的數(shù)據(jù)與人工測(cè)量的數(shù)據(jù)基本一致，說(shuō)明本設(shè)計(jì)具有一定的可靠性和準(zhǔn)確性，二者之間的數(shù)據(jù)差距很接近，不會(huì)影響醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者的決策，基本符合實(shí)際要求。溫度相差在可控范圍之內(nèi)，臨床基本可以接受。見(jiàn)圖1。

圖1 體溫測(cè)量對(duì)照

5 結(jié)論

本研究通過(guò)分析醫(yī)護(hù)工作者在實(shí)際工作中遇到的困難，本著解決各種實(shí)際困難的角度出發(fā)，提高醫(yī)護(hù)工作人員的工作效率，降低醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)，提出基于ZigBee技術(shù)的患者溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主要是通過(guò)ZigBee技術(shù)搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)制訂采集方案，選用硬件設(shè)備，并在醫(yī)院病區(qū)中加以實(shí)證研究，通過(guò)與人工采集到的體溫?cái)?shù)據(jù)相比較，二者的誤差較少，符合預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以提高醫(yī)護(hù)工作人員的效率。本次研究，對(duì)同類型的兄弟單位對(duì)患者體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)管具有一定的借鑒意義。