基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備電氣安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

侯 軍，邱 頂，王明生，王普杰，肖 慶，李 平

基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備電氣安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

侯 軍，邱 頂，王明生，王普杰，肖 慶，李 平

目的：基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計醫(yī)療設(shè)備電氣安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對分散的醫(yī)療設(shè)備電氣安全參數(shù)智能化實時集中監(jiān)控。方法：采用物聯(lián)網(wǎng)模型設(shè)計系統(tǒng)，對現(xiàn)有電氣安全參數(shù)測量儀進行技術(shù)改造，使其測量結(jié)果能夠網(wǎng)絡(luò)化傳輸且具備自動安全保護功能；基于B/S構(gòu)架設(shè)計應(yīng)用層監(jiān)控軟件集中接收測量設(shè)備的測量結(jié)果，并進行深層次的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。結(jié)果：該系統(tǒng)實現(xiàn)了對分散于不同地方的醫(yī)療設(shè)備電氣安全參數(shù)智能化實時集中監(jiān)測，并具有報警、自動安全保護、統(tǒng)計分析等功能。結(jié)論：基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備電氣安全監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備電氣安全參數(shù)智能化實時集中監(jiān)控，提高工作效率和安全使用率，該系統(tǒng)同樣適用于醫(yī)療設(shè)備以外的其他設(shè)備電氣安全參數(shù)的監(jiān)控。

物聯(lián)網(wǎng)；醫(yī)療設(shè)備；電氣安全

0 引言

醫(yī)療設(shè)備的電氣安全是一個引人關(guān)注的重要領(lǐng)域。實驗證明，當(dāng)導(dǎo)體與心臟直接接觸時，低至20 μA的電流都可以引起心室顫動，所以，醫(yī)療設(shè)備的電氣安全監(jiān)控非常重要[1]。因此，本文旨在設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備多種安全參數(shù)的智能化、集中化實時監(jiān)控系統(tǒng)。該電氣安全監(jiān)控系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 9706—2007《醫(yī)用電氣設(shè)備第1部分：安全通用要求》的規(guī)定[2]，針對標(biāo)準(zhǔn)中十幾個不同醫(yī)療設(shè)備的電氣安全參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對其中重要防電擊參數(shù)，如接地電阻、漏電流、電介質(zhì)強度等進行實時集中監(jiān)控。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備電氣安全監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備電氣安全監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括感知層、傳輸層、應(yīng)用層3個部分[3]，整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)，將分散于醫(yī)院各處的醫(yī)療設(shè)備進行實時、智能化的集中監(jiān)測，當(dāng)設(shè)備超過國家標(biāo)準(zhǔn)的安全閾值時，及時進行警示，并通過控制系統(tǒng)切斷問題設(shè)備的電源確保安全。監(jiān)控軟件采用B/S結(jié)構(gòu)，各類智能終端接入網(wǎng)絡(luò)后即可使用監(jiān)控軟件實現(xiàn)對醫(yī)療設(shè)備電氣安全的監(jiān)測和管理，真正實現(xiàn)設(shè)備管理人員坐在辦公室即可管理的目標(biāo)。

1.2 醫(yī)療設(shè)備身份識別設(shè)計

為了能夠區(qū)分和唯一標(biāo)志不同的醫(yī)療設(shè)備，可為每臺醫(yī)療設(shè)備設(shè)定一個唯一編號并形成條碼標(biāo)簽，將條碼標(biāo)簽帖于醫(yī)療設(shè)備外殼之上用以設(shè)備的識別。通過特定的條碼閱讀器掃描條碼標(biāo)簽，即可獲得醫(yī)療設(shè)備的唯一編號及其他相關(guān)信息，為安全管理系統(tǒng)做好設(shè)備的“身份”識別和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。醫(yī)療設(shè)備條碼標(biāo)簽中含有設(shè)備名稱、設(shè)備型號、使用科室、安全等級和設(shè)備編號等信息。

1.3 醫(yī)用電氣安全參數(shù)測量設(shè)備設(shè)計

目前，已有的測量儀產(chǎn)品，無法實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化集中管理，還有許多需要改進的地方，如：測量結(jié)果以RS232串口輸出，不能網(wǎng)絡(luò)化傳輸；測量儀僅具備聲光報警，當(dāng)測量結(jié)果超出安全閾值時，無法及時切斷醫(yī)療設(shè)備電源以確保安全等[4-5]。因此，必須對現(xiàn)有測量儀器進行技術(shù)改造（如圖2所示）。

圖2 測量設(shè)備技改后結(jié)構(gòu)示意

由圖2可以看出，該測量設(shè)備主要包括測量儀、控制開關(guān)、串口服務(wù)器3個部分，其基本工作原理為：在測量儀時間控制器的作用下，測量儀進行測量，測量數(shù)據(jù)通過RS232端輸出到串口服務(wù)器，串口服務(wù)器對測量數(shù)據(jù)進行采集并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。測量儀在測量結(jié)果超出安全閾值時產(chǎn)生觸發(fā)信號，觸發(fā)測量儀內(nèi)的聲光報警器發(fā)出報警，同時，該觸發(fā)信號發(fā)送到控制電路，切斷醫(yī)療設(shè)備的供電電源，確保人員和醫(yī)療設(shè)備安全。

1.3.1 串口服務(wù)器設(shè)計

串口服務(wù)器主要實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸。由于串口協(xié)議只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范，要實現(xiàn)基于TCP/TP的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸必須進行轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換不是簡單物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的轉(zhuǎn)化，而是將串口的數(shù)據(jù)作為TCP/IP的應(yīng)用層數(shù)據(jù)，用TCP/IP封裝進行傳輸?shù)姆绞絒6]。串口服務(wù)器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，它包括串口數(shù)據(jù)處理模塊、主處理模塊和網(wǎng)卡模塊。串口服務(wù)器基本工作原理：串口數(shù)據(jù)處理模塊完成串口設(shè)備的狀態(tài)收集、串行數(shù)據(jù)流的接收和數(shù)據(jù)格式的解/封包；當(dāng)主處理模塊尋址某個端口時，由主處理模塊讀寫相應(yīng)的寄存器，判定相連接的串口設(shè)備的空閑狀態(tài)，并與之建立通信連接；主處理模塊對接收到的串行數(shù)據(jù)流信號進行串并轉(zhuǎn)換和編碼并傳送至網(wǎng)卡；網(wǎng)卡的控制單元控制網(wǎng)卡內(nèi)各部分協(xié)調(diào)，將產(chǎn)生的地址、數(shù)據(jù)、寫信號送到讀寫控制單元進行處理[8]。

圖3 串口服務(wù)器結(jié)構(gòu)框圖

電氣安全參數(shù)測量儀通過RS232串口以特定的數(shù)據(jù)格式和波特率輸出測量結(jié)果。以接地電阻測量儀為例，其測量結(jié)果傳送格式如圖4所示，共15個字節(jié)，包含1個起始位、13個數(shù)據(jù)位、1個累加和形成的校驗位，波特率為9 600 Hz。

圖4 接地電阻測量儀測量結(jié)果傳送格式

串口服務(wù)器根據(jù)測量儀的參數(shù)，正確設(shè)置參數(shù)，確保串口數(shù)據(jù)的正確采集和傳輸。圖5是串口服務(wù)器的參數(shù)設(shè)置界面。

圖5 串口服務(wù)器參數(shù)配置界面

網(wǎng)絡(luò)通信依靠串口服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)模塊，該模塊支持AT指令，與服務(wù)器端通過TCP/IP協(xié)議建立socket連接，進行數(shù)據(jù)通信[8]。通信流程如圖6所示。

1.3.2 控制電路設(shè)計

控制電路原理圖如圖7所示，主要由單向可控硅和繼電器組成。正常情況下單向可控硅SCR截止，開關(guān)繼電器J不得電，開關(guān)位于常通，醫(yī)療設(shè)備正常供電。當(dāng)測量值超過設(shè)定安全閥值時，觸發(fā)信號在觸發(fā)聲光報警的同時，觸發(fā)單向可控硅SCR使其導(dǎo)通，開關(guān)繼電器得電工作，故障醫(yī)療設(shè)備被切斷電源，確保設(shè)備和人員的安全。在排除安全故障后，按一下復(fù)位鍵K，單向可控硅SCR的陽極短暫接地，由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，開關(guān)繼電器J斷電跳至常通端，醫(yī)療設(shè)備恢復(fù)正常供電[9]。

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件初步設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要包括監(jiān)控軟件和數(shù)據(jù)庫2個部分（如圖8所示）。系統(tǒng)軟件采用B/S結(jié)構(gòu)，方便整個系統(tǒng)的擴展，其結(jié)構(gòu)模型如圖9所示[10]。

圖6 客戶端和服務(wù)器端socket通信流程

圖7 控制電路原理示意

圖9 B/S結(jié)構(gòu)模型

1.4.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

用Oracle數(shù)據(jù)庫平臺建立數(shù)據(jù)庫，主要對采集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進行存儲，以便應(yīng)用和查詢。該數(shù)據(jù)庫主要包含設(shè)備信息表、數(shù)據(jù)記錄表、醫(yī)療設(shè)備分類字典、閾值字典、設(shè)備狀態(tài)字典、科室字典等。

（1）設(shè)備信息表：被監(jiān)測醫(yī)療設(shè)備的相關(guān)信息。

（2）測量數(shù)據(jù)記錄表：被監(jiān)測醫(yī)療設(shè)備的測量值記錄。

（3）設(shè)備分類字典：根據(jù)國家醫(yī)療設(shè)備分類標(biāo)準(zhǔn)定義不同醫(yī)療設(shè)備分類。

（4）閾值字典：定義不同分類醫(yī)療設(shè)備的安全閾值，閾值根據(jù)各類醫(yī)療設(shè)備電氣安全國家標(biāo)準(zhǔn)來確定。

（5）設(shè)備狀態(tài)字典：定義被測設(shè)備的狀態(tài)編碼和其他信息。

（6）科室字典：定義使用科室編碼和其他信息。

1.4.2 監(jiān)控軟件功能設(shè)計

監(jiān)控軟件主要功能包括實時監(jiān)測值顯示、監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測值預(yù)警顯示、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、醫(yī)療設(shè)備信息錄入查詢等功能。

（1）實時監(jiān)測值顯示：顯示被監(jiān)控的醫(yī)療設(shè)備的最近一次測量值，當(dāng)測量值超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閾值時，界面上該設(shè)備的圖標(biāo)為紅色閃爍并發(fā)出報警聲，確認(rèn)處理完成后，解除報警狀態(tài)。

（2）監(jiān)測值預(yù)警顯示：當(dāng)被監(jiān)測設(shè)備的測量值連續(xù)處于安全閾值的臨界點，軟件通過自動統(tǒng)計顯示預(yù)警，提醒工作人員進行必要的預(yù)防性維修，防患于未然。

（3）歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢：對被測設(shè)備的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行查詢，進行更深層次的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

（4）醫(yī)療設(shè)備信息錄入和查詢：錄入和修改被測醫(yī)療設(shè)備的相關(guān)信息，同時可生成和打印被測設(shè)備的條碼標(biāo)簽，并可以查詢信息。

（5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析：利用已存儲的測量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出醫(yī)療設(shè)備電氣安全參數(shù)測量值趨勢圖，并與庫中大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)比對等，提醒設(shè)備管理人員有效地進行預(yù)防性維修和處理，將安全隱患排除在事故之前。

2 應(yīng)用效果分析

當(dāng)前醫(yī)患糾紛頻發(fā)，包括醫(yī)療設(shè)備電氣安全在內(nèi)的醫(yī)療安全問題被高度重視。目前，醫(yī)療設(shè)備電氣安全管理的主要方式，是定期或不定期人工使用電氣安全測量儀，手動逐臺對醫(yī)療設(shè)備電氣安全參數(shù)進行測量并手工記錄測量結(jié)果，根據(jù)測量結(jié)果對醫(yī)療設(shè)備的電氣安全性能作出評估。醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備眾多，人工測量記錄的方式費時費力，且當(dāng)醫(yī)療設(shè)備出現(xiàn)電氣安全故障時，不能夠及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的安全保護措施，易導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備電氣安全事故?；谖锫?lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備電氣安全監(jiān)控系統(tǒng)，對分散于不同地方的醫(yī)療設(shè)備電氣安全參數(shù)進行智能化的實時集中監(jiān)控，改變?nèi)斯な謩又饌€現(xiàn)場測量、記錄和分析的現(xiàn)狀，提高工作效率，使醫(yī)療設(shè)備電氣安全管理網(wǎng)絡(luò)化、簡單化、智能化。該系統(tǒng)自動對測量數(shù)據(jù)進行深層次的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)安全故障時給出報警，發(fā)現(xiàn)安全隱患時給出預(yù)防性維修提醒，有力保障了醫(yī)療設(shè)備電氣安全，避免因此引發(fā)的醫(yī)療事故和糾紛，社會和經(jīng)濟效益明顯。

（????）（????）

3 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備電氣安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對分散于不同地方的醫(yī)療設(shè)備電氣安全參數(shù)進行智能化的實時集中監(jiān)控，具有參數(shù)的實時監(jiān)測、自動安全保護、報警、預(yù)防性預(yù)警提示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析查詢等功能，實現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備電氣安全監(jiān)管的自動化、信息化和智能化，大大提高了工作效率和醫(yī)療設(shè)備的安全使用率，有效避免由醫(yī)療設(shè)備電氣安全引發(fā)的事故和糾紛。本系統(tǒng)方案同樣適用于醫(yī)療設(shè)備以外的其他設(shè)備的電氣安全參數(shù)的監(jiān)控，應(yīng)用前景廣闊。

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（收稿：2013-08-29 修回：2013-12-11）

Design of medical equipment electrical safety monitoring system based on IOT

HOU Jun1,QIU Ding1,WANG Ming-sheng2,WANG Pu-jie1,XIAO Qing1,LI Ping1
（1.The 520th Hospital of the PLA,Mianyang 62100,Sichuan Provance,China; 2.Medical Information Center,the 306th Hospital of the PLA,Beijing 100101,China）

ObjectiveTo supervise the electrical safety parameters of scattered medical equipment intelligently and timely by designing an electrical safety monitoring system based on IOT.MethodsIOT model was used to design the system, and the technical modification was carried out for the existing electrical safety meter to make its measurements could be transmitted by network and be gifted with the function of auto safety protection.Application layer monitoring software was designed based on B/S architecture in order to receive the measurements and analyze the data statistically.ResultsThe electrical safety monitoring system was capable of supervising the electrical safety parameters of scattered medical equipment intelligently and timely,with the functions of alarming,auto-protection and statistical analysis.Conclusion The electrical safety monitoring system based on IOT can supervise the electrical safety parameters of scattered medical equipment intelligently and timely.Therefore,the work efficiency can be enhanced.Moreover,this system is also apt for the supervision of electrical safety parameters for other non-medical equipment.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：43-45，86]

Internet of Things;medical equipment;electrical safety

TP277.2；R318

A

1003-8868（2015）01-0043-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.043

侯 軍（1969—），男，副主任技師，主要從事醫(yī)療設(shè)備管理、醫(yī)院信息工程等方面的研究工作，E-mail：pllzfd@sina.com。

621000四川綿陽，解放軍520醫(yī)院（侯 軍，邱 頂，王普杰，肖 慶，李 平）；100101北京，解放軍306醫(yī)院衛(wèi)生信息中心（王明生）