基于云平臺(tái)的新生兒培養(yǎng)箱中央智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孫少平，張俊，李元峻，周云波，張俊鵬

1. 玉溪市人民醫(yī)院，云南 玉溪 653100；2. 玉溪師范學(xué)院，云南 玉溪 653100；3. 大理大學(xué)，云南 大理 671000

引言

新生兒培養(yǎng)箱已被廣泛應(yīng)用于各醫(yī)院的新生兒科和婦產(chǎn)科，它的安全與患者的人身安全直接相關(guān)，必須進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制[1]。實(shí)際上，隨著新生兒培養(yǎng)箱的廣泛應(yīng)用，由培養(yǎng)箱內(nèi)部溫度失控、報(bào)警失靈等引起的不良事件及醫(yī)療事故越來越多[2-3]。根據(jù)國家食品藥品監(jiān)督管理總局發(fā)布的醫(yī)療器械不良事件信息通報(bào)（2012年第4期），自2002年至2011年10月，國家藥品不良反應(yīng)監(jiān)測中心共收到有關(guān)嬰兒培養(yǎng)箱的可疑醫(yī)療器械不良事件報(bào)告332份，其中溫度失控多達(dá)167例[4-5]。而2016年國家醫(yī)療器械不良事件年度監(jiān)測報(bào)告顯示，排名前10的有源醫(yī)療器械就包括嬰兒培養(yǎng)箱，其中溫度失控占比較大。

目前，玉溪市人民醫(yī)院已有幾十臺(tái)嬰兒培養(yǎng)箱，而隨著人民群眾醫(yī)療需求的不斷提升，嬰兒培養(yǎng)箱數(shù)量勢必繼續(xù)增長。由于嬰兒培養(yǎng)箱品牌不同和實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)缺乏，已有的嬰兒培養(yǎng)箱群還沒有形成培養(yǎng)箱溫濕度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新生兒監(jiān)護(hù)室里有限的醫(yī)護(hù)人員對嬰兒培養(yǎng)箱群進(jìn)行溫濕度的監(jiān)護(hù)工作力不從心，承受更多的精神壓力[6]。如何讓有限的醫(yī)務(wù)人員在面對數(shù)十臺(tái)處于工作狀態(tài)的新生兒培養(yǎng)箱時(shí)，能有效的監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行情況，掌握箱內(nèi)的各種變化并在出現(xiàn)報(bào)警時(shí)快速做出反應(yīng)，已經(jīng)成為各大醫(yī)院新生兒科和婦產(chǎn)科亟待解決的問題[7]。

目前，國內(nèi)對新生兒培養(yǎng)箱狀態(tài)監(jiān)測的研究主要集中在質(zhì)量控制領(lǐng)域和無線數(shù)據(jù)傳輸方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測效果[8]。國外對新生兒培養(yǎng)箱的監(jiān)測研究起步較早，相繼推出了多款監(jiān)測產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品多數(shù)用于醫(yī)療技術(shù)人員的調(diào)試方面，對于監(jiān)測培養(yǎng)箱的實(shí)時(shí)工作情況并不適用。因此，針對新生兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)的研究仍屬于一個(gè)較新的領(lǐng)域。目前，市場上還沒有相對成熟的產(chǎn)品來解決不同地區(qū)不同等級醫(yī)院的需求，無法滿足大規(guī)模使用新生兒培養(yǎng)箱的實(shí)時(shí)和集中監(jiān)測需求[9]。

基于此，新生兒培養(yǎng)箱中央智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用旨在解決上述問題，不僅對培養(yǎng)箱的臨床應(yīng)用和安全監(jiān)測具有重要意義，而且在保障患者安全的同時(shí)，還能有效防止醫(yī)療糾紛和不良事件發(fā)生。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為兩部分：前端采集系統(tǒng)和接收主機(jī)。前端采集部分由微處理器、溫濕度傳感器、無線傳輸模塊組成，其作用是完成培養(yǎng)箱各測量點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)采集工作，同時(shí)將有效數(shù)據(jù)傳輸給接收主機(jī)。接收主機(jī)由物聯(lián)網(wǎng)關(guān)組成，其作用是接收采集器傳輸?shù)臏貪穸缺O(jiān)測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給本文設(shè)計(jì)的培養(yǎng)箱中央智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)云平臺(tái)。

本文采用無線溫濕度傳感器，測量新生兒培養(yǎng)箱內(nèi)部溫濕度數(shù)據(jù)。將無線溫濕度傳感器模塊終端安放在培養(yǎng)箱內(nèi)部，溫濕度采集終端采用3.6 V電池供電，采集數(shù)據(jù)通過無線方式傳送，傳感器可根據(jù)實(shí)際監(jiān)測需求靈活放置。同時(shí)，采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將周期性采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、快速的傳輸?shù)街付ń邮赵O(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

如圖1所示，無線溫濕度傳感器設(shè)計(jì)由微處理器、溫濕度傳感器、無線收發(fā)模塊、電源等集成，形成無線溫濕度傳感器模塊。其中微處理器采用高性能、低功耗的8位AVR系列微處理器ATmega16L[10]；溫濕度采集單元采用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的sht30集成式數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器測溫范圍為-40℃～+85℃，測量精度為：±0.3℃（0℃～65℃），±1℃（其他溫度范圍），濕度測量精度：±3%RH（10% RH～90% RH）；無線收發(fā)模塊采用Nordic VLSI公司最新封裝改版的微功率RF905RD，該無線通訊芯片工作于433 MHz全球開放ISM頻段免許可使用，集成度高，通訊穩(wěn)定，傳輸直線距離150 m左右，信號(hào)可覆蓋3層樓，完全滿足培養(yǎng)箱的溫濕度監(jiān)測要求[11]。sht30溫濕度傳感器與微處理器之間采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊，完成培養(yǎng)箱各點(diǎn)的采集任務(wù)；RF905RD無線通訊芯片使用SPI接口與微處理器進(jìn)行通信，完成整個(gè)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送過程。微處理器控制溫濕度傳感器sht30采集培養(yǎng)箱的溫濕度，然后利用RF905RD無線收發(fā)模塊將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給溫濕度網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行下一步處理。

圖1 無線溫濕度傳感器模型

此無線溫濕度傳感器可與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)配套使用，所有傳感器采集的數(shù)據(jù)都要匯集到網(wǎng)關(guān)中，所有對終端的控制指令也都通過網(wǎng)關(guān)向下發(fā)送，可支持30路溫濕度采集器。網(wǎng)關(guān)內(nèi)置操作系統(tǒng)，可對網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)和存儲(chǔ)，同時(shí)具備遠(yuǎn)程傳輸能力，通過對物聯(lián)網(wǎng)關(guān)硬件參數(shù)的解析，利用以太網(wǎng)或局域網(wǎng)將無線溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)信息匯集到云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)。本研究設(shè)計(jì)的新生兒培養(yǎng)箱中央智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)對接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。無線溫濕度傳感器與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用模型如圖2所示。

圖2 傳感器與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用模型

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)主要通過外置無線溫濕度傳感器對培養(yǎng)箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過采集網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送到云端上的培養(yǎng)箱中央智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。此系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，用戶可通過多終端進(jìn)行訪問。其架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架有如下特點(diǎn)。

（1）無線傳感器的雙向控制技術(shù)對新生兒培養(yǎng)箱中的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將采集到的數(shù)據(jù)采用無線傳輸方式通過物聯(lián)網(wǎng)關(guān)傳送到中央監(jiān)護(hù)平臺(tái)。為了提高溫濕度傳感器的可靠性，采用雙溫濕度監(jiān)測模式，確保新生兒培養(yǎng)箱內(nèi)的溫濕度在任何時(shí)候都處于安全可控的范圍。同時(shí)，定期對溫濕度傳感器進(jìn)行比對，確保溫濕度傳感器性能的穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)架構(gòu)采用外置無線溫濕度傳感器來采集信息，對不同品牌的新生兒培養(yǎng)箱有較強(qiáng)的兼容性，均可實(shí)現(xiàn)溫濕度采集。

（2）中央智能監(jiān)護(hù)平臺(tái)是整個(gè)研究的核心部分。平臺(tái)數(shù)據(jù)庫部署在云端，用于大數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)。系統(tǒng)增加了備份數(shù)據(jù)庫，用于定時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行雙機(jī)備份，避免數(shù)據(jù)的丟失和損壞。智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可向醫(yī)護(hù)人員發(fā)出聲光結(jié)合的報(bào)警，還可利用中央智能監(jiān)護(hù)平臺(tái)對Wi-Fi智能插座進(jìn)行雙向控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電或請求人工遠(yuǎn)程斷電等智能化操作。同時(shí)，醫(yī)護(hù)人員可對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及歷史數(shù)據(jù)調(diào)閱，為醫(yī)療質(zhì)量與安全提供時(shí)間、行為、位點(diǎn)的有力支撐。

（3）支持多終端訪問，除本地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)外，支持廣域網(wǎng)、云平臺(tái)對接，多終端訪問要求。對現(xiàn)有的Web技術(shù)進(jìn)行整合后，實(shí)現(xiàn)中央智能監(jiān)護(hù)平臺(tái)在多終端設(shè)備上的應(yīng)用。

2.2 系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)

新生兒培養(yǎng)箱中央智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用B/S模式構(gòu)建支撐，所用核心開發(fā)語言為Java語言，依托IntelliJ IDEA平臺(tái)開發(fā)了整個(gè)系統(tǒng)。采用多層分布式體系結(jié)構(gòu)：顯示層、表示層、業(yè)務(wù)層、持久層和數(shù)據(jù)訪問層。其中使用Spring MVC作為后端與前端進(jìn)行對接的基礎(chǔ)架構(gòu)。利用Spring Data框架與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行持久化管理提供支持[12]。運(yùn)用Spring進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯的處理以及對Spring MVC和Spring Data進(jìn)行調(diào)配管理。數(shù)據(jù)庫部分主要采用Oracle 11g進(jìn)行系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)功能模塊

新生兒培養(yǎng)箱中央智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要是對各個(gè)分散的培養(yǎng)箱進(jìn)行溫濕度監(jiān)測。該系統(tǒng)包括培養(yǎng)箱實(shí)時(shí)監(jiān)控、培養(yǎng)箱和傳感器設(shè)置管理、用戶基礎(chǔ)設(shè)置管理、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)等主要功能模塊。系統(tǒng)功能模塊如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能模塊

（1）培養(yǎng)箱實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)主頁顯示各個(gè)培養(yǎng)箱的溫濕度情況，當(dāng)某一培養(yǎng)箱的溫度和濕度超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并在主界面滾動(dòng)顯示異常培養(yǎng)箱所在位置和當(dāng)前的溫濕度值，提醒醫(yī)護(hù)人員及時(shí)進(jìn)行查看和處理。

（2）培養(yǎng)箱和傳感器設(shè)置管理。此模塊主要實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)箱和傳感器基本信息的錄入、性能狀態(tài)和使用記錄的查詢。培養(yǎng)箱的基本資料包含培養(yǎng)箱名稱、出廠編號(hào)、廠牌型號(hào)、啟用時(shí)間、培養(yǎng)箱位置、運(yùn)行狀態(tài)以及與之關(guān)聯(lián)的傳感器的名稱；采集器的基本資料包含采集器名稱、廠牌型號(hào)、網(wǎng)關(guān)唯一碼、分組編號(hào)、采集器ID、啟用日期、溫濕度正常值和上下限值等。其中培養(yǎng)箱和采集器是一一對應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可方便醫(yī)護(hù)人員及時(shí)、準(zhǔn)確定位培養(yǎng)箱的具體位置，出現(xiàn)異常時(shí)做出響應(yīng)。

（3）用戶基礎(chǔ)設(shè)置管理。主要功能有用戶信息管理、角色信息管理、用戶角色關(guān)聯(lián)、模塊信息管理、系統(tǒng)設(shè)置等模塊。通過不同的賬號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)界面所顯示的信息不同，實(shí)現(xiàn)分級管理。

（4）歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)。主要功能有監(jiān)測信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)圖模塊。實(shí)現(xiàn)對培養(yǎng)箱不同時(shí)間段的溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄的查詢和統(tǒng)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖的可視化。

3 系統(tǒng)測試及臨床應(yīng)用

本文基于云平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套新生兒培養(yǎng)箱中央智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對各個(gè)培養(yǎng)箱的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并實(shí)現(xiàn)集中動(dòng)態(tài)監(jiān)測管理，同時(shí)對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警。

3.1 系統(tǒng)測試結(jié)果

培養(yǎng)箱中央智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)測試首頁如圖6所示，將無線溫濕度傳感器置于不同的溫濕度環(huán)境。系統(tǒng)主界面可顯示每臺(tái)在線傳感器的實(shí)時(shí)狀態(tài)和報(bào)警信息，同時(shí)屏幕滾動(dòng)提示異常溫濕度傳感器對應(yīng)培養(yǎng)箱所在的位置和當(dāng)前溫濕度，通過不同的顏色區(qū)分異常數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主界面只顯示當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)，可點(diǎn)擊圖標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)數(shù)據(jù)和圖形的查看。

圖6 系統(tǒng)測試首頁

3.2 臨床應(yīng)用效果

隨機(jī)選取五個(gè)培養(yǎng)箱進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，溫度設(shè)置為36℃，機(jī)器箱溫顯示為1號(hào)培養(yǎng)箱（35.9℃）、2號(hào)培養(yǎng)箱（35.8℃）、3號(hào)培養(yǎng)箱（35.9℃）、4號(hào)培養(yǎng)箱（36℃）和5號(hào)培養(yǎng)箱（35.8℃）。將五個(gè)無線溫濕度傳感器分別置于不同培養(yǎng)箱的同一位置進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7為被監(jiān)測培養(yǎng)箱的實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)值，監(jiān)測結(jié)果與培養(yǎng)箱設(shè)定溫度以及培養(yǎng)箱控溫儀上顯示的箱溫相差較小，監(jiān)測效果良好；圖8顯示單個(gè)培養(yǎng)箱的溫濕度監(jiān)測信息，從監(jiān)測局勢圖可以看出無線溫濕度傳感器監(jiān)測的溫濕度數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可靠性高。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果

圖8 培養(yǎng)箱一溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

3.3 臨床監(jiān)測數(shù)據(jù)

所有培養(yǎng)箱的溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)，可通過歷史數(shù)據(jù)中的監(jiān)測信息進(jìn)行查詢，也可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行自定義查詢。圖9為五個(gè)培養(yǎng)箱的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測所得的信息可以導(dǎo)出進(jìn)行臨床數(shù)據(jù)分析。

圖9 系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)背景展開，將各個(gè)分散的培養(yǎng)箱進(jìn)行集中聯(lián)網(wǎng)管理，并設(shè)計(jì)采用無線溫濕度傳感器對新生兒培養(yǎng)箱的溫濕度情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。同時(shí)，將所獲得的數(shù)據(jù)信息通過無線通信的方式傳輸?shù)街醒胫悄鼙O(jiān)護(hù)平臺(tái)云服務(wù)器上，并由中央智能監(jiān)護(hù)平臺(tái)將傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保存和處理。本研究所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可采用多終端訪問的方式對新生兒培養(yǎng)箱實(shí)施24 h智能化監(jiān)控。此研究是完全獨(dú)立的自主設(shè)計(jì)，是對現(xiàn)有嬰兒培養(yǎng)箱廠家的溫濕度體系和報(bào)警體系的一種監(jiān)測和補(bǔ)充。在設(shè)備故障、溫濕度監(jiān)測失控時(shí)，使嬰兒培養(yǎng)箱多了一層保障，能夠使醫(yī)護(hù)人員在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行有效的處理，保障患兒安全，減少不良事件發(fā)生。所監(jiān)測的培養(yǎng)箱溫濕度數(shù)據(jù)與原機(jī)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)對各品牌培養(yǎng)箱的性能監(jiān)測和評估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備安全隱患，提高設(shè)備的整體性能，降低設(shè)備維護(hù)成本，提高工作效率。同時(shí)，本監(jiān)護(hù)系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)可以作為應(yīng)對潛在醫(yī)療糾紛的證據(jù)支持。