凌振宝,张起源,刘雍野,张雪洋

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院,长春 130026)

随着我国国民经济的快速发展,人们对医疗环境与医疗服务提出了更高的标准与要求。现有医疗服务资源紧缺,传统医疗监护设备体型大、不宜便携等缺点在部分场合无法满足人们的需求。新冠疫情爆发初期,许多国家都面临病房监护人员不足的问题。物联网作为一种“物物互联”的新型技术,为医院信息化综合管理水平和服务功能的提升开辟了更广阔的空间[1]。随着无线通信技术的高速发展,ZigBee作为一种短距离、低功耗、低成本的无线通信技术,被广泛应用于工业控制及自动化产业中。

目前ZigBee无线通信技术在医疗监护中的应用研究主要集中在对各类传感器数据的采集和无线数据传输,并且已有基于该技术的生理检测设备与信息管理平台的研究报道[2-4],但将病房环境、病患信息、管理后台集于一体的智能系统仍有待研发与探索。笔者设计了基于ZigBee的病房监护系统,通过ZigBee技术将传感器模块采集的病房、病患的相关信息打包整合,与实时的病理信息发送至护士站平台。所搭建的病房监护系统,具有低功耗、无线化、监护设备便携、低成本等特点,在医疗预防与监护方面有一定的实用价值,也为智能医疗仪器的发展提供了一种参考思路。

该系统主要由病房数据监测终端与护士站管理平台两部分组成。数据监测包括病房环境数据与病患生理信息数据。在环境监测中需要利用各部分传感器实现对病房内温度、湿度、光照强度与常见污染气体浓度信息的实时测量,同时利用光电传感器实现对病患输液情况的监控。针对病患设计简易可穿戴式无线生理参数监护设备,可对病患的体温、心率、血氧3种参数进行测量。利用ZigBee技术将各终端信息发送至协调器,通过Wi-Fi技术把病房信息传输到护士站管理平台。平台进行网络配置后可对各病房及病患的信息进行监控与管理,并及时针对危险情况发出警报,实现系统的远程管理,完成整个监护过程。系统的组成如图1所示。

图1 系统整体结构框图Fig.1 Block diagram of the whole system structure

病房区的多参数信息采集终端是笔者设计的核心组成部分之一。根据测量对象的不同,传感电路主要分为两部分,即对患者生理参数的采集与对病房环境参数的采集。为满足低功耗、易携带等适用要求,笔者将以STM32F103芯片为核心的主控单元进行传感模块与外围电路的设计。

2.1 生理信息采集模块

为减轻患者负担,实现轻量化携带,本系统针对患者的心率、血氧和体温3种临床生理信息参数进行采集。其中,心率与血样模块采用美信半导体公司的MAX30102集成式脉搏血氧与心率检测模块。该模块内部集成660 nm红光LED(Light Emitting Diode)、880 nm红外光LED、光电传感器、环境光抑制电路、A/D(Analog to Digital)转换器及数据缓存FIFO[5](First Input First Output)。传感器可通过编程设置进入低功耗状态,提升了设备电池的使用时长。在应用过程中,MAX30102依据光的透射原理,通过LED的交替开关与光电传感器将透过人体动脉血管的光信号转换为电信号,模拟信号经过内部AD转换为数字信号存入FIFO,最后利用IIC(Inter-Integrated Circuit)通信与主控制器传输数据。模块的外部电路如图2所示。

在临床中,为保证体温测量的准确性及舒适性,一般对患者采用腋下测温。该系统体温模块采用德州仪器(美国)公司生产的DS18B20数字温度传感器,它将温度传感测量、A/D转换器与ROM(Read-Only Memory)数据存储器等功能集为一体。该模块共有3个引脚,采用TO-92小体积封装,测量温度范围为-55 ℃～+125 ℃,温度分辨率可达0.062 5℃[6],价格便宜,使用方便,满足测量需求。

图2 心率血氧模块外部电路图Fig.2 External circuit diagram of heart rate and blood oxygen module

2.2 病房终端监控模块

该系统对病房终端的环境监控主要由温湿度监测、烟雾监测、光照强度检测以及输液报警装置4部分组成。温湿度监测采用DHT11数字传感器,该传感器包括一个NTC(Negative Temperature Coefficient)测温元件与一个电阻式测湿元件,具有较好的稳定性与抗干扰性。其采用简单的单总线协议进行通信,I/O口与主控器接口相连,一次传输40 bit数据,包含温度、湿度与校验数据,测量温度区间-20 ℃～+60 ℃、湿度区间5～95%RH[7]。烟雾监测采用MQ系列传感器进行监测,包括MQ-2、MQ-7、MQ-135传感器分别对烷类气体、一氧化碳、氨气等污染气体进行实时监控。MQ系列传感器探测范围广、灵敏度高、稳定性好且寿命长,广泛适用于室内气体环境的监控。光照强度检测采用OPT101芯片,该光敏器件将感光部件与放大器集于一体,使用简单,可直接将接收到的光信号变为电压输出,再通过主控器进行A/D采集,实现对光照强度的测量。

输液报警装置利用基于ITR9606的高灵敏度型光耦模块实现对输液管内有无药液的检测。该模块由红外发光二极管与NPN(Negative-Positive-Negative)光电三极管组成,使用宽电压LM393比较器进行信号调理,输出为数字信号。DO(Digital Output)口与主控器相连,外部电路如图3所示。

图3 光耦模块外部电路图Fig.3 External circuit diagram of optocoupler module

2.3 通信传输模块

病房内各项信息采集端口视为一个终端(患者生理信息采集、外部环境监控与输液报警终端),终端节点采用基于ZigBee技术的CC2530芯片作为通信模块,该模块能以低成本建立无线通信网络,是应用于IEEE802.15.3,ZigBee和RF4CE的片上系统解决方案。CC2530芯片具有低成本、低功耗、近距离等特性,相比于蓝牙传输、LoRa传输及Wi-Fi传输等传统通信方式的局限性,更适合于病房内空间结构简单、多终端、低成本的应用特性。

针对病房与护士站之间的广域信息传送,ZigBee技术不适用于复杂空间环境的稳定信息传输,因此系统采用Wi-Fi模块ESP8266进行两者之间的通信。

软件设计由两部分组成,一是对系统终端硬件的编程设计,包括传感器的应用程序与采集信号的后期处理；
二是利用ZigBee技术进行系统终端信息的无线传输程序设计,主要包括ZigBee节点的组网、入网程序和信息转发程序等。

3.1 传感器终端软件设计

系统终端的传感器驱动程序主要包括空气温湿度传感模块、烟雾传感模块、光照强度传感模块以及心率血氧传感模块等。为实现病房环境和病患生理健康参数的正常采集,首先需对各传感器进行初始化,设置其对应的数据输入输出引脚和引脚类型,发送传感器开始工作指令。

空气温湿度传感器DHT11通过串行通信接口与单片机连接进行数据传输,烟雾传感器、光照强度传感器与光耦模块输出模拟信号,需要利用单片机的A/D转换器将模拟信号转化成数字信号。单片机A/D转换器初始化步骤如下：1) 设置引脚功能和A/D转换器运行模式；
2) 设置通道数量和外部触发方式；
3) 启动A/D转换器转换。心率血氧传感器MAX30102利用IIC进行驱动,读取一定量信息后进行数据整合,将直流量与交流量进行划分,通过提取特征点计算心率与血氧值。单片机将各部分传感器接收到的数据进行计算处理后得到相关目标信息,将信息进行标记与打包。

3.2 ZigBee协调器软件设计

ZigBee无线网络支持完整功能设备(FFD:Full Function Device)和精简功能设备(RFD:Reduced Function Device),其组网是自动完成的。节点上电后通过主动扫描的方式发送命令帧,如果在扫描期限内没有接收到回应命令帧,则认定该节点为FFD。然后通过能量扫描和主动扫描,选择合适的信道,并为这个新的网络分配一个唯一的个域网标志符。协调器将0x0000作为自身网络地址,同时进行相关设置。最后,通过MAC(Media Access Control address)层发出网络启动请求,返回网络形成状态[8]。具体流程如图4所示。

图4 ZigBee节点组网和入网流程图Fig.4 Flow chart of ZigBee node networking and network access

ZigBee组网时包含两个步骤：网络初始化和节点加入网络[9]。发起ZigBee网络建立的节点需要满足两点要求：1) 节点是FFD节点且具备协调器功能；
2) 节点未与其他网络连接。节点入网时通过主动扫描或被动扫描的方式,寻找能接受自己加入网络的父节点,网络根据一定的算法给设备分配一个唯一的16位短地址,并通过这个地址进行数据的发送和接收[10]。

ZigBee协调器与STM32网关按照UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)帧格式进行通信。所有节点加入网络后,协调器便进入循环监听状态,监听是否接收到新的数据包。如果检测到新的数据包,便分析包中信息,根据不同的信息进行不同操作,例如接收到病患生理健康监测模块发送的信息,则将数据包通过与网关连接的ESP8266模块转发至护士站平台；
接收到输液报警器传送的信息,系统将会发出提示信息。

基于Qt Creator开发护士站智能交互平台,实时监测并显示病区环境数据、病人生理健康参数、输液情况等。Qt是1991年开发的一套基于C++语言实现跨平台的用户界面开发框架,支持Windows、Linux、Solaris等主流操作系统,具有丰富的API(Application Programming Interface)和开源框架[11-12]。而Qt Creator则是一款基于Qt的跨平台集成开发环境,包含了Qt Designer可视化布局和格式构建器,开发界面简洁友好,能满足项目开发需要。

4.1 通讯数据的接收和分离

图5 Qt通讯数据的接收和分离Fig.5 Receiving and separation of Qt communication data

上位机作为服务器,利用UART-Wi-Fi模块ATK-ESP8266接收无线数据。该项目中,调用Qt内部串口库,无需过多研究底层的通信方式[13-14],设置好串口号、波特率、数据位、校验位和停止位等参数后,通过调用readAll()函数即可接收串口数据。

由于接收的数据通常包含病房温湿度、空气质量、病人心率血氧等多种参数,再加上外界干扰,数据有可能丢失或出错,因此需对正确的接收数据进行判断并分离。系统为每类数据加上前缀字符,串口每读取到一类前缀字符,便将其存储到相应的列表中,以此实现数据的分离并方便下一次的调用,具体流程如图5所示。

4.2 接收数据的显示与绘图

一般的环境数据利用普通文本在接收框里进行显示即可。对体温数据、心率数据需更直观地显示,因此平台调用QwtPlot类对数据进行曲线绘制,追踪一段时间内所测数据变化趋势,如图6所示。图6实时显示了管理平台接收到的环境参数、病人各项生理参数以及部分数据的波形绘制,很好地实现了病区与护理站间的协同处理。

图6 管理平台界面显示Fig.6 Management platform interface display

QWT(Qt Widgets for Technical application)属于第三方库,继承了Qt的跨平台特性,为程序提供图形用户接口(GUI：Graphical User Interface)组件。其中,QwtPlot是QWT最常用的基类之一,类似一个二维绘图容器,在它的画布上可以显示不限数量的曲线、标签、网格或是其他任意从QwtPlotItem继承的组件。此外,在利用QwtPlot实现波形绘制的同时,利用QwtPlotPanner、QwtPlotMagnifier等基类设计实现缩放、平移和局部放大等动作,对数据波形更好地进行观察[15]。

本系统实时监测了病区环境数据、病人生理健康参数、输液情况等,具体测试过程如下。测试地点位于北方室内,室内面积为30 m2且无大体积遮挡物,测试对象选择生理健康的22岁男性。首先对病房环境进行模拟测量,由于烟雾传感器与光照强度传感器输出量为模拟量,因此需将数值进行特定环境下的标定。在测试过程中利用火机与香烟燃烧产生气体作为污染源进行对比实验。分别取8:00、12:00、18:00 3个不同时间对温度、湿度和光照强度等6个环境量进行检测,其结果如表1所示。由对比分析实验数据可知,传感器节点所测环境数据正常且能检测到目标污染气体。

表1 病房内环境数据测量情况Tab.1 Measurement of environmental data in ward

为证明该系统对病人生理健康参数测量的准确性,将本系统样机和传统水银体温计及鱼跃YX102指夹式血氧仪在同条件下测量的数据作为比较对象。在早、中、晚3个不同时间段分别对测试者进行体温、心率和血氧的测量,各项误差值不超过2.5%,其结果如表2所示。

表2 病人生理参数数据测量情况Tab.2 Measurement of patient parameters

为验证系统工作稳定性,在实验室中模拟病房环境,将协调器、各终端节点安置在适当的位置,经过24 h不间断测试,病房环境和病人生理健康参数等数据能实时通过ZigBee模块传输至病房节点,并继续通过Wi-Fi将信息推送至护士站平台；
当输液管内液位低于报警线,上位机会收到报警信息并及时提醒。测试期间,当患者在病房区域内走动时,各传感器工作无异样、通信保持正常、网络总体稳定；
当采用单一ESP8266模块通信时,病房区与护士站区隔单层墙且直线距离小于20 m情况下通信网络良好。本次测试在局部范围内检验了系统的运行情况,从传感器数据采集、传输和实时显示环节验证了系统应用于病房监护的可行性。

笔者提出了基于ZigBee无线传感网络的智慧病房系统设计方案,具备人体生理参数采集、病房环境控制以及护士站平台交互功能。相较于传统监护方式,该系统利用ZigBee节点低功耗、低成本的特点,设计便携式人体健康状况监测系统、智能输液监测系统,实时监控病人生理健康参数,有效减轻了医护人员负担。但受限于传感器性能及算法方面的原因,对病人生理参数的相关测量仍存在部分误差；
在面对复杂环境时,需采用性能更高的Wi-Fi模块或增加通信设备数量以保障通信稳定。同时,关于网络通信信息的加密与病患信息的安全防护在本系统中暂未考虑,仍存在法律及道德问题的隐患。但随着ZigBee 技术、传感器技术和智能终端技术的发展,无线医疗监护系统将得到更多的应用,为广大患者提供更加全面、舒适的医疗监护体验。

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