生命體征監測傳感器在血液凈化設備中的應用

蘇東東 劉 娜 郭 赤* 陳仁貴 方 勝

生命體征監測傳感器在血液凈化設備中的應用

蘇東東① 劉 娜① 郭 赤①* 陳仁貴① 方 勝②

目的：研究一種用于實時測量患者脈搏、體溫、血壓和呼吸指征的生命體征監測傳感器及其與血液凈化設備組成的監控系統。方法：設計患者呼吸頻率監測、電子體溫測量和脈搏測量等生命體征監測模塊，通過低功耗MSP430單片機的串行外圍設備接口(SPI)總線與CC1100為核心的射頻(RF)收發芯片接口，實現基于短距離無線通信技術的血液凈化監控網絡系統，從而將傳感器采集的患者生命體征數據實時傳輸到血液凈化設備，進行治療管理和安全控制。結果：生命體征監測傳感器的應用解決了安裝設備連線、治療過程無人值守以及護士多點管理難兼顧等問題，實現了在線測量、數字量化、安全警示與應急處置相結合的綜合治療和監護功能。結論：智能傳感器與短距離無線通信技術的結合，可極大提升血液凈化設備的治療功能和安全性，提高醫護人員工作效率，及時發現治療中的不良反應，從而降低醫療事故的風險。

血液凈化；生命體征；脈搏；血壓；短距離無線通信

[First-author’s address]Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Region, Wuhan 430070, China.

血液凈化是從人工腎治療慢性腎功能衰竭的基礎上發展起來的，在臨床上由血液灌流、血液透析發展到血漿置換、血液濾過和吸附凈化等多種治療方法。血液凈化設備從腎科設備向肝膽、急救中心、燒傷、腫瘤、婦科和兒科等多科室發展，用于支持腎臟、肝臟、心臟和肺等多種重要器官的功能[1-2]。本研究研制了各個生命體征監測傳感器，組建短距離無線網絡實現各模塊和血液凈化設備主機的聯網，通過實時信息傳輸，實現患者體征參數的在線測量，在主機監控系統的管理下進行處方調整、安全警示和應急處置。

1 血液凈化設備原理

血液凈化設備綜合運用了生物醫學、信號檢測、計算機軟件及自動控制等領域的科學技術方法，是血路、水路和電路“三路合一”高度集成的系統[3]。血液體外循環回路與(透析液等)水路的正常運行直接關系臨床治療效果和患者生命安全；而電路系統則負責整機的運行控制、安全監測和治療過程管理，涉及血液探測、空氣監測、壓力測量與控制等多項安全療效指標，與其他醫療設備相比，在安全性、連續工作時間和可靠性等方面要求更為嚴格(如圖1所示)。

圖1 血液凈化設備原理圖

血液凈化患者免疫機能低下，頻繁的血液凈化治療極易產生透析中高血壓、溶血及失衡綜合征等多種并發癥[4-5]。目前，各種應用于臨床的血液凈化設備在治療中的安全保障主要有兩個方面：①血液凈化設備自帶的監測手段，包括血液流速、動靜脈壓、脫水速率、離子濃度和透析液溫度等；②在患者端主要采用人工或獨立的設備進行測量，包括血壓、脈搏和心電監護等，通過患者臨床反應、自述或者護士的例行檢查來進行治療監管和應急處置。同時，隨著血液凈化中心裝機規模擴大，傳統的單人單機、專人職守的工作模式逐步改變為護士定時巡查等監護方式，“無人值守”已變得越來越普遍。因此，及時發現患者治療中的臨床反應，調整治療處方或者采取救治措施的有效途徑是：①實時監測患者治療過程中的生命體征變化包括：呼吸、體溫、脈搏和血壓等；②建立體征參數與血液凈化設備間的信息傳輸通道，進行安全報警和應急處置；③進行治療處方的反饋調節，提高患者治療中的舒適性等[6]。

2 生命體征監測傳感器及其組網原理

臨床上常把呼吸、體溫、脈搏和血壓作為患者的四大生命體征，利用傳感器技術將體征信息轉換成為數字信號，可供監控系統進行顯示、處理、調節和控制[7]。

2.1 血壓監測傳感器模塊

血壓測量常用聽診法和示波法，示波法采用充氣袖套來阻斷上臂動脈血流[8-10]。由于心搏的血液動力學作用，在氣袖壓力上將重疊與心搏同步的壓力波動稱為脈搏波。當袖套壓力遠高于收縮壓時脈搏波消失，隨著袖套壓力下降脈搏波開始出現，當袖套壓力從高于收縮壓開始下降時脈搏波會突然增大，到達平均壓時振幅則達到最大值。隨后又隨袖套壓力下降而衰減，當小于舒張壓后動脈管壁的舒張期已充分擴張，管壁剛性增強，而波幅維持比較小的水平。示波法血壓測量是根脈搏波振幅與氣袖壓力之間的關系來測量血壓。與脈搏波最大值對應的是平均壓，收縮壓和舒張壓分別對應脈搏波最大振幅的比例來確定[11]。測量電路如圖2所示。

圖2 電子血壓監測傳感器框圖

袖帶中的壓力傳遞到壓力傳感器BP300，轉換成微弱的電壓信號，經后續放大、濾波處理，傳輸到單片機集成的A/D轉換器中進行數字轉換，經示波法計算處理后獲得舒張壓、收縮壓和脈搏的值。單片機發出控制信號，經驅動控制袖帶的打壓和釋放配合每次測量過程。單片機通過內置RS232接口與RF模塊連接，通過無線通信技術實現與上位機的通信。

2.2 電子體溫測量傳感器模塊

基于方便和安全的因素，電子體溫測量采用腋下的測量方法更為合理。采用美國DALLAS公司的DS18B20數字溫度傳感器，能很好的滿足測量需要，并具有體積小、封裝方便、功耗低和線路簡單(1-wire接口)等優點；在35 ℃～45 ℃范圍內的測量精度可以達到±0.2 ℃，適合用于患者的體溫檢測(如圖3所示)。

圖3 電子體溫測量原理框圖

將DS18B20溫度傳感器芯片封裝于不銹鋼外殼做成的“測試筆”中，便于臨床使用。采用典型的1-wire總線與低功耗的單片機MSP430的I/O口連接，可讀取實時的溫度數據；通過內置鋰電池供電，并通過單片機的串行外圍設備接口(serial peripheral interface，SPI)擴展短距離無線傳輸電路模塊，構成智能傳感器[12]。

2.3 短距離無線通信RF模塊的擴展

上述體征監測傳感器和電路均具有體積小和功耗低的特點，通過選用低功耗的單片機及其信號采集、處理電路可組裝成電池供電的便攜式模塊，可有效避免患者漏電流的存在。同時，采用目前物聯網領域廣泛使用的短距離無線通信技術，可實現監測傳感器與各種應用設備的聯網和數據交換。

MSP430系列單片機是TI公司生產的超低功耗16位CPU架構，具有A/D、D/A、SPI、UART以及豐富的GPIO和存儲單元，運算能力強，適合應用于便攜式醫療產品中。無線收發器電路則選用美國Chipcon公司的CC1100芯片，其工作于433/868/915MHZ的ISM頻段，由一個完全集成的頻率調制器、一個帶解調器的接收器以及一個功率放大器組成，易于編程配置，其電路通過SPI接口和MSP430單片機相連，電流消耗低，適用于電池供電的應用場合[13]。

3 傳感器模塊的應用

血液透析機是一種數字化的醫療設備，由主機系統及各種嵌入式的控制、驅動模塊組成，支持CAN、RS485和Internet等多種接口，易于應用擴展。通過無線通信技術可將電子血壓計、體溫計、脈搏和呼吸頻率測量模塊等智能傳感器連接起來，組建成以血透設備主機為中心的小型傳感器網絡系統[14-15](如圖4所示)。

圖4 患者體征監測組網示意圖

在該小型傳感器網絡系統中各個監測模塊實時采集患者治療過程中的心率、血壓、體溫以及呼吸的體征參數，發送給主機的主控系統，在監控程序的管理下進行顯示、超限報警或者供運行管理程序進行血流量、透析液溫度及壓力等方面的調節控制，達到個性化治療和安全控制的目的。

通過CC1100無線收發器，MSP430將傳感器采集的患者體征數據傳輸到血液凈化設備主控系統中，同時接收來自主控上位機的命令信息。每個傳感器都有唯一的地址碼，其地址碼可通過MSP430中的FLASH進行固化，每次上電后傳感器模塊都是通過其地址碼實現與特定上位機的通信聯系。每個生命體征監測傳感器應用于不同的血液凈化設備網絡中時均能夠通過自學習算法實現與該設備的主機系統建立新的地址編碼表，從而保障每個患者的信息傳輸可靠、安全。其基本數據傳輸格式見表1。

4 結語

血液凈化治療過程所引發的并發癥，伴隨患者脈搏、血壓和呼吸等生命體征的變化，監測體征參數的變化可及時發現患者不良反應，以便于醫護人員采取醫療措施。采用專門設計的生命體征監測傳感器，以實時在線監測患者體征參數，通過引入目前廣泛應用的短距離無線通信技術，既解決了安裝布線、治療過程無人全程值守等問題，又實現了隨時監測、安全警示與應急處置相結合的綜合管理功能，有效地提高了患者治療的安全和醫護人員的工作效率，可極大降低治療安全風險，進而提高社會效益和經濟效益[16]。

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Application of vital signs monitoring sensor in the blood purification equipment

SU Dong-dong, LIU Na, GUO Chi, et al// China Medical Equipment,2014,11(6):62-64.

Objective:Researching the monitoring system consist with the monitoring sensor and the blood purification system, the monitoring system which can test the pulse, temperature, blood pressure, breath.Methods:Designing the patient’s breath frequency monitoring, electronic temperature testing and the pulse measurement monitoring mode ,through the SPI wire of low power consumption MSP430 and RF receiver chip port the core of which is CC100, and can achieve the short distance wireless technical blood purification monitoring system, so that can transfer the patient data which collected by the sensor to the blood purification equipment, then do the treatment management and safety control.Results:To solve the problems such as install wire, nobody guard during the treatment, nurse can check more patients, so that can achieve online measurement, digital qualified, safety alert and emergency disposable, monitoring function.Conclusion:The digital sensor and short distance wireless combination technique, improve the treatment function and safety of the blood purification equipment, improve the work efficiency of the doctors and nurse, and can find the abnormal effect during the treatment, so that decrease the risk of the medical accident.

Blood purification; Vital signs; Pulse; Blood pressure; Short distance wireless communication

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.06.020

1672-8270(2014)06-0062-03

R319

A

2013-09-25

①廣州軍區武漢總醫院血液透析中心 湖北 武漢 430070

②重慶山外山科技有限公司 重慶 400067

*通訊作者：guored1000@sina.com

蘇東東，男，(1963- )，碩士，主任醫師。廣州軍區武漢總醫院血液透析中心主任，從事臨床醫療及血液透析設備研究工作。