基于無線技術的住院患者體溫監測系統的設計*

黃二亮，卜祥磊，謝衛華，欒強厚，黃鑫△，王正發，葉鳳章

（1.廣州市婦女兒童醫療中心設備部，廣州510623；2.廣東睿超電子科技有限公司，東莞523808）

1 引 言

此前我們設計了一款基于智能手機和藍牙通訊協議的可穿戴無線體溫監測系統，通過用戶手機將體溫數據上傳至云服務平臺，而醫生從云服務平臺獲取相關體溫信息[1]。在醫院實際推廣期間發現，醫院更傾向于在園區內建立一套獨立運行的監測系統來測量并獲取住院患者體溫等信息，而非通過患者的手機設備獲取相關信息[2]。為此，我們組織醫院專家及一線醫護人員共同研討，了解他們的實際需求，從而設計出一款符合醫院臨床使用需求的動態無線體溫監測系統。新設計的動態無線體溫監測系統與原無線體溫監測系統的主要區別在于體溫數據的傳輸過程和方式不同，體溫監測與體溫數據管理是基于此前系統改良設計而成。

2 系統總體設計

根據醫院臨床使用需求，我們將系統分為三大部分：體溫監測終端、體溫數據傳輸節點和體溫監測管理平臺，見圖1。該動態無線體溫監測系統是利用用戶佩戴的體溫監測終端實時測量體溫數據的，體溫監測終端通過無線網絡將體溫數據上傳到體溫數據傳輸節點，然后由體溫數據傳輸節點將體溫數據上傳到基于PC的體溫監測管理平臺。

圖1 系統整體設計框圖Fig 1 System block diagram of our detection

動態體溫監測系統以每棟住院樓為一個監測單位，多個病房布局一個體溫數據傳輸節點，以無線橋接實現整棟住院樓的無線信號覆蓋。住院患者在病房內佩戴體溫監測終端，測得的體溫數據經由體溫數據傳輸節點傳輸至體溫監測管理平臺，實現雙向通信。體溫監測管理平臺可以實現對患者體溫等相關數據的查看、分析、處理等操作。該平臺允許醫護人員根據不同類型的患者設置不同的體溫監測閾值和監測頻率。當患者體溫超過預設閾值，平臺會發出報警信號，便于醫護人員和患者及時采取相應措施，防止病情進一步惡化。

3 體溫監測終端設計

體溫監測終端延續手表形狀的可穿戴設備設計，佩戴于上臂上部，探測腋下溫度。見圖2，體溫監測終端主要調整在核心控制模塊和無線傳輸模塊部分。新款體溫監測終端基于2.4 GHz頻段無線傳輸協議，只需識別到任一體溫數據傳輸節點即可連接入網，無指定傳輸節點，方便用戶在體溫監測期間走動和完成其它檢查。

圖2 體溫監測終端設計框圖Fig 2 Structure composition frame of temperature monitoring terminal

3.1 核心控制模塊

終端采用STM8L152作為主控制芯片，負責終端設備各個功能模塊的控制。該芯片為STM8核心的8位超低功耗微處理器，具備了低功耗RTC、LCD驅動、16位定時器以及12位ADC等功能模塊，滿足屏幕驅動、按鍵開關和溫度測量等功能需求。芯片工作電壓為1.65～3.6 V，可用3 V的紐扣電池驅動，有效減少終端設備體積大小，滿足終端設備穿戴需求。該芯片具有5個模式的低功耗運行模式，可根據需求調整系統運行功耗，芯片低功耗運行工作電流為5.1 uA，低功耗等待工作電流低至3 uA。終端默認每間隔15 s采集并發送一次體溫數據，其余時間保持低功耗等待狀態，極低的終端設備功耗能保證紐扣電池電量滿足患者一個住院周期使用需求。該芯片集成度高，功能強大，能通過簡單的外圍電路設計實現終端的所有功能需求。

3.2 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用LT8920主控芯片，該芯片是一款低成本、高集成度的2.4 GHz可變數據射頻的無線收發芯片。芯片集成了發射機、接收機和頻率綜合器等，外圍電路簡單，只需搭配MCU即可使用。其低中頻結構，靈敏度高，發射機功率可調，接收機采用數字擴展通信機制，可隨時監控信道質量，抗干擾能力強，收發性能優良。該無線芯片最低工作電壓為1.9 V，最低電流為1 uA，符合終端設計需求。

初始化LT8920主控芯片，芯片上電后，設置RST_n復位信號，等待系統晶振穩定后，完成寄存器初始化，芯片即可進行數據發射或接收。LT8920在無數據收發期間保持低功耗睡眠狀態，以降低系統功耗。待芯片接收到發射或接收中斷后退出低功耗睡眠狀態，判斷收發使能，執行相應操作。完成相應操作后再次進入低功耗睡眠狀態，等待下次中斷。主控芯片具體數據收發狀態機見圖3。

圖3 LT8920狀態機Fig 3 LT8920 state machine

無線模塊將測量的患者體溫數據按照一定的數據發送格式進行裝載，通過藍牙協議經由傳輸節點發送至體溫監測管理平臺。體溫數據發送主要包括終端設備ID、預警閾值、測溫頻率、測溫時間和體溫值。為了配合原有藍牙傳輸協議設置，預警閾值分為了整數部分和小數部分；測溫時間包含了體溫值對應的年月日和時分秒。同樣，醫護人員也可以通過體溫監測管理平臺，根據實際需求對系統終端進行設置，并通過數據傳輸節點，按照特定數據接收格式發送至系統終端，即可完成系統終端設置。系統終端可保存接收到的預警閾值和測溫頻率等配置數據，并修改相應設置。

4 體溫數據傳輸節點設計

體溫數據傳輸節點包括路由和網關，其網絡結構由樹型拓撲結構組成。樹型拓撲結構是從總線拓撲結構演變而來，由一個頂端和多個分支組成，各個分支又包含其自分支。樹型拓撲結構易于擴展、故障隔離容易，當發生故障時，容易排查出具體故障位置和原因[3]。

該系統內由一個網關和多個路由器組成，各個路由器之間通過無線橋接實現醫院住院大樓內的信號全覆蓋。見圖4，該系統由多個體溫監測終端和多個路由器作為數據傳輸節點，但最后都通過同一個網關將所有數據匯聚到體溫監測管理平臺上。

4.1 終端與路由器數據收發

系統終端與路由器之間采用2.4 GHz頻段無線通訊。2.4 GHz頻段是一個全球性的頻段，通用性好，其頻寬遠勝于其它通用頻段，數據雙向傳輸速率高，允許系統共存，抗干擾性強，能滿足醫院住院大樓內的使用需求[4]。最主要的是2.4 GHz無線傳輸模塊集成度高，天線體積非常小，功耗低，適合于穿戴式體溫終端設計需求。因此，在系統終端和路由器之間，我們采用該頻段無線信號傳輸。體溫監測終端會選擇接入信號質量最好的路由器實現數據交互。當終端離開已連接的路由器有效信號范圍時，終端會自動接入下一個信號質量最好的路由器[5]。患者佩戴體溫監測終端在住院大樓內部移動時，體溫監測終端會自動切換信號較強的數據傳輸節點，實現持續的數據交互，將體溫數據等相關信息上傳至體溫監測管理平臺，并獲取平臺最新的配置數據和相關信息。

圖4 體溫數據傳輸節點設計Fig 4 Design of temperature data transmission node

4.2 路由器與網關數據收發

由于在相同環境下傳輸損耗與頻率成正比，即無線信號頻率越高，傳輸損耗越大[6]。所以，2.4 GHz頻道無線通訊方式信號傳輸衰減較大，信號穿透能力差，在實際應用場景中有效傳輸距離短，尤其是很難穿透建筑物的墻體。因此，我們在路由器之間、路由器與網關之間數據傳輸采用相對較低頻率的433 MHz頻段無線通訊。433 MHz無線傳輸模塊天線輸入端有選頻電路，可以根據需要適當增減天線長度，輸出波形噪聲小，能有效保證數據傳輸穩定[7]。該無線傳輸芯片設計結構穩定，能有效抵抗環境溫度、濕度和機械振動等不確定因素造成的干擾。由于路由器和網關受產品體積限制小，可以使用外置天線，較低的信號頻率和較長的外置天線，使路由器和網關更適宜較大范圍的系統網絡布置和較長距離的數據傳輸，以確保終端數據能完整傳輸至數據管理平臺。

5 體溫監測管理平臺設計

體溫監測管理平臺除了保存用戶基本信息、體溫數據、測溫時間等基本信息外，還可對終端進行設置。當患者處于溫度波動階段、高溫階段或正常體溫階段，醫生可根據需要適當增減溫度測量頻率和設置預警閾值。當體溫監測終端預警閾值和測溫頻率與體溫監測管理系統不一致時，以管理系統為準，重新發送指令設置終端預警閾值和測溫頻率。

體溫監測管理平臺通過USB接口從網關獲取所有患者體溫數據，保存至Tomcat服務器中。服務器根據科室、病床號和患者姓名等信息區別不同用戶體溫數據，按表1數據格式存入系統數據庫中。其中，數據長度根據系統收到的數據量持續增加，體溫數據包括終端測量所得的患者體溫值以及體溫值對應的時間點，同一分鐘內接收到的體溫數據會根據具體數據量去除異常溫度值或去除最大、最小溫度值并取平均值處理后存入數據庫。具體數據存儲格式可根據醫院信息系統要求重新調整。

6 系統功能測試

依據醫用電子體溫計國家標準GB/T 21416-2008規定，見表 2[8]。

為了加速測試系統穩定性和數據傳輸完整性，我們相應加快了數據傳輸頻率，使終端每間隔10 s測量并發送一個體溫相關數據。將體溫監測系統終端置于恒溫水槽，連續測試72 h，截取部分測試數據分析，見圖5，當恒溫水槽溫度分別設置為35.3℃、37.0℃、38.5℃和40.4℃時，終端測量結果波動范圍始終在0.2℃以內，與恒溫水槽設定值對比，測量誤差均不大于0.1℃，重復性誤差不大于0.1℃，測試結果均符合相關標準。當恒溫水槽溫度設置超過37.5℃時，體溫監測管理平臺能作出相應高溫異常預警。

表1 體溫數據存儲格式Table 1 Temperature data storage format

表2 醫用電子體溫計最大允許誤差范圍Table 2 Maximum permissible error range of medical electronic thermometer

圖5 恒溫環境測試結果Fig 5 Thermostat test results of our detection system

在通過恒溫環境測試后，我們選取外科和ICU作為臨床試驗科室，將體溫監測管理平臺安裝在各科室護士工作站，將無線傳輸節點布置于醫院住院大樓相應科室范圍內。實測系統終端低功耗運行工作電流5 uA，終端數據發射和接收工作電流3.45 mA，所有終端設備穩定運行時間均大于7 d；臨床試驗為期12個月，體溫監測系統運行良好。試驗過程中，選取每天早飯前、午休前、晚飯前、就寢前四個時間節點為患者用汞式體溫計進行常規體溫測量。汞式體溫計測量結果與本系統監測結果對比見表3，兩種體溫監測方法所得患者體溫值比較，差異無統計學意義（P＞0.05），采用體溫監測系統測溫耗時較汞式體溫計短，差異有統計學意義（P＜0.05）。

表3 兩種體溫測量方法測量值和測量時間的比較（±s）Table3 The comparison of our detection system and mercury thermometer（±s）

表3 兩種體溫測量方法測量值和測量時間的比較（±s）Table3 The comparison of our detection system and mercury thermometer（±s）

體溫測量方法 例次 體溫測量值（℃） 測量時間（min）體溫監測系統6864 36.8±1.5 0.7±0.2汞式體溫計 6864 36.7±1.6 10.8±0.7 t 1.950 -4.140 p＞0.05 ＜0.05

7 結論

臨床試驗證明，該體溫監測系統能準確采集患者體溫數據，測溫結果符合電子體溫計相關標準。系統傳輸節點無線通訊丟包率低，能將終端體溫數據完整傳輸至體溫監測管理平臺。醫護人員可直接從體溫監測管理平臺獲取患者最新體溫情況，查看并分析患者體溫趨勢，并可根據患者體溫情況，在體溫監測管理平臺上設置體溫監測頻率和預警溫度。

該系統可以實現醫院、養老社區等大規模的體溫監測，體溫測量不受地點束縛，能有效減少醫護人員工作量，并提高其工作效率。