基于臨床日常護(hù)理生理指標(biāo)自動(dòng)巡測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周 偉，趙丹丹

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473009）

基于臨床日常護(hù)理生理指標(biāo)自動(dòng)巡測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周 偉，趙丹丹

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473009）

主要針對臨床上對病患體溫、脈率和呼吸頻率3個(gè)生理信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和傳送，介紹一款自動(dòng)巡測系統(tǒng)。該無線生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)：脈搏信號(hào)的拾取和分析，計(jì)算脈率；通過Tsic506高精度溫度傳感器對體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行讀取；通過對呼吸時(shí)鼻腔內(nèi)的溫度變化的數(shù)據(jù)計(jì)算呼吸頻率；實(shí)時(shí)地進(jìn)行傳輸顯示體溫、脈搏和呼吸頻率的數(shù)值；在數(shù)據(jù)的采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行呼叫，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)設(shè)有相應(yīng)的復(fù)位按鈕。本系統(tǒng)各功能模塊分工明確、結(jié)構(gòu)清晰，日常功能的修改、擴(kuò)展和維護(hù)容易，同時(shí)還具有對設(shè)備要求低、開發(fā)時(shí)間短，對寫入的程序可以進(jìn)行加密等優(yōu)點(diǎn)。

溫度傳感器；Tsic506；脈率；模塊化

1 緒論

體溫、脈搏和呼吸頻率作為臨床上最為常規(guī)的3個(gè)生理參數(shù)，最為直觀的反映著病人的生理狀況，其中任意一項(xiàng)的異常都表明患者病情的變化。以往的醫(yī)療監(jiān)護(hù)主要使用傳統(tǒng)的人工測量，由于其實(shí)時(shí)性較差，且醫(yī)護(hù)成本較高，如今已逐漸被現(xiàn)代化的自動(dòng)巡測系統(tǒng)取代。

體溫、脈率和呼吸頻率的無線實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示的3個(gè)參數(shù)是術(shù)后病患病況變化最基礎(chǔ)最直觀的反映。病患的體溫?cái)?shù)據(jù)對于預(yù)后的判斷是十分重要的參考量，臨床上可根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)病患的體溫的變化繪制成曲線，對于發(fā)熱病患來說，其體溫?cái)?shù)據(jù)連接形成的曲線被稱為熱型（fever type）。根據(jù)其變化形式可將其分為多種熱型，例如:稽留熱（continued fever）、弛張熱（remittent fever）、間歇熱（intermittent fever）及不規(guī)則熱（irregular fever）等［1-4］。根據(jù)患者的熱型可對預(yù)后做出具有一定參考意義的判斷。脈率和心率的在數(shù)值上是相等的，脈率的變化反映著心率的變化，脈率在短時(shí)間內(nèi)的較大變化通常標(biāo)志著病情的惡化。呼吸頻率在臨床護(hù)理中數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，與脈率一樣若在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生持續(xù)迅速的增長，也標(biāo)志著病患情況的惡化。因此脈搏與呼吸頻率對于患者當(dāng)下的生理狀況的反應(yīng)具有十分重要的意義。

本系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)模塊完成一個(gè)功能，各功能模塊分工明確、結(jié)構(gòu)清晰，日后功能的修改、擴(kuò)展和維護(hù)容易。采用的STC12C5A60S2單片機(jī)作為信號(hào)的采集節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的核心微處理器，系統(tǒng)還具有對設(shè)備要求低、開發(fā)時(shí)間短，對寫入的程序可以進(jìn)行加密等優(yōu)點(diǎn)。

2無線監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文主要針對臨床上對病患體溫、脈率和呼吸頻率3個(gè)生理信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳送。該無線生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn):①脈搏信號(hào)的拾取和分析，通過對脈搏信號(hào)的分析來計(jì)算脈率；②體溫溫度的讀取，通過Tsic506高精度溫度傳感器對體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行讀取；③通過對呼吸時(shí)鼻腔內(nèi)的溫度變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算呼吸頻率；④實(shí)時(shí)地進(jìn)行傳輸顯示體溫、脈搏和呼吸頻率的數(shù)值；⑤在數(shù)據(jù)的采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行呼叫，數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)設(shè)有相應(yīng)的復(fù)位按鈕。

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由多個(gè)生理參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)與一個(gè)數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)兩部分組成，這兩者之間的通信是通過短距離無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

無線生理參數(shù)巡測系統(tǒng)由多個(gè)生理參數(shù)測量節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，測量節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的通訊依靠無線射頻模塊進(jìn)行通信。單個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由2個(gè)溫度傳感器、1個(gè)脈搏傳感器、1個(gè)單片機(jī)微控制器、1個(gè)無線射頻通訊模塊，2個(gè)溫度傳感器一個(gè)用來測量體溫、一個(gè)用來進(jìn)行呼吸頻率的測量。在數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的無線射頻通訊模塊接收到數(shù)據(jù)后，單片機(jī)發(fā)出指令將接收到的數(shù)據(jù)顯示在NOKIA5110液晶顯示屏上。

圖1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，總結(jié)出系統(tǒng)的總體要求:①微小的體積，系統(tǒng)體積微小更加節(jié)省空間；②較高的可靠性，系統(tǒng)運(yùn)行要穩(wěn)定；③使用方便，在使用過程中不能給患者造成額外生理負(fù)擔(dān)；④便于維修，傳感器的接口簡單。

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)總體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，提出可行性高的硬件設(shè)計(jì)方案。在實(shí)施具體的設(shè)計(jì)方案時(shí)，對單個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的簡化，由于所有的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)在組成結(jié)構(gòu)上是相同的，因此系統(tǒng)可以簡化成一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。簡化后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2簡化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由2個(gè)溫度傳感器、1個(gè)脈搏傳感器、1個(gè)單片機(jī)、1個(gè)無線射頻傳輸模塊組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過相應(yīng)的傳感器對人體的生理參數(shù)進(jìn)行測量，測量所得數(shù)據(jù)在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的分析，最后單片機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)送端的無線射頻模塊將分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)的接收節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后，單片機(jī)直接將接收到的數(shù)據(jù)在LCD屏上進(jìn)行顯示。在對生理信號(hào)進(jìn)行測量時(shí)，兩溫度傳感器Tsic506、DS18B20分別用來進(jìn)行體溫和呼吸時(shí)鼻腔內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的測量，讀取脈搏傳感器數(shù)據(jù)時(shí)則需要先進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量的形式后再進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)在通過無線射頻模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)后，需要依照相應(yīng)的通訊協(xié)議先進(jìn)行拆包，才能將數(shù)據(jù)通過接收節(jié)點(diǎn)的微處理器發(fā)送到液晶顯示屏上進(jìn)行顯示。

無線生理參數(shù)巡測系統(tǒng)的主要功能:

（1）人體體溫采集功能。采用精度較高的數(shù)字式溫度傳感器進(jìn)行讀取，測量精度達(dá)到0.1攝氏度。

（2）脈搏信號(hào)的拾取。通過指尖進(jìn)行信號(hào)的采集，將采集來的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的分析，最終得出脈搏的數(shù)據(jù)。

（3）呼吸時(shí)鼻腔內(nèi)溫度的采集。采集鼻腔內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，通過溫度的變化，將采集到的數(shù)據(jù)繪制出相應(yīng)的曲線，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出呼吸頻率。

（4）數(shù)據(jù)的無線傳輸功能。數(shù)據(jù)的采集節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間能夠完成單方向的通訊。

（5）數(shù)據(jù)在液晶屏上的顯示功能。

3系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路

該無線生理參數(shù)巡測系統(tǒng)的軟件主要由采集端主程序、接收端主程序組成。采集端主程序包括2個(gè)溫度傳感器、1個(gè)脈搏傳感器和1個(gè)無線發(fā)送，4個(gè)模塊的程序；接收端主程序包括1個(gè)無線接收和1個(gè)液晶顯示，2個(gè)模塊的程序。

在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)要有清晰的思路，模塊的設(shè)計(jì)方案是使程序更為簡潔、清晰。本次設(shè)計(jì)程序采用C51進(jìn)行編程，在Keil Uvision4環(huán)境中進(jìn)行編程將最終生成的HEX文件燒錄到單片機(jī)內(nèi)。與單片機(jī)的匯編編程相比，C語言在可讀性、結(jié)構(gòu)性和功能等方面具有更為明顯的優(yōu)勢。

設(shè)計(jì)軟件時(shí)，需要注意保持模塊化的編程思想，在進(jìn)行程序編寫時(shí)，每段程序都要分工明確。無線射頻模塊的發(fā)送和接收端必須設(shè)置成同一個(gè)通信頻率。系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

圖3系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向圖

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)未輸入人體體溫信號(hào)時(shí)，體溫傳感器的測量結(jié)果為周圍環(huán)境的溫度，數(shù)值會(huì)隨著傳感器周圍溫度的變化而變化，因此在未進(jìn)行任何信號(hào)輸入時(shí)體溫項(xiàng)顯示的是周圍環(huán)境溫度，而脈搏和呼吸項(xiàng)因沒有任何信號(hào)的輸入，故顯示值為0。當(dāng)分別進(jìn)行體溫、脈搏和呼吸信號(hào)的輸入時(shí)，相應(yīng)的項(xiàng)顯示數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生變化，除了體溫信號(hào)的實(shí)驗(yàn)值是一組外，另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都包含三組小實(shí)驗(yàn)，這三組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相互對照，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對信號(hào)變化的反應(yīng)良好。LCD顯示屏右下角現(xiàn)實(shí)標(biāo)號(hào)1代表這是由1號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，當(dāng)按下1號(hào)節(jié)點(diǎn)的按鈕時(shí)LCD閃爍顯示接收到的參數(shù)，表示病人呼叫，當(dāng)按下數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的按鈕時(shí)，顯示恢復(fù)正常。

通過查詢資料可知，正常人的口腔溫度為36℃至37.3℃，根據(jù)個(gè)體的差異可有一定的波動(dòng)，腋下正常的溫度約為36.0℃至37.0℃，直腸內(nèi)的溫度較高，相比于腋下的溫度約高0.5℃。為了測量方便，臨床上常規(guī)的體溫測量大多數(shù)是對腋下的溫度進(jìn)行測量，雖然結(jié)果與核心溫度有一定的差距，但是作為臨床判斷的依據(jù)已然足夠。本次實(shí)驗(yàn)測得手指表面的溫度約為35.5℃，使用水銀溫度計(jì)進(jìn)行測量，測得指尖溫度介于35.5℃到35.6℃之間，更接近于35.5℃，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，誤差較小，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在本次實(shí)驗(yàn)中測得體表溫度為35.5℃，在正常測量范圍內(nèi)。事實(shí)上人體平均的皮膚溫度約為33.8℃，日均方差約為0.6℃。

正常成年人的呼吸頻率約15次／min到20次／min，在運(yùn)動(dòng)后呼吸頻率會(huì)發(fā)生變化。在進(jìn)行測試時(shí)人為地對呼吸頻率進(jìn)行改變，當(dāng)進(jìn)行深度呼吸時(shí)，呼吸頻率必然減慢，人為地進(jìn)行較高深度的呼吸，呼吸頻率可小于正常范圍，另外在進(jìn)行較淺的呼吸時(shí)，呼吸頻率相應(yīng)得會(huì)增加。實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)行較高深度的呼吸時(shí)系統(tǒng)測量得出的呼吸頻率為11次／min，以同樣的呼吸頻率進(jìn)行呼吸時(shí)，人工計(jì)數(shù)測得一分鐘進(jìn)行了11次完整呼吸和1次完整吸氣過程，考慮到人工計(jì)時(shí)的過程中存在一定的誤差，以及每一次呼吸時(shí)間之間也會(huì)存在一定的差異，試驗(yàn)中測得的結(jié)果在允許的范圍內(nèi)。正常的呼吸時(shí)，測得的呼吸頻率為19次／min。當(dāng)快淺的呼吸時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也迅速發(fā)生了明顯得變化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)在反應(yīng)呼吸頻率的變化的方面較為靈敏。

對心率進(jìn)行測量，男性的脈搏要比女性跳得快，運(yùn)動(dòng)員或者是長期鍛煉的人的脈速較慢，故心率值的范圍較大。一般一個(gè)健康成年人的心跳速度在60次／min-120次／min的區(qū)間內(nèi)都是正常的。在本次試驗(yàn)中，通過改變呼吸頻率的方式來改變心率的數(shù)值，當(dāng)實(shí)驗(yàn)者減少呼吸次數(shù)或者停止呼吸時(shí)，心率會(huì)明顯下降，當(dāng)實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行正常平穩(wěn)的呼吸時(shí)，心率迅速而明顯地上升至正常范圍，當(dāng)繼續(xù)加快呼吸或者運(yùn)動(dòng)、情緒緊張時(shí)，心率明顯升高。該系統(tǒng)對各種情況引起的心率增加都能很靈敏地進(jìn)行準(zhǔn)確反應(yīng)。

5結(jié)束語

本次課題研究并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)3參數(shù)生理信號(hào)自動(dòng)巡測系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用了高性價(jià)比的STC12C5A60S22單片機(jī)作為核心處理器，其內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換電路使整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)變得簡單，較低的功耗使系統(tǒng)在進(jìn)行長時(shí)間、實(shí)時(shí)地對體溫、脈率和呼吸頻率巡測的工作上表現(xiàn)優(yōu)異。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)從整體上進(jìn)行規(guī)劃，對于各功能的實(shí)現(xiàn)均由相應(yīng)的模塊來進(jìn)行。傳感器在低成本、開發(fā)周期短、易于維護(hù)、性能穩(wěn)定的前題下進(jìn)行選擇。

由于時(shí)間短、個(gè)人能力不足，本系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了對體溫、脈搏、呼吸頻率的簡單測量。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器選擇了高度集成的數(shù)字式溫度傳感器和脈搏傳感器模塊來進(jìn)行信號(hào)采集。在進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)時(shí)，由于無法獲取到更好的思路，在實(shí)現(xiàn)的功能上存在一定的缺陷。功能上依舊需要對以下幾點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的完善。

（1）實(shí)現(xiàn)對血壓的監(jiān)測，血壓也是人體較為重要的生理參數(shù)，血壓數(shù)據(jù)變化的檢測也是臨床監(jiān)護(hù)中的重要參考信息。

（2）在進(jìn)行呼吸頻率的數(shù)據(jù)分析時(shí)應(yīng)能分辨出咳嗽等呼吸異常。

（3）實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的顯示。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用使醫(yī)療在遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域逐漸邁開腳步，基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)成為生理參數(shù)巡測系統(tǒng)的發(fā)展方向。本次的設(shè)計(jì)為近距離的生理參數(shù)自動(dòng)巡測系統(tǒng)，在醫(yī)院病房或者家庭等用戶中能夠滿足對心理、脈搏和呼吸頻率信號(hào)的檢測，且具有體積小、成本低、易維修、移動(dòng)性較好等優(yōu)點(diǎn)，在戶外急救等具有較高移動(dòng)性的情況下應(yīng)用效果較好。

［1］無線通訊模塊NFR24L01.

［2］陳 拓.Tsic系列高精度溫度傳感器的應(yīng)用［Z］.2011.

［3］柳巨雄，楊煥民.動(dòng)物生理學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2011.

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［5］孟亞麗.四參數(shù)生理監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)［D］.天津:天津大學(xué)，2005.

［6］楊志寅.診斷學(xué)大辭典［M］.北京:華夏出版社，2004.

［7］冷富萍，王安靜.臨床體溫測量技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.中華現(xiàn)代護(hù)理雜志.2010，32:2-3.

［8］王守利.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2009.

Design of automatic detecting system based on clinical daily-nursing physiological index

ZHOU Wei，ZHAO Dan-dan
（HenanPolytechnicInstitute，Nanyang473009，China）

The clinical data collection and the transmission for the three physiological signals of the temperature，the pulse rate and the respiratory rate are presented.The wireless physiological parameter monitoring system can achieve the following functions:picking and analysis of the pulse signals and the pulse rate calculating；temperature data reading through Tsic506 high precision temperature sensor；calculating respiratory frequency through the data of the respiratory temperature which changes in the nasal cavity；real-time transmitting and displaying the data of the temperature，the pulse and the respiration frequency；calling in the data collecting node without the corresponding reset button.Each module of the system has functions of clear labor division，clear structure，easy to future functional modification，extension and maintenance.At the same time，it also has advantages of the lower requirement for equipment and the short time for developing and can make encryption for the written procedures.

temperature sensor；Tsic506；pulse rate；modularization

TP274+.2

B

周 偉（1978-），男，河南人，河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院教師，從事自動(dòng)化、機(jī)電一體化、汽車電子類教學(xué)和研究工作。

2016-06-15

1005—7277（2016）04—0035—04