基于WiFi傳輸的呼吸機數據采集系統設計

符策高

(海南醫學院第二附屬醫院， 海南 海口 570311)

0 引言

在危重癥患者治療過程中，呼吸機具有重要作用。但當前大部分呼吸機都是床邊工作，靠護士每隔一段時間手工記錄，信息化程度較低，無法通過網絡傳輸監測結果和重要參數。本文利用WIFI傳輸對呼吸機參數進行實時采集[1]，并實現呼吸機管道內積液的自動檢測。能夠降低護士的工作強度，避免重要數據的丟失，強化了呼吸機的保障效果。

1 總體設計

(1) 系統總體框架

本文設計的呼吸機數據采集系統分為兩個部分，即上位機模塊和數據采集傳輸硬件模塊，如圖1所示。

圖1 呼吸機數據采集系統總體框架

WIFI射頻模塊作為數據采集傳輸模塊的重要單元是該系統的服務端，通過網絡通信與作為上位機的客戶端進行數據交互。數據采集模塊主要實現數據采集和無線傳輸。患者呼吸的波形數據和呼吸機參數被采集后，通過RS232串口輸入數據采集模塊中，封裝后通過WIFI傳輸至上位機。上位機首先對通信協議進行解析，然后分析硬件模塊發來的數據，并將數據轉換為可視化圖形。

(2) 管道內積液自動檢測算法

呼吸機的呼吸周期數據是該算法的重要判斷依據。吸氣和呼氣管道是呼吸機機械通氣的主要管道，在使用過程中往往會出現呼吸相積液問題。患者呼氣和吸氣波形數據通常會存在一定的差異[2]，如果不考慮差異的情況下，設計積液自動檢測算法容易產生誤判。因此，本文將呼氣相和吸氣相分開進行算法設計，如圖2所示。

圖2 管道內積液自動檢測算法流程

算法步驟如下。

步驟一：利用一階微分法分析呼吸周期起點；

步驟二：按照氣流時間和流速波形圖，按照零點分配來劃分呼氣相和吸氣相；

步驟三：利用小波分解法分析氣流時間和壓力的波形數據；

步驟四：小波分解后的信號提取其分量，并按照細節進行小波重構；

步驟五：對重構后的信號閾值進行選擇，并將閾值判斷作為管道積液的評判依據，判斷是否存在積液。

2 硬件設計

該系統硬件單元結構圖，如圖3所示。

圖3 系統硬件結構

(1) WIFI傳輸模塊

WIFI傳輸模塊是該系統的核心硬件，由E103-W02射頻模塊和功能底板組成。E103-W02芯片是射頻模塊的核心，能夠為WIFI傳輸提供良好的解決方案。該芯片片內集成度很高，只需要功能底板的供電和串口轉換便能完成WIFI傳輸模塊的硬件設計[3]。

(2) 微控制器

微控制器與各個硬件模塊的統一協調控制是該系統硬件單元得以正常工作的保障。本系統采用STM32作為微控制器，其電路主要包括附屬模塊外圍電路和微控制器電路，如調試電路、復位電路和主電路。其中，復位電路采用RC復位方式，只通過簡單的電路設計便能完成運行中復位和上電復位功能。調試電路采用標準的10針頭JTAG接口，高速數據傳輸情況下，將STM32的SWD模式引腳與JTAG接口連接，便可完成程序的調試和下載。

(3) 供電方式

本系統硬件采用5V USB供電模式，為了符合E103-W02芯片的3.3V供電需求，增加AMS 3.3芯片作為穩壓和電壓轉換芯片，并配備1個0.1μF陶瓷電容、1個10μF鉭電容和三個1μF陶瓷電容。轉換電路，如圖4所示。

圖4 5 V→3.3 V轉換電路

(4) 通訊設計

該硬件系統與呼吸機的RS232接口連接完成通信。E103-W02射頻模塊為TTL電平，呼吸機為RS232串口電平，為使硬件與呼吸機完成通信，本設計引入了SP3232芯片進行電平轉換，以達到數據實時傳輸的目的。

(5) WIFI數據傳輸流程

WIFI數據傳輸流程，如圖5所示。

為WIFI數據傳輸流程。首先對硬件進行初始化設置，WIFI服務端通過監聽方式向網絡發起連接。上位機作為客戶端完成注冊請求后與WIFI服務端建立連接。當WIFI服務端采集到數據后進行封裝打包，并發送至上位機服務器。

圖5 WIFI數據傳輸流程

3 軟件設計

(1) 軟件總體設計

軟件系統作為上位機的主要系統，實現WIFI傳輸數據的處理和分析以達到自動檢測管道內積液的目的。軟件架構，如圖6所示。

圖6 上位機軟件架構

上位機的WIFI模塊首先進行初始化，并將外部請求設備與初始化呼吸機的通信，并實施獲得呼吸機的數據。接收到的呼吸機數據首先要進行通信協議解析，然后一部分是用于直觀的參數展示，另一部分用于波形分析，以判斷管道積液情況[4]。

(2) 通信協議解析

呼吸機通信協議解析式軟件部分的重點，本設計以PB840型呼吸機為例，該款呼吸機通信協議MEDIBUS通過RS232與外部設備建立連接，使用過程中只需要初始化通信即可完成實施傳輸。MEDIBUS指令是呼吸機通信協議的指令格式，外部設備通過向呼吸機發送SDNF請求指令即可獲得波形數據、患者參數以及設置數據，完成對患者呼吸情況的監控[5]。

上位機的通信協議解析流程，如圖7所示。

軟件系統需要對呼吸機通信協議進行解析，并獲得波形數據和監測數據兩種獨立封裝的數據。系數首先會判斷數據類型及其合法性，根據類型進行專有解析。獲得的波形數據通過波形分析程序判斷管道內積液情況，獲得監測數據用于監測患者參數[6]。

4 總結

綜上所述，本文設計的呼吸機數據采集系統通過RS232串口與WIFI模塊進行連接，通過MEDIBUS通信協議解析完成對呼吸機參數和波形數據的采集。對數據波形進行小波分解、提取和重構后，自動判斷管道內積液情況，同時還能夠實施監測呼吸機運行情況及患者參數。極大程度降低了護士的工作強度，實現了對呼吸機的實時監測。