基于ZigBee的無線體溫監測效能設計與研究

楊輝，朱燕玲，徐露，李亞蘭，孫文，紀永章

東部戰區空軍醫院信息中心，江蘇南京 210002

ZigBee是一種擁有低功耗、近距離、低成本、低復雜度的主流無線通信技術，其組網模式較自由，且應用場景較廣泛，在醫療監護、工業監測、智能家居等領域都具有成功的應用。國內Zigbee在醫療無線監測已有一段時間的探索，很多科研機構、科技公司都對Zigbee在醫療行業內地應用做出了很多研究，但對照歐美的研究成果，尚存在一些距離。

目前醫院的醫療設備都以傳統模式為主，其特點是功能單一且接線復雜，也不便于移動，與醫院信息化發展不吻合，也不符合移動醫療發展趨勢。本研究提出利用Zigbee技術來實現無線體溫監測系統，本設計具有成本低、易推廣、易擴展等功能特點，便于醫護人員實時對患者的體溫進行檢測，尤其在ICU對患者進行實時監測和慢病管理方面，由于其簡單易操作便于居家期間的自行檢測，患者可以自行監管，也可以大大提高醫護人員的工作效益，符合現代化醫療的趨勢，對推進衛生行業信息化發展具有一定的意義。

1 研究對象

隨著科學技術的進步，特別是無線技術和MEMS技術的發展，與醫療行業的切入點越來越多，對無線監測管理技術的研究深入，各種應用也越來越成熟，從而逐步取代傳統的人工模式，目前在醫院應用的場景有體溫監測、血糖監測、血壓監測等，特別是體溫監測，在公共衛生事件發生期間發揮了重要的作用。

1.1 無線技術的發展

20世紀80年代美國軍方就開始將無線技術用于戰場戰士生理數據的監測，實時追蹤每名戰士的呼吸、心率、體溫等生理數據[1]。在國內中科院趙澤研究出一種基于無線傳感器的遠程無線醫療監護系統，同時提出具有擴展性的多層次網絡構架的設計[2]。國外對無線醫療技術研究較早于國內，如法國CRNS實驗室研發的MARSIAN主要用于神經系統監測[3]，美國喬瓦樂從2005年開始研究Zigbee網絡模型并應用于患者，監測患者的基礎生理數據，提前預判潛在的風險[4]。國內汪豐教授等設計基于Zigbee的無線醫療監護網；上海大學自助主研發的BOP系統應用于鄉村醫生對患者的心率、心電、呼吸等進行日常監測，有效地幫助鄉村醫生對患者進行各種救治工作等[5]；2010年南京試點“智慧養老”[6]，2011年大唐電信研制的Zigbee無線醫療設備出口至日本[7]。

1.2 醫療設備的無線應用

隨著信息技術的不斷發展，更多的無線技術被應用到醫療領域中，目前醫院的醫療監護中對無線的依賴比較明顯，特別是對患者的血壓、脈氧等的應用可以大大降低醫護工作中機械的重復勞動，也能降低在高強度工作下的出錯率。另外現有的醫療設備大部分仍采用傳統模式，體積笨重、接線繁瑣、不便于醫護人員的操作，有時也會因為設備的插頭不緊、傳感器掉落等造成檢測數據的丟失，在一定程度上影響到醫療工作開展，增加醫療風險的發生。本課題設計的無線醫療設備檢測具有以下特點：無線技術成本低、不用綜合布線、移植性好、擴展性優、操作簡單，便于醫護人員攜帶就診。無線監測設計定位也可以實現一對多的監測管理功能，一名醫護人員在工位就能管理多例患者，也能通過AI處理實現危急值自動預警，提供對患者的實時管控，降低醫療不良事件發生率。

2 研究方法

目前國內外很多研究機構對無線醫療數據監測產生很大的興趣，原因在于其功耗低、應用效果明顯、患者體驗感強、受醫護人員歡迎，致使其在部分領域的技術研究及技術實現已較成熟。

2.1 系統需求分析

近年來ICU重癥監測、慢病管理逐步成為一個新興的研究課題，與之對應的相關患者的生理數據收集顯得尤為重要，為此本課題設計出一款成本較低，基于Zigbee技術的無線架構的人體生理參數監控系統，具有人機交互方便、設備安全可靠、數據采集準確等特點。

2.2 Zigbee技術的應用

本研究選用Zigbee作為無線網絡架構基礎，擬采用的架構為傳感器節點--路由器--協調器--服務器形成的數據流。電路主控板采用STM32，因為STM32的處理核心為ARM 32位Cortex-M3 CPU，可以實現信息的高速傳輸[8]。

2.3 CC2530控制程序

CC2530控制程序由TI公司生產，是整個Zigbee網絡體系中的核心，用于處理終端信息流轉[9]。該芯片的內核是一顆8 051的單片機，符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz的無線收發裝置，特點是低功率、抗干擾能力強、接收能力強、安全性能高。其嚴格按照IDEIAR的標準執行[10]，具有完善的成熟二次開發環境。

2.4 電路設計方案

本研究主要是基于Zigbee網絡體系構架的患者體溫監測系統，選擇協調器、路由器進行服務[11]。采用LM3S9B96作為本設計的硬件核心。以LM3S9B96芯片為核心的路由器硬件設計，為下一步的方案設計奠定硬件基礎。

3 體溫采集方案

3.1 方案設計原則

作為患者最重要的一項生理參數，體溫起著非常重要的作用，是人體新陳代謝、各項組織功能能否正常運轉、各種慢性疾病監測的一項重要指標參數[12]。現有的體溫測量方式有兩種，分別是接觸式和非接觸式。非接觸式體溫測量工作原理是利用紅外熱譜間接獲取人體體溫，也可以細化為額溫槍、耳溫槍等。接觸式體溫測量主要是利用水銀的熱脹冷縮原理來進行體溫測量，又可以細分為直腸測量、口腔測量、腋窩測量、體表測量等[13]。本研究目的是實現患者體溫的無線實時監測，以便于患者攜帶、便于醫護人員操作、便于工程技術人員維護為原則，同時兼顧設備的成本考慮，統籌各方面因素來整合設計本套采集方案。

3.2 體溫采集模塊

體溫傳感器采用DALLAS公司的數字體溫傳感器DSl88201[14-15]，體溫采集模塊采用的是單總線連接方式，需將控制器的通用I/O端口與DSl88201的DQ端口相連，便可能實現數據信息、控制信號的傳輸。其具有結構簡單、功耗低、組網方便等特點，溫度測量范圍為-55℃～125℃，如使用測溫范圍在-10℃～85℃范圍內，精度為±0.5℃，最小可精確到0.062 5℃。DSl88201由ROM、存儲器、敏感元件、配置寄存器組成。下面簡單介紹各個部件的作用：ROM的作用為編寫地址序列碼，使得每個設備都有唯一標志。存儲器的作用為儲存結構寄存器和低溫或高溫觸發器的數據信息。敏感元件的作用為探測、檢測物體的溫度[16-18]。配置寄存器的作用為配置DSl88201的分辨率的設置和工作狀態。因DS188201溫度傳感器的測量精度、溫度適用范圍都適合人體體溫測量要求，本課題選擇住院患者作為研究對象。DSl88201數字溫度傳感器的工作流程由2個功能模塊組成，一是體溫采集程序，二是溫度轉換程序。

3.3 溫度采集實現

本研究課題采用DSl88201包裝成溫度傳感器，通過CC2530來獲得患者的體溫數據信息，ROM指令讀取不同序號來識別不同患者的DSl88201溫度傳感器數據信息，各個終端節點接收到傳感器的數據信息，通過路由器轉發至數據庫服務器中進行統一存儲，因DS188201模塊功耗低，可以持續地對數據進行收集。

4 結果

本研究的目的是通過Zigbee技術架設無線網絡，將理論研究應用到實際的應用中，將普通溫度傳感器DS188201封裝成適合體溫測量需要的設備，隨機從住院患者中每個病區抽取1例患者進行體溫監測，為了驗證測試的正確性，定期用水銀溫度計進行測量來佐證。通過DSl88201數字溫度傳感器采集患者的體溫，同時為了檢查本系統采集的可靠性與精度，將監測到的數據與傳統手工監測的數據進行反復比較，通過CC2530控制程序發送至服務器中儲存，通過比較分析得出：采集的數據與人工測量的數據基本一致，說明本設計具有一定的可靠性和準確性，二者之間的數據差距很接近，不會影響醫護人員對患者的決策，基本符合實際要求。溫度相差在可控范圍之內，臨床基本可以接受。見圖1。

圖1 體溫測量對照

5 結論

本研究通過分析醫護工作者在實際工作中遇到的困難，本著解決各種實際困難的角度出發，提高醫護工作人員的工作效率，降低醫療風險，提出基于ZigBee技術的患者溫度實時監測系統。主要是通過ZigBee技術搭建無線網絡，通過制訂采集方案，選用硬件設備，并在醫院病區中加以實證研究，通過與人工采集到的體溫數據相比較，二者的誤差較少，符合預期的設計目標，可以提高醫護工作人員的效率。本次研究，對同類型的兄弟單位對患者體溫的實時監管具有一定的借鑒意義。