重癥監(jiān)護病房環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的設計

雷太榮,鄧 霄

(1.太原科技戰(zhàn)略研究院,太原030009;2.太原理工大學物理與光電工程系,太原030024)

重癥監(jiān)護室(ICU)是醫(yī)院ΙΙ類環(huán)境中最應引起重視的高危易感區(qū),如果室內(nèi)空氣的溫濕度條件不合格,不僅會增大人體的發(fā)菌量而且會引發(fā)微生物的二次繁殖,將對病人造成二次感染,加重病情。相關研究表明[1]：在溫度26～31℃和相對濕度77～80%的環(huán)境中病菌最適宜生存,即在此條件下的人群最容易受到感染。同時,如果醫(yī)院的各級環(huán)境不能保證相互間存在一定壓力梯度,將會造成病菌的彌散傳播和病人的交叉感染。2004年,我國相關部門已經(jīng)對醫(yī)院中不同科室的溫濕度和壓力條件作了規(guī)定[2]。這充分說明了對病房尤其是重癥監(jiān)護病房的溫濕度和壓力監(jiān)測是非常必要的。

目前,醫(yī)院重癥監(jiān)護室對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測主要依靠各種手持設備,監(jiān)測方式完全依賴人工觀測,其缺點是不能保證數(shù)據(jù)的實時性、準確性、可靠性,不能實現(xiàn)相應監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合管理、分析以及實時報警等功能,嚴重制約了醫(yī)院的信息現(xiàn)代化發(fā)展進程。

基于上述原因,筆者提出了基于GPRS技術的重癥監(jiān)護病房環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的構建方法,該系統(tǒng)具有實時采集病房中的相關參數(shù)(溫度、濕度、壓力)、自動報警、無線組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)庫管理等功能,對重癥監(jiān)護室環(huán)境指標的智能化控制具有一定的指導作用。

1 系統(tǒng)組成與功能分析

通過實地考察重癥監(jiān)護室,并結合院方對病房環(huán)境數(shù)據(jù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的具體需求,系統(tǒng)組成如圖1所示,其功能如下。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1.1 病房數(shù)據(jù)采集儀的功能

1)通過信號電纜實現(xiàn)監(jiān)測點溫度、濕度、壓力傳感器信號的輸入;

2)通過MSP430F149單片機實現(xiàn)對監(jiān)測信號的采樣、濾波、計算、存儲(存儲信息半年)、顯示處理,并具有對遙測命令進行識別、執(zhí)行的功能;

3)通過液晶顯示器實現(xiàn)日期、時間、溫度值、濕度值、壓力值的實時顯示;

4)通過面板鍵盤實現(xiàn)對日期、時間、發(fā)送時間間隔等參數(shù)的預置;

5)提供標準RS232接口,通過GPRSDTU可實現(xiàn)與任何一臺上網(wǎng)微機的數(shù)據(jù)交互。

1.2 監(jiān)測中心功能

由設置于醫(yī)院監(jiān)控室的安裝有通用組態(tài)軟件并且能接入萬維網(wǎng)的PC管理微機和打印機組成,具有如下基本功能。

1)在Windows2007/XP環(huán)境下,通過良好的多媒體人機界面(組態(tài)王)實現(xiàn)監(jiān)測中心站與監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集、命令發(fā)送、以及后期數(shù)據(jù)整理等功能。

2)通過GPRS無線傳輸方式實現(xiàn)與重癥監(jiān)護室數(shù)據(jù)采集儀的雙向數(shù)據(jù)通信、歷史數(shù)據(jù)查詢、存儲和分析等功能。

3)通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對實時、歷史數(shù)據(jù)的管理,并具有查詢、打印等功能。

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀硬件及軟件設計

2.1 采集儀硬件設計方案

根據(jù)重癥監(jiān)護室對溫度、濕度、壓力數(shù)據(jù)查詢的需要,終端的硬件系統(tǒng)設計(如圖2所示)原則如下：

1)采集儀的應用環(huán)境對可靠性要求較高,所以硬件電路設計需重點圍繞提高外圍工作電路的可靠性進行。

2)系統(tǒng)對中斷的異步響應能力是驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個重要方面,本系統(tǒng)需要及時響應數(shù)據(jù)采集中斷以及數(shù)據(jù)通信中斷,因此增加中斷源可以更好的驗證系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性。

3)基于GPRS的通用分組無線技術是今后一段時期內(nèi)數(shù)據(jù)自動化報送方式的主流方向,因此采用GPRSDTU作為本系統(tǒng)的無線通訊設備。

圖2 終端硬件系統(tǒng)設計示意圖

2.2 采集儀軟件設計方案

采集儀器的軟件設計中,充分考慮到與硬件體系的有機結合,利用MSP430F149的優(yōu)異特性實現(xiàn)對病房溫濕度及中央空調(diào)入口壓力的準確測量。系統(tǒng)軟件采用模塊化形式,通過各模塊間子程序的調(diào)用,使程序更合理,更具有可讀性。

系統(tǒng)軟件主要由主程序、壓力數(shù)據(jù)采集程序、溫濕度采集程序、報警程序、實時時鐘程序、鍵盤和LCD液晶顯示程序、SD卡存儲程序、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送程序等模塊構成。

2.2.1 主程序的具體工作流程如圖3所示

圖3 終端軟件設計流程示意圖

系統(tǒng)上電對各個模塊初始化后,LCD根據(jù)變量screen的當前值在屏幕中分別顯示時間、壓力值和溫濕度值。當時鐘芯片的分鐘中斷程序置位后,主程序進行空氣參數(shù)數(shù)據(jù)的采集,然后判斷當前時間是否為上午九時、中午十二時或下午十七時,如果是就將數(shù)據(jù)存儲到時鐘芯片的E2PROM和SD卡內(nèi),并向中心管理微機發(fā)送當前數(shù)據(jù)值,最后返回顯示。

2.2.2 GPRS方式通信子程序

GPRS方式數(shù)據(jù)通信程序需要完成以下功能。

a.接收管理PC機調(diào)用命令(包括實時查詢和歷史查詢)并根據(jù)不同的命令向PC機返回現(xiàn)場重癥監(jiān)護室的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

b.系統(tǒng)每天運行到規(guī)定的上報時間時,向管理微機發(fā)送當前重癥監(jiān)護病房的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

3 環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸格式

在信號的傳輸過程中,噪聲是以隨機字節(jié)出現(xiàn)的,可能是任意字節(jié)的組合。為了能夠分辨信號噪聲和有效數(shù)據(jù),本系統(tǒng)采用了Unicode編碼技術,定義的數(shù)據(jù)傳輸格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)的傳輸格式

3.1 監(jiān)測中心命令幀

1)實時查詢命令。WXA75C5623F代碼的翻譯：查詢ICU A當前的實時數(shù)據(jù),并返回中心站。

表2 監(jiān)測中心命令幀格式

2)歷史查詢命令。

表3 歷史查詢命令幀格式

WXA538653F2003000395E74003100306708003 1003865E50032003065F6代碼的翻譯：查詢10年10月18日20點的歷史數(shù)據(jù),并返回中心站。

3.2 數(shù)據(jù)采集儀返回數(shù)據(jù)幀

表4 數(shù)據(jù)采集儀返回數(shù)據(jù)幀格式

WXA30393130323831323235203232393620363 533312D31363333代碼的翻譯：返回ICU A站點10年10月28日12點25分的監(jiān)測數(shù)據(jù),其中溫度為22.96℃,相對濕度為65.31%,室內(nèi)負壓為-16.13 Pa.

4 監(jiān)測中心軟件設計

監(jiān)測中心軟件采用的是北京亞控科技開發(fā)的組態(tài)王6.53。該軟件采用了多線程、COM組件等新技術[3],通用性強,完全可以滿足本系統(tǒng)在實際工作中的需求。

4.1 數(shù)據(jù)通信界面

數(shù)據(jù)通信是本軟件的核心,主要功能是實現(xiàn)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀的無線通信,并將接收到的包括日期、時間、溫濕度、壓力等現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示到畫面上。

4.2 歷史曲線查詢界面

組態(tài)王的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)除了在畫面中以值輸出的方式和以數(shù)據(jù)庫顯示外,還可以用歷史曲線的形式顯示,如圖4所示。

圖4 重癥監(jiān)護室數(shù)據(jù)歷史曲線

5 實驗測試與數(shù)據(jù)分析

筆者利用該系統(tǒng)對重癥監(jiān)護室的溫度、濕度以及病房負壓進行了測量,為了驗證系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性,同時采用其他測試設備與以上三個物理參量進行了比對性數(shù)據(jù)分析。

5.1 溫濕度測試與分析

現(xiàn)場采集儀內(nèi)置瑞士Sensiron公司生產(chǎn)的具有內(nèi)置溫度補償功能的SHT75一體式溫濕度傳感器(精度±0.3℃,±1.8%相對濕度),比對實驗使用川儀的便攜式溫濕度計(精度±0.1℃,±0.1%相對濕度),由于實驗環(huán)境的局限,采用室內(nèi)加濕器、室內(nèi)空調(diào)分別作為控濕和控溫設備。

圖5 溫濕度實驗數(shù)據(jù)曲線圖

從圖5顯示的溫濕度比對結果看,現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀讀出的數(shù)值與便攜式溫度計指示值相差較小,溫度差保持在±0.3℃,濕度差保持在±1.5%相對濕度,完全能夠滿足現(xiàn)場使用。

5.2 氣壓測試與分析

現(xiàn)場采集儀對負壓的測量采用美國西特的MODEL268電容式微差壓變送器,實驗方案為：在一臺溫控箱中分別放置370數(shù)字式標準氣壓計與現(xiàn)場采集儀,以國家計量站檢定標準器的環(huán)境溫度24℃為參考條件[4],并將二者置于同等高度。從基態(tài)開始以每20 min,溫度變化2℃為步長,共讀取8組顯示值。

從圖6所示的壓力比對結果看,現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀讀出的數(shù)值與370數(shù)字式標準氣壓計指示值基本相差不大,壓力誤差保持在±1.0 hPa左右,具有很好的準確度和穩(wěn)定性。

由于篇幅所限只列出了一次的實驗數(shù)據(jù),從實際運行來看該系統(tǒng)接收、顯示數(shù)據(jù)準確,能夠及時反映重癥監(jiān)護室相關溫度、濕度以及壓力的參數(shù)信息,而且與常規(guī)同類便攜式測量裝置所測得數(shù)據(jù)相差較小,數(shù)據(jù)的可靠性高。

圖6 壓力實驗數(shù)據(jù)曲線圖

6 結論

介紹了基于GPRS的重癥監(jiān)護病房環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的結構與軟硬件設計,著重闡述了系統(tǒng)的組成、遠程數(shù)據(jù)通信方式以及管理軟件的功能。經(jīng)過一段時間的實驗測試運行,環(huán)境數(shù)據(jù)能夠被準確的解碼、顯示、傳輸和存儲。系統(tǒng)功能完善、運行狀態(tài)良好、具有一定的應用推廣價值。

[1] 潘云川,莫成錦,陳彥堃,等.燒傷創(chuàng)面真菌的流行病學調(diào)查[J].中國燒傷創(chuàng)瘍雜志,1999(2)：12-14.

[2] 陶師魯.《綜合醫(yī)院建筑設計規(guī)范》簡介[J].中國醫(yī)院管理,1984(2)：57-59.

[3] 汪志峰.工控組態(tài)軟件[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.

[4] 羅淇朱,樂坤,高林,等.自動氣象站氣壓傳感器現(xiàn)場校準方法[J].氣象科技,2008(4)：499-501.