張麗媛

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710026）

據(jù)調(diào)研，中國(guó)醫(yī)院護(hù)士與患者的比例為2∶5，伴隨2020年新冠疫情的爆發(fā)和2021年局部地區(qū)的多發(fā)，各地醫(yī)患比例嚴(yán)重失調(diào)[1]。醫(yī)護(hù)人員的工作量增大且容易受到感染。為了避免交叉感染，減少醫(yī)護(hù)人員的工作量[2]，亟待開(kāi)發(fā)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能醫(yī)護(hù)站來(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)患者生理數(shù)據(jù)。

目前醫(yī)院普遍采用的病人生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大都是較大型的拖線設(shè)備、病人監(jiān)護(hù)儀、電子體溫計(jì)、魚(yú)躍指甲式血氧儀、南格智能護(hù)理呼叫信息系統(tǒng)等[3-4]。這類醫(yī)療設(shè)備大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用便捷。但是缺存在缺陷：病人監(jiān)護(hù)儀、南格智能護(hù)理呼叫系統(tǒng)雖然檢測(cè)項(xiàng)目全，但價(jià)格昂貴，不能無(wú)線傳輸，必須與病人近距離接觸，無(wú)法避免醫(yī)患間的交叉感染；魚(yú)躍血氧儀、電子體溫計(jì)價(jià)格便宜，但功能單一，醫(yī)護(hù)人員不能全面了解病人身體情況，無(wú)法與病人實(shí)時(shí)溝通。

基于此背景，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)通訊監(jiān)測(cè)技術(shù)的智能醫(yī)護(hù)工作站。該產(chǎn)品具有語(yǔ)音提示和對(duì)講功能，患者可根據(jù)醫(yī)生提示進(jìn)行血氧飽和度、心率、體溫等生理參數(shù)測(cè)量，醫(yī)生可實(shí)時(shí)查看患者的生理數(shù)據(jù)。同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸范圍大且采集方便，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。核心控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)分為步數(shù)采集、心率采集以及溫度采集。其中心率采集模塊和溫度采集模塊采用的是MAX30102、LMT70傳感器。護(hù)士接收端主要是通過(guò)顯示模塊采用OLED實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的生理信息[5-6]，2個(gè)端口的數(shù)據(jù)通信采用無(wú)線收發(fā)器芯片NRF24L01實(shí)現(xiàn)患者和醫(yī)護(hù)工作。

本文的監(jiān)測(cè)指標(biāo)為以下目標(biāo)：①監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)對(duì)病人血氧飽和度、心率、血壓等生理參數(shù)的實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)。②監(jiān)測(cè)精度指標(biāo)。監(jiān)測(cè)精度數(shù)字要在小數(shù)點(diǎn)后2位，時(shí)間要在毫秒內(nèi)。③監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)指標(biāo)。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳送時(shí)間要在毫秒范圍里，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠即時(shí)響應(yīng)，即時(shí)處理數(shù)據(jù)?；竟ぷ髟砣鐖D1所示。

圖1 智能醫(yī)護(hù)工作站工作原理圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)通訊監(jiān)測(cè)技術(shù)的智能醫(yī)護(hù)工作站。該設(shè)備的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)基于主控處理模塊、通訊模塊、采集模塊、電源模塊、顯示模塊。患者發(fā)送端的數(shù)據(jù)采集模塊是以STM32F103C8T6作為

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包含了語(yǔ)音通訊器、接收端檢測(cè)數(shù)據(jù)OLED顯示屏、溫度檢測(cè)器、血氧飽和度和心率檢測(cè)器、發(fā)送端OLED顯示屏[7]。語(yǔ)音通訊器，只需按動(dòng)按鈕，即可與護(hù)士遠(yuǎn)程語(yǔ)音通話；接收端檢測(cè)數(shù)據(jù)OLED顯示屏，將USB接口插到護(hù)士站電腦上即可遠(yuǎn)程讀取病人心率、體溫及血氧飽和度的檢測(cè)數(shù)據(jù)；溫度檢測(cè)器，病人將手放在溫度檢測(cè)器上，一定時(shí)間后檢測(cè)器自動(dòng)將病人的體溫?cái)?shù)據(jù)傳輸至護(hù)士接收端處方便護(hù)士監(jiān)測(cè)；血氧飽和度和心率檢測(cè)器，病人將手放在血氧飽和度和心率檢測(cè)器上一定時(shí)間后，檢測(cè)器自動(dòng)將病人的血氧飽和度及心率數(shù)據(jù)傳輸至護(hù)士接收端，方便護(hù)士進(jìn)行監(jiān)測(cè)；發(fā)送端OLED顯示屏，病人可以直接在顯示屏上讀取自己的檢測(cè)數(shù)據(jù)。具體實(shí)物如圖2所示。

圖2 設(shè)備實(shí)物展示

從硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編程調(diào)試、實(shí)物焊接調(diào)試3部分進(jìn)行詳細(xì)闡述。硬件電路主要是基于單片機(jī)STM32為核心的控制單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，采用傳感芯片MAX30102、LMT70、MPU6050和NRF24L01傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)進(jìn)行處理顯示，數(shù)據(jù)顯示由OLED顯示屏來(lái)顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)覆蓋發(fā)送端和接收端的電路原理，在患者發(fā)送端電源模塊選擇聚合鋰電池[8]。分別輸出DC3.3 V的電壓供給給MAX30102、LMT70、MPU6050。聚合鋰電池采用高分子材料，可在電芯里做成多層組合達(dá)到高電壓。之后將數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給STM32單片機(jī)。

在醫(yī)護(hù)工作者接收端由STM32單片機(jī)經(jīng)過(guò)USB、TTC串口端傳送給顯示屏。兩者之間的數(shù)據(jù)連通由NRF24L01傳感器實(shí)現(xiàn)。除此之外還設(shè)計(jì)了濾波功能，在不同的環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行自校準(zhǔn)功能，采集使用者信息，并存儲(chǔ)到自定義的數(shù)組中，然后讀出數(shù)據(jù)并對(duì)其處理記錄。等到了需要使用者的心電信息、體表溫度和運(yùn)動(dòng)信息時(shí)讀出所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，實(shí)現(xiàn)得到使用者上述數(shù)據(jù)的功能。電路框圖中發(fā)送端與接收端如圖3所示。

圖3 電路框圖

4 測(cè)試方案與結(jié)果

4.1 測(cè)試方案

在系統(tǒng)測(cè)試方案中首先測(cè)試兩個(gè)端口的傳輸距離，保證在室內(nèi)50 m進(jìn)行無(wú)障礙監(jiān)測(cè)[9]。但在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，不可能出現(xiàn)無(wú)障礙測(cè)試，故通過(guò)增加端口數(shù)量來(lái)保證數(shù)據(jù)的傳輸。為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性，測(cè)試方案將從上位機(jī)患者發(fā)送端系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，經(jīng)過(guò)各個(gè)傳感器及STM32單片機(jī)的串口將數(shù)據(jù)傳送至醫(yī)護(hù)人員的接收端。在接收到信號(hào)之后又將數(shù)據(jù)反送回上位機(jī)。對(duì)比Apple Watch和華為運(yùn)動(dòng)手環(huán)，得出兩者之間的誤差率，看是否滿足指標(biāo)要求。

4.2 測(cè)試過(guò)程中的問(wèn)題及解決方案

在測(cè)試過(guò)程中遇到以下3個(gè)問(wèn)題：①采集到的數(shù)據(jù)是由USB數(shù)據(jù)線對(duì)單片機(jī)進(jìn)行供電，當(dāng)硬件搭建完成時(shí)，但采集的數(shù)據(jù)與一開(kāi)始采集的數(shù)據(jù)有偏差；②硬件搭建、程序編譯、數(shù)據(jù)采集及提取比較好，但在測(cè)試的時(shí)候偶爾也會(huì)出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等情況，可能是由外部環(huán)境及硬件本身的性質(zhì)造成的；③步數(shù)距離與計(jì)步數(shù)據(jù)有較大波動(dòng)。

針對(duì)上述問(wèn)題采用如下的解決方案：①用裝置中的穩(wěn)壓模塊給單片機(jī)的供電電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之與USB數(shù)據(jù)線供電的電壓相同。但數(shù)據(jù)還是不相同，就使用電池供電再一次進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，替換了初始的數(shù)據(jù)。②在進(jìn)行裝置搭建時(shí)，選擇了屏蔽線作為極板連接導(dǎo)線，降低外界環(huán)境對(duì)導(dǎo)線的干擾。③設(shè)計(jì)了自校準(zhǔn)功能，在不同的環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行自校準(zhǔn)功能，采集紙張信息，并存儲(chǔ)到自定義的數(shù)組中，然后讀出數(shù)據(jù)并對(duì)其處理記錄，加濾波器后得到了比較精確的數(shù)值。

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

將發(fā)送的數(shù)據(jù)與接收到的數(shù)據(jù)與Apple Watch和華為運(yùn)動(dòng)手環(huán)進(jìn)行比較，在幾次典型的測(cè)試中結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

由表1所顯示的6次的測(cè)試結(jié)果，心率測(cè)量絕對(duì)誤差小于5%，溫度測(cè)量誤差絕對(duì)值小于2℃，但此設(shè)備相較于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)步設(shè)備而言，運(yùn)動(dòng)距離與計(jì)步誤差較大。原因分析：排查后判斷是因?yàn)槭褂昧嘶パa(bǔ)濾波器，隨后決定使用卡爾曼濾波器。在使用卡爾曼濾波器后，根據(jù)10次的測(cè)試結(jié)果，心率測(cè)量絕對(duì)誤差小于5%，溫度測(cè)量誤差絕對(duì)值小于2℃，運(yùn)動(dòng)距離記錄相對(duì)誤差小于10%，運(yùn)動(dòng)步數(shù)記錄相對(duì)誤差小于5%，符合技術(shù)指標(biāo)要求。綜上所述，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)通信穩(wěn)定性高、準(zhǔn)確度高、實(shí)時(shí)性高的3大優(yōu)勢(shì)，可以滿足患者和醫(yī)護(hù)端的生理參數(shù)監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。

5 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的痛點(diǎn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了一款基于物聯(lián)網(wǎng)通信監(jiān)測(cè)技術(shù)的智能醫(yī)護(hù)工作站系統(tǒng)。該系統(tǒng)從總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)患者基本生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)，通過(guò)實(shí)物制作和對(duì)比測(cè)量得出的數(shù)據(jù)符合主要的技術(shù)指標(biāo)。其創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下3個(gè)方面：①智能醫(yī)護(hù)工作站能使病人自我檢測(cè)，同時(shí)護(hù)士可以同步接收患者所檢測(cè)的數(shù)據(jù)，并可以使數(shù)據(jù)傳送至云端；②本設(shè)備使用方法簡(jiǎn)單、界面直觀、時(shí)效性高，是心率、體溫、血氧飽和度及無(wú)線通訊四合一的智能生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模式；③有效減少護(hù)士往返病房與工作站的頻次，減少臨床護(hù)理差錯(cuò)，有效地避免醫(yī)患糾紛。綜上所述，該設(shè)備具有較強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用意義。