无线集散医疗监护系统的设计

   摘要：介绍一种能测量心电波、呼吸波、心率、呼吸率、体温、脉率、血氧和血压等多种生理参数的无线集散医疗监护系统。通过三个独立的OEM模块分别和一个具有控制、显示和无线收发功能的模块连接，实现上述参数的测量以及和上位机的信息交互。该方案设计的系统具有体积小、便于携带、分散控制、集中管理、开发周期短、性能可靠、易于维护、便于升级等优点。

多参数监护仪是临床护理中的重要设备，该设备可以监测病人的心电、血压、血氧饱和度、呼吸率、脉率和全温等生理参数。目前，国内普遍使用带有CRT或LCD显示屏有便携式监护仪，该仪器能够进行实时的数据和波形显示，并且操作比较灵活，因此主要用于协助医生诊断和分析病人的病情。然而由于其体积较大、耗电量高（接220V交流电或内置电流），因此不便于病人随身携带，更无法同时对多个病人进行监护。本文设计的无线集散医疗监护系统坷以弥补上述之不足。该系统由于采用三个独立的OEM模块进行生理参数测量，每个模块分别和一个具有无线收发功能的控制显示模块相连构成独立的装置，因此每个模块的耗电量大为减少，何种也相应减少。病人可以根据不同的需求选择不同的模块使用，每个模块上的LCD显示屏可以实现显示测量信号是否正常。所有这些模块都跟上位机进行无线信息交互，PC机可以给每个模块注册一个唯一的序列号，并可以访问每个模块的信息，对该信息进行存储、分析、显示、报擎等，这样就非常方便地实现了许多模块的扩展，即实现对这多个病人的实时监护。

1 系统结构及工作原理

该系统主要由硬件和软件两部分构成。硬件主要包括PC机和三种独立的模块，即心电模块、血氧模块和血压模块，这三种模块都是由OEM模块和控制显示传输模块组成。心电模块主要用来测量心电、呼吸率、体温等参数；血氧模块主要用来测量血氧饱和脉率等参数；血氧模块主要用来测量血氧饱和度和脉率等参数；血压模块用来测量血压参数。软件部分主要是上位机的中央监护软件，包括数据库部分和用户界面。图1是无线集散医疗监护系统的结构框图。

图1

    图1中，各OEM模块都和PC机通过无线传输模块进行串口通讯来交换信息。各OEM模块采集的数据在PC机上进行处理后被存储。用户可以在中央监护软件界面上选择任意模块查看实时采集来的数据或波形，软件可对数据自动作出分析，发现异常及时发出报警信号。

2 各模块功能与特点

2．1 控制显示传输模块

控制显示传输模块以Atmega161单片机为核心，外接WGM-12864图形LCD模块、按键和NRF903无线收发模块。其电路结构如图2所示。

Atmega161是Atmel公司生产的一款低功耗CMOS RISC的8位单片机，其具有1MIPS/MHz的性能，16K字节的FLASH，512字节的EEPROM，1K字节的存储器，35个通用I/O口，32个通用工作寄存器，三个定时器，内外中断源，两个可编程的UART、SPI口以及三种可以通过软件选择的节电模式。

WGM-12864B模块是单色图形点阵液晶显示模块，点阵数为64×128。其8位数据线与Atmega161的PA口相连，D/I表示数据总线上的信号是点阵数还是控制命令字，R/W表示当前操作是读或写操作，E是使能控制端，RST是复位端，CS1、CS2是左右点阵区选端。PC1、PC2、PB1、PB0为功能选择键，可以和LCD一起形成菜单方式的人机交互界面，控制相应的OEM模块。在工作模式下LCD可以显示从OEM模块获取的相关数据信息。

NRF903模块是无线收发模块。NRF903是NORDIC公司推出的单片无线收/发一体芯片，它采用Bluetooth（蓝牙）核心技术设计，在一个32脚的芯片中包括了三段高频发射、高频接收、PLL合成、I/Q调制、I/Q解调、多频道切换、异步通讯接口等，其编程接口CFG_CLK（配置寄存器时钟）、CFG_DATA（配置寄存器数据）、CS（配置寄存器片选）分别和Atmega161的SPI口PB7（SCK）、PB5（MOSI）、PB4（SS）相连，可对工作频率、通道、输出功率和输出时钟频率等参数进行编程设置。设置CS为高电平，来自单片机的14位控制字，在每个CFG_CLK编程模式时钟信号的上升沿，将CFG_DATA端上的逻辑值写入组态寄存器，编程信息被装入，参数设置完成。STBY、PWR_DWN分别和Atmega161的PD6、PD5相连，可以设置为待机或掉电模式。数据接口DATA和Atmega161的一个UART1口相连，用来接收和发送数据。TXEN脚和PD7相连，用来控制数据的收发。

图2

    2.2 心电OEM模块

心电OEM模块采用北京迈创通元电子仪器有限公司的BT007七通道心电板。BT007能够自动测量人体的心电波、呼吸波、心率、呼吸等、体温等参数，具有如下特点：同步七通道心电波，四级程控增益，三级滤波方式（诊断方式、监护方式、手术方式），起博脉冲抑制功能，导联脱落报警，心率范围20～250BPM，抗除颤及电刀干扰，阻抗呼吸，呼吸率范围5～99BPM；采用双体温测量，测量范围为0～50℃，显示精度0.1℃,测量精度0.2℃。与用户的通讯接口与UART串口通讯方式，内部有两种通讯协议：同步三通道心电协议与同步七通道心电协议，可以通过跳线选择。同步三通道心电协议的特点为：19200波特率，8位数据，1个起始位，一个停止位，无奇偶校验位；同步七通道心电协议的特点为：28800波特率，8位数据，1个起始位，一个停止位，无奇偶校验位。可以通过MCU向该模块发送控制字，控制心电增益、滤波方式等；心电板向MCU传送的数据，以1个字节数据头加若干字节数据为一组，成组发送，其中数据头为251～254，数字字节为0～250。MCU可以对这些数据进行归类存储、分析、显示并实时传送给PC机。

2.3 血氧OEM模块

血氧OEM模块采用北京迈创通元电子仪器有限公司的DIGISAT脉搏血氧模块。该模块通过TTL电平的UART口与MCU进行通讯。它可以提供如下数据：动脉血氧饱和度、脉率、体积扫描图、棒图、信号强度和状态信息。它的通讯协议和BCI通讯协议兼容，数据传送波特率为4800bps，传送格式为：8位数据+奇偶传送波特率为4800bps，传送格式为：8位数据+奇偶校验位+1个停止位。每秒钟向MCU发送60个数据包，每个数据包为5个字节。

2.4 血压OEM模块

血压OEM模块采用北京迈创通元电子仪器有限公司的BTN602无创血压测量模块。该模块也通过TTL电平的UART口与UCM进行通讯。其接收外部命令后，完成相应操作，返回系统状态和相应数据。数据格式为：起始位+8位数据位+1位停止位，无奇偶校验位，波特率为4800bps。

图3

3 软件系统的设计——中央监护软件

该软件采用VC语言进行设计。在同医院以往管理系统结合的前提下，按照统一规范的原则，实现了新老系统的有机结合，充分保证了原有系统的独立可靠性，实现了软件结构的模块化和重构性。该系统首先需要管理员将入院病人信息手工录入到计算机系统，其中关键信息保存到中央数据库服务器中；然后对数据库中的关键数据进行排序、统计、分类。按照类别把数据复制到各个部门的监护中心数据库中，当启动监护需求时，开始对病人进行监护并记录。病人的监护数据报警级别可根据监护需要进行调节。查询时，可分别显示关键数据和图像，并中对查询的关键数据进行备注，对图像进行批注，还可批量打印输出关键数据和图像文件。其软件系统结构如图3所示。

系统的安全控制主要从三方面来保证：数据库的安全性、图像文件的安全性、用户权限的安全性。建立在NT Server上的数据库服务器SQL Server使用户和数据库操作人员登陆时都需要身份验证。只有用数据库用户的帐号和密码登陆的用户才能管理和维护数据库，用户对不同的表有不同级别的权限。文件服务器采用端口控制访问，保证了文件服务器的安全性。

系统软件通过无线收发模块，采用轮询的方式采集低端各模块数据，如果系统在查询病人信息时超时，则跳过本模块查询，进入其它模块的查询，软件会记录查询失败次数，当查询失败次数超过一定的阈值后，系统会发出报警信号。