基于ZigBee的無線體溫監(jiān)測效能設計與研究

楊輝，朱燕玲，徐露，李亞蘭，孫文，紀永章

東部戰(zhàn)區(qū)空軍醫(yī)院信息中心，江蘇南京 210002

ZigBee是一種擁有低功耗、近距離、低成本、低復雜度的主流無線通信技術，其組網(wǎng)模式較自由，且應用場景較廣泛，在醫(yī)療監(jiān)護、工業(yè)監(jiān)測、智能家居等領域都具有成功的應用。國內Zigbee在醫(yī)療無線監(jiān)測已有一段時間的探索，很多科研機構、科技公司都對Zigbee在醫(yī)療行業(yè)內地應用做出了很多研究，但對照歐美的研究成果，尚存在一些距離。

目前醫(yī)院的醫(yī)療設備都以傳統(tǒng)模式為主，其特點是功能單一且接線復雜，也不便于移動，與醫(yī)院信息化發(fā)展不吻合，也不符合移動醫(yī)療發(fā)展趨勢。本研究提出利用Zigbee技術來實現(xiàn)無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)，本設計具有成本低、易推廣、易擴展等功能特點，便于醫(yī)護人員實時對患者的體溫進行檢測，尤其在ICU對患者進行實時監(jiān)測和慢病管理方面，由于其簡單易操作便于居家期間的自行檢測，患者可以自行監(jiān)管，也可以大大提高醫(yī)護人員的工作效益，符合現(xiàn)代化醫(yī)療的趨勢，對推進衛(wèi)生行業(yè)信息化發(fā)展具有一定的意義。

1 研究對象

隨著科學技術的進步，特別是無線技術和MEMS技術的發(fā)展，與醫(yī)療行業(yè)的切入點越來越多，對無線監(jiān)測管理技術的研究深入，各種應用也越來越成熟，從而逐步取代傳統(tǒng)的人工模式，目前在醫(yī)院應用的場景有體溫監(jiān)測、血糖監(jiān)測、血壓監(jiān)測等，特別是體溫監(jiān)測，在公共衛(wèi)生事件發(fā)生期間發(fā)揮了重要的作用。

1.1 無線技術的發(fā)展

20世紀80年代美國軍方就開始將無線技術用于戰(zhàn)場戰(zhàn)士生理數(shù)據(jù)的監(jiān)測，實時追蹤每名戰(zhàn)士的呼吸、心率、體溫等生理數(shù)據(jù)[1]。在國內中科院趙澤研究出一種基于無線傳感器的遠程無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，同時提出具有擴展性的多層次網(wǎng)絡構架的設計[2]。國外對無線醫(yī)療技術研究較早于國內，如法國CRNS實驗室研發(fā)的MARSIAN主要用于神經系統(tǒng)監(jiān)測[3]，美國喬瓦樂從2005年開始研究Zigbee網(wǎng)絡模型并應用于患者，監(jiān)測患者的基礎生理數(shù)據(jù)，提前預判潛在的風險[4]。國內汪豐教授等設計基于Zigbee的無線醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)；上海大學自助主研發(fā)的BOP系統(tǒng)應用于鄉(xiāng)村醫(yī)生對患者的心率、心電、呼吸等進行日常監(jiān)測，有效地幫助鄉(xiāng)村醫(yī)生對患者進行各種救治工作等[5]；2010年南京試點“智慧養(yǎng)老”[6]，2011年大唐電信研制的Zigbee無線醫(yī)療設備出口至日本[7]。

1.2 醫(yī)療設備的無線應用

隨著信息技術的不斷發(fā)展，更多的無線技術被應用到醫(yī)療領域中，目前醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護中對無線的依賴比較明顯，特別是對患者的血壓、脈氧等的應用可以大大降低醫(yī)護工作中機械的重復勞動，也能降低在高強度工作下的出錯率。另外現(xiàn)有的醫(yī)療設備大部分仍采用傳統(tǒng)模式，體積笨重、接線繁瑣、不便于醫(yī)護人員的操作，有時也會因為設備的插頭不緊、傳感器掉落等造成檢測數(shù)據(jù)的丟失，在一定程度上影響到醫(yī)療工作開展，增加醫(yī)療風險的發(fā)生。本課題設計的無線醫(yī)療設備檢測具有以下特點：無線技術成本低、不用綜合布線、移植性好、擴展性優(yōu)、操作簡單，便于醫(yī)護人員攜帶就診。無線監(jiān)測設計定位也可以實現(xiàn)一對多的監(jiān)測管理功能，一名醫(yī)護人員在工位就能管理多例患者，也能通過AI處理實現(xiàn)危急值自動預警，提供對患者的實時管控，降低醫(yī)療不良事件發(fā)生率。

2 研究方法

目前國內外很多研究機構對無線醫(yī)療數(shù)據(jù)監(jiān)測產生很大的興趣，原因在于其功耗低、應用效果明顯、患者體驗感強、受醫(yī)護人員歡迎，致使其在部分領域的技術研究及技術實現(xiàn)已較成熟。

2.1 系統(tǒng)需求分析

近年來ICU重癥監(jiān)測、慢病管理逐步成為一個新興的研究課題，與之對應的相關患者的生理數(shù)據(jù)收集顯得尤為重要，為此本課題設計出一款成本較低，基于Zigbee技術的無線架構的人體生理參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，具有人機交互方便、設備安全可靠、數(shù)據(jù)采集準確等特點。

2.2 Zigbee技術的應用

本研究選用Zigbee作為無線網(wǎng)絡架構基礎，擬采用的架構為傳感器節(jié)點--路由器--協(xié)調器--服務器形成的數(shù)據(jù)流。電路主控板采用STM32，因為STM32的處理核心為ARM 32位Cortex-M3 CPU，可以實現(xiàn)信息的高速傳輸[8]。

2.3 CC2530控制程序

CC2530控制程序由TI公司生產，是整個Zigbee網(wǎng)絡體系中的核心，用于處理終端信息流轉[9]。該芯片的內核是一顆8 051的單片機，符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz的無線收發(fā)裝置，特點是低功率、抗干擾能力強、接收能力強、安全性能高。其嚴格按照IDEIAR的標準執(zhí)行[10]，具有完善的成熟二次開發(fā)環(huán)境。

2.4 電路設計方案

本研究主要是基于Zigbee網(wǎng)絡體系構架的患者體溫監(jiān)測系統(tǒng)，選擇協(xié)調器、路由器進行服務[11]。采用LM3S9B96作為本設計的硬件核心。以LM3S9B96芯片為核心的路由器硬件設計，為下一步的方案設計奠定硬件基礎。

3 體溫采集方案

3.1 方案設計原則

作為患者最重要的一項生理參數(shù)，體溫起著非常重要的作用，是人體新陳代謝、各項組織功能能否正常運轉、各種慢性疾病監(jiān)測的一項重要指標參數(shù)[12]?，F(xiàn)有的體溫測量方式有兩種，分別是接觸式和非接觸式。非接觸式體溫測量工作原理是利用紅外熱譜間接獲取人體體溫，也可以細化為額溫槍、耳溫槍等。接觸式體溫測量主要是利用水銀的熱脹冷縮原理來進行體溫測量，又可以細分為直腸測量、口腔測量、腋窩測量、體表測量等[13]。本研究目的是實現(xiàn)患者體溫的無線實時監(jiān)測，以便于患者攜帶、便于醫(yī)護人員操作、便于工程技術人員維護為原則，同時兼顧設備的成本考慮，統(tǒng)籌各方面因素來整合設計本套采集方案。

3.2 體溫采集模塊

體溫傳感器采用DALLAS公司的數(shù)字體溫傳感器DSl88201[14-15]，體溫采集模塊采用的是單總線連接方式，需將控制器的通用I/O端口與DSl88201的DQ端口相連，便可能實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息、控制信號的傳輸。其具有結構簡單、功耗低、組網(wǎng)方便等特點，溫度測量范圍為-55℃～125℃，如使用測溫范圍在-10℃～85℃范圍內，精度為±0.5℃，最小可精確到0.062 5℃。DSl88201由ROM、存儲器、敏感元件、配置寄存器組成。下面簡單介紹各個部件的作用：ROM的作用為編寫地址序列碼，使得每個設備都有唯一標志。存儲器的作用為儲存結構寄存器和低溫或高溫觸發(fā)器的數(shù)據(jù)信息。敏感元件的作用為探測、檢測物體的溫度[16-18]。配置寄存器的作用為配置DSl88201的分辨率的設置和工作狀態(tài)。因DS188201溫度傳感器的測量精度、溫度適用范圍都適合人體體溫測量要求，本課題選擇住院患者作為研究對象。DSl88201數(shù)字溫度傳感器的工作流程由2個功能模塊組成，一是體溫采集程序，二是溫度轉換程序。

3.3 溫度采集實現(xiàn)

本研究課題采用DSl88201包裝成溫度傳感器，通過CC2530來獲得患者的體溫數(shù)據(jù)信息，ROM指令讀取不同序號來識別不同患者的DSl88201溫度傳感器數(shù)據(jù)信息，各個終端節(jié)點接收到傳感器的數(shù)據(jù)信息，通過路由器轉發(fā)至數(shù)據(jù)庫服務器中進行統(tǒng)一存儲，因DS188201模塊功耗低，可以持續(xù)地對數(shù)據(jù)進行收集。

4 結果

本研究的目的是通過Zigbee技術架設無線網(wǎng)絡，將理論研究應用到實際的應用中，將普通溫度傳感器DS188201封裝成適合體溫測量需要的設備，隨機從住院患者中每個病區(qū)抽取1例患者進行體溫監(jiān)測，為了驗證測試的正確性，定期用水銀溫度計進行測量來佐證。通過DSl88201數(shù)字溫度傳感器采集患者的體溫，同時為了檢查本系統(tǒng)采集的可靠性與精度，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)手工監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行反復比較，通過CC2530控制程序發(fā)送至服務器中儲存，通過比較分析得出：采集的數(shù)據(jù)與人工測量的數(shù)據(jù)基本一致，說明本設計具有一定的可靠性和準確性，二者之間的數(shù)據(jù)差距很接近，不會影響醫(yī)護人員對患者的決策，基本符合實際要求。溫度相差在可控范圍之內，臨床基本可以接受。見圖1。

圖1 體溫測量對照

5 結論

本研究通過分析醫(yī)護工作者在實際工作中遇到的困難，本著解決各種實際困難的角度出發(fā)，提高醫(yī)護工作人員的工作效率，降低醫(yī)療風險，提出基于ZigBee技術的患者溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)。主要是通過ZigBee技術搭建無線網(wǎng)絡，通過制訂采集方案，選用硬件設備，并在醫(yī)院病區(qū)中加以實證研究，通過與人工采集到的體溫數(shù)據(jù)相比較，二者的誤差較少，符合預期的設計目標，可以提高醫(yī)護工作人員的效率。本次研究，對同類型的兄弟單位對患者體溫的實時監(jiān)管具有一定的借鑒意義。