基于物聯網的病區智能采集關鍵技術的研究

張茜，陳廣飛，何史林，應俊，周丹

中國人民解放軍總醫院 a.生物醫學工程研究室；b.醫務部， 北京 100853

基于物聯網的病區智能采集關鍵技術的研究

張茜，陳廣飛，何史林，應俊，周丹

中國人民解放軍總醫院 a.生物醫學工程研究室；b.醫務部， 北京 100853

目的 結合普通病區日常護理的需求，設計一種快速采集脈搏、體溫裝置，并且將數據發送至醫院信息系統（HIS）。方法通過設計物聯網的感知層、網絡層和應用層之間的數據交互，實現對體溫、脈搏的數據采集、傳輸和保存。結果該裝置能滿足病區日常體溫、脈搏的智能采集與全面匯聚，解決了臨床中人工采集體溫、脈搏，費時、費力的問題。結論改善了醫療服務質量與模式，減少了醫護人員的工作量。

物聯網；醫院信息系統；體溫計；脈搏計

0 前言

隨著現代科學的發展和醫療信息化程度的提高，要求醫療技術向數字化、智能化方向轉變，醫療物聯網是未來智慧醫療的核心。醫療物聯網的實質，是將各種信息傳感設備，如射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）裝置、醫學傳感器等與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡，進而實現資源的智能化、信息共享與互聯。

醫院普通病區每日都要測量患者的體溫、脈搏。體溫每要天測量3次，脈搏在早上測量1次。體溫一般是護士將水銀體溫計逐一發下去，過5 min后再去病房收回，收回的同時記錄體溫數據以及手指測量患者腕部。這不僅占用了醫務工作者大量的時間，而且測量結果也有誤差，效率低，增加了醫院的運營成本。目前市場上的電子體溫計、脈搏采集由于自身的限制，無法消毒，不利于患者之間交叉使用，因此不能在醫院大量使用。

基于上述的分析，我們設計了一種基于物聯網的體溫、脈搏采集裝置。其技術架構由感知層、網絡層和應用層組成。

1 物聯網系統架構

從技術構架上來看，物聯網[1]可以分為3層：感知層（由各種傳感器以及傳感器網關構成）、網絡層（由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網等組成）和應用層（物聯網和用戶的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用）。最后連接到醫院醫院信息系統（Hospital Information System，HIS），完成生理參數與HIS信息的交互。物聯網系統構架，見圖1。

圖1 系統構架圖

1.1 感知層

感知層的功能主要是進行體溫和脈搏信息的感知與采集，將采集的信息轉換為數字信號以供后續處理。

1.1.1 體溫采集

體溫采集電路主要由JA31104芯片和熱敏電阻組成。JA31104芯片可將溫度信號轉換為電信號，測溫范圍為32～42.99℃，測溫精度為0.01℃，通過JA31104芯片的OEB/DATA管腳的脈沖數據來實現讀取體溫數據，OEB/ DATA管腳的輸出時序圖，見圖2。當DATA管腳在關閉狀態（OFF state）時不進行測量，在打開狀態（ON state）時，每0.5 s作為1個測量時鐘（measurement clock）進行1次測量，當測量穩定后，1個測量時鐘內的脈沖個數將趨于穩定。讀取的脈沖個數與溫度的對應關系，見表1，可以根據此表計算出測量的實際溫度。將OEB/DATA管腳的輸出時序送至單片機，單片機對數字信號進行計數，并比較每次的計數值，將比較后的最大值作為測量結果，此時可以根據表1中DATA管腳脈沖個數與溫度的對應關系對此最大值進行運算得出測量的體溫值，運算完成后將結果顯示在液晶屏上以便患者觀察。

圖2 OEB/DATA管腳本的輸出時序圖

表1 DATA管腳脈沖個數與溫度的對應關系

1.1.2 脈搏采集

心電信號是心臟電活動在體表的綜合反映，它是由一系列的波組構成。一個波組由P波、QRS波群、T波及U波組成。根據公式60/RR間期，可以獲得脈搏參數。因此，可以利用單片機來處理采集的心電信號實現脈搏參數的計算。

心電信號的采集設計為單導聯，其電路[2-3]包括電極、導聯線、信號放大電路、濾波電路。選用自粘式Ag-AgCl電極，患者使用時將其分別粘在其左右手拇指處。導聯線使用單芯屏蔽電纜，屏蔽層與電路板共地，可以有效地抑制外界的干擾。導聯線與電極通過按扣連接，當其他患者使用時僅需更換電極，避免了患者之間的交叉感染。

信號放大電路包括前置放大電路、儀表放大電路。前置放大電路，見圖3。選用Analog Devices公司的OP4177作為第一級放大器[4-5]，具有低噪聲、低漂移、高輸入阻抗、高共模抑制比的特點。在前置放大電路的前端采用并聯二極管的方式對輸入端進行保護，防止大電壓的沖擊，將輸入信號的幅度范圍限定在±1V。儀表放大器[5]選用Analog Devices公司的AD8221，見圖4。篩選電阻可以實現6倍的放大倍數，90 dB（分貝）的共模抑制比，能很好地抑制寬帶干擾和線性失真。在心電信號放大電路后加入RC濾波電路，可以有效地抑制直流漂移、低頻噪聲和高頻信號的干擾。

圖3 前置放大電路

圖4 儀表放大電路

心電信號經過采集模塊的放大與濾波之后，其信號為模擬信號，為了進一步分析心電信號，單片機首先要對其進行A/D轉換，然后對數字信號進行數字濾波[6-7]，最后進行RR波的提取及定位。RR波的提取及定位主要是根據閾值控制算法[8-9]進行運算，根據一定的幅度和閾值來確定R波的位置。當一個RR波被檢測出之后，使用該波形的參數調整閾值，從而適用信號的改變。測量結束后結果顯示在液晶屏上。

1.2 網絡層

網絡層主要負責信號傳輸，此系統工作于433MHz頻段的NRF905芯片作為無線收發芯片。

在感知層完成信息采集之后，通過體溫計、脈搏計的NRF905發送數據，將設計好的USB905芯片插在護士站電腦的USB上，作為數據的接收端。這種方法可以避免醫護人員手抄記錄。體溫計和脈搏計中的天線選用RainSun公司的陶瓷天線。使用16M晶振，并使用1個大電阻和2個電容配合起振。USB905芯片內部有5個寄存器，分別為射頻配置寄存器[10]（設置芯片的射頻頻段、發射功率、收發數據的有效字節數、本身地址信息、CRC（循環冗余校驗碼）校驗的位數（8 位或16位））；發送地址寄存器保存目的地址的信息，發送數據寄存器保存保存發送的有效數據信息，接收數據寄存器保存接收的有效數據信息；狀態寄存器保存數據準備就緒（DR）和地址匹配（AM）信息。采集結束后主控芯片對USB905芯片寄存器進行配置，同時使用載波監聽功能以避免高峰時段的數據沖突，此時患者的測量數據就可以準確無誤地發送至接收端USB905芯片。

USB905芯片設計使用Silicon公司的C8051F327進行開發，仍然使用NRF905作為收發芯片。C8051F327首先設置NRF905，使其一直處于收發狀態，并且與脈搏計的射頻配置寄存器參數一致。C8051F327提供全速（12兆位/s）或低速（1.5兆位/s）操作，符合USB2.0規范，外圍器件只需要電容和晶體。USB 接口的差分數據線對應芯片的UD-和UD+直接相連，UD-和UD+是信號線的物理接口，由輸出驅動電路和輸入接收器兩部分組成，實現了USB物理層的特性。芯片內置12MHz振蕩器，并且內建穩壓器和實體層收發器，不必額外增加零件就能直接與USB線路連結，見圖5。其中P2口和P0口控制NRF905，實現NRF905的配置與數據收發。天線選用思科的全向天線，經過測試可以在60 m范圍內實現通信。在芯片中通過軟件設置USB模塊的工作方式，接收數據完成后，將數據送至護士站上位機程序中。

圖5 C8051F327電路

1.3 應用層

應用層主要是接收網絡傳遞來的數據信息，并執行一些處理行為。此系統主要進行體溫、脈搏信息的接收、保存工作。

在護士站的電腦安裝上位機程序，該程序使用Visual Studio 2008的基于對話框類進行開發。首先是上位機識別USB905設備，使用函數NetUSB_findDevice（const UINT VendorID,const UNIT ProductID）尋找指定PID和UID的設備。設備連接完成后，上位機程序與醫院HIS數據庫建立Socket連接，從HIS中調出該病區的病人基本信息。使用類CDatabase的函數，實例化一個對象CDatabase p_DB，使用語句p_DB.OpenEx（LPCTSTR lpszConnectString,DWORD dwOptions=0）建立連接。函數的參數包括DNS、用戶名和密碼。對數據庫進行的操作有查詢（SELECT）、更新（UPDATE）、插入（INSERT）、刪除（DELETE）等，均通過執行SQL語句完成。

連接完成后進行通信，首先配置USB905的地址，使其與脈搏計的目標地址一致。然后使用VC++的消息映射機制及多線程處理機制處理消息隊列，應用程序中含有一段稱作“消息循環”的代碼，用來從消息隊列中檢索這些消息并把它們分發到相應的窗口函數中。使用Windows API（應用程序接口）中的函數PostMessage，函數原型為BOOL WINAPI PostMessage（HWND hWnd,UINT Msg,WPARAM wParam,LPARAM lParam）。將消息放入與指定窗口創建的線程相聯系消息隊列里，不等待線程處理消息就能返回，它是一種異步消息模式。程序中的代碼如下：

當有消息到來時，進入消息處理函數。在Windows中系統通過消息號區別不同消息，再進行相應處理。為了不與系統預定義消息相沖突，自定義消息號值 ＞1， WM_ USER是系統的消息的最大號，語句：#define WM_NEW_ MSG WM_USER+1，即定義消息號，將此語句放入頭文件（.h）。同時定義一個相應的消息映射：afx_msg void OnNewMsg(WPARAM pParam,LPARAM lParam)；在文件（.cpp）里添加消息映射，代碼如下：

最后在消息處理函數void CDemoDlg::OnNewMsg (WPARAM pParam,LPARAM lParam)中添加處理代碼。

以上設置完成后，脈搏計的數據即可在上位機程序界面中顯示出來。其界面還提供保存功能，即保存數據到HIS，與病人的基本參數建立關聯。

4 結束語

本文基于物聯網設計和實現了體溫及脈搏的智能采集，為病區患者的日常護理參數采集提供了一種新穎的實現方式。這種方式可以充分地應用到臨床中，其測量精度及傳輸都具有較高的可靠性。另外，體溫采集的方式可以極大地減少水銀體溫計的使用量，避免了體溫計破碎帶來的汞污染。

基于物聯網的體溫、脈搏采集系統可以減少醫護人員的工作量，提高醫療服務的能力與效率、改善醫療服務質量與模式，促使醫護人員為患者提供更加安全有效地醫療衛生服務。

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Research on Key Technology of Ward Intelligent Acquisition Based on Internet of Things

ZHANG Qian, CHEN Guang-fei, HE Shi-lin, YING Jun, ZHOU Dan
a.Department of Biomedical Engineering; b. Department of Medical Service, General Hospital of PLA, Beijing 100853,China

ObjectiveCombined with daily care requirements in general ward, a kind of device, which can acquire pulse and temperature data fast, was designed. Then the data was sent to HIS (Hospital Information System).MethodsThe interaction between those individual layers-perception layer, network layer and application layer of the Internet of Things (IOT) was achieved to realize intelligence collection data transfer and storage.ResultsThis device could intelligently gather pulse, temperature, and solve time-consuming, laborious problems in manual collection pulse and temperature.ConclusionThis device could improve the quality and model of medical service, and decrease the workload of medical staff.

Internet of Things; hospital information system; thermometer; pulsimeter

TH772+.2；TP393.02

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.03.008

1674-1633(2014)03-0028-03

2013-10-20

2013-11-12

國家重大專項（2013ZX03005012 ）。

本文作者：張茜，碩士研究生。

作者郵箱：heshilin301@163.com