基于臨床日常護理生理指標自動巡測系統的設計

周 偉，趙丹丹

（河南工業職業技術學院，河南南陽473009）

基于臨床日常護理生理指標自動巡測系統的設計

周 偉，趙丹丹

（河南工業職業技術學院，河南南陽473009）

主要針對臨床上對病患體溫、脈率和呼吸頻率3個生理信號的數據采集和傳送，介紹一款自動巡測系統。該無線生理參數監護系統可以實現：脈搏信號的拾取和分析，計算脈率；通過Tsic506高精度溫度傳感器對體溫數據進行讀取；通過對呼吸時鼻腔內的溫度變化的數據計算呼吸頻率；實時地進行傳輸顯示體溫、脈搏和呼吸頻率的數值；在數據的采集節點進行呼叫，數據接收節點設有相應的復位按鈕。本系統各功能模塊分工明確、結構清晰，日常功能的修改、擴展和維護容易，同時還具有對設備要求低、開發時間短，對寫入的程序可以進行加密等優點。

溫度傳感器；Tsic506；脈率；模塊化

1 緒論

體溫、脈搏和呼吸頻率作為臨床上最為常規的3個生理參數，最為直觀的反映著病人的生理狀況，其中任意一項的異常都表明患者病情的變化。以往的醫療監護主要使用傳統的人工測量，由于其實時性較差，且醫護成本較高，如今已逐漸被現代化的自動巡測系統取代。

體溫、脈率和呼吸頻率的無線實時監控顯示系統實時顯示的3個參數是術后病患病況變化最基礎最直觀的反映。病患的體溫數據對于預后的判斷是十分重要的參考量，臨床上可根據一段時間內病患的體溫的變化繪制成曲線，對于發熱病患來說，其體溫數據連接形成的曲線被稱為熱型（fever type）。根據其變化形式可將其分為多種熱型，例如:稽留熱（continued fever）、弛張熱（remittent fever）、間歇熱（intermittent fever）及不規則熱（irregular fever）等［1-4］。根據患者的熱型可對預后做出具有一定參考意義的判斷。脈率和心率的在數值上是相等的，脈率的變化反映著心率的變化，脈率在短時間內的較大變化通常標志著病情的惡化。呼吸頻率在臨床護理中數據比較穩定，與脈率一樣若在短時間內發生持續迅速的增長，也標志著病患情況的惡化。因此脈搏與呼吸頻率對于患者當下的生理狀況的反應具有十分重要的意義。

本系統在進行設計時每個模塊完成一個功能，各功能模塊分工明確、結構清晰，日后功能的修改、擴展和維護容易。采用的STC12C5A60S2單片機作為信號的采集節點和監控節點的核心微處理器，系統還具有對設備要求低、開發時間短，對寫入的程序可以進行加密等優點。

2無線監測系統方案設計

本文主要針對臨床上對病患體溫、脈率和呼吸頻率3個生理信號進行數據的采集和傳送。該無線生理參數監護系統可以實現:①脈搏信號的拾取和分析，通過對脈搏信號的分析來計算脈率；②體溫溫度的讀取，通過Tsic506高精度溫度傳感器對體溫數據進行讀取；③通過對呼吸時鼻腔內的溫度變化的數據進行分析，計算呼吸頻率；④實時地進行傳輸顯示體溫、脈搏和呼吸頻率的數值；⑤在數據的采集節點進行呼叫，數據接收節點設有相應的復位按鈕。

2.1系統總體設計思路

生理參數監護系統由多個生理參數采集節點與一個數據接收節點兩部分組成，這兩者之間的通信是通過短距離無線通訊模塊實現。系統整體結構如圖1所示。

無線生理參數巡測系統由多個生理參數測量節點和數據一個接收節點構成，測量節點和接收節點之間的通訊依靠無線射頻模塊進行通信。單個數據采集節點由2個溫度傳感器、1個脈搏傳感器、1個單片機微控制器、1個無線射頻通訊模塊，2個溫度傳感器一個用來測量體溫、一個用來進行呼吸頻率的測量。在數據接收節點的無線射頻通訊模塊接收到數據后，單片機發出指令將接收到的數據顯示在NOKIA5110液晶顯示屏上。

圖1系統整體結構圖

根據設計的目標，總結出系統的總體要求:①微小的體積，系統體積微小更加節省空間；②較高的可靠性，系統運行要穩定；③使用方便，在使用過程中不能給患者造成額外生理負擔；④便于維修，傳感器的接口簡單。

2.2系統硬件設計方案

根據總體的系統設計方案，提出可行性高的硬件設計方案。在實施具體的設計方案時，對單個時間點上的系統進行相應的簡化，由于所有的數據采集節點在組成結構上是相同的，因此系統可以簡化成一個點對點的結構。簡化后的結構如圖2所示。

圖2簡化后的系統結構圖

數據采集節點由2個溫度傳感器、1個脈搏傳感器、1個單片機、1個無線射頻傳輸模塊組成。數據采集節點通過相應的傳感器對人體的生理參數進行測量，測量所得數據在單片機內進行相應的分析，最后單片機驅動發送端的無線射頻模塊將分析后的數據進行傳輸。數據的接收節點在接收到數據后，單片機直接將接收到的數據在LCD屏上進行顯示。在對生理信號進行測量時，兩溫度傳感器Tsic506、DS18B20分別用來進行體溫和呼吸時鼻腔內溫度數據的測量，讀取脈搏傳感器數據時則需要先進行AD轉換，將模擬信號轉變成數字量的形式后再進行相應的數據分析。數據在通過無線射頻模塊傳輸到數據接收節點后，需要依照相應的通訊協議先進行拆包，才能將數據通過接收節點的微處理器發送到液晶顯示屏上進行顯示。

無線生理參數巡測系統的主要功能:

（1）人體體溫采集功能。采用精度較高的數字式溫度傳感器進行讀取，測量精度達到0.1攝氏度。

（2）脈搏信號的拾取。通過指尖進行信號的采集，將采集來的信號進行相應的分析，最終得出脈搏的數據。

（3）呼吸時鼻腔內溫度的采集。采集鼻腔內的溫度數據，通過溫度的變化，將采集到的數據繪制出相應的曲線，然后進行數據分析，得出呼吸頻率。

（4）數據的無線傳輸功能。數據的采集節點和接收節點之間能夠完成單方向的通訊。

（5）數據在液晶屏上的顯示功能。

3系統軟件的設計思路

該無線生理參數巡測系統的軟件主要由采集端主程序、接收端主程序組成。采集端主程序包括2個溫度傳感器、1個脈搏傳感器和1個無線發送，4個模塊的程序；接收端主程序包括1個無線接收和1個液晶顯示，2個模塊的程序。

在系統程序設計時要有清晰的思路，模塊的設計方案是使程序更為簡潔、清晰。本次設計程序采用C51進行編程，在Keil Uvision4環境中進行編程將最終生成的HEX文件燒錄到單片機內。與單片機的匯編編程相比，C語言在可讀性、結構性和功能等方面具有更為明顯的優勢。

設計軟件時，需要注意保持模塊化的編程思想，在進行程序編寫時，每段程序都要分工明確。無線射頻模塊的發送和接收端必須設置成同一個通信頻率。系統軟件的整體結構、數據流向如圖3所示。

圖3系統的數據流向圖

4實驗結果的分析

在實驗中，當未輸入人體體溫信號時，體溫傳感器的測量結果為周圍環境的溫度，數值會隨著傳感器周圍溫度的變化而變化，因此在未進行任何信號輸入時體溫項顯示的是周圍環境溫度，而脈搏和呼吸項因沒有任何信號的輸入，故顯示值為0。當分別進行體溫、脈搏和呼吸信號的輸入時，相應的項顯示數據會發生變化，除了體溫信號的實驗值是一組外，另外兩個實驗都包含三組小實驗，這三組實驗進行相互對照，可以發現系統對信號變化的反應良好。LCD顯示屏右下角現實標號1代表這是由1號節點發送來的數據，當按下1號節點的按鈕時LCD閃爍顯示接收到的參數，表示病人呼叫，當按下數據接收節點的按鈕時，顯示恢復正常。

通過查詢資料可知，正常人的口腔溫度為36℃至37.3℃，根據個體的差異可有一定的波動，腋下正常的溫度約為36.0℃至37.0℃，直腸內的溫度較高，相比于腋下的溫度約高0.5℃。為了測量方便，臨床上常規的體溫測量大多數是對腋下的溫度進行測量，雖然結果與核心溫度有一定的差距，但是作為臨床判斷的依據已然足夠。本次實驗測得手指表面的溫度約為35.5℃，使用水銀溫度計進行測量，測得指尖溫度介于35.5℃到35.6℃之間，更接近于35.5℃，與實驗結果接近，誤差較小，設計實驗結果顯示，在本次實驗中測得體表溫度為35.5℃，在正常測量范圍內。事實上人體平均的皮膚溫度約為33.8℃，日均方差約為0.6℃。

正常成年人的呼吸頻率約15次／min到20次／min，在運動后呼吸頻率會發生變化。在進行測試時人為地對呼吸頻率進行改變，當進行深度呼吸時，呼吸頻率必然減慢，人為地進行較高深度的呼吸，呼吸頻率可小于正常范圍，另外在進行較淺的呼吸時，呼吸頻率相應得會增加。實驗過程中，進行較高深度的呼吸時系統測量得出的呼吸頻率為11次／min，以同樣的呼吸頻率進行呼吸時，人工計數測得一分鐘進行了11次完整呼吸和1次完整吸氣過程，考慮到人工計時的過程中存在一定的誤差，以及每一次呼吸時間之間也會存在一定的差異，試驗中測得的結果在允許的范圍內。正常的呼吸時，測得的呼吸頻率為19次／min。當快淺的呼吸時，實驗結果也迅速發生了明顯得變化。經實驗驗證該系統在反應呼吸頻率的變化的方面較為靈敏。

對心率進行測量，男性的脈搏要比女性跳得快，運動員或者是長期鍛煉的人的脈速較慢，故心率值的范圍較大。一般一個健康成年人的心跳速度在60次／min-120次／min的區間內都是正常的。在本次試驗中，通過改變呼吸頻率的方式來改變心率的數值，當實驗者減少呼吸次數或者停止呼吸時，心率會明顯下降，當實驗者進行正常平穩的呼吸時，心率迅速而明顯地上升至正常范圍，當繼續加快呼吸或者運動、情緒緊張時，心率明顯升高。該系統對各種情況引起的心率增加都能很靈敏地進行準確反應。

5結束語

本次課題研究并實現了一個3參數生理信號自動巡測系統。本系統使用了高性價比的STC12C5A60S22單片機作為核心處理器，其內部集成的AD轉換電路使整個系統的開發變得簡單，較低的功耗使系統在進行長時間、實時地對體溫、脈率和呼吸頻率巡測的工作上表現優異。在系統設計時從整體上進行規劃，對于各功能的實現均由相應的模塊來進行。傳感器在低成本、開發周期短、易于維護、性能穩定的前題下進行選擇。

由于時間短、個人能力不足，本系統僅實現了對體溫、脈搏、呼吸頻率的簡單測量。在進行系統設計時，傳感器選擇了高度集成的數字式溫度傳感器和脈搏傳感器模塊來進行信號采集。在進行算法的設計時，由于無法獲取到更好的思路，在實現的功能上存在一定的缺陷。功能上依舊需要對以下幾點進行相應的完善。

（1）實現對血壓的監測，血壓也是人體較為重要的生理參數，血壓數據變化的檢測也是臨床監護中的重要參考信息。

（2）在進行呼吸頻率的數據分析時應能分辨出咳嗽等呼吸異常。

（3）實現與上位機的通訊，將數據傳輸到上位機上進行相應的顯示。

互聯網技術的廣泛應用使醫療在遠程醫療監護領域逐漸邁開腳步，基于互聯網的遠程醫療監護系統已經成為生理參數巡測系統的發展方向。本次的設計為近距離的生理參數自動巡測系統，在醫院病房或者家庭等用戶中能夠滿足對心理、脈搏和呼吸頻率信號的檢測，且具有體積小、成本低、易維修、移動性較好等優點，在戶外急救等具有較高移動性的情況下應用效果較好。

［1］無線通訊模塊NFR24L01.

［2］陳 拓.Tsic系列高精度溫度傳感器的應用［Z］.2011.

［3］柳巨雄，楊煥民.動物生理學［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［4］歐陽欽.臨床診斷學［M］.北京:人民衛生出版社，2010.

［5］孟亞麗.四參數生理監護儀的設計［D］.天津:天津大學，2005.

［6］楊志寅.診斷學大辭典［M］.北京:華夏出版社，2004.

［7］冷富萍，王安靜.臨床體溫測量技術的研究進展［J］.中華現代護理雜志.2010，32:2-3.

［8］王守利.基于無線傳感器網絡技術遠程醫療監護系統的研制［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，2009.

Design of automatic detecting system based on clinical daily-nursing physiological index

ZHOU Wei，ZHAO Dan-dan
（HenanPolytechnicInstitute，Nanyang473009，China）

The clinical data collection and the transmission for the three physiological signals of the temperature，the pulse rate and the respiratory rate are presented.The wireless physiological parameter monitoring system can achieve the following functions:picking and analysis of the pulse signals and the pulse rate calculating；temperature data reading through Tsic506 high precision temperature sensor；calculating respiratory frequency through the data of the respiratory temperature which changes in the nasal cavity；real-time transmitting and displaying the data of the temperature，the pulse and the respiration frequency；calling in the data collecting node without the corresponding reset button.Each module of the system has functions of clear labor division，clear structure，easy to future functional modification，extension and maintenance.At the same time，it also has advantages of the lower requirement for equipment and the short time for developing and can make encryption for the written procedures.

temperature sensor；Tsic506；pulse rate；modularization

TP274+.2

B

周 偉（1978-），男，河南人，河南工業職業技術學院汽車工程學院教師，從事自動化、機電一體化、汽車電子類教學和研究工作。

2016-06-15

1005—7277（2016）04—0035—04