基于物聯(lián)網(wǎng)的病區(qū)智能采集關(guān)鍵技術(shù)的研究

張茜，陳廣飛，何史林，應俊，周丹

中國人民解放軍總醫(yī)院 a.生物醫(yī)學工程研究室；b.醫(yī)務(wù)部， 北京 100853

基于物聯(lián)網(wǎng)的病區(qū)智能采集關(guān)鍵技術(shù)的研究

張茜，陳廣飛，何史林，應俊，周丹

中國人民解放軍總醫(yī)院 a.生物醫(yī)學工程研究室；b.醫(yī)務(wù)部， 北京 100853

目的 結(jié)合普通病區(qū)日常護理的需求，設(shè)計一種快速采集脈搏、體溫裝置，并且將數(shù)據(jù)發(fā)送至醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）。方法通過設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層之間的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對體溫、脈搏的數(shù)據(jù)采集、傳輸和保存。結(jié)果該裝置能滿足病區(qū)日常體溫、脈搏的智能采集與全面匯聚，解決了臨床中人工采集體溫、脈搏，費時、費力的問題。結(jié)論改善了醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量與模式，減少了醫(yī)護人員的工作量。

物聯(lián)網(wǎng)；醫(yī)院信息系統(tǒng)；體溫計；脈搏計

0 前言

隨著現(xiàn)代科學的發(fā)展和醫(yī)療信息化程度的提高，要求醫(yī)療技術(shù)向數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)變，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)是未來智慧醫(yī)療的核心。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)，是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）裝置、醫(yī)學傳感器等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，進而實現(xiàn)資源的智能化、信息共享與互聯(lián)。

醫(yī)院普通病區(qū)每日都要測量患者的體溫、脈搏。體溫每要天測量3次，脈搏在早上測量1次。體溫一般是護士將水銀體溫計逐一發(fā)下去，過5 min后再去病房收回，收回的同時記錄體溫數(shù)據(jù)以及手指測量患者腕部。這不僅占用了醫(yī)務(wù)工作者大量的時間，而且測量結(jié)果也有誤差，效率低，增加了醫(yī)院的運營成本。目前市場上的電子體溫計、脈搏采集由于自身的限制，無法消毒，不利于患者之間交叉使用，因此不能在醫(yī)院大量使用。

基于上述的分析，我們設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的體溫、脈搏采集裝置。其技術(shù)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層組成。

1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

從技術(shù)構(gòu)架上來看，物聯(lián)網(wǎng)[1]可以分為3層：感知層（由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成）、網(wǎng)絡(luò)層（由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)等組成）和應用層（物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應用）。最后連接到醫(yī)院醫(yī)院信息系統(tǒng)（Hospital Information System，HIS），完成生理參數(shù)與HIS信息的交互。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架，見圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

1.1 感知層

感知層的功能主要是進行體溫和脈搏信息的感知與采集，將采集的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以供后續(xù)處理。

1.1.1 體溫采集

體溫采集電路主要由JA31104芯片和熱敏電阻組成。JA31104芯片可將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，測溫范圍為32～42.99℃，測溫精度為0.01℃，通過JA31104芯片的OEB/DATA管腳的脈沖數(shù)據(jù)來實現(xiàn)讀取體溫數(shù)據(jù)，OEB/ DATA管腳的輸出時序圖，見圖2。當DATA管腳在關(guān)閉狀態(tài)（OFF state）時不進行測量，在打開狀態(tài)（ON state）時，每0.5 s作為1個測量時鐘（measurement clock）進行1次測量，當測量穩(wěn)定后，1個測量時鐘內(nèi)的脈沖個數(shù)將趨于穩(wěn)定。讀取的脈沖個數(shù)與溫度的對應關(guān)系，見表1，可以根據(jù)此表計算出測量的實際溫度。將OEB/DATA管腳的輸出時序送至單片機，單片機對數(shù)字信號進行計數(shù)，并比較每次的計數(shù)值，將比較后的最大值作為測量結(jié)果，此時可以根據(jù)表1中DATA管腳脈沖個數(shù)與溫度的對應關(guān)系對此最大值進行運算得出測量的體溫值，運算完成后將結(jié)果顯示在液晶屏上以便患者觀察。

圖2 OEB/DATA管腳本的輸出時序圖

表1 DATA管腳脈沖個數(shù)與溫度的對應關(guān)系

1.1.2 脈搏采集

心電信號是心臟電活動在體表的綜合反映，它是由一系列的波組構(gòu)成。一個波組由P波、QRS波群、T波及U波組成。根據(jù)公式60/RR間期，可以獲得脈搏參數(shù)。因此，可以利用單片機來處理采集的心電信號實現(xiàn)脈搏參數(shù)的計算。

心電信號的采集設(shè)計為單導聯(lián)，其電路[2-3]包括電極、導聯(lián)線、信號放大電路、濾波電路。選用自粘式Ag-AgCl電極，患者使用時將其分別粘在其左右手拇指處。導聯(lián)線使用單芯屏蔽電纜，屏蔽層與電路板共地，可以有效地抑制外界的干擾。導聯(lián)線與電極通過按扣連接，當其他患者使用時僅需更換電極，避免了患者之間的交叉感染。

信號放大電路包括前置放大電路、儀表放大電路。前置放大電路，見圖3。選用Analog Devices公司的OP4177作為第一級放大器[4-5]，具有低噪聲、低漂移、高輸入阻抗、高共模抑制比的特點。在前置放大電路的前端采用并聯(lián)二極管的方式對輸入端進行保護，防止大電壓的沖擊，將輸入信號的幅度范圍限定在±1V。儀表放大器[5]選用Analog Devices公司的AD8221，見圖4。篩選電阻可以實現(xiàn)6倍的放大倍數(shù)，90 dB（分貝）的共模抑制比，能很好地抑制寬帶干擾和線性失真。在心電信號放大電路后加入RC濾波電路，可以有效地抑制直流漂移、低頻噪聲和高頻信號的干擾。

圖3 前置放大電路

圖4 儀表放大電路

心電信號經(jīng)過采集模塊的放大與濾波之后，其信號為模擬信號，為了進一步分析心電信號，單片機首先要對其進行A/D轉(zhuǎn)換，然后對數(shù)字信號進行數(shù)字濾波[6-7]，最后進行RR波的提取及定位。RR波的提取及定位主要是根據(jù)閾值控制算法[8-9]進行運算，根據(jù)一定的幅度和閾值來確定R波的位置。當一個RR波被檢測出之后，使用該波形的參數(shù)調(diào)整閾值，從而適用信號的改變。測量結(jié)束后結(jié)果顯示在液晶屏上。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要負責信號傳輸，此系統(tǒng)工作于433MHz頻段的NRF905芯片作為無線收發(fā)芯片。

在感知層完成信息采集之后，通過體溫計、脈搏計的NRF905發(fā)送數(shù)據(jù)，將設(shè)計好的USB905芯片插在護士站電腦的USB上，作為數(shù)據(jù)的接收端。這種方法可以避免醫(yī)護人員手抄記錄。體溫計和脈搏計中的天線選用RainSun公司的陶瓷天線。使用16M晶振，并使用1個大電阻和2個電容配合起振。USB905芯片內(nèi)部有5個寄存器，分別為射頻配置寄存器[10]（設(shè)置芯片的射頻頻段、發(fā)射功率、收發(fā)數(shù)據(jù)的有效字節(jié)數(shù)、本身地址信息、CRC（循環(huán)冗余校驗碼）校驗的位數(shù)（8 位或16位））；發(fā)送地址寄存器保存目的地址的信息，發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器保存保存發(fā)送的有效數(shù)據(jù)信息，接收數(shù)據(jù)寄存器保存接收的有效數(shù)據(jù)信息；狀態(tài)寄存器保存數(shù)據(jù)準備就緒（DR）和地址匹配（AM）信息。采集結(jié)束后主控芯片對USB905芯片寄存器進行配置，同時使用載波監(jiān)聽功能以避免高峰時段的數(shù)據(jù)沖突，此時患者的測量數(shù)據(jù)就可以準確無誤地發(fā)送至接收端USB905芯片。

USB905芯片設(shè)計使用Silicon公司的C8051F327進行開發(fā)，仍然使用NRF905作為收發(fā)芯片。C8051F327首先設(shè)置NRF905，使其一直處于收發(fā)狀態(tài)，并且與脈搏計的射頻配置寄存器參數(shù)一致。C8051F327提供全速（12兆位/s）或低速（1.5兆位/s）操作，符合USB2.0規(guī)范，外圍器件只需要電容和晶體。USB 接口的差分數(shù)據(jù)線對應芯片的UD-和UD+直接相連，UD-和UD+是信號線的物理接口，由輸出驅(qū)動電路和輸入接收器兩部分組成，實現(xiàn)了USB物理層的特性。芯片內(nèi)置12MHz振蕩器，并且內(nèi)建穩(wěn)壓器和實體層收發(fā)器，不必額外增加零件就能直接與USB線路連結(jié)，見圖5。其中P2口和P0口控制NRF905，實現(xiàn)NRF905的配置與數(shù)據(jù)收發(fā)。天線選用思科的全向天線，經(jīng)過測試可以在60 m范圍內(nèi)實現(xiàn)通信。在芯片中通過軟件設(shè)置USB模塊的工作方式，接收數(shù)據(jù)完成后，將數(shù)據(jù)送至護士站上位機程序中。

圖5 C8051F327電路

1.3 應用層

應用層主要是接收網(wǎng)絡(luò)傳遞來的數(shù)據(jù)信息，并執(zhí)行一些處理行為。此系統(tǒng)主要進行體溫、脈搏信息的接收、保存工作。

在護士站的電腦安裝上位機程序，該程序使用Visual Studio 2008的基于對話框類進行開發(fā)。首先是上位機識別USB905設(shè)備，使用函數(shù)NetUSB_findDevice（const UINT VendorID,const UNIT ProductID）尋找指定PID和UID的設(shè)備。設(shè)備連接完成后，上位機程序與醫(yī)院HIS數(shù)據(jù)庫建立Socket連接，從HIS中調(diào)出該病區(qū)的病人基本信息。使用類CDatabase的函數(shù)，實例化一個對象CDatabase p_DB，使用語句p_DB.OpenEx（LPCTSTR lpszConnectString,DWORD dwOptions=0）建立連接。函數(shù)的參數(shù)包括DNS、用戶名和密碼。對數(shù)據(jù)庫進行的操作有查詢（SELECT）、更新（UPDATE）、插入（INSERT）、刪除（DELETE）等，均通過執(zhí)行SQL語句完成。

連接完成后進行通信，首先配置USB905的地址，使其與脈搏計的目標地址一致。然后使用VC++的消息映射機制及多線程處理機制處理消息隊列，應用程序中含有一段稱作“消息循環(huán)”的代碼，用來從消息隊列中檢索這些消息并把它們分發(fā)到相應的窗口函數(shù)中。使用Windows API（應用程序接口）中的函數(shù)PostMessage，函數(shù)原型為BOOL WINAPI PostMessage（HWND hWnd,UINT Msg,WPARAM wParam,LPARAM lParam）。將消息放入與指定窗口創(chuàng)建的線程相聯(lián)系消息隊列里，不等待線程處理消息就能返回，它是一種異步消息模式。程序中的代碼如下：

當有消息到來時，進入消息處理函數(shù)。在Windows中系統(tǒng)通過消息號區(qū)別不同消息，再進行相應處理。為了不與系統(tǒng)預定義消息相沖突，自定義消息號值 ＞1， WM_ USER是系統(tǒng)的消息的最大號，語句：#define WM_NEW_ MSG WM_USER+1，即定義消息號，將此語句放入頭文件（.h）。同時定義一個相應的消息映射：afx_msg void OnNewMsg(WPARAM pParam,LPARAM lParam)；在文件（.cpp）里添加消息映射，代碼如下：

最后在消息處理函數(shù)void CDemoDlg::OnNewMsg (WPARAM pParam,LPARAM lParam)中添加處理代碼。

以上設(shè)置完成后，脈搏計的數(shù)據(jù)即可在上位機程序界面中顯示出來。其界面還提供保存功能，即保存數(shù)據(jù)到HIS，與病人的基本參數(shù)建立關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)束語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計和實現(xiàn)了體溫及脈搏的智能采集，為病區(qū)患者的日常護理參數(shù)采集提供了一種新穎的實現(xiàn)方式。這種方式可以充分地應用到臨床中，其測量精度及傳輸都具有較高的可靠性。另外，體溫采集的方式可以極大地減少水銀體溫計的使用量，避免了體溫計破碎帶來的汞污染。

基于物聯(lián)網(wǎng)的體溫、脈搏采集系統(tǒng)可以減少醫(yī)護人員的工作量，提高醫(yī)療服務(wù)的能力與效率、改善醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量與模式，促使醫(yī)護人員為患者提供更加安全有效地醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)。

[1] 黃鵬．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的架構(gòu)與應用[J]．計算機科學,2011, 38(10):12-13．

[2] 蔡建新,張唯真．生物醫(yī)學電子學[M]．北京:北京大學出版社,1997．

[3] 陳雅楠．單導聯(lián)心電圖機學習機的研制[J]．中國醫(yī)學裝備, 2010,(4):17-19．

[4] 孫文鐸．十二導聯(lián)心電信號采集及分析系統(tǒng)的研究[D]．長春:吉林大學,2006．

[5] 陳鎏．基于DSP的心電信號采集和分析系統(tǒng)[D]．西安:西北工業(yè)大學,2007．

[6] 何史林,陳廣飛,應俊,等．串口型心電信號檢測模塊的設(shè)計[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2012,33(10):20-23．

[7] 朱凌云,吳寶明,王正國,等．移動心電監(jiān)護系統(tǒng)QRS波的實時檢測算法研究[J]．儀器儀表學報,2005,26(6):604-607．

[8] 張子朋．實時可編程數(shù)字濾波器的設(shè)計[D]．哈爾濱:黑龍江大學,2010．

[9] 趙治月,張愛華,楊華．基于心電信號的脈搏波形特征點提取[J]．北京生物醫(yī)學工程,2011,30(1):51-56．

[10] 趙崇侃,鄔志超．微弱心電信號體表檢測術(shù)[J]．醫(yī)學工程學, 2011,4(2):101-103．

[11] 關(guān)可,盛惠興,王海濱,等．基于nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J]．信息安全與通信保密,2009,(3):85-87．

Research on Key Technology of Ward Intelligent Acquisition Based on Internet of Things

ZHANG Qian, CHEN Guang-fei, HE Shi-lin, YING Jun, ZHOU Dan
a.Department of Biomedical Engineering; b. Department of Medical Service, General Hospital of PLA, Beijing 100853,China

ObjectiveCombined with daily care requirements in general ward, a kind of device, which can acquire pulse and temperature data fast, was designed. Then the data was sent to HIS (Hospital Information System).MethodsThe interaction between those individual layers-perception layer, network layer and application layer of the Internet of Things (IOT) was achieved to realize intelligence collection data transfer and storage.ResultsThis device could intelligently gather pulse, temperature, and solve time-consuming, laborious problems in manual collection pulse and temperature.ConclusionThis device could improve the quality and model of medical service, and decrease the workload of medical staff.

Internet of Things; hospital information system; thermometer; pulsimeter

TH772+.2；TP393.02

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.03.008

1674-1633(2014)03-0028-03

2013-10-20

2013-11-12

國家重大專項（2013ZX03005012 ）。

本文作者：張茜，碩士研究生。

作者郵箱：heshilin301@163.com