基于物聯網技術的大型醫療設備安全監測系統的研發與應用

宋景國，牟強善（通信作者），郭洪棟，亓玉龍，李基臣

1 日照市中心醫院 （山東日照 276800）；2 日照市人民醫院 （山東日照 276800）；3 日照市中醫醫院 （山東日照 276800）；4 日照心臟病醫院 （山東日照 276800）

X 線正電子發射斷層掃描儀、內窺鏡手術器械控制系統（手術機器人）、64排及以上X 線計算機斷層掃描儀、磁共振成像系統、直線加速器等大型醫療設備在當前的醫院診療工作中發揮著重要的作用，因此，降低設備故障率、減少維修費用支出一直是醫院醫學裝備管理部門關注的重點。針對如此數量眾多的大型醫療設備，采用更加可靠的方法進行安全監測，可提高設備的開機率，保證規劃內的每臺設備的經濟效益和社會效益[1]。

目前，大部分醫院均重點關注醫師工作房間和患者檢查室的溫濕度及空氣潔凈程度，但是對于大型醫療設備的主機或主機柜及關鍵輔助設備所在場所的電力供應、溫濕度、水循環溫度、電纜溝是否積水、電纜溝是否有鼠害等事關安全運行情況的監管缺乏足夠的重視[2]，在監管措施上沿用傳統的人工定期巡檢、書面記錄，發現明顯異常后才進行干預[3]，存在實時安全監管的盲區[4]。如果將每家醫院的每臺大型醫療設備的運行狀態即時顯示在中控室的大屏幕顯示器上，則工作人員可以隨時發現每臺設備的異常狀態，在異常數據產生后系統推送報警信息給事先設定的設備授權管理人，便于遠程接收信息，尤其是對于未實現24 h 值守的大型精密設備，在發生異常情況時及時進行干預，對減少故障損失具有重要的意義[5]。

本研究主要介紹基于物聯網技術的大型醫療設備安全監測系統的研發與應用情況。

1 大型醫療設備遠程安全監測系統的硬件研發

單臺設備的硬件應使用各類傳感器監測工作時的溫濕度、循環風量、空氣質量、三相電壓數值與三相平衡情況、循環水流溫度、關鍵輔助設備工作情況等，并實時上傳網絡，采用軟件管理與分析，實時記錄并上傳，以確保上傳的及時性和科學性[6-7]。

醫用直線加速器的關鍵參數為機房溫濕度、循環風量、塵埃顆粒、三相電壓超壓及欠壓和不平衡情況、循環水流溫度，關鍵設備工作狀態為循環水泵和離子泵[8]；磁共振成像設備的關鍵參數為機房溫濕度、循環風量、塵埃顆粒、三相電壓超壓及欠壓和不平衡情況、循環水流溫度，關鍵設備工作狀態為氦壓機和射頻電源[9]；X 線計算機斷層掃描儀的關鍵參數為機房溫濕度、循環風量、塵埃顆粒、三相電壓超壓及欠壓和不平衡情況、循環水流溫度，關鍵設備工作狀態為電源分配單元（power distribution unit，PDU）[10]。本研究將以上大型醫療設備的關鍵參數（表1）納入常規監測范圍，再選擇適合的傳感器，設計配套電路，測試數據曲線，準備接入主機信號輸入端。

表1 大型醫療設備關鍵監測參數的選取

1.1 采用DED194型多功能電力儀表對三相電壓進行監測

多功能電力儀表作為一種先進的智能化、數字化電網前端采集元件，可編程測量顯示、數字通信，集多種輸出功能于一體[11]。DED194型多功能電力儀表通過實時傳輸電網中的三相電壓的數值，即通過RS485的數字接口可實現儀表組網絡的通信功能，并借用軟件的統計與運算功能，實現停電報警、三相不平衡報警、波動過快報警等實用功能，可根據需要靈活選用。

1.2 采用數字化溫度傳感器DS18B20對多路溫度進行監測

美國Dellas 半導體公司的數字化溫度傳感器DS18B20，采用導熱性高的密封膠灌封，保證了傳感器的高靈敏性，且僅有極小的溫度延遲。該溫度傳感器支持“一線總線”接口，溫度范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃范圍內，精度為±0.5 ℃，現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，極大地提高了系統的抗干擾性，適合于惡劣環境的現場溫度測量。DS18B20溫度傳感器具有唯一的編號，溫度釆集設備通過編號識別對應的溫度傳感器，不銹鋼外殼面積6 mm×50 mm，引線長度100 cm，芯片采用DS18B20，3.3 V 或5 V供電，分辨率9～12位可調，無需外部元件，支持獨特的單總線接口，溫度監測點有循環水流的進水和出水口、平板探測器等[12]。

1.3 采用AM2311濕敏電容數字溫濕度模塊對設備間溫濕度進行監測

AM2311濕敏電容數字溫濕度模塊是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，釆用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與長期穩定性。該傳感器包括一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件，并與一個高性能8位單片機連接[13]，具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準，校準系數以程序的形式儲存在單片機中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中會調用這些系數。該傳感器標準的單總線接口，使系統集成變得簡單、快捷；超小的體積、極低的功耗，且信號傳輸距離可達20 m 以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。模塊為4引線，連接方便，供電電壓為DC 3.3～5.5 V，輸出信號為數字信號輸出，濕度量程0～99.9% RH，溫度量程-40～80 ℃，濕度檢測精度±3% RH，溫度檢測精度0.5 ℃，分辨率0.1% RH，采樣周期2 s。

1.4 采用電容式土壤濕度傳感器對電纜溝內積水進行及時報警

電容式土壤濕度傳感器的供電電壓為5 V，采集范圍為0～100%，采集方式為模擬量釆集，用于監測土壤水分。該傳感器采用電容感應原理檢測土壤濕度，區別于其他絕大部分的電阻式傳感器，避免了電阻式傳感器極易被腐蝕的問題，極大地延長了工作壽命；將該傳感器置入電纜溝底部，可及時發現水路滴、滲、跑水及冷凝水的風險[14]。

1.5 采用塵埃粒子檢測模塊對設備間空氣質量進行監測

本產品利用微小顆粒物對光的散射原理，當微小顆粒物經過檢測孔時，對光線形成散射，散射光線的一部分通過光軸，經透鏡聚集到感光元件，感光元件將光信號轉換為電信號輸出[15]。

顆粒物測量范圍為0.3～1.0 μm，響應時間可達10 ms，顆粒物計數效率50%=0.3 μm、98%≥0.5 μm，顆粒物質量濃度有效量程（PM2.5標準值）為500 μg/m3，顆粒物質量濃度分辨率為1 μg/m3，工作電流＜100 mA，待機電流為200 μA，工作濕度范圍為0～99% RH。

1.6 采用HR-SR501熱釋紅外線對電纜溝內鼠害進行監測

HR-SR501熱釋紅外線，采用兩個單元的傳感器，且在使用時按照橫置方向排列，采用3.3～5.0 V 的超低電壓電源工作模式，感應距離＜7 m，能夠瞬時發現可能的鼠害，便于及時采取措施，防止老鼠咬斷電纜，造成本可以避免的疑難故障而影響正常診療工作的開展。

相關人員在完成樣機的組裝工作后，梳理與整合數據流程，使整機工作流暢無異常，并修正整體電源、活動部件、關鍵機械固定位置，保證設備可以全天候地工作和不間斷地被監測；此外，將樣機的各項監測參數與校準后的計量器具進行比對，認真調整數據曲線，使其符合相關標準，確保成品儀器具有臨床使用價值。

2 大型醫療設備遠程安全監測系統的軟件研發

2.1 軟件接口的分類

根據事先設想的系統結構和各項功能的設計，遵循先硬件后軟件的原則，逐項改造實驗樣機，逐一實現各項功能，使其符合預期的設計要求，其中軟件提供三類管理人員接口：（1）使用科室授權的設備管理人員實時查看異常報警；（2）醫院的醫學裝備管理部門匯總分析各科室每臺設備的工作情況，對全院各科室月度工作情況進行考核，對每臺設備的異常數據進行原因分析，及時發現問題[16]；（3）醫學工程技術人員實時監測每臺設備的工作數據，做好預防性維修。

2.2 數據的傳輸與分析

2.2.1 數據的傳輸

為了實現每臺大型醫療設備的工作數據24 h 無縫隙實時上傳，使用的管理軟件應能夠保證醫院醫學裝備管理部門對于自家醫院所有的大型醫療設備進行實時狀態監測，并能形成匯總表進行數據處理，精細化管理每臺設備每秒鐘的細節數據。

2.2.2 管理軟件功能的設計

相關人員按照設想的軟件結構編制管理軟件，并經常與醫院大型醫療設備使用科室進行溝通，聽取關于醫院大型醫療設備管理的流程與關鍵數據設置意見，并注意用戶體驗的反饋與整改。

對于現有產品的傳感器的數據傳輸設計和網絡化管理的系統調試，通過實驗-試用-實驗的循環模式解決研究過程中出現的每個問題；通過研究單臺設備的傳感器配置與系統運行、開發實用的參數監測系統管理軟件、進行單臺設備與工作終端的無線網絡配置，使得系統內部主要組成部分具有參數檢測與報警功能。

2.3 基于物聯網技術的大型醫療設備安全監測系統的創新點

（1）規范化管理大型醫療設備，變粗放管理為精準管理；（2）保護大型醫療設備的外部使用環境，及時報警、快速干預，從而減少故障的發生；（3）數據不取自原廠的遠程診斷接口，可以脫離原廠的保修合同限制，對于脫保的大型醫療設備起到相同的作用，降低運營費用[17]；（4）模塊化設計，通用性好，監測參數的種類和數量可以簡單堆積。

2.4 基于物聯網技術的大型醫療設備安全監測系統的先進性

（1）選用通用款wifi 監控器，配合不同的傳感器，降低總體研發費用，故障時互換性好；（2）管理軟件與實際工作貼合度較高，便于使用，可以在手機上隨時查看，接收報警信息；（3）市場上僅見到單臺專用設備監控裝置，技術煩瑣、成本高，未見到同類高性價比產品。

3 小結

本研究通過多次組織醫院醫學裝備管理部門、設備使用科室、維修工程師進行業務對接，對在用醫院醫學裝備管理規范進行解讀，對醫院醫學裝備管理部門對設備日常的管理盲區進行分析，認為該系統具有先進性、可行性、科學性和實用性，對于提高醫院大型醫療設備管理的效率和可靠性具有重要的意義[18]。醫院醫學裝備管理部門和使用科室認為此技術創新項目具有可行性，能夠更加科學地管理日常工作。

該系統在幾家醫院的實用效果證明，其可提高大型醫療設備安全管理（醫院醫學裝備基礎性管理）工作的規范性、科學性和可追溯性，使用科室能夠遠程監控每臺設備的實時數據，使其成為醫學裝備管理部門對于全院大型醫療設備的預防性保養管理工具。醫院醫學裝備管理部門以檢查手工表格進行的匯總分析為一鍵式數據庫分析，優化了整個流程，保證了每次考核工作的可靠性。