血液透析数据集成采集技术的研究

冯靖祎 郑 骏* 姚向峰

1(浙江大学医学院附属第一医院医学工程科，杭州 310003)

2(浙江大学医学院附属第一医院肾脏病中心，杭州 310003)

血液透析数据集成采集技术的研究

冯靖祎1郑 骏1*姚向峰2

1(浙江大学医学院附属第一医院医学工程科，杭州 310003)

2(浙江大学医学院附属第一医院肾脏病中心，杭州 310003)

研究血液透析机的内置和外置通讯设备，实现透析机系统数据集成采集，建立智能化血液透析信息系统，对于提高透析质量具有十分重要的意义。本研究实现的血液透析系统数据集成采集设备，可将透析机的各项参数实时传输到患者的透析记录中，并自动存贮数据，方便医务人员实时监测患者透析过程中的情况，免去手工记录数据的工作，从而提高工作效率。其硬件采用32位高速嵌入式处理器、大规模闪速存储技术和表面封装技术(SMT)工艺设计;软件采用实时操作系统Vmax构建应用平台，应用软件采用C语言编制，可实现与各种血液透析机数据同步的功能，并可通过专用网络向上位计算机实时传输透析机在治疗过程中的各种治疗数据和血液透析机的运行参数。实际应用表明，该血透数据集成采集技术具有成本相对较低、临床适用性好等特点，具有较好的应用前景。

血液净化中心;血透机;数据采集;数据集成;血透信息系统

引言

血液透析是一种较安全、易行、应用广泛的血液净化方法。基于安全、有效的目的，血液透析中心在对患者进行血液透析和治疗过程中，要求对透析数据进行实时监控［1－2］。但是，目前这些数据仅仅停留在设备中或显示在设备屏幕上，没有能够被采集、分析、浏览、存储以及再利用，没有能够为临床诊疗、科研教学提供数据支持。因此，有必要建立一套安全有效的监测系统，实现监督、报警、回顾、分析等功能来实现数据的处理及再利用。

国内血液透析中心的现状是血透设备品牌多样化、数据接口各异。虽然，部分透析机可提供自有品牌的数据读取器，但其最大的缺点是不同品牌、型号的透析机数据读取器与软件系统无法相互兼容;另一个缺点是这些数据读取器和软件系统价格昂贵，而且，原厂软件系统缺乏依据临床实际需求而产生的定制化修改［3－5］。这造成了建设成本过高、缺乏定制化修改或者定制化修改的周期长、代价大的情况。这无疑限制了该信息集成技术的应用和发展。

本课题从硬件开发、连接方式、通信协议等方面对血液透析中心的数字化技术进行了研究，设计和实现不同型号血透设备的互联以及相关信息的集成共享。相对国外厂家提供的集成方案，本研究给出的方案具有成本低、适用性强、可定制化等特点。此外，还就血液透析中心信息平台建设给出了参考意见。

1 硬件开发和信息集成

血液透析中心的数字化建设主要应实现3项功能:整合不同品牌的血透机的输出数据;整合透析液供给系统的输出数据;整合血透患者的信息，实现患者上机以及治疗过程的全程记录［6］。

血液透析中心数字化建设的关键在于数据的采集和数据的集成。针对目前部分血透机的数据接口为RS232(recommended standard 232)，而部分血透机不提供任何形式的数据接口的现状，本项目对提供RS232接口的血透机进行外置通讯设备的开发，而对不提供数据接口的血透机进行内置通讯设备的开发［7］。

1.1 内置通讯设备的开发

内置通讯设备开发的难点在于生产厂商不提供包括任何通讯协议内的关键技术资料，及可用的外部数据接口。解决问题的方法就是要开发出内置通讯设备，以实现一个可用的通讯接口。开发内部通讯设备就要从分析血透机内部数据通讯原理和设备的内部接口入手，结合高速逻辑分析仪、存储示波器等工具的运用，对血透机工作状态及内部数据进行跟踪和分析。通过血透机内部的X631接口与血透机的地址线、数据线以及读写控制信号连接，再通过高速逻辑分析仪的数据跟踪，形成透析机的近似完整的RAM映像。通过分析目标数据特征，获得目标数据的具体地址，最后实现目标数据的实时采集［8］。

血透机内部数据通讯原理分析清楚后，进行内置通讯设备的硬件设计和开发(如图1)，数据的获得与接口转换过程包括以下步骤:

步骤1:通过复用透析机的X631接口，可以连接到透析机的地址总线与数据总线;

步骤2:地址及控制线译码电路实现对有效数据的地址过滤;

步骤3:数据缓冲器74HC245实现与透析机数据总线的电平转换与隔离;

步骤 4:一个低功耗 CPU(central processing unit)用于接收地址过滤后的数据及其对应地址，从而实现内部通讯设备的开发，并实现统一的外部接口。

图1 内置通讯设备接口和结构图Fig.1 Interface and instruction of inside communication devices

1.2 外置通讯设备的开发

外置通讯设备实现血透数据的获取，以及RS232数据接口对RS422数据接口的转换。硬件上采用32位ARM(advanced RISC machines)处理器，128 MB FLASH程序存储器、64 MB DRAM数据存储器，以及32位地址总线，16位数据总线，4层PCB(printed circuit board)设计。系统处理器核心电压1.8 V，IO电压3.3 V;外部电源采用AC220 V市电，变压器输出AC6 V供整流滤波电路使用;全桥整流，双Л型滤波电路设计;后级采用双线性稳压电路设计。整机采用低功耗设计。外部通讯接口采用隔离电源模块供电、光电耦合器隔离信号的设计模式。外部电源采用电源滤波器滤除尖峰干扰，过压、欠压、失压保护。其中，透析机通讯模块作为系统的核心功能，是系统中处理优先级最高的功能模块，因此这部分功能必须占用系统中优先级最高的中断功能和快速DMA(direct memory access)通道。透析机通讯接口为EDI双电平不归零物理接口。通讯模块采用独立于主CPU的外围处理器构成，通讯时序和数据打包、解包均由硬件设备完成，与主CPU采用DMA通道进行通讯。

1.3 连接方式

部分血透机通过RS232数据接口和外置通讯设备实现数据通讯，而无外部接口的血透机必须通过自行开发的内置通讯设备实现数据通讯。由于串口RS232通常只能传输15 m，因而需要用串口到网口的转换器并安装相关驱动程序，以便延长传输距离实现数据采集。如:RS422和RS485在19 kbs下能传输1 142 m。因此，在连接方式上选择了传输距离更长的RS422方式，并且为了连接的方便采用了RJ45(registered jack 45)接口，其连接方式如图2所示。费森尤斯血透机(德国)(左1)通过内部通讯设备将X631接口转换为RS422接口后，连接到专用集线器;金宝血透机(瑞典)(左2)由外部通讯设备将RS232接口转换为RS422接口后，连接到专用集线器;集线器将数据发送到信息管理工作站，进行集中显示、存储和分析。

图2 设备连接示意图Fig.2 Connection between different devices

1.4 通讯协议

完成了外置、内置硬件开发并确定连接方式后，数据通讯面临的最后问题是设备接口的通讯协议，即往来数据包格式。数据包中的数据包含:动脉压力、静脉压力、跨膜压力、电导、有效血流量、累计血流量、目标透析量、温度、电解质等血透相关数据。本项目中，对血透实时数据的数据包部分定义如表1所示。

表1 数据包定义Tab.1 Definition of data packet

1.5 数据集成

如表2所示，血透机、水处理设备物理接口、连接方式、通讯协议情况各异，但通过外部通讯设备和内部通讯设备的开发，实现了接口的统一、协议的互认以及信息的互联互通。在此基础上，可通过软件设计实现数据的集成。

表2 相关设备的物理接口、连接方式和通讯协议Tab.2 Physical interface，connection mode and communication protocol of the devices

串行通信中传输时间取决于通信的波特率。本系统采用的波特率为9 600 bps，而数据提取和格式转换使用的处理器运算速度为50 MIPS(million instructions per second)。由于血透单次采样数据量小，因此系统能达到实时数据的显示。图3列举了治疗过程中，部分血透参数在中央站的记录情况，包括流量、压力、电解质等信息。

血液透析信息平台的设计是建立在一个开放式的、可扩展的信息系统上进行，基于 DICOM(digital imaging and communications in medicine)和HL7(health level 7)标准，实现和透析中心的设备(包括透析机、水处理设备等)及其它医疗信息系统的信息交换。各种血透信息可以通过医院内部网络进行信息发布。医护人员可便捷地对血透信息进行分析、浏览、存储以及再利用。

图3 血透监测记录表Fig.3 Hemodialysis record table

2 讨论和结论

我院现拥有120余台血液透析机，现通过1套中央监测系统、1台数据采集服务器、2台数据服务器，建成了实现不同品牌的血透机治疗数据同步采集的系统。该系统建成1年多以来，运行稳定，获得临床认可和好评。

高档血透机多为进口医疗器械，生产国与厂家各不相同，因此血透机协议的标准化和开放化在短时间内无法实现。我院血液透析中心的数字化建设，打破了国外厂家的垄断，自主研发了内置、外置通讯设备，实现了不同品牌和型号的血透机、水处理机的数据采集和数据集成。尤其是内部通讯设备的开发，运用了高速逻辑分析仪对数据实现分析和翻译。最后达成协议的标准化输出，实现所有血透设备的数据通讯。

原厂家的管理系统需求来源于国外的管理理念和流程，且不支持修改。经考察，其提供的管理系统并不适合国内的临床需求和管理要求。我院自主开发的血透管理系统还包括了患者登录系统、血液透析排班信息系统、患者电子病历管理、患者完整的监测和治疗记录系统、患者透析自动排班系统、设备及耗材管理系统、血透质量控制系统等定制化系统来辅助血透中心的日常管理。经过临床验证，该系统具有采集数据准确、迅速，数据显示同步、实时等优点，大大提高了血液透析中心的工作效率和质量，具有广泛的应用价值［9］。

据统计，系统应用后书写文书的时间降低约为原来的20%;原厂家的软、硬件系统不支持所有品牌血透机采用同一套系统进行管理的方案，而且采购成本较高;经测算，自行开发软、硬件系统实际产生的费用约为采购原厂产品价格的25%。系统建立以后，只要升级内置和外置通讯设备的软件，即可兼容新型号血透机实现数据的集成，使得升级、修改等更加方便。

因此，通过研究血透机数据结构，自主开发硬件和软件设备来建立数字化血液透析中心，具有建设成本低、定制化修改的周期短、代价小的优点，值得推广和借鉴。

当然，随着血液透析中心数字化建设的深入，临床应用需求不断地被提出，相应的软、硬件也会不断地更新换代。例如在传输方式上，血透设备通常采用的RS232方式具有传输距离短的缺点，因此本系统采用了传输距离更长的RS422接口。但考虑到有线网络的局限性以及医院无线网络的逐步实现，血透数据通过无线网络进行通讯是血液透析中心数字化建设的必然趋势，也是本系统下一阶段要实现的目标。

本研究探索和实践了血液透析中心数字化建设中面临的数据集成以及数据采集等关键技术与解决办法。针对国内血透相关设备的多样性、接口不统一，甚至无接口的实际情况，本院的成功案例，给出了具有成本相对较低、实用性较强等特点的建设方案，以期医院同行借鉴。

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Study on Data Collection and Integration for Hemodialysis

FENG Jing-Yi1ZHENG Jun1*YAO Xiang-Feng2
1(Department of Biomedical Engineering，First Affiliated Hospital，Medical College of Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)
2(Kidney Disease Centre，First Affiliated Hospital，Medical College of Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

digital blood purification centre;hemodialysis machine;data collection;data integration;hemodialysis information system

R318

D

0258-8021(2012)04-0629-05

10.3969/j.issn.0258-8021.2012.04.00

2011-11-10，录用日期:2012-05-11

浙江省科技计划项目(2009C33113)

* 通信作者。 E-mail:frankzheng@zju.edu.cn