生命体征监测传感器在血液净化设备中的应用

苏东东 刘 娜 郭 赤* 陈仁贵 方 胜

生命体征监测传感器在血液净化设备中的应用

苏东东① 刘 娜① 郭 赤①* 陈仁贵① 方 胜②

目的：研究一种用于实时测量患者脉搏、体温、血压和呼吸指征的生命体征监测传感器及其与血液净化设备组成的监控系统。方法：设计患者呼吸频率监测、电子体温测量和脉搏测量等生命体征监测模块，通过低功耗MSP430单片机的串行外围设备接口(SPI)总线与CC1100为核心的射频(RF)收发芯片接口，实现基于短距离无线通信技术的血液净化监控网络系统，从而将传感器采集的患者生命体征数据实时传输到血液净化设备，进行治疗管理和安全控制。结果：生命体征监测传感器的应用解决了安装设备连线、治疗过程无人值守以及护士多点管理难兼顾等问题，实现了在线测量、数字量化、安全警示与应急处置相结合的综合治疗和监护功能。结论：智能传感器与短距离无线通信技术的结合，可极大提升血液净化设备的治疗功能和安全性，提高医护人员工作效率，及时发现治疗中的不良反应，从而降低医疗事故的风险。

血液净化；生命体征；脉搏；血压；短距离无线通信

[First-author’s address]Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Region, Wuhan 430070, China.

血液净化是从人工肾治疗慢性肾功能衰竭的基础上发展起来的，在临床上由血液灌流、血液透析发展到血浆置换、血液滤过和吸附净化等多种治疗方法。血液净化设备从肾科设备向肝胆、急救中心、烧伤、肿瘤、妇科和儿科等多科室发展，用于支持肾脏、肝脏、心脏和肺等多种重要器官的功能[1-2]。本研究研制了各个生命体征监测传感器，组建短距离无线网络实现各模块和血液净化设备主机的联网，通过实时信息传输，实现患者体征参数的在线测量，在主机监控系统的管理下进行处方调整、安全警示和应急处置。

1 血液净化设备原理

血液净化设备综合运用了生物医学、信号检测、计算机软件及自动控制等领域的科学技术方法，是血路、水路和电路“三路合一”高度集成的系统[3]。血液体外循环回路与(透析液等)水路的正常运行直接关系临床治疗效果和患者生命安全；而电路系统则负责整机的运行控制、安全监测和治疗过程管理，涉及血液探测、空气监测、压力测量与控制等多项安全疗效指标，与其他医疗设备相比，在安全性、连续工作时间和可靠性等方面要求更为严格(如图1所示)。

图1 血液净化设备原理图

血液净化患者免疫机能低下，频繁的血液净化治疗极易产生透析中高血压、溶血及失衡综合征等多种并发症[4-5]。目前，各种应用于临床的血液净化设备在治疗中的安全保障主要有两个方面：①血液净化设备自带的监测手段，包括血液流速、动静脉压、脱水速率、离子浓度和透析液温度等；②在患者端主要采用人工或独立的设备进行测量，包括血压、脉搏和心电监护等，通过患者临床反应、自述或者护士的例行检查来进行治疗监管和应急处置。同时，随着血液净化中心装机规模扩大，传统的单人单机、专人职守的工作模式逐步改变为护士定时巡查等监护方式，“无人值守”已变得越来越普遍。因此，及时发现患者治疗中的临床反应，调整治疗处方或者采取救治措施的有效途径是：①实时监测患者治疗过程中的生命体征变化包括：呼吸、体温、脉搏和血压等；②建立体征参数与血液净化设备间的信息传输通道，进行安全报警和应急处置；③进行治疗处方的反馈调节，提高患者治疗中的舒适性等[6]。

2 生命体征监测传感器及其组网原理

临床上常把呼吸、体温、脉搏和血压作为患者的四大生命体征，利用传感器技术将体征信息转换成为数字信号，可供监控系统进行显示、处理、调节和控制[7]。

2.1 血压监测传感器模块

血压测量常用听诊法和示波法，示波法采用充气袖套来阻断上臂动脉血流[8-10]。由于心搏的血液动力学作用，在气袖压力上将重叠与心搏同步的压力波动称为脉搏波。当袖套压力远高于收缩压时脉搏波消失，随着袖套压力下降脉搏波开始出现，当袖套压力从高于收缩压开始下降时脉搏波会突然增大，到达平均压时振幅则达到最大值。随后又随袖套压力下降而衰减，当小于舒张压后动脉管壁的舒张期已充分扩张，管壁刚性增强，而波幅维持比较小的水平。示波法血压测量是根脉搏波振幅与气袖压力之间的关系来测量血压。与脉搏波最大值对应的是平均压，收缩压和舒张压分别对应脉搏波最大振幅的比例来确定[11]。测量电路如图2所示。

图2 电子血压监测传感器框图

袖带中的压力传递到压力传感器BP300，转换成微弱的电压信号，经后续放大、滤波处理，传输到单片机集成的A/D转换器中进行数字转换，经示波法计算处理后获得舒张压、收缩压和脉搏的值。单片机发出控制信号，经驱动控制袖带的打压和释放配合每次测量过程。单片机通过内置RS232接口与RF模块连接，通过无线通信技术实现与上位机的通信。

2.2 电子体温测量传感器模块

基于方便和安全的因素，电子体温测量采用腋下的测量方法更为合理。采用美国DALLAS公司的DS18B20数字温度传感器，能很好的满足测量需要，并具有体积小、封装方便、功耗低和线路简单(1-wire接口)等优点；在35 ℃～45 ℃范围内的测量精度可以达到±0.2 ℃，适合用于患者的体温检测(如图3所示)。

图3 电子体温测量原理框图

将DS18B20温度传感器芯片封装于不锈钢外壳做成的“测试笔”中，便于临床使用。采用典型的1-wire总线与低功耗的单片机MSP430的I/O口连接，可读取实时的温度数据；通过内置锂电池供电，并通过单片机的串行外围设备接口(serial peripheral interface，SPI)扩展短距离无线传输电路模块，构成智能传感器[12]。

2.3 短距离无线通信RF模块的扩展

上述体征监测传感器和电路均具有体积小和功耗低的特点，通过选用低功耗的单片机及其信号采集、处理电路可组装成电池供电的便携式模块，可有效避免患者漏电流的存在。同时，采用目前物联网领域广泛使用的短距离无线通信技术，可实现监测传感器与各种应用设备的联网和数据交换。

MSP430系列单片机是TI公司生产的超低功耗16位CPU架构，具有A/D、D/A、SPI、UART以及丰富的GPIO和存储单元，运算能力强，适合应用于便携式医疗产品中。无线收发器电路则选用美国Chipcon公司的CC1100芯片，其工作于433/868/915MHZ的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器以及一个功率放大器组成，易于编程配置，其电路通过SPI接口和MSP430单片机相连，电流消耗低，适用于电池供电的应用场合[13]。

3 传感器模块的应用

血液透析机是一种数字化的医疗设备，由主机系统及各种嵌入式的控制、驱动模块组成，支持CAN、RS485和Internet等多种接口，易于应用扩展。通过无线通信技术可将电子血压计、体温计、脉搏和呼吸频率测量模块等智能传感器连接起来，组建成以血透设备主机为中心的小型传感器网络系统[14-15](如图4所示)。

图4 患者体征监测组网示意图

在该小型传感器网络系统中各个监测模块实时采集患者治疗过程中的心率、血压、体温以及呼吸的体征参数，发送给主机的主控系统，在监控程序的管理下进行显示、超限报警或者供运行管理程序进行血流量、透析液温度及压力等方面的调节控制，达到个性化治疗和安全控制的目的。

通过CC1100无线收发器，MSP430将传感器采集的患者体征数据传输到血液净化设备主控系统中，同时接收来自主控上位机的命令信息。每个传感器都有唯一的地址码，其地址码可通过MSP430中的FLASH进行固化，每次上电后传感器模块都是通过其地址码实现与特定上位机的通信联系。每个生命体征监测传感器应用于不同的血液净化设备网络中时均能够通过自学习算法实现与该设备的主机系统建立新的地址编码表，从而保障每个患者的信息传输可靠、安全。其基本数据传输格式见表1。

4 结语

血液净化治疗过程所引发的并发症，伴随患者脉搏、血压和呼吸等生命体征的变化，监测体征参数的变化可及时发现患者不良反应，以便于医护人员采取医疗措施。采用专门设计的生命体征监测传感器，以实时在线监测患者体征参数，通过引入目前广泛应用的短距离无线通信技术，既解决了安装布线、治疗过程无人全程值守等问题，又实现了随时监测、安全警示与应急处置相结合的综合管理功能，有效地提高了患者治疗的安全和医护人员的工作效率，可极大降低治疗安全风险，进而提高社会效益和经济效益[16]。

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Application of vital signs monitoring sensor in the blood purification equipment

SU Dong-dong, LIU Na, GUO Chi, et al// China Medical Equipment,2014,11(6):62-64.

Objective:Researching the monitoring system consist with the monitoring sensor and the blood purification system, the monitoring system which can test the pulse, temperature, blood pressure, breath.Methods:Designing the patient’s breath frequency monitoring, electronic temperature testing and the pulse measurement monitoring mode ,through the SPI wire of low power consumption MSP430 and RF receiver chip port the core of which is CC100, and can achieve the short distance wireless technical blood purification monitoring system, so that can transfer the patient data which collected by the sensor to the blood purification equipment, then do the treatment management and safety control.Results:To solve the problems such as install wire, nobody guard during the treatment, nurse can check more patients, so that can achieve online measurement, digital qualified, safety alert and emergency disposable, monitoring function.Conclusion:The digital sensor and short distance wireless combination technique, improve the treatment function and safety of the blood purification equipment, improve the work efficiency of the doctors and nurse, and can find the abnormal effect during the treatment, so that decrease the risk of the medical accident.

Blood purification; Vital signs; Pulse; Blood pressure; Short distance wireless communication

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.06.020

1672-8270(2014)06-0062-03

R319

A

2013-09-25

①广州军区武汉总医院血液透析中心 湖北 武汉 430070

②重庆山外山科技有限公司 重庆 400067

*通讯作者：guored1000@sina.com

苏东东，男，(1963- )，硕士，主任医师。广州军区武汉总医院血液透析中心主任，从事临床医疗及血液透析设备研究工作。