嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)綜述

楊俊，楊燕

南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫市人民醫(yī)院 1 采購中心，2 醫(yī)學(xué)工程處（江蘇無錫 214023）

早產(chǎn)兒指胎齡小于37周的新生兒。早產(chǎn)縮短了新生兒在母體子宮內(nèi)發(fā)育的時間，器官系統(tǒng)發(fā)育尚未成熟和出生體質(zhì)量較低導(dǎo)致其具有較高的生命危險，如受身體脂肪所限的影響，早產(chǎn)兒的皮膚通常很薄，不能作為有效的屏障；骨骼尚未發(fā)育完全，非常脆弱。因此，早產(chǎn)兒需要被放置在嬰兒培養(yǎng)箱中進(jìn)行監(jiān)護(hù)。嬰兒培養(yǎng)箱能為新生兒提供溫度穩(wěn)定、濕度適宜、空氣清潔、環(huán)境安靜的類似于母體宮腔的環(huán)境[1-2]。

近年來，早產(chǎn)兒、病危兒等人數(shù)不斷增加，在看護(hù)的過程中，醫(yī)務(wù)人員的注意力主要集中在早產(chǎn)兒的生理狀況上，難以做到時刻關(guān)注培養(yǎng)箱的溫度、濕度等的情況。此時，若培養(yǎng)箱的加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)或報警系統(tǒng)出現(xiàn)故障，在參數(shù)超出限值或斷電的情況下，培養(yǎng)箱便無法成功報警，早產(chǎn)兒的生命安全得不到有效的保障。嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)控培養(yǎng)箱的運行參數(shù)及早產(chǎn)兒的身體狀態(tài)，不僅能減少醫(yī)護(hù)人員的工作量，還能減少不安全因素，更好地保障早產(chǎn)兒的生命安全[3-4]。本文綜述了嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)的組成，對其現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)的組成

在嬰兒培養(yǎng)箱使用過程中，與安全相關(guān)的參數(shù)如溫度、濕度、噪聲水平等及早產(chǎn)兒的健康指標(biāo)等都需要進(jìn)行監(jiān)控。在目前的嬰兒培養(yǎng)箱安全相關(guān)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)研究中，大多數(shù)研究者只重點對某一種或兩種參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)控，如湯棟生[5]的研究對嬰兒培養(yǎng)箱的溫度進(jìn)行了監(jiān)控，姚新琴和解兵[6]的研究對嬰兒培養(yǎng)箱的溫、濕度進(jìn)行了監(jiān)控。對早產(chǎn)兒健康指標(biāo)相關(guān)的參數(shù)也只重點進(jìn)行了某一種或兩種指標(biāo)的監(jiān)控，如Widianto 等[7]研究了如何監(jiān)控早產(chǎn)兒的體質(zhì)量變化，并利用I/Q 雷達(dá)實現(xiàn)了對早產(chǎn)兒呼吸率及心率的監(jiān)控。隨著技術(shù)的進(jìn)步和對監(jiān)控系統(tǒng)認(rèn)識的深入，研究者逐漸開始嘗試同時監(jiān)控培養(yǎng)箱參數(shù)和早產(chǎn)兒身體參數(shù)，如Sheet 等[8]提出了一種基于溫、濕度傳感器和一組重量傳感器的嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，不僅可以對培養(yǎng)箱參數(shù)異常進(jìn)行監(jiān)控，還可以實現(xiàn)對嬰兒發(fā)育過程的監(jiān)控。

嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖見圖1，嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元及監(jiān)控主機單元。

圖1 嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖

整個監(jiān)控系統(tǒng)同時監(jiān)控多臺嬰兒培養(yǎng)箱，每臺納入監(jiān)控系統(tǒng)中的嬰兒培養(yǎng)箱均配備數(shù)據(jù)采集和處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元，培養(yǎng)箱通過數(shù)據(jù)傳輸單元將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控主機，監(jiān)控主機同時顯示多臺培養(yǎng)箱的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

1.1 數(shù)據(jù)采集和處理

目前，嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)中相關(guān)監(jiān)控參數(shù)的數(shù)據(jù)采集主要通過各種傳感器實現(xiàn)，采集到的數(shù)據(jù)被傳輸至數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理的核心通常是單片機，如張瑜[9]通過32位單片機S3C2410A實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能，也有研究者[10]使用開源硬件Arduino 實現(xiàn)嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。

目前，數(shù)據(jù)采集和處理主要包括兩種方式，即分布式和集中式，見圖2。分布式是在每個傳感器中完成數(shù)據(jù)的采集和處理，這種方式僅可完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸，功能較為簡單；集中式是指傳感器只負(fù)責(zé)將各種被監(jiān)控量按照某種規(guī)則轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)的采集和處理則通過一個處理平臺實現(xiàn)，這種方式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，優(yōu)點是處理平臺不僅能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸，還可以進(jìn)行其他處理操作，如數(shù)據(jù)存儲等。

圖2 兩種數(shù)據(jù)采集和處理方式

1.2 數(shù)據(jù)傳輸

通常情況下，嬰兒培養(yǎng)箱的監(jiān)控數(shù)據(jù)需通過一定的數(shù)據(jù)傳輸方式傳輸至監(jiān)控主機，監(jiān)控主機通過該傳輸方式與多臺培養(yǎng)箱進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。目前，數(shù)據(jù)傳輸方式主要包括有線傳輸和無線傳輸兩種，有線傳輸方式主要使用RS485等[4]總線通信的方式實現(xiàn)，有線傳輸技術(shù)成熟、實現(xiàn)較為簡單，但具有線纜的布置受培養(yǎng)箱所在環(huán)境限制、可連接培養(yǎng)箱臺數(shù)有限、通信速率受總線上的設(shè)備限制等缺點，使有線傳輸方式逐漸被無線傳輸方式所取代。最簡單的無線傳輸方式是通過無線通信[11]實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，該方式雖然解決了線纜布置等總線傳輸方式的問題，但具有傳輸距離短、傳輸速率低及可靠性差等缺點。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸逐漸從傳統(tǒng)的RS485或無線通信模塊等傳輸方式轉(zhuǎn)變成了基于某種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無線傳輸方式。有研究者提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和射頻識別技術(shù)的無線傳輸方式[12]，該方法使用ZigBee 技術(shù)[13]作為無線通信標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，此外，也有研究基于WIFI 或LoRA[14]等無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)培養(yǎng)箱監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸。

1.3 監(jiān)控主機

監(jiān)控主機為嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互界面，用于顯示培養(yǎng)箱各監(jiān)控參數(shù)的實時狀態(tài)，并對異常情況進(jìn)行報警，以提醒醫(yī)護(hù)人員。監(jiān)控主機的實現(xiàn)方式多種多樣，如現(xiàn)場大屏顯示、電腦終端登錄查看以及通過平板等手持設(shè)備現(xiàn)場查看等。部分監(jiān)控主機單元支持多種方式，姚新琴和解兵[6]開發(fā)了一套Web 展示層軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持現(xiàn)場大屏顯示和遠(yuǎn)程登錄訪問，將監(jiān)控參數(shù)以各種報表形式展示，并對異常情況進(jìn)行報警處理；同時支持短信群發(fā)報警，可以為第三方系統(tǒng)提供各種Web services 接口，并預(yù)留了遠(yuǎn)程視頻接口，方便遠(yuǎn)程查看相關(guān)數(shù)據(jù)。部分監(jiān)控主機單元根據(jù)實際使用需求僅支持某一種方式，如王文豐等[12]將采集的信息通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)上傳至系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，轉(zhuǎn)而由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行智能化的處理后作分類記錄，并按照實際需求推送至各個終端。

無論何種實現(xiàn)方式，監(jiān)控主機系統(tǒng)都是作為人機交互的需求而存在的，各種方式都是為了使人機交互更加友好。

2 總結(jié)及展望

各種各樣的傳感器是嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括溫度傳感器、濕度傳感器、聲音傳感器及監(jiān)測身體指標(biāo)的各種傳感器等。每種傳感器都有其優(yōu)點和缺點，因此，有關(guān)嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)的研究首要考慮的問題即如何選擇合適的傳感器，并且需要考慮如何在培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行布置，要求充分獲取準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)同時不影響培養(yǎng)箱正常功能的實現(xiàn)；同時，在傳感器的選擇上還要綜合數(shù)據(jù)采集和處理的實現(xiàn)，兩種實現(xiàn)方式各有其優(yōu)缺點，我們認(rèn)為，當(dāng)培養(yǎng)箱內(nèi)傳感器數(shù)量較多時，采用集中式具有更大的優(yōu)勢，不僅在于集中的處理平臺更有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，而且在于可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎徒档途W(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換節(jié)點。

隨著系統(tǒng)可擴(kuò)展性需求的提升，無線傳輸方式無疑具有更大的優(yōu)勢，當(dāng)有新的培養(yǎng)箱加入監(jiān)控序列時，無線傳輸方式需要的只是軟件操作，更易于實現(xiàn)。

目前，監(jiān)控主機有關(guān)研究的關(guān)注點在于如何將監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互方式呈現(xiàn)得更加友好和方便。現(xiàn)有監(jiān)控主機可實現(xiàn)的功能僅是直觀地展現(xiàn)采集的參數(shù)值并輔以簡單的異常情況報警。監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量非常龐大，采集的培養(yǎng)箱參數(shù)可以作進(jìn)一步處理，可以采用故障預(yù)測與健康管理[15]等技術(shù)對培養(yǎng)箱的剩余壽命等進(jìn)行預(yù)測，采集的身體參數(shù)可以輔以專家診斷系統(tǒng)[16]等實時診斷早產(chǎn)兒的健康狀態(tài)。

嬰兒培養(yǎng)箱的監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以用于監(jiān)控培養(yǎng)箱的運行指標(biāo)，同時還可以提供早產(chǎn)兒的健康指標(biāo)的監(jiān)控信息，這些信息具有重要的臨床應(yīng)用價值。然而，這方面的研究還較少，一方面是相關(guān)信息的獲取較為復(fù)雜，另一方面是該領(lǐng)域未引起足夠的重視。

在越來越注重醫(yī)療安全和醫(yī)療服務(wù)的今天，醫(yī)療設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)會受到越來越多的關(guān)注。雖然目前的研究相對還不夠成熟，但其中相關(guān)技術(shù)的研究為后續(xù)進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。