人體體溫實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用

程體陽+莫洋+黎睿

摘 要：體溫?cái)?shù)據(jù)是醫(yī)院病人重要的體征參數(shù)之一，其對病人的身體狀況及病情診斷具有重要意義。為實(shí)現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測，提高醫(yī)療系統(tǒng)的工作效率，并將數(shù)據(jù)上傳至中心計(jì)算機(jī)形成網(wǎng)絡(luò)化存儲，對一種基于單片機(jī)與無線數(shù)字傳輸模塊的新式溫度測量及通訊系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以此革新了傳統(tǒng)的手工查測方式。進(jìn)行了硬件與軟件設(shè)計(jì)，其中單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及上傳，并通過nRF24L01實(shí)現(xiàn)通訊。運(yùn)行表明，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)誤差小，報(bào)警及時，實(shí)現(xiàn)了革新傳統(tǒng)的人工體溫查測方式，提高醫(yī)療系統(tǒng)的工作效率以及體溫?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化的創(chuàng)新構(gòu)想的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；溫度測量；數(shù)字無線通訊模塊；串口通訊模塊；虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件

中圖分類號：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）06-000-04

0 引 言

溫度測量廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、產(chǎn)品加工、醫(yī)療技術(shù)等各個領(lǐng)域。從以前最簡單的溫度計(jì)手工測量，到現(xiàn)在較為先進(jìn)的電子溫度測量技術(shù)，溫度測量計(jì)經(jīng)歷了重大的“進(jìn)化”。

在醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)護(hù)人員在了解病人健康狀況、治療以及監(jiān)控管理的過程中，病人體溫情況往往是最為基礎(chǔ)和重要的一環(huán)。病人體溫反應(yīng)了病人當(dāng)前病情的具體情況，需要定時地測量以便醫(yī)護(hù)人員作出最準(zhǔn)確地判斷和采取相應(yīng)醫(yī)療措施。

就中國醫(yī)療領(lǐng)域目前的情況而言，多數(shù)醫(yī)院仍采用較為落后的人工水銀溫度計(jì)體溫測量方法，這種方法不但耗費(fèi)時間巨大，而且在數(shù)據(jù)保存方面也不可靠。由于人工測量難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定時，病人在出現(xiàn)特殊情況的時候無法做到最為及時的反饋，從而容易造成延誤治療，使得病人的生命安全蒙受巨大的損失。另一方面，龐大的體溫?cái)?shù)據(jù)通過手工記錄，匯總分析的工作較為冗雜，出現(xiàn)失誤的情況屢見不鮮，這又增加了醫(yī)療的不確定性。所以，我國目前這種傳統(tǒng)的體溫人工測繪方式有待改進(jìn)[1]。

在國外，相比于國內(nèi)的情況，許多醫(yī)院都已經(jīng)將病人體溫進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)化處理，利用已有的網(wǎng)絡(luò)通信能力實(shí)現(xiàn)體溫的實(shí)時監(jiān)護(hù)、管理。這一方法不但高效、可靠、實(shí)用，并從長遠(yuǎn)來看，節(jié)省了大量的勞動力。同時，從安全性上講，水銀溫度計(jì)容易損壞，汞作為一種易揮發(fā)的劇毒物質(zhì)，對人體造成的傷害是不可想象的；從精讀上講，水銀溫度計(jì)的精度是0.1 ℃，而電子溫度計(jì)的精度可達(dá)0.01 ℃。

水銀溫度計(jì)由于其安全性等因素將從市場上消失，而代之以更安全、更專業(yè)的電子體溫計(jì)。統(tǒng)計(jì)表明，2007年美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)的電子體溫計(jì)的需求量達(dá)1.84億，較2006年增長了16%，2008年需求量2.28億支，較2007年同比增長24%。隨著水銀體溫計(jì)退出市場，電子體溫計(jì)每年的需求量還在以20%以上的速度增長[2]。

在線實(shí)時監(jiān)測在不久的將來將當(dāng)之無愧地成為全世界的主流。

本系統(tǒng)的開發(fā)就是通過利用傳感器測量體溫，實(shí)現(xiàn)病人體溫測量自動化，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化處理，以提高醫(yī)護(hù)人員工作的效率，同時消除水銀溫度計(jì)存在的隱患，使病人生命安全得到更多地保障。

本系統(tǒng)在能夠準(zhǔn)確獲知病人體溫?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將獲取過程實(shí)現(xiàn)自動化采集，解放出大量勞動力，并將大量體溫?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化，作為重要參數(shù)與病人的特征信息相結(jié)合，使體溫成為重要的體征參數(shù)之一；同時，本系統(tǒng)亦可將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ炔⒁詧D表形式輸出，使得數(shù)據(jù)更加直觀，方便醫(yī)護(hù)人員比對參考，使他們能夠更加準(zhǔn)確地作出處理。

總之，本系統(tǒng)對于革新我國傳統(tǒng)的醫(yī)療系統(tǒng)及實(shí)現(xiàn)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)的自動化具有十分廣闊的應(yīng)用前景和重大的研究意義。

1 人體體溫實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)方法原理

1.1 人體體溫實(shí)時監(jiān)控功能需求分析

據(jù)相關(guān)研究表明，健康人的標(biāo)準(zhǔn)平均體溫為36.8 ℃，清晨7、8點(diǎn)時體溫降為最低， 下午體溫達(dá)到最高值。早晨體溫大于等于37.2 ℃，下午體溫大于等于37.8 ℃都是發(fā)燒的情況。因此，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)的自動實(shí)時采集、超限報(bào)警、數(shù)據(jù)傳輸及下位顯示、數(shù)據(jù)的上位傳輸及處理等功能。同時，該系統(tǒng)對體溫?cái)?shù)據(jù)的精度要求高，報(bào)警要求及時，數(shù)據(jù)的傳輸要求迅速、準(zhǔn)確。

1.2 基于單片機(jī)控制技術(shù)的體溫監(jiān)測原理

由于本系統(tǒng)整體上的要求，本文設(shè)計(jì)了一種體溫實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示。本系統(tǒng)由病床溫度數(shù)據(jù)采集模塊、病房數(shù)據(jù)傳輸模塊及總控室上位機(jī)模塊組成。

圖1 體溫實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)的功能為：病床上電子體溫計(jì)模塊通過置于病人身上的溫度傳感器，檢測到體溫?cái)?shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在單片機(jī)中進(jìn)行處理，并在數(shù)碼管上將體溫?cái)?shù)據(jù)顯示，同時具有高溫報(bào)警功能；通過無線通訊芯片與病區(qū)計(jì)算機(jī)通信，將體溫?cái)?shù)據(jù)傳至病區(qū)下位總機(jī)，在下位總機(jī)上進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的處理、顯示、報(bào)警、傳輸；之后通過下位總機(jī)將溫度數(shù)據(jù)傳至上位計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行體溫?cái)?shù)據(jù)的進(jìn)一步處理、記憶、圖表顯示等功能。基于此，我們可得到體溫?cái)?shù)據(jù)的采集過程，如圖2所示。

圖2 體溫?cái)?shù)據(jù)采集處理過程

系統(tǒng)硬件：本系統(tǒng)主要使用的硬件芯片為：MSC51系列單片機(jī)、DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器、有源蜂鳴器、nRF24L01無線收發(fā)芯片、有線串口通訊等[3]。

2 人體體溫監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件裝置的元件設(shè)計(jì)

上文簡要說明了系統(tǒng)需要主要用到的硬件芯片，系統(tǒng)主要的結(jié)構(gòu)就是由這些硬件加上相應(yīng)電路組成。下文根據(jù)硬件的特點(diǎn)配合本系統(tǒng)中使用的電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1.1 溫度傳感器

本系統(tǒng)采用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器。該溫度計(jì)具有量程廣，操作簡單，測量精度高等特點(diǎn)：其量程為 -55℃～125℃，在人體體溫一般波動范圍內(nèi)溫度的測量精度可達(dá)±0.01 ℃；采用的通信協(xié)議具有單總線特點(diǎn)，具體為通過一條數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)多個傳感器的掛載和通訊；此外，DS18B20能夠獨(dú)立工作于外部電源之外，利用數(shù)據(jù)線獲取電源。相應(yīng)的接口電路如圖3所示。

圖3 DS18B20連接方法

2.1.2 NRF24L01無線收發(fā)器

無線通訊部分采用單片2.4 GHz無線收發(fā)一體芯片，其工作頻段為2.4 GHz～2.5 GHz。nRF2401具有支持多點(diǎn)間通信的特點(diǎn)，傳輸速率快；基于System on Chip（SoC）設(shè)計(jì)，其射頻收發(fā)電路組成結(jié)構(gòu)簡單且高效；nRF2401利用簡單的通信協(xié)議，產(chǎn)品之間的兼容通信好；此外，nRF2401還具有體積小、功耗低、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)[4]。nRF24L01的設(shè)置如圖4所示。

（a） （b）

圖4 NRF24L01的設(shè)置流程[5]

2.1.3 STC89C52RC型單片機(jī)

系統(tǒng)核心處理部分采用STC89C52RC單片機(jī)，單一+5 V電源供電，片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路可外接石英晶體和微調(diào)電容，最佳振蕩頻率為6 MHz～12 MHz等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可充分滿足對溫度的控制、運(yùn)算、處理、傳輸?shù)纫骩6]。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件裝置的功能模塊設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)硬件由病床電子體溫計(jì)部分及病房單片機(jī)體溫監(jiān)測系統(tǒng)兩部分組成，下面將闡述各部分硬件組成。

2.2.1 病床電子體溫計(jì)模塊設(shè)計(jì)

病床區(qū)電子體溫計(jì)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、18b20溫度傳感器、數(shù)碼管顯示模組、nTF24L01無線傳輸模組、蜂鳴器報(bào)警模組等模塊組成，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)體溫計(jì)的實(shí)時測量，超限報(bào)警及無線通訊等功能。如圖5所示。

2.2.2 護(hù)士站體溫監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

下位機(jī)體溫監(jiān)測系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、nRF24L01無線通訊模組、蜂鳴器報(bào)警模組、RS-232串口通訊模組組成。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)的無線接收、超限報(bào)警及體溫?cái)?shù)據(jù)的串口通訊等功能。如圖6所示。

2.3 系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸通路設(shè)計(jì)

在病床電子溫度計(jì)中，體溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng)溫度傳感器采集后，以數(shù)字信號的形式交予單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)識別數(shù)字信號，并判斷，若超過37.5℃，將啟動蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，同時在數(shù)碼管模組上顯示測量的體溫?cái)?shù)據(jù)值并將采集到的體溫?cái)?shù)據(jù)以字符串的形式傳遞給2.4 G模塊進(jìn)行無線通訊。

在護(hù)士站體溫監(jiān)測系統(tǒng)中，2.4 G無線通訊模組將接收到的體溫?cái)?shù)據(jù)以二進(jìn)制形式傳遞至單片機(jī)處理，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若超過37.5 ℃，則啟動蜂鳴器報(bào)警，同時在LCD1602上顯示病人體溫?cái)?shù)據(jù)及對應(yīng)的病床號（地址值），并將體溫?cái)?shù)據(jù)以ASCII碼形式通過串口傳至上位機(jī)。如圖7所示。

圖7 體溫信號傳遞流程圖

3 人體體溫監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

前文已經(jīng)詳盡敘述了如何通過硬件將病人的體溫?cái)?shù)據(jù)采集以及通過串口通信將體溫?cái)?shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。在此部分需要對病人的體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理使得醫(yī)院對病人的體溫信息管理更加直觀、便捷。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫操作功能，本部分將病人基本信息，例如：姓名、性別等與病人實(shí)時溫度信息一一對應(yīng)起來；通過Labview接收及顯示，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫報(bào)表，使系統(tǒng)具有查詢顯示等基本功能；這就意味著工作人員可以通過在數(shù)據(jù)庫窗口輸入病人主要基本信息查詢病人的實(shí)時溫度。作為本部分特色的是，通過相關(guān)設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)具有病人體溫超標(biāo)警示功能，并生成相關(guān)病人時間溫度曲線圖，對病人體溫走勢作出分析，方便醫(yī)生更好地對病人病情作出判斷。

根據(jù)本項(xiàng)目預(yù)期的目標(biāo)，軟件部分需要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對所接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、繪制體溫曲線等處理。

3.1 系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可視化界面設(shè)計(jì)

基于Labview平臺簡潔美觀的特點(diǎn)，在上位機(jī)端，采用Labiew開發(fā)平臺，編寫vi程序，生成能夠在大部分上位機(jī)上完美運(yùn)行的exe程序，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化呈現(xiàn)。在程序所繪制的折線圖中，以采集次數(shù)為橫坐標(biāo)，病人具體體溫為縱坐標(biāo)，直觀呈現(xiàn)病人短期內(nèi)的體溫情況，以便醫(yī)護(hù)人員在面對緊急情況時能夠及時采取正確的措施。該圖像同時實(shí)現(xiàn)了以不同顏色折線對多位病人體溫的同時再現(xiàn)，較為經(jīng)濟(jì)、便捷[7]。監(jiān)測界面如圖8所示。

在程序運(yùn)行初始，需要端口地址及所需呈現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的個數(shù)及時間，而在之后的運(yùn)行中則無需再設(shè)置。當(dāng)然如果醫(yī)護(hù)人員需要，也可以自己進(jìn)行修改。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述功能，我們采用Access數(shù)據(jù)庫對病人體溫信息進(jìn)行管理。利用其能夠完善地管理各種數(shù)據(jù)庫對象，方便生成各種數(shù)據(jù)對象及建立窗體、報(bào)表的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。

其操作簡便，編程簡單，可與SQL語言及VB語言實(shí)現(xiàn)完美連接，為數(shù)據(jù)建立集中化存取平臺。本項(xiàng)目僅用到了Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺的基本報(bào)表生成、窗口建立、控件設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢以及簡單VBA編程實(shí)現(xiàn)體溫超標(biāo)警示和曲線圖繪制功能。

圖8 Labview監(jiān)測界面

呈現(xiàn)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)處理部分的Access相關(guān)運(yùn)行界面如圖9所示。

圖9 病人信息體溫表

相關(guān)操作人員在Access運(yùn)行界面的查詢工作欄輸入病人的主要基本信息，如：病人編號，可以查詢到病人的實(shí)時體溫，同時顯示體溫是否超標(biāo)；還可以設(shè)置是否生成當(dāng)前時間段的體溫曲線圖，進(jìn)行進(jìn)一步分析。上位機(jī)病人體溫?cái)?shù)據(jù)處理功能的實(shí)現(xiàn)就如上文所述。

4 體溫監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行測試

對系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，設(shè)計(jì)了2組病人體溫?cái)?shù)據(jù)，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定為每隔1秒鐘循環(huán)輪詢測量一次，測得的數(shù)據(jù)能實(shí)時顯示和存儲在數(shù)據(jù)庫中，并對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而達(dá)到研究分析病人體溫變化進(jìn)而評估其健康狀況的目的。

系統(tǒng)設(shè)置的精度為0.1 ℃，符合正常的體溫觀測標(biāo)準(zhǔn)。同時，上位計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理能力完美地滿足了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理要求。溫度傳感器測量的數(shù)據(jù)，包括病床號、溫度等信息（只精確和顯示到小數(shù)點(diǎn)后一位）。

5 結(jié) 語

文章闡述了利用DS18B20、STC52RC和NRF2401等芯片設(shè)計(jì)的住院病人體溫實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)測試證明，系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了體溫?cái)?shù)據(jù)信號的有效傳輸，由于傳感器可以置于病人衣服內(nèi)部，對病人的活動不受影響，同時病人的活動對數(shù)據(jù)測量亦不會產(chǎn)生影響。在數(shù)據(jù)處理方面，充分利用了計(jì)算機(jī)的處理能力，多路數(shù)據(jù)的同時測量與傳輸，使得測量廣度達(dá)到了預(yù)期效果。體溫傳感器置于腋下，測量的是病人的腋溫，使得測量的精度達(dá)到了預(yù)期效果。

本系統(tǒng)具有低成本，應(yīng)用靈活，可裁剪等特點(diǎn)，如果能夠在醫(yī)院及臨床中得以推廣，則將解放護(hù)士的大量勞動力，且能夠及時反映病人的體溫狀況；若能將體溫?cái)?shù)據(jù)納入病人體征參數(shù)數(shù)據(jù)庫中，則對補(bǔ)充及完善醫(yī)院大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)具有重大意義。

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