朱俊,侯君子,李曉妍,李姜輝,王力,蓋淑萍,伍洪,黃華
1.中國人民解放軍第三零九醫(yī)院 a.醫(yī)學(xué)工程科;b.移植ICU,北京 100091;2.約克大學(xué) 電子系,北約克郡 黑斯林頓區(qū) YO10 5DD;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100190;4.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所,北京 100190
基于ZigBee無線網(wǎng)的醫(yī)院急救設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
朱俊1a,侯君子1b,李曉妍1a,李姜輝2,王力3,4,蓋淑萍3,4,伍洪1a,黃華1a
1.中國人民解放軍第三零九醫(yī)院 a.醫(yī)學(xué)工程科;b.移植ICU,北京 100091;2.約克大學(xué) 電子系,北約克郡 黑斯林頓區(qū) YO10 5DD;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100190;4.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所,北京 100190
醫(yī)院急救設(shè)備是指急救醫(yī)學(xué)中直接搶救患者或?yàn)榛颊咛峁┥С值脑O(shè)備[1],在醫(yī)院搶救病人方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。急救設(shè)備急救的內(nèi)容主要包括:心、肺、腦的復(fù)蘇,急性創(chuàng)傷,多器官功能的衰竭,急性中毒等。相應(yīng)的急救設(shè)備包括呼吸機(jī)或簡易呼吸器、氧氣瓶,除顫儀、心電監(jiān)護(hù)儀,輸液泵、注射泵,負(fù)壓吸引器,全自動洗胃機(jī)等[2]。如何順利保障急救設(shè)備的正常使用,開展醫(yī)療設(shè)備的科學(xué)管理,進(jìn)而保障醫(yī)院急救設(shè)備的高效利用,充分發(fā)揮醫(yī)療設(shè)備的使用效能,已成為醫(yī)院設(shè)備管理方面的重要內(nèi)容。
在國外尤其是西方國家,急救系統(tǒng)已經(jīng)十分成熟,大部分國家都成立了急救醫(yī)療中心/系統(tǒng)(EMS)。日本EMS由當(dāng)?shù)卣啦块T指揮,是一個(gè)緊密聯(lián)系的系統(tǒng),主要分為3級:一級急救、標(biāo)準(zhǔn)級急救和最高級急救。緊急級別依次上升,最高級急救要求急救人員具備全科急救技能和十分熟練的急救設(shè)備操作技能。目前,隨著分類傷情119急救的發(fā)展,日本一些區(qū)域探索出了用于轉(zhuǎn)運(yùn)微創(chuàng)傷口病人的私人服務(wù)中心和分支機(jī)構(gòu)的模式[3]。
國內(nèi)傳統(tǒng)急救設(shè)備局限在急診科或重癥監(jiān)護(hù)室內(nèi),而大部分術(shù)后患者會轉(zhuǎn)到普通病房,這時(shí)急救設(shè)備則需配置到該患者的床旁,從而造成急救設(shè)備流轉(zhuǎn)不暢或救后設(shè)備閑置,造成醫(yī)療資源的巨大浪費(fèi)和過高的維護(hù)成本[4-5]。管理上采用人工登記等初級管理模式,容易出現(xiàn)管理松懈,數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)確、不及時(shí)等問題。目前常見的條碼化管理容易出現(xiàn)條碼磨損、需接觸掃描識別,無法有效、快速讀取設(shè)備信息等缺點(diǎn)。
本文基于ZigBee無線網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種醫(yī)院急救設(shè)備系統(tǒng),用于實(shí)時(shí)監(jiān)測急救設(shè)備的使用情況,進(jìn)行科學(xué)調(diào)度,確保急救設(shè)備保持最佳狀態(tài),為搶救病人提供設(shè)備和技術(shù)支撐。
ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低成本、近距離、低復(fù)雜度、低傳輸率的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee基于IEEE802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)??晒ぷ髟?個(gè)頻段:868 MHz/915 MHz/2.4 GHz,分別具有最高20/40/250 kbit/s的傳輸速率,常用頻段為2.4 GHz。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):樹形、星形和網(wǎng)形。由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成具有65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)[6]。帶有路由的可自動組網(wǎng)功能,使ZigBee網(wǎng)絡(luò)快速、靈活、可靠、安全。
目前,實(shí)現(xiàn)ZigBee方案的核心芯片提供商主要有Jennic的JN5121芯片、Chipcon的SoC解決方案CC2530芯片、Ember的EM250ZigBee系統(tǒng)晶片及EM260網(wǎng)絡(luò)處理器、Freescale的MC1319X平臺等。本系統(tǒng)選用CC2530芯片。
基于ZigBee無線網(wǎng)的醫(yī)院急救設(shè)備系統(tǒng)主要分為3個(gè)模塊:基于ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)、路由器和協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖,見圖1。
急救設(shè)備投入科室使用時(shí),設(shè)備的RFID電子標(biāo)簽含有的設(shè)備基本信息、計(jì)時(shí)收費(fèi)模塊進(jìn)行的計(jì)時(shí)計(jì)價(jià)信息、技術(shù)支持模擬電話信息等參數(shù)通過傳感器被采集或讀出;再經(jīng)過信號放大、A/D轉(zhuǎn)換后,由CC2530模塊DA通道處理并按照ZigBee協(xié)議打包發(fā)送出去;再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號的傳輸和接收,之后由協(xié)調(diào)器進(jìn)行處理。
系統(tǒng)主要可實(shí)現(xiàn)3大功能:設(shè)備身份射頻識別、計(jì)時(shí)收費(fèi)顯示、設(shè)備技術(shù)支持電話和報(bào)警。同時(shí)考慮功能拓展性,預(yù)留設(shè)備的其他功能模塊如新增設(shè)備定位模塊等,以便根據(jù)設(shè)備控制中心管理者對設(shè)備技術(shù)參數(shù)的關(guān)注度,靈活地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
終端節(jié)點(diǎn),又稱終端模塊,主要包括各類傳感器和信息讀寫設(shè)備,完成對設(shè)備的信號采集和發(fā)送。路由器,又稱路由器節(jié)點(diǎn)或中繼器,主要完成數(shù)據(jù)的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)和路由選取功能,此模塊也可省略,由協(xié)調(diào)器直接實(shí)現(xiàn),但考慮系統(tǒng)整體拓展性和靈活性,可保留,還可作為定位參考點(diǎn)。協(xié)調(diào)器模塊,又稱控制中心,主要包括中央數(shù)據(jù)庫、上位機(jī)或PC機(jī),完成對接收數(shù)據(jù)的處理。
3.1 ZigBee通信模塊
采用德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的CC2530芯片。它是用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE協(xié)議的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案,能夠以低成本、低功耗、靈活快速組網(wǎng)的優(yōu)勢建立起強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530芯片結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能,具有高速低耗的8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8KB RAM和強(qiáng)大的外設(shè)支持功能,支持芯片無線下載[6-7]。
CC2530芯片低功耗是通過5種不同電源模式的切換來實(shí)現(xiàn)的。這5種電源模式是:活動模式、空閑模式、PM1模式、PM2模式和PM3模式。系統(tǒng)采用間歇工作方式,大部分時(shí)間處于PM3低功耗狀態(tài)[7]。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間十分短,進(jìn)一步確保了低能源消耗。
CC2530芯片的集成度非常高,只需要天線和晶振等非常少的外圍匹配電路就能滿足無線網(wǎng)絡(luò)通信需求。其中,供電范圍為2~3.6 V,工作電壓取3.3 V;主時(shí)鐘晶振采用32 MHz無源晶振以及32.768 kHz時(shí)鐘晶振;無線RF模塊外圍電路采用巴倫阻抗匹配網(wǎng)絡(luò);天線使用50 Ω負(fù)極性天線。ZigBee無線通信模塊,見圖2。
圖2 ZigBee無線通信模塊
3.2 RFID電子標(biāo)簽
電子標(biāo)簽由RFID模塊和ZigBee通信模塊構(gòu)成。其中RFID模塊主要由AS3933前端模擬芯片和匹配網(wǎng)絡(luò)組成,ZigBee模塊由射頻芯片CC2530和匹配網(wǎng)絡(luò)組成。電子標(biāo)簽采用AS3933實(shí)現(xiàn)設(shè)備的電子身份識別,用SPI接口實(shí)現(xiàn)與CC2530的數(shù)據(jù)通信[8]。RFID電子標(biāo)簽接口,見圖3。
圖3 RFID電子標(biāo)簽接口
3.3 計(jì)時(shí)收費(fèi)顯示模塊
由協(xié)調(diào)器的中央數(shù)據(jù)庫和上位機(jī)或PC機(jī)進(jìn)行控制計(jì)時(shí)。收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)以儀器購置資金來源為基本,醫(yī)院的相關(guān)職能科室協(xié)商定價(jià),實(shí)行內(nèi)部結(jié)算按小時(shí)收費(fèi)模式,以提高使用科室的經(jīng)濟(jì)效益意識,有效避免科室租借設(shè)備無故延期不還,影響后續(xù)科室的使用,充分提高設(shè)備使用率,防止設(shè)備閑置造成浪費(fèi)。計(jì)時(shí)收費(fèi)模塊直接嵌入在ZigBee通信模塊上,在急救設(shè)備終端顯示計(jì)時(shí)收費(fèi)信息。
3.4 技術(shù)支持模塊
主要實(shí)現(xiàn)急救設(shè)備的技術(shù)支持功能。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)基本故障時(shí)能及時(shí)提供有效的技術(shù)支持,急救設(shè)備值班人員能第一時(shí)間趕赴現(xiàn)場進(jìn)行故障排除??梢栽O(shè)置模擬電話和報(bào)警提示功能。
我們采用成都寶佳電子的PH8810模擬電話接口模塊、PHT02信號音檢測模塊和美國ISD公司的語音芯片ISD4004設(shè)計(jì)技術(shù)支持模塊。PH8810模擬電話接口模塊是一款具有較高集成度的電話接口模塊,集成了振鈴檢測、電話斷線檢測、自動摘掛機(jī)、自動增益調(diào)節(jié)、DTMF編碼發(fā)射(HT9200)、DTMF譯碼接收(HT9170)等電路;采用電子耦合技術(shù),功耗極低。PHT02信號音識別模塊內(nèi)嵌一片單片機(jī)獨(dú)立執(zhí)行信號音檢測,配合高品質(zhì)因素的BPF濾波器,濾除噪聲,能夠準(zhǔn)確識別撥號音、忙音、回鈴音等信號,與AT89C51連接十分方便[9]。技術(shù)支持模塊接口,見圖4。
3.5 路由器
由CC2530芯片開發(fā),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲和路由功能,拓展功能可設(shè)置定位模塊,此時(shí)路由器還能作為定位參考點(diǎn)??蛇x用外接電源或內(nèi)置電池作為供電方式,并根據(jù)不同要求放置在醫(yī)院所有病區(qū)內(nèi),包括住院部、門診或病人活動區(qū)等,甚至可以放置在救護(hù)車等移動設(shè)備中。這樣一旦進(jìn)入有效范圍,系統(tǒng)可自動快速組網(wǎng)。若放置在戶外,該設(shè)備可采用鑄鋁外殼,可有效防雨、防塵等。
圖4 技術(shù)支持模塊接口
3.6 協(xié)調(diào)器
協(xié)調(diào)器由CC2530芯片、中央數(shù)據(jù)庫、上位機(jī)或PC機(jī)構(gòu)成。CC2530芯片作為RF射頻模塊的接收端,負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立和管理;中央數(shù)據(jù)庫、上位機(jī)或PC機(jī),負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)備信息的存儲、顯示等,是醫(yī)院急救設(shè)備系統(tǒng)的核心。
急救設(shè)備的各個(gè)參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器,同時(shí)預(yù)留RS232通信接口,用于與上位機(jī)或PC機(jī)之間的串口通信、調(diào)試[10],實(shí)現(xiàn)動態(tài)管理和遠(yuǎn)程技術(shù)指導(dǎo)。
目前,大部分醫(yī)院已以“合作共建”模式開展醫(yī)院急救設(shè)備的管理工作,主要形式是成立面向全院科室的租賃中心或急救設(shè)備中心;以集中化、中心化管理為準(zhǔn)則,以租賃的方式按小時(shí)計(jì)費(fèi);便于設(shè)備的集中管理、統(tǒng)一協(xié)調(diào)。軟件方案設(shè)計(jì)核心是RFID設(shè)備識別、計(jì)時(shí)收費(fèi)顯示和技術(shù)故障提示,從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)管。
4.1 電子標(biāo)簽程序
為了確定各類急救設(shè)備的身份信息,將設(shè)備數(shù)據(jù)字典裝載寫入RFID,并生成唯一的ID號,并附加在急救設(shè)備上,用于設(shè)備身份識別。設(shè)備數(shù)據(jù)字典主要包括系統(tǒng)目錄字典和系統(tǒng)技術(shù)支持字典。系統(tǒng)目錄字典,包括呼吸機(jī)或簡易呼吸器、氧氣瓶,除顫儀、心電監(jiān)護(hù)儀,輸液泵、注射泵,負(fù)壓吸引器,全自動洗胃機(jī)等的設(shè)備名稱、ID號、設(shè)備標(biāo)識和輸入碼(拼音頭-大寫)。系統(tǒng)技術(shù)支持字典,包括維修記錄、計(jì)量質(zhì)量控制記錄、消毒記錄、日常保養(yǎng)記錄、操作使用培訓(xùn)記錄等數(shù)據(jù)。以軍衛(wèi)系統(tǒng)為載體,導(dǎo)入后臺數(shù)據(jù)庫。
4.2 急救設(shè)備管理流程
流程管理包括預(yù)約申請、出庫、使用計(jì)費(fèi)、入庫、驗(yàn)機(jī)等。使用科室提出使用需求后,醫(yī)院急救設(shè)備系統(tǒng)值班人員給予響應(yīng),查詢設(shè)備庫存情況,如庫存不足需立即調(diào)配設(shè)備;讀取設(shè)備RFID信息,設(shè)備出庫后開始計(jì)時(shí)收費(fèi);設(shè)備使用后歸還租賃中心,辦理入庫手續(xù),停止計(jì)費(fèi)并將收費(fèi)信息顯示出來。之后醫(yī)學(xué)工程人員對設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)機(jī)、消毒,放入庫存,以待下一個(gè)使用周期。急救設(shè)備管理流程圖,見圖5。
圖5 急救設(shè)備管理流程圖
4.3 系統(tǒng)軟件流程
協(xié)調(diào)器流程見圖6(a)。CC2530芯片進(jìn)行硬件驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)初始化,請求網(wǎng)絡(luò)存在,如果存在則對下一級網(wǎng)絡(luò)分配地址,用以建立網(wǎng)絡(luò),準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。
路由器流程見圖6(b)。CC2530芯片進(jìn)行硬件驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)初始化,偵測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),如果存在則對接收網(wǎng)絡(luò)分配地址,用以建立網(wǎng)絡(luò),準(zhǔn)備收發(fā)數(shù)據(jù)。
技術(shù)支持流程見圖6(c)。醫(yī)護(hù)人員使用的設(shè)備若出現(xiàn)故障,則啟動ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信。請求數(shù)據(jù)被傳輸?shù)娇刂浦行牡挠|發(fā)報(bào)警和通話語音模塊;通過模擬電話告知設(shè)備故障,以便醫(yī)學(xué)工程人員及時(shí)排除故障。醫(yī)護(hù)人員使用的設(shè)備若無故障,則不需啟動ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信,這時(shí)設(shè)備技術(shù)支持模塊和ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入低能耗模式,節(jié)約設(shè)備用電。電子標(biāo)簽、計(jì)時(shí)收費(fèi)顯示等流程與本圖基本類似,不再列舉。
本系統(tǒng)運(yùn)行十分可靠;與條碼化管理相比實(shí)用高效;其設(shè)備管理及科學(xué)調(diào)度方便高效。且ZigBee網(wǎng)絡(luò)能耗低、穩(wěn)定性高,耐用、易讀取。
系統(tǒng)組網(wǎng)靈活。無線網(wǎng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(控制中心)、適當(dāng)數(shù)目的路由器節(jié)點(diǎn)(路由)和大量的終端節(jié)點(diǎn)(手持智能終端)組成,如果地理空間較大的話,也可以多協(xié)調(diào)器組網(wǎng)。這種組網(wǎng)方式具有極好的靈活性,各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入相應(yīng)的路由區(qū)域都能自動組網(wǎng)[11-12]。
系統(tǒng)可拓展性、可替代性強(qiáng)。如增加GPRS模塊,能實(shí)現(xiàn)手機(jī)形式的溝通,便于設(shè)備管理人員間快速響應(yīng);加入定位IIS傳感器對設(shè)備進(jìn)行定位等。
總之,系統(tǒng)充分實(shí)現(xiàn)了急救醫(yī)療設(shè)備的跟蹤管理,使設(shè)備使用率達(dá)最大化,為設(shè)備的科學(xué)調(diào)配乃至科室的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)提供了技術(shù)支持。
圖6 系統(tǒng)軟件流程圖
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Design of Emergent Equipment System Based on ZigBee Wireless Network in the Hospital
ZHU Jun1a, HOU Jun-zi1b, LI Xiao-yan1a, LI Jiang-hui2, WANG Li3,4, GAI Shu-ping3,4, WU Hong1a, HUANG Hua1a
1.a.Department of Medical Engineering; b.Intensive Care Unit of Transplantation Center, The 309thHospital of PLA, Beijing 100091, China;
2. Department of Electronics, University of York, Heslington York YO10 5DD, UK; 3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 4.Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
目的 設(shè)計(jì)一種基于ZigBee無線網(wǎng)的醫(yī)院急救設(shè)備系統(tǒng)。方法 基于急救設(shè)備字典和CC2530芯片,通過嵌入RFID標(biāo)簽、計(jì)時(shí)收費(fèi)顯示模塊和技術(shù)支持模塊,利用ZigBee無線通信設(shè)計(jì)軟硬件,實(shí)現(xiàn)醫(yī)院急救設(shè)備的科學(xué)管理。結(jié)果 該系統(tǒng)高效科學(xué)地提高了急救設(shè)備的使用效率和保障水平。結(jié)論 系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性和可拓展性,值得推廣。
急救設(shè)備系統(tǒng);ZigBee無線網(wǎng);CC2530芯片;RFID標(biāo)簽;模擬電話;條碼管理
Objective To design an emergent equipment system based on ZigBee wireless network in the hospital. Methods Based on the emergent equipment dictionary and CC2530 chip, the hardwares and softwares of the system were designed with ZigBee wireless network by embedding RFID tag, timekeeping and charging display module, technical support module. Thus the scientific management of emergent equipment in the hospital has been implemented with the system. Results The service effciency and security level of emergent equipment have been enhanced effectively and scientifcally with the system. Conclusion The system with good practicability and expansibility should be promoted.
emergent equipment system; ZigBee wireless network; CC2530 chip; RFID tag; analog telephone; barcode management
TP393.03
A
10.3969/j.issn.1674-1633.2014.05.008
1674-1633(2014)05-0026-04
2012-11-25
2013-03-20本文作者:朱俊,助理工程師。
伍洪,中國人民解放軍第三零九醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科主任,主管技師。
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