嬰兒培養箱監控系統綜述

楊俊，楊燕

南京醫科大學附屬無錫市人民醫院 1 采購中心，2 醫學工程處（江蘇無錫 214023）

早產兒指胎齡小于37周的新生兒。早產縮短了新生兒在母體子宮內發育的時間，器官系統發育尚未成熟和出生體質量較低導致其具有較高的生命危險，如受身體脂肪所限的影響，早產兒的皮膚通常很薄，不能作為有效的屏障；骨骼尚未發育完全，非常脆弱。因此，早產兒需要被放置在嬰兒培養箱中進行監護。嬰兒培養箱能為新生兒提供溫度穩定、濕度適宜、空氣清潔、環境安靜的類似于母體宮腔的環境[1-2]。

近年來，早產兒、病危兒等人數不斷增加，在看護的過程中，醫務人員的注意力主要集中在早產兒的生理狀況上，難以做到時刻關注培養箱的溫度、濕度等的情況。此時，若培養箱的加熱系統、控制系統或報警系統出現故障，在參數超出限值或斷電的情況下，培養箱便無法成功報警，早產兒的生命安全得不到有效的保障。嬰兒培養箱監控系統可監控培養箱的運行參數及早產兒的身體狀態，不僅能減少醫護人員的工作量，還能減少不安全因素，更好地保障早產兒的生命安全[3-4]。本文綜述了嬰兒培養箱監控系統的組成，對其現狀進行了總結，并對未來發展趨勢進行了展望。

1 嬰兒培養箱監控系統的組成

在嬰兒培養箱使用過程中，與安全相關的參數如溫度、濕度、噪聲水平等及早產兒的健康指標等都需要進行監控。在目前的嬰兒培養箱安全相關參數監控系統研究中，大多數研究者只重點對某一種或兩種參數進行了監控，如湯棟生[5]的研究對嬰兒培養箱的溫度進行了監控，姚新琴和解兵[6]的研究對嬰兒培養箱的溫、濕度進行了監控。對早產兒健康指標相關的參數也只重點進行了某一種或兩種指標的監控，如Widianto 等[7]研究了如何監控早產兒的體質量變化，并利用I/Q 雷達實現了對早產兒呼吸率及心率的監控。隨著技術的進步和對監控系統認識的深入，研究者逐漸開始嘗試同時監控培養箱參數和早產兒身體參數，如Sheet 等[8]提出了一種基于溫、濕度傳感器和一組重量傳感器的嬰兒培養箱監控系統的設計方案，不僅可以對培養箱參數異常進行監控，還可以實現對嬰兒發育過程的監控。

嬰兒培養箱監控系統總體框圖見圖1，嬰兒培養箱監控系統包括數據采集和處理單元、數據傳輸單元及監控主機單元。

圖1 嬰兒培養箱監控系統總體框圖

整個監控系統同時監控多臺嬰兒培養箱，每臺納入監控系統中的嬰兒培養箱均配備數據采集和處理單元、數據傳輸單元，培養箱通過數據傳輸單元將監控數據傳輸至監控主機，監控主機同時顯示多臺培養箱的監控數據。

1.1 數據采集和處理

目前，嬰兒培養箱監控系統中相關監控參數的數據采集主要通過各種傳感器實現，采集到的數據被傳輸至數據處理單元進行處理。數據處理的核心通常是單片機，如張瑜[9]通過32位單片機S3C2410A實現數據處理功能，也有研究者[10]使用開源硬件Arduino 實現嬰兒培養箱監控系統的數據處理。

目前，數據采集和處理主要包括兩種方式，即分布式和集中式，見圖2。分布式是在每個傳感器中完成數據的采集和處理，這種方式僅可完成數據的采集和傳輸，功能較為簡單；集中式是指傳感器只負責將各種被監控量按照某種規則轉換為電信號，數據的采集和處理則通過一個處理平臺實現，這種方式結構較為復雜，優點是處理平臺不僅能夠實現監控數據的傳輸，還可以進行其他處理操作，如數據存儲等。

圖2 兩種數據采集和處理方式

1.2 數據傳輸

通常情況下，嬰兒培養箱的監控數據需通過一定的數據傳輸方式傳輸至監控主機，監控主機通過該傳輸方式與多臺培養箱進行數據交換。目前，數據傳輸方式主要包括有線傳輸和無線傳輸兩種，有線傳輸方式主要使用RS485等[4]總線通信的方式實現，有線傳輸技術成熟、實現較為簡單，但具有線纜的布置受培養箱所在環境限制、可連接培養箱臺數有限、通信速率受總線上的設備限制等缺點，使有線傳輸方式逐漸被無線傳輸方式所取代。最簡單的無線傳輸方式是通過無線通信[11]實現數據的傳輸，該方式雖然解決了線纜布置等總線傳輸方式的問題，但具有傳輸距離短、傳輸速率低及可靠性差等缺點。隨著無線通信技術的發展，嬰兒培養箱監控系統的數據傳輸逐漸從傳統的RS485或無線通信模塊等傳輸方式轉變成了基于某種網絡系統的無線傳輸方式。有研究者提出了一種基于物聯網和射頻識別技術的無線傳輸方式[12]，該方法使用ZigBee 技術[13]作為無線通信標準網絡，此外，也有研究基于WIFI 或LoRA[14]等無線網絡來實現培養箱監控數據的傳輸。

1.3 監控主機

監控主機為嬰兒培養箱監控系統的人機交互界面，用于顯示培養箱各監控參數的實時狀態，并對異常情況進行報警，以提醒醫護人員。監控主機的實現方式多種多樣，如現場大屏顯示、電腦終端登錄查看以及通過平板等手持設備現場查看等。部分監控主機單元支持多種方式，姚新琴和解兵[6]開發了一套Web 展示層軟件和數據庫系統，該系統支持現場大屏顯示和遠程登錄訪問，將監控參數以各種報表形式展示，并對異常情況進行報警處理；同時支持短信群發報警，可以為第三方系統提供各種Web services 接口，并預留了遠程視頻接口，方便遠程查看相關數據。部分監控主機單元根據實際使用需求僅支持某一種方式，如王文豐等[12]將采集的信息通過無線傳感網絡上傳至系統網關，轉而由網關進行智能化的處理后作分類記錄，并按照實際需求推送至各個終端。

無論何種實現方式，監控主機系統都是作為人機交互的需求而存在的，各種方式都是為了使人機交互更加友好。

2 總結及展望

各種各樣的傳感器是嬰兒培養箱監控系統的基礎，包括溫度傳感器、濕度傳感器、聲音傳感器及監測身體指標的各種傳感器等。每種傳感器都有其優點和缺點，因此，有關嬰兒培養箱監控系統的研究首要考慮的問題即如何選擇合適的傳感器，并且需要考慮如何在培養箱內進行布置，要求充分獲取準確可靠的數據同時不影響培養箱正常功能的實現；同時，在傳感器的選擇上還要綜合數據采集和處理的實現，兩種實現方式各有其優缺點，我們認為，當培養箱內傳感器數量較多時，采用集中式具有更大的優勢，不僅在于集中的處理平臺更有利于系統功能的擴展，而且在于可以提高數據傳輸的效率和降低網絡中的數據交換節點。

隨著系統可擴展性需求的提升，無線傳輸方式無疑具有更大的優勢，當有新的培養箱加入監控序列時，無線傳輸方式需要的只是軟件操作，更易于實現。

目前，監控主機有關研究的關注點在于如何將監控系統的人機交互方式呈現得更加友好和方便。現有監控主機可實現的功能僅是直觀地展現采集的參數值并輔以簡單的異常情況報警。監控系統采集的數據量非常龐大，采集的培養箱參數可以作進一步處理，可以采用故障預測與健康管理[15]等技術對培養箱的剩余壽命等進行預測，采集的身體參數可以輔以專家診斷系統[16]等實時診斷早產兒的健康狀態。

嬰兒培養箱的監控系統不僅可以用于監控培養箱的運行指標，同時還可以提供早產兒的健康指標的監控信息，這些信息具有重要的臨床應用價值。然而，這方面的研究還較少，一方面是相關信息的獲取較為復雜，另一方面是該領域未引起足夠的重視。

在越來越注重醫療安全和醫療服務的今天，醫療設備的監控系統會受到越來越多的關注。雖然目前的研究相對還不夠成熟，但其中相關技術的研究為后續進一步研究奠定了基礎。