大型醫用設備預警系統的設計與應用

熊剛，朱俊義，孫磊，宋旭，樊錚

濰坊醫學院附屬醫院 條件保障部，山東 濰坊 261031

引言

大型醫用設備多涵蓋現代計算機技術、激光技術、放射技術、核技術、磁技術、自動化技術、信息技術和影像處理技術等，其系統龐大，設計復雜，往往需要獨立的設備控制柜機房（以下簡稱設備間）。設備安裝驗收使用后，除了常規的巡檢維護，設備間一般無人監管，而由于設備間環境溫濕度異常、地面積水、散熱不良以及24小時運行部件停機等未及時發現并處理而造成的大型設備（特別是磁共振成像系統）系統故障停機，不僅增加維修費用，而且給醫療安全帶來隱患。“十三五”規劃綱要提出，要深化醫藥衛生體制改革，要求降低運營成本，提高醫療服務質量，保障醫療安全，這些都對大型醫療設備的運營保障提出了新的要求。

如果研究開發一款大型醫用設備監測預警系統，來監測大型醫用設備系統的機房溫濕度、漏水、散熱及各部分運行情況，一旦監測運行異常，第一時間通過GSM無線網絡發出相關報警信息給設備主管維護責任人，以便及時做好預防性維護處理，從而最大限度減少故障安全隱患，降低設備故障率，提高使用效率，延長設備使用壽命[1-7]。

1 系統結構和組成原理

大型設備監測預警系統設計框圖，如圖1所示。整個系統由STM32單片機模塊、GSM模塊、傳統揚聲器模塊、溫度控制器模塊、濕度控制器模塊、漏水探查模塊、電流感應模塊、風感器開關及12 V電源模塊組成。首先，當溫度控制模塊、濕度控制模塊、漏水探測模塊、電流感應模塊及風感開關檢測探查到機房溫度、濕度、漏水、機柜散熱風扇異常或者24小時運行部件停機，通過模塊放大處理，輸出啟動報警繼電器，將相應的開關量信號傳輸給STM32單片機。單片機判斷各檢測模塊送來的開關量數據，通過串口發送一個高電平給GSM模塊，使GSM模塊發送短信到設定的手機號碼，及時通知相關設備管理維護責任人，從而實現系統的預警功能。同時，如果設備維護責任人想臨時關閉某項預警功能時，可以通過手機發送特定短信至GSM模塊的方式進行關閉[8-10]。

2 系統硬件設計

2.1 STM單片機

STM32F03是ARM Cortex-M3內核的嵌入式單片機。預警系統既使用4線JTAG接口（TMS測試模式選擇、TCK時鐘、TDI數據輸入、TDO數據輸出），又采用通常20針接口，可通過仿真器連接PC機，實現在線仿真。

圖1 大型設備監測預警系統框圖

圖2 溫濕度控制模塊電路圖

2.2 GSM模塊

GSM通信采用SIM900A（由SIMCom公司生產）ARM926EJ-S架構的GSM/GPRS模塊，支持AT指令。STM32單片機與GSM模塊通信采用UART接口，速度可變，一般采用19200 bps。

2.3 溫濕度控制器模塊

本溫濕度控制模塊采用STC12C5608AD單片機，如圖2所示。經過A/D轉換，可直接進行溫濕度采集顯示、報警，包括傳感器數據采集、溫濕度顯示、上下限報警調整及單片主機電路。利用溫濕度電阻電容傳感器直接測量被測溫濕度，該模擬溫濕度值經過單片機處理后轉換為數字值，然后送到單片機中與設置的溫濕度報警閾值比較，超過報警閾值啟動繼電器，常開接點閉合，其開關信號送入GSM報警系統，比如“3T磁共振機房濕度異常，請及時處理”。

2.4 積水探查模塊

積水探查模塊電路圖，如圖3所示。其工作原理非常簡單，當漏水傳感器S接觸到水時，其相當于一個10 Ω電阻，三極管T1導通，+12 V通過偏置電阻R2加到T2基極，T2導通，繼電器J得電吸合，其常開接點閉合，開關信號送GSM短信報警器，發出機房漏水報警短信，比如“3T磁共振機房跑水，緊急處理”。

圖3 積水探測模塊電路圖

2.5 電流感應模塊

電流感應模塊可檢測交流電流，如圖4所示。通過互感線圈LH感應電流，經變壓器B耦合，驅動繼電器J動作吸合，用于檢測24小時運行部件運行狀態。一旦24小時運行部件停機，互感線圈LH無法感應電流，繼電器J斷開，其常閉觸點開關信號送GSM報警系統，發出相關故障停機報警短信，比如“冷頭故障停機，及時處理”。

圖4 電流感應模塊電路圖

3 系統軟件設計

圖5是本系統程序流程圖，首先初始化，然后檢測設防是否成立。STM32單片機使用串口發送AT指令控制GSM模塊傳送數據。此模塊的“設防”“撤防”可以通過以下方式：發送命令“AT+CFUN=0”設置成最小功能模式，則關閉RF功能和SIM卡的功能，此時，串口可繼續使用，但是和RF功能及SIM卡功能相關的AT命令禁止使用，此時為撤防狀態。發送命令“AT+CFUN=0”設置為最小功能，模塊可以通過“AT+CFUN=1”命令返回全功能模式。此時為設防狀態。一旦“設防”之后，系統正常工作。此時若熱釋電模塊檢測到有人進入，立即通過串口發送一個高電平到GSM模塊，命令模塊發送報警短信，同時揚聲器報警[11-14]。

圖5 系統程序流程圖

4 應用結果

該監測預警系統經測試穩定后，安裝應用于我院飛利浦1.5 T磁共振和GE 3.0 T磁共振的運行監測預警，監測參數指標有設備間溫度、地面積水、水冷機水溫、梯度冷卻水溫、冷頭運行等六個指標，應用時間約1年（2017年6月至2018年6月），具體結果，見圖6～8。

圖中結果顯示，該預警系統對2臺磁共振及1臺DSA運行實行監測預警1年，預警準確，運行穩定，報警符合率100%，無誤報，無錯報，達到了預期設計目標[15-16]。

5 討論

我們設計制作的這款大型設備監測報警系統主要用于大型醫用設備運行的監測，比如應用于磁共振成像設備，主要監測設備間溫度、濕度、地面漏水、水冷機冷卻水溫、梯度放大器冷卻水溫、散熱風扇、冷頭運行（冷頭為24小時運行），包括三個溫度控制器模塊、一個濕度控制器模塊、一個漏水探查模塊、一個電流感應模塊、風感器開關等；如應用于DSA設備，主要監測設備間溫濕度、操作間溫濕度等，包括兩個溫濕度模塊即可；如應用于CT、LA等其他設備的監測，可根據相關設備具體情況和需要監測的參數，選擇不同的監測模塊或模塊組合。

圖6 飛利浦1.5 T磁共振運行監測預警短信報警發送統計結果

圖7 GE 3.0 T磁共振運行監測預警短信報警發送統計結果

圖8 飛利浦DSA運行監測預警短信報警發送統計結果

6 結論和展望

該系統的應用主要是及時發現大型設備運行的異常情況，比如溫濕度異常、機房漏水、風扇散熱不良及24小時運行部件停機等，能第一時間發出相關預警短信，從而及時處理，對于降低大型設備故障率，提高其使用效率和經濟效益具有重要意義。

該系統目前的設計與應用僅限于短信報警通知，如需實時顯示或實時查看監測參數及24小時結果曲線，可升級手機APP，也可通過網絡連接到云平臺，保存數據、導出數據及查看數據等。