呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王偉，洪范宗，蘇秋玲，蘇增生

中國(guó)人民解放軍第180醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，福建 泉州 362000

呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王偉，洪范宗，蘇秋玲，蘇增生

中國(guó)人民解放軍第180醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，福建 泉州 362000

目的依托醫(yī)療設(shè)備租賃中心設(shè)計(jì)一款呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，用于記錄、分析呼吸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息。方法基于MSP430單片機(jī)開發(fā)嵌入式模塊，定時(shí)收集呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息并將其發(fā)送至醫(yī)療設(shè)備租賃中心的服務(wù)器；基于Visual Studio C#開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，用于接收呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析。結(jié)果該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集并儲(chǔ)存呼吸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息，并對(duì)呼吸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。結(jié)論該系統(tǒng)的應(yīng)用提高了呼吸機(jī)實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)能力。

呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；無線通信模塊；單片機(jī)；醫(yī)療設(shè)備租賃中心

呼吸機(jī)是一種臨床急救與生命支持類設(shè)備，廣泛應(yīng)用于急救、麻醉、呼吸維持與治療、術(shù)后恢復(fù)等臨床救治過程，能夠有效提高病人的肺通氣量，迅速提升氧氣吸入和二氧化碳排放的效率，其參數(shù)設(shè)置是否合理、性能是否穩(wěn)定、環(huán)境是否適宜、監(jiān)測(cè)是否準(zhǔn)確，直接影響著患者的診療效果甚至生命安全。在ISO-14971醫(yī)療設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)規(guī)范中，呼吸機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)分值最高[1]，屬于超高風(fēng)險(xiǎn)的醫(yī)療設(shè)備，因而其臨床安全性與穩(wěn)定性也備受關(guān)注。

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的設(shè)備自帶了故障診斷系統(tǒng)，甚至預(yù)留了接口以方便技術(shù)人員遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)提供了有力的技術(shù)保障。本研究依托醫(yī)療設(shè)備租賃中心[2-3]和醫(yī)學(xué)計(jì)量三級(jí)站[4-5]，基于嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究并設(shè)計(jì)了呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，下面以PB840呼吸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控流程為例來介紹該系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)過程。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 PB840呼吸機(jī)可監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)類型

PB840呼吸機(jī)顯示屏背面右下方有3個(gè)RS232串口，配套的說明書中詳細(xì)介紹了該組串口的通信參數(shù)設(shè)置方法、通信命令與反饋數(shù)據(jù)的格式等技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)內(nèi)容將可監(jiān)測(cè)的呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息分為以下幾類：① 呼吸機(jī)本身信息，如呼吸機(jī)ID號(hào)、內(nèi)部時(shí)間日期、呼吸管路類型與內(nèi)徑、濕化器的類型與容量、氧傳感器是否開啟等；② 使用者設(shè)置的靜態(tài)參數(shù)，包括設(shè)定的呼吸參數(shù)值，如呼吸模式、呼吸頻率、觸發(fā)方式、潮氣量、平臺(tái)期時(shí)長(zhǎng)等；以及報(bào)警信息的設(shè)定值，如分鐘呼氣量、呼氣潮氣量、呼氣壓力、呼氣頻率等參數(shù)的報(bào)警限值；③ 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)記錄信息，包括呼吸機(jī)內(nèi)部傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的呼吸參數(shù)值，如呼吸頻率、分鐘呼氣量、峰值氣道壓力、平均氣道壓力等；以及根據(jù)傳感器檢測(cè)結(jié)果估算的病人呼吸參數(shù)值，如估算的總阻力、病人阻力、病人彈性、病人順應(yīng)性等；④ 報(bào)警信息，主要指呼吸機(jī)檢測(cè)到運(yùn)行異常時(shí)產(chǎn)生的報(bào)警信息，包括窒息通氣、分鐘呼氣量過高、呼氣潮氣量過高、呼吸壓力過高、AC電源丟失、電池電量不足、氧濃度低等報(bào)警信息。

1.2 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊以及醫(yī)療設(shè)備租賃中心的服務(wù)器組成。基于嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊可定時(shí)采集呼吸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息，并將其存入自身配備的存儲(chǔ)器中；當(dāng)呼吸機(jī)用畢歸還至醫(yī)療設(shè)備租賃中心后，服務(wù)器端的應(yīng)用軟件在登記歸還信息的同時(shí)，可通過無線網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)的呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析[6]，然后將分析結(jié)果反饋給臨床工程師；工程師根據(jù)反饋結(jié)果對(duì)歸還回來的呼吸機(jī)進(jìn)行自檢、維修保養(yǎng)、計(jì)量檢定等工作，確保呼吸機(jī)運(yùn)行的安全性與可靠性。其整體架構(gòu)圖，見圖1。

圖1 呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程

呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要包括數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊兩部分。

2.1 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊（圖2）與呼吸機(jī)相連，主要由RS232串口通信模塊、MSP430單片機(jī)模塊、CC1101無線通信模塊[7-9]、5 V直流開關(guān)電源、鋰電池與充電模塊、電源切換電路等組成，圖中的空心雙向箭頭代表系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流向，黑色實(shí)心箭頭代表系統(tǒng)的電源供電方向。電源電路中的5 V直流開關(guān)電源插頭、呼吸機(jī)電源插頭、濕化器電源插頭均接入固定在呼吸機(jī)背面的插線板上，臨床科室的操作人員在使用呼吸機(jī)時(shí)首先將插線板接入市電，數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊就會(huì)與呼吸機(jī)同步上電。

圖2 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊示意圖

圖3 所示的是電源切換電路的原理圖，圖中B1是鋰電池，RL1是繼電器，C1是大容量電容，當(dāng)市電斷開時(shí)可迅速切換為鋰電池供電，可保障數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊的不間斷供電，以免市電突然斷開時(shí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

圖3 電源切換電路的原理圖

2.2 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

圖4所示的是與醫(yī)療設(shè)備租賃中心的服務(wù)器相連的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括CC1101無線通信模塊、MSP430單片機(jī)模塊、RS232串口通信模塊、5V直流開關(guān)電源等部分。

圖4 服務(wù)器端無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程

呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要包括MSP430單片機(jī)端的控制軟件、服務(wù)器端的應(yīng)用軟件和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)3部分，下面分別介紹前兩部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程。

3.1 MSP430單片機(jī)端的控制軟件

MSP430單片機(jī)端的控制軟件用于控制數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊的工作流程，其流程圖，見圖5。圖中的實(shí)線箭頭是控制程序?qū)嶋H的邏輯流向，虛線箭頭則是程序內(nèi)部或不同程序之間隱含的控制或邏輯關(guān)系流程。由圖5可知，MSP430單片機(jī)的定時(shí)器中斷函數(shù)每隔5 min經(jīng)由RS232串口向呼吸機(jī)發(fā)送1次查詢呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息的命令，隨后呼吸機(jī)將會(huì)按規(guī)定的格式反饋其運(yùn)行狀態(tài)信息；串口中斷函數(shù)接收到呼吸機(jī)反饋回來的運(yùn)行狀態(tài)信息后，將其與5 min前采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并判斷接收的數(shù)據(jù)是否完整，然后根據(jù)比較及判斷結(jié)果設(shè)置各標(biāo)記位的值；主程序則根據(jù)各標(biāo)記位的值執(zhí)行相應(yīng)的代碼，數(shù)據(jù)接收完畢后，MSP430單片機(jī)若接收到服務(wù)器發(fā)來的讀數(shù)據(jù)命令，將讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)然后經(jīng)由CC1101無線通信模塊發(fā)送給服務(wù)器。

3.2 服務(wù)器端的應(yīng)用軟件

圖5 MSP430單片機(jī)控制程序流程圖

服務(wù)器端的應(yīng)用軟件基于C#開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)，用于實(shí)時(shí)接收并處理數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊記錄到的呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，其流程圖，見圖6。首先與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊建立通信連接，然后讀取呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息，若讀取成功則分析接收到的數(shù)據(jù)中是否包含報(bào)警信息，是否有參數(shù)越界以及其他異常狀況信息；軟件分析出異常狀況信息后，會(huì)將異常信息及呼吸機(jī)位置信息顯示在終端顯示屏上；技術(shù)人員處理完畢后，按照提示錄入處理方案及結(jié)果，系統(tǒng)將流程中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)存入SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中。

圖6 服務(wù)器端應(yīng)用軟件流程圖

4 系統(tǒng)工作流程

呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程圖，見圖7。圖中左側(cè)虛線框內(nèi)是醫(yī)療設(shè)備租賃管理流程，右側(cè)虛線框內(nèi)是呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)在租賃管理軟件的配合下定時(shí)讀取并存儲(chǔ)呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的工作流程。呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的主要工作流程介紹如下：

（1）服務(wù)器端的上位機(jī)軟件登記呼吸機(jī)租賃信息。

（2）呼吸機(jī)抵達(dá)臨床科室后，醫(yī)護(hù)人員首先將呼吸機(jī)背面的插線板接入市電，此時(shí)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊也同步上電啟動(dòng)。MSP430單片機(jī)首先控制鋰電池充電模塊對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，并在檢測(cè)到過充現(xiàn)象[10]后停止充電，同時(shí)清空存儲(chǔ)器，系統(tǒng)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，MSP430單片機(jī)切換為低功耗模式運(yùn)行，5 min計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)中斷響應(yīng)函數(shù)喚醒MSP430單片機(jī)，經(jīng)串口向呼吸機(jī)發(fā)送狀態(tài)查詢命令；如果呼吸機(jī)正在運(yùn)行，就會(huì)按照預(yù)定的格式反饋其運(yùn)行狀態(tài)信息，MSP430單片機(jī)接收到呼吸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息后將其與上一次的運(yùn)行狀態(tài)記錄進(jìn)行對(duì)比，若有變化則將其存入數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊的存儲(chǔ)器中；存儲(chǔ)完畢后計(jì)時(shí)器重新計(jì)時(shí)，MSP430單片機(jī)再次切換為低功耗模式，等待下一次計(jì)時(shí)結(jié)束后的中斷喚醒。

（3）呼吸機(jī)使用完畢后，醫(yī)護(hù)人員斷開插線板的市電連接，電源切換電路自動(dòng)將數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊切換為鋰電池供電，MSP430單片機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后切換為低功耗待機(jī)模式。

（4）呼吸機(jī)歸還到醫(yī)療設(shè)備租賃中心時(shí)，服務(wù)器端應(yīng)用軟件在登記設(shè)備歸還信息的同時(shí)經(jīng)CC1101無線通信模塊向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令，MSP430單片機(jī)接收到命令后讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，再經(jīng)CC1101無線通信模塊發(fā)送給服務(wù)器端的應(yīng)用軟件，隨后MSP430單片機(jī)清空數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊的存儲(chǔ)器后自行掉電關(guān)機(jī)，等待下一次呼吸機(jī)上電時(shí)重新啟動(dòng)。

（5）上位機(jī)軟件接收完數(shù)據(jù)后將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若監(jiān)測(cè)到異常狀況則提醒管理人員及時(shí)進(jìn)行處理，記錄故障處理方案及結(jié)果并將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中。

圖7 呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)工作流程圖

5 結(jié)果與討論

呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，已在醫(yī)療設(shè)備租賃中心測(cè)試通過，目前運(yùn)行穩(wěn)定。通過嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、應(yīng)用軟件開發(fā)技術(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的配合實(shí)現(xiàn)了呼吸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與異常狀況分析。但由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)尚未測(cè)試完畢，系統(tǒng)的時(shí)效性有待提高，未來將進(jìn)一步完善服務(wù)器端應(yīng)用軟件，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)全程質(zhì)量狀況監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)質(zhì)量控制。

[1] International Organization for Standardization．ISO 14971:medical devices-application of risk management to medical devices[S]．2000．

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Design of a Monitoring System for Ventilator Operation Status

WANG Wei, HONG Fan-zong, SU Qiu-ling, SU Zeng-sheng
Department of Medical Engineering, The 180thHospital of PLA, Quanzhou Fujian 362000, China

ObjectiveTo design a monitoring system based on the medical equipment leasing center so as to acquire and analyze the operation status of ventilators.MethodsThe embedded module was developed based on the MSP430 single-chip microcomputer to regularly collect and send the operation information of ventilators to the server of the medical equipment leasing center. The application software was designed on the basis of Visual Studio C# platform to receive and analyze the operation information.ResultsThe system made it possible to collect and analyze the operation status of ventilators regularly.ConclusionApplication of the system can improve the real-time monitoring of the quality of ventilators.

the operation status of ventilators; wireless communication module; single-chip microcomputer; medical equipment leasing center

R82

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.007

1674-1633(2015)03-0027-04

2014-10-27

2014-12-16

全軍軍事醫(yī)學(xué)計(jì)量科研專項(xiàng)課題（2011-JL3-003）。

作者郵箱：wangwei．oneway@gmail．com