呼吸机运行状态监控系统的设计

王伟，洪范宗，苏秋玲，苏增生

中国人民解放军第180医院 医学工程科，福建 泉州 362000

呼吸机运行状态监控系统的设计

王伟，洪范宗，苏秋玲，苏增生

中国人民解放军第180医院 医学工程科，福建 泉州 362000

目的依托医疗设备租赁中心设计一款呼吸机运行状态监控系统，用于记录、分析呼吸机的运行状态信息。方法基于MSP430单片机开发嵌入式模块，定时收集呼吸机运行状态信息并将其发送至医疗设备租赁中心的服务器；基于Visual Studio C#开发平台设计应用软件，用于接收呼吸机运行状态数据并对其进行分析。结果该系统能够实时采集并储存呼吸机的运行状态信息，并对呼吸机的运行状态进行监测与分析。结论该系统的应用提高了呼吸机实时质量监测能力。

呼吸机运行状态；无线通信模块；单片机；医疗设备租赁中心

呼吸机是一种临床急救与生命支持类设备，广泛应用于急救、麻醉、呼吸维持与治疗、术后恢复等临床救治过程，能够有效提高病人的肺通气量，迅速提升氧气吸入和二氧化碳排放的效率，其参数设置是否合理、性能是否稳定、环境是否适宜、监测是否准确，直接影响着患者的诊疗效果甚至生命安全。在ISO-14971医疗设备风险规范中，呼吸机的风险分值最高[1]，属于超高风险的医疗设备，因而其临床安全性与稳定性也备受关注。

随着电子技术的快速发展，越来越多的设备自带了故障诊断系统，甚至预留了接口以方便技术人员远程监控设备状态，为实时监测设备的运行状态提供了有力的技术保障。本研究依托医疗设备租赁中心[2-3]和医学计量三级站[4-5]，基于嵌入式和物联网技术研究并设计了呼吸机运行状态实时监控系统，下面以PB840呼吸机的运行状态监控流程为例来介绍该系统的研究及设计过程。

1 总体设计

1.1 PB840呼吸机可监测的数据类型

PB840呼吸机显示屏背面右下方有3个RS232串口，配套的说明书中详细介绍了该组串口的通信参数设置方法、通信命令与反馈数据的格式等技术指标，根据相关内容将可监测的呼吸机运行状态信息分为以下几类：① 呼吸机本身信息，如呼吸机ID号、内部时间日期、呼吸管路类型与内径、湿化器的类型与容量、氧传感器是否开启等；② 使用者设置的静态参数，包括设定的呼吸参数值，如呼吸模式、呼吸频率、触发方式、潮气量、平台期时长等；以及报警信息的设定值，如分钟呼气量、呼气潮气量、呼气压力、呼气频率等参数的报警限值；③ 动态监测记录信息，包括呼吸机内部传感器实时监测到的呼吸参数值，如呼吸频率、分钟呼气量、峰值气道压力、平均气道压力等；以及根据传感器检测结果估算的病人呼吸参数值，如估算的总阻力、病人阻力、病人弹性、病人顺应性等；④ 报警信息，主要指呼吸机检测到运行异常时产生的报警信息，包括窒息通气、分钟呼气量过高、呼气潮气量过高、呼吸压力过高、AC电源丢失、电池电量不足、氧浓度低等报警信息。

1.2 系统的整体架构

呼吸机运行状态监控系统主要由数据采集与存储模块、无线数据收发模块以及医疗设备租赁中心的服务器组成。基于嵌入式和物联网技术设计的数据采集与存储模块可定时采集呼吸机的运行状态信息，并将其存入自身配备的存储器中；当呼吸机用毕归还至医疗设备租赁中心后，服务器端的应用软件在登记归还信息的同时，可通过无线网络读取数据采集与存储模块中存储的呼吸机运行状态数据并对其进行分析[6]，然后将分析结果反馈给临床工程师；工程师根据反馈结果对归还回来的呼吸机进行自检、维修保养、计量检定等工作，确保呼吸机运行的安全性与可靠性。其整体架构图，见图1。

图1 呼吸机运行状态监控系统的整体架构图

2 硬件设计及实现过程

呼吸机运行状态监控系统的硬件主要包括数据采集与存储模块、无线数据收发模块两部分。

2.1 数据采集与存储模块

数据采集与存储模块（图2）与呼吸机相连，主要由RS232串口通信模块、MSP430单片机模块、CC1101无线通信模块[7-9]、5 V直流开关电源、锂电池与充电模块、电源切换电路等组成，图中的空心双向箭头代表系统中的数据流向，黑色实心箭头代表系统的电源供电方向。电源电路中的5 V直流开关电源插头、呼吸机电源插头、湿化器电源插头均接入固定在呼吸机背面的插线板上，临床科室的操作人员在使用呼吸机时首先将插线板接入市电，数据采集与存储模块就会与呼吸机同步上电。

图2 数据采集与存储模块示意图

图3 所示的是电源切换电路的原理图，图中B1是锂电池，RL1是继电器，C1是大容量电容，当市电断开时可迅速切换为锂电池供电，可保障数据采集与存储模块的不间断供电，以免市电突然断开时导致数据丢失。

图3 电源切换电路的原理图

2.2 无线数据收发模块

图4所示的是与医疗设备租赁中心的服务器相连的无线数据收发模块的硬件电路结构示意图，主要包括CC1101无线通信模块、MSP430单片机模块、RS232串口通信模块、5V直流开关电源等部分。

图4 服务器端无线数据收发模块示意图

3 软件设计及实现过程

呼吸机运行状态监控系统的软件主要包括MSP430单片机端的控制软件、服务器端的应用软件和SQL Server 2005数据库系统3部分，下面分别介绍前两部分的设计与实现过程。

3.1 MSP430单片机端的控制软件

MSP430单片机端的控制软件用于控制数据采集与存储模块的工作流程，其流程图，见图5。图中的实线箭头是控制程序实际的逻辑流向，虚线箭头则是程序内部或不同程序之间隐含的控制或逻辑关系流程。由图5可知，MSP430单片机的定时器中断函数每隔5 min经由RS232串口向呼吸机发送1次查询呼吸机运行状态信息的命令，随后呼吸机将会按规定的格式反馈其运行状态信息；串口中断函数接收到呼吸机反馈回来的运行状态信息后，将其与5 min前采集到的数据进行比较，并判断接收的数据是否完整，然后根据比较及判断结果设置各标记位的值；主程序则根据各标记位的值执行相应的代码，数据接收完毕后，MSP430单片机若接收到服务器发来的读数据命令，将读取存储器中的数据然后经由CC1101无线通信模块发送给服务器。

3.2 服务器端的应用软件

图5 MSP430单片机控制程序流程图

服务器端的应用软件基于C#开发平台设计，用于实时接收并处理数据采集与存储模块记录到的呼吸机运行状态数据，其流程图，见图6。首先与无线数据收发模块建立通信连接，然后读取呼吸机运行状态信息，若读取成功则分析接收到的数据中是否包含报警信息，是否有参数越界以及其他异常状况信息；软件分析出异常状况信息后，会将异常信息及呼吸机位置信息显示在终端显示屏上；技术人员处理完毕后，按照提示录入处理方案及结果，系统将流程中产生的所有数据存入SQL Server 2005数据库系统中。

图6 服务器端应用软件流程图

4 系统工作流程

呼吸机运行状态监控系统的工作流程图，见图7。图中左侧虚线框内是医疗设备租赁管理流程，右侧虚线框内是呼吸机运行状态监控系统在租赁管理软件的配合下定时读取并存储呼吸机运行状态数据的工作流程。呼吸机运行状态监控系统的主要工作流程介绍如下：

（1）服务器端的上位机软件登记呼吸机租赁信息。

（2）呼吸机抵达临床科室后，医护人员首先将呼吸机背面的插线板接入市电，此时数据采集与存储模块也同步上电启动。MSP430单片机首先控制锂电池充电模块对锂电池进行充电，并在检测到过充现象[10]后停止充电，同时清空存储器，系统计时器开始计时，MSP430单片机切换为低功耗模式运行，5 min计时结束时中断响应函数唤醒MSP430单片机，经串口向呼吸机发送状态查询命令；如果呼吸机正在运行，就会按照预定的格式反馈其运行状态信息，MSP430单片机接收到呼吸机的运行状态信息后将其与上一次的运行状态记录进行对比，若有变化则将其存入数据采集与存储模块的存储器中；存储完毕后计时器重新计时，MSP430单片机再次切换为低功耗模式，等待下一次计时结束后的中断唤醒。

（3）呼吸机使用完毕后，医护人员断开插线板的市电连接，电源切换电路自动将数据采集与存储模块切换为锂电池供电，MSP430单片机将数据存储完毕后切换为低功耗待机模式。

（4）呼吸机归还到医疗设备租赁中心时，服务器端应用软件在登记设备归还信息的同时经CC1101无线通信模块向数据采集模块发送读数据命令，MSP430单片机接收到命令后读取存储器中的数据，再经CC1101无线通信模块发送给服务器端的应用软件，随后MSP430单片机清空数据采集与存储模块的存储器后自行掉电关机，等待下一次呼吸机上电时重新启动。

（5）上位机软件接收完数据后将其存入数据库系统中，然后对数据进行分析，若监测到异常状况则提醒管理人员及时进行处理，记录故障处理方案及结果并将其存入数据库系统中。

图7 呼吸机运行状态监控系统工作流程图

5 结果与讨论

呼吸机运行状态监控系统设计完成后，已在医疗设备租赁中心测试通过，目前运行稳定。通过嵌入式技术、物联网通信技术、应用软件开发技术及数据库技术的配合实现了呼吸机运行状态的实时监测与异常状况分析。但由于实时数据传输系统尚未测试完毕，系统的时效性有待提高，未来将进一步完善服务器端应用软件，并结合物联网技术实现呼吸机全程质量状况监测与实时质量控制。

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

[2] 郑月琼,洪范宗,吴雪英,等．我院医疗设备租赁中心的建立[J]．中国医疗设备,2012,27(4):88-89．

[3] 苏秋玲,洪范宗,董少良,等．结合物联网技术的租赁设备质量控制研究[J]．中国医学物理学杂志,2012,29(5):3665-3667．

[4] 张良才,朱雅轩,陈敏．军事医学计量三级站面临的问题及发展机遇与设想[J]．医疗装备,2004,17(7):23-25．

[5] 苏秋玲,洪范宗,罗奕中,等．基于租赁中心平台的卫生装备质量控制方案设计与实现[J]．医疗卫生装备,2012,33(8):105-107．

[6] 王伟,洪范宗,苏秋玲,等．基于RFID的医疗设备租赁与质量控制管理系统[J]．医疗卫生装备,2014,35(11):31-36．

[7] 郝毫毫．基于CC1101的大容量数据无线传输方法[J]．测控技术,2013,32(2):20-22,26．

[8] 李娟,唐小超,葛立峰,等．基于CC1101射频技术的室内超声定位系统[J]．自动化与仪表,2009,24(6):1-4,39．

[9] 童亚钦,纪春国．基于CC1101的分布式节能测控网络设计[J]．单片机与嵌入式系统应用,2010,(12):43-46．

[10] 谢志英,段荣霞,李明,等．基于MSP430单片机的智能锂电池充电器设计[J]．工业控制计算机,2013,26(12):129-130,132．

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

全军军事医学计量科研专项课题（2011-JL3-003）。

作者邮箱：wangwei．oneway@gmail．com