ICU生命體征監護系統實驗設計與實現

唐　璐, 田傳耕, 吳　響, 張　立

(1. 徐州醫科大學 醫學影像學院, 江蘇 徐州　221004；2. 徐州工程學院 信電工程學院, 江蘇 徐州　221018)

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ICU生命體征監護系統實驗設計與實現

唐璐1, 田傳耕2, 吳響1, 張立1

(1. 徐州醫科大學 醫學影像學院, 江蘇 徐州221004；2. 徐州工程學院 信電工程學院, 江蘇 徐州221018)

為提高醫學類院校工科學生的工程實踐能力與創新能力,實現醫工結合,設計開發了一套ICU生命體征監護系統,介紹了系統的組成與工作原理、硬件設計方案以及軟件開發工作,使傳統護士的“記、聽、看”模式變為依據手機提示工作的新型模式。該系統應用于電子課程設計實踐教學中,既豐富了實驗教學內容,又提高了學生對專業知識與技能的綜合運用能力以及科研創新能力。

臨床監護； 遠程監護系統； 互聯網應用

監護是醫院對患者進行臨床診斷的常用手段之一,它能夠對病人的心率、心律、呼吸、血壓、血氧飽和度進行監測和分析。在重癥監護室(ICU),每天每位患者平均可出現150～400次報警,有些甚至高達700次報警[1-2]。Gross等研究表明,普通病房里的監護患者平均每天也可產生95.6次報警[3]。有些病人難以承受監測儀器發出的報警聲音。

在ICU中,醫護人員需要實時了解病人的生命體征參數等信息,患者在需要幫助時要能及時呼叫醫護人員,但是也要減少各種噪音,給病人提供一個安靜的環境。為此,結合臨床醫學實際需求,綜合運用臨床醫學概論、單片機原理[4]、無線傳感網技術[5-6]、C#、Java軟件開發等相關知識,設計了一個ICU生命體征監護系統,實現了醫學、工學等相關課程的結合,培養學生的創新意識和科研能力。

1　系統設計方案

本系統主要由感知終端、中繼節點、網關節點、監護終端構成。

1.1感知終端

感知終端需要實時采集臨床人體的特征信息。在感知終端的開發設計中,學生需要綜合運用臨床醫學概論、單片機技術、傳感器技術、數字信號處理等相關知識。感知終端的主要功能有:

(1) 通過CC2530[7]獲取ECG心電電壓信號,將采集的信號進行放大和濾波,對電壓信號進行采樣,實現從模擬量到數字量的轉換,實時顯示在液晶顯示屏上；

(2) 通過CC2530控制實現紅光與紅外光的切換,根據氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對紅光和紅外光的吸收量不同計算出血氧飽和度值;采集脈搏/血氧信號,實時顯示在液晶顯示屏上；

(3) 通過按鍵可以選擇感知終端的復位,進行心電采集與脈搏/血氧采集之間的切換；

(4) 監護中能夠計算出心電脈搏的正常閾值,若超過閾值,系統能夠準確識別并提示醫護人員。

1.2中繼節點和網關

將感知終端實時采集到的人體特征信息通過無線的方式直接發送或通過中繼節點發送給網關節點。網關節點對收到的數據進行可配置的預處理工作,然后將預處理后的數據發送給服務器,由服務器對這些人體特征相關數據進行處理并向監護終端發送數據。因此,學生需要將無線傳感器網絡、Contiki操作系統、IPv6[8-9]的相關知識進行交叉運用,按照教師提供的通信協議完成中繼節點、網關的設計。

1.3監護終端

監控終端包括PC監護終端和手機監護終端。護士不僅可以在護士站通過PC監護終端實時觀察病人的特征信息,還可在任何地方通過手機監護終端監護病人。PC監護終端軟件的開發采用的是Microsoft Visual Studio 2010,采用SQL Server2005設計。被監護者的信息包括節點ID、姓名、性別、年齡、聯系方式、備注信息；監測信息包括心電信號、每分鐘脈搏數、脈搏強度、血氧飽和度等。手機監護終端界面以Eclipse為框架,使用C#、Java語言來編寫應用程序、完成開發設計。由于C#、Java語言為課外選修課,學生掌握的程度不同,所以人機交互界面的全部代碼公開給學生,給對Android系統開發感興趣的學生提供良好的開發平臺,培養學生的創造性思維。

2　系統硬件設計

2.1感知終端設計

感知終端的主要構成如圖1所示。TI公司的CC2530芯片集成了業界標準的增強型8051微控制器,其組網靈活、能耗低,可根據不同的應用組建不同的拓撲網絡,節點可兼具路由與終端的功能,提高了網絡的穩定性,可很好地完成無線數據的發送和接收。為了提高CC2530的無線傳輸性能,在CC2530模塊發射前端增加了功率放大芯片RFX2401。

圖1　生命體征感知終端硬件結構圖

2.1.1心電采集

為了使CC2530可以準確獲取ECG的電壓采集序列,需要由放大電路和濾波電路構成的驅動電路完成對原始信號的放大和濾波。圖2是心電采集模塊的實物圖,其中U9、U10、U11是利用貼片電極,通過三聯導的方式采集人體心電信號序列電路圖,通過心電采集模塊的放大、濾波、去噪等處理,轉換成CC2530可以處理的電信號。在CC2530內部利用12位A/D轉換器,對電壓信號進行采樣,實現從模擬量到數字量的轉換。

圖2　三聯導心電采集模塊

2.1.2脈搏/血氧采集

氧合血紅蛋白對可見紅光吸收較多,還原血紅蛋白對紅外線吸收較多。用分光光度法測定紅外線吸收量與紅光吸收量的比值即能直接確定血液的氧合程度。圖3為脈搏/血氧采集電路圖,圖3(a)中電路由2個9012三極管、2個9013三極管和6個電阻構成。圖3(b)中U8的管腳5與圖3(a)的RED相連接收紅光,圖3(b)中U8的管腳6與圖3(a)的INFRARED相連接收紅外光,CC2530處理器通過控制該電路的通斷模式來實現紅光與紅外光的切換,從而根據氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對紅光和紅外光的吸收量不同計算出血氧飽和度值。

圖3　脈搏/血氧采集電路圖

2.1.3功能按鍵

功能按鍵部分主要包括3個10 kΩ限流電阻、3個非自鎖按鍵、3個0.1 μF的電容(見圖4)。按鍵模塊的功能是實現感知節點的復位、心電采集以及脈搏/血氧采集之間的切換,通過配置CC2530內部的寄存器實現按鍵觸發中斷事件,根據重新組織的邏輯關系,實現不同按鍵觸發感知節點不同的采集功能。

圖4　功能按鍵模塊原理圖

2.1.4液晶顯示

為使心電圖和脈搏/血氧波形圖能夠及時顯示出來,采用了12864液晶作為顯示界面。該模塊具有靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令,具有全中文人機交互圖形界面,也可完成圖形顯示。12864液晶工作溫度為0～55 ℃,存儲溫度為-20～60 ℃,無需外加負壓、無需片選信號,簡化了軟件設計過程。

2.2中繼節點、網關節點

將感知終端的信息通過近距離無線多跳轉發方式發送給網關。網關收到數據后通過以太網總線將其發送到監護終端。中繼節點和網關節點的無線收發模塊也選用CC2530芯片。該芯片具有51內核,自帶IEEE802.15.4協議,組網靈活。網關軟件采用Contiki操作系統和與其配套的輕量級IPv6協議棧[10],能有效保證服務器和監控終端之間數據的透明傳輸。

3　系統軟件設計

感知終端上電后,首先完成協議棧的初始化,節點自動加入無線傳感器網絡,顯示感知終端ID號,準備臨床生命特征信息的采集。按下功能按鍵后,感知終端進入實時采集狀態。在感知終端工作的過程中,會對患者不同的體征信號設置不同的采集周期,通過設置不同的計數延遲實現。感知終端將采集到的生命特征信息顯示在本地感知終端的顯示屏上,實時發送到PC監護終端并推送到手機監護終端。手機監護終端和PC監護終端也可以主動向數據中心請求生命特征信息數據。系統采用休眠機制來降低節點的功耗,喚醒休眠的事件有定時器和按鍵。感知終端具體工作流程如圖5所示。

圖5　感知終端軟件工作流程

4　系統實現

ICU生命體征監護系統有PC監護終端和Android系統的手機監護終端。PC監護終端通過計算機監護；基于Android的手機監護終端可以通過GPRS、Wi-Fi、3G等網絡接入Internet,以Eclipse和Android SDK來搭建開發環境,使用Java語言來編寫應用程序[11]。用戶輸入用戶名和密碼登錄系統,進入監護界面。

點擊“心電”按鈕進入心電監護界面。圖6(a)為心電信號采集,包括生命體征感知終端采集心電、PC監護終端采集心電、手機監護終端采集心電。

點擊脈搏強度按鈕可進入脈搏/血氧監護界面。圖6(b)為脈搏/血氧采集,包括生命體征感知終端采集脈搏/血氧,PC監護終端采集脈搏/血氧,手機監護終端采集脈搏/血氧。

圖6　系統實現

5　結語

本文設計并實現了一種ICU生命體征監護系統,系統通過單片機技術、Android開發技術、無線傳感網等技術與臨床實際結合,有助于激發學生的學習潛能和學習興趣,提高學生的專業知識綜合運用能力和科研創新能力。實際運行結果表明,用戶使用Android智能手機可監測病人的生命體征信號(如心電和脈搏/血氧),并且監測結果正確,使用性能穩定可靠。

References)

[1] CAT Force. American College of Clinical Engineering (ACCE) Health care Technology Foundation. Impact of clinical alarms on patient safety:a report from the American College of Clinical Engineering Health care Technology Foundation [J].Journal of Clinical Engineering,2007,32(1):22-33.

[2] Bliss J,Fallon C K,Nica N. The role of alarm signal duration as a cure for alarm validity[J]. Appl Ergonom,2007,38(2):191-199.

[3] Gross B,Dahl D,Nielsen L. Physiologic monitoring alarm load on medical/ surgical floors of a community hospital[J]. Biomed Instrum Technol,2011(suppl):29-36.

[4] 周潤景,徐宏偉,丁莉.單片機電路設計、分析與制作[M].北京:機械工業出版社,2010.

[5] 徐冬冬,郭薇,葛小宇.無線輸液報警系統設計[J].南京信息工程大學學報:自然科學版,2013,5(6):548-552.

[6] 顏盛銀,單鳴雷,朱昌平,等.無線傳感器網絡實驗系統開發[J].實驗技術與管理,2013,30(2):58-61.

[7] CC2530數據手冊.[Z/OL].[2016-02-03].http://www.ti.com.cn.

[8] 姜仲,劉丹. Zig Bee技術與實訓教程:基于 CC2530 的無線傳感網絡技術[M].北京:清華大學出版社,2014.

[9] 常英亮,秦雅娟,高德云,等.基于異構分簇機制的 IPv6 WSN 系統設計與實現[J].計算機技術與發展,2013,23(9):147-154.

[10] 宋樹彬,王能.無線傳感器網絡上超輕量化的IPv6協議棧[J].計算機應用,2007,27(10):2556-2558.

[11] 郭宏志.Android應用開發詳解[M].北京:電子工業出版社,2010.

Design and realization of experiments for ICU life signs monitoring system

Tang Lu1, Tian Chuangeng2, Wu Xiang1, Zhang Li1

(1. School of Medical Imaging,Xuzhou Medical University,Xuzhou 221004, China；2. School of Information and Electrical Engineering, Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou 221018, China)

In order to improve the engineering practical innovative ability of engineering students in medical colleges,realizing the combination of medicine and engineering, a set of ICU life signs monitoring system is designed and developed. This paper introduces the components and working principle,system hardware design scheme and software development work. So that the traditional nurse’s “Remenbering-Listening-Seeing” mode becomes the basis of “Mobile Phone Prompts Work” new mode. The system is applied in the practical teaching of electronic course design,which not only enriches the content of experiment teaching,but also improves the ability of comprehensive utilization of professional knowledge and skills,and the ability of scientific research and innovation.

clinical care; remote monitoring system; Internet application

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.036

現代教育技術

2016-02-15

江蘇省科學技術廳產學研聯合創新基金項目(BY2014033)；徐州市科技計劃項目(KC15SH013)

唐璐(1982—),女,江蘇徐州,碩士,講師,主要從事生物醫學工程教學科研工作.

E-mail：xztanglu@163.com

TP393

A

1002-4956(2016)9-0140-04