基于临床日常护理生理指标自动巡测系统的设计

周 伟，赵丹丹

（河南工业职业技术学院，河南南阳473009）

基于临床日常护理生理指标自动巡测系统的设计

周 伟，赵丹丹

（河南工业职业技术学院，河南南阳473009）

主要针对临床上对病患体温、脉率和呼吸频率3个生理信号的数据采集和传送，介绍一款自动巡测系统。该无线生理参数监护系统可以实现：脉搏信号的拾取和分析，计算脉率；通过Tsic506高精度温度传感器对体温数据进行读取；通过对呼吸时鼻腔内的温度变化的数据计算呼吸频率；实时地进行传输显示体温、脉搏和呼吸频率的数值；在数据的采集节点进行呼叫，数据接收节点设有相应的复位按钮。本系统各功能模块分工明确、结构清晰，日常功能的修改、扩展和维护容易，同时还具有对设备要求低、开发时间短，对写入的程序可以进行加密等优点。

温度传感器；Tsic506；脉率；模块化

1 绪论

体温、脉搏和呼吸频率作为临床上最为常规的3个生理参数，最为直观的反映着病人的生理状况，其中任意一项的异常都表明患者病情的变化。以往的医疗监护主要使用传统的人工测量，由于其实时性较差，且医护成本较高，如今已逐渐被现代化的自动巡测系统取代。

体温、脉率和呼吸频率的无线实时监控显示系统实时显示的3个参数是术后病患病况变化最基础最直观的反映。病患的体温数据对于预后的判断是十分重要的参考量，临床上可根据一段时间内病患的体温的变化绘制成曲线，对于发热病患来说，其体温数据连接形成的曲线被称为热型（fever type）。根据其变化形式可将其分为多种热型，例如:稽留热（continued fever）、弛张热（remittent fever）、间歇热（intermittent fever）及不规则热（irregular fever）等［1-4］。根据患者的热型可对预后做出具有一定参考意义的判断。脉率和心率的在数值上是相等的，脉率的变化反映着心率的变化，脉率在短时间内的较大变化通常标志着病情的恶化。呼吸频率在临床护理中数据比较稳定，与脉率一样若在短时间内发生持续迅速的增长，也标志着病患情况的恶化。因此脉搏与呼吸频率对于患者当下的生理状况的反应具有十分重要的意义。

本系统在进行设计时每个模块完成一个功能，各功能模块分工明确、结构清晰，日后功能的修改、扩展和维护容易。采用的STC12C5A60S2单片机作为信号的采集节点和监控节点的核心微处理器，系统还具有对设备要求低、开发时间短，对写入的程序可以进行加密等优点。

2无线监测系统方案设计

本文主要针对临床上对病患体温、脉率和呼吸频率3个生理信号进行数据的采集和传送。该无线生理参数监护系统可以实现:①脉搏信号的拾取和分析，通过对脉搏信号的分析来计算脉率；②体温温度的读取，通过Tsic506高精度温度传感器对体温数据进行读取；③通过对呼吸时鼻腔内的温度变化的数据进行分析，计算呼吸频率；④实时地进行传输显示体温、脉搏和呼吸频率的数值；⑤在数据的采集节点进行呼叫，数据接收节点设有相应的复位按钮。

2.1系统总体设计思路

生理参数监护系统由多个生理参数采集节点与一个数据接收节点两部分组成，这两者之间的通信是通过短距离无线通讯模块实现。系统整体结构如图1所示。

无线生理参数巡测系统由多个生理参数测量节点和数据一个接收节点构成，测量节点和接收节点之间的通讯依靠无线射频模块进行通信。单个数据采集节点由2个温度传感器、1个脉搏传感器、1个单片机微控制器、1个无线射频通讯模块，2个温度传感器一个用来测量体温、一个用来进行呼吸频率的测量。在数据接收节点的无线射频通讯模块接收到数据后，单片机发出指令将接收到的数据显示在NOKIA5110液晶显示屏上。

图1系统整体结构图

根据设计的目标，总结出系统的总体要求:①微小的体积，系统体积微小更加节省空间；②较高的可靠性，系统运行要稳定；③使用方便，在使用过程中不能给患者造成额外生理负担；④便于维修，传感器的接口简单。

2.2系统硬件设计方案

根据总体的系统设计方案，提出可行性高的硬件设计方案。在实施具体的设计方案时，对单个时间点上的系统进行相应的简化，由于所有的数据采集节点在组成结构上是相同的，因此系统可以简化成一个点对点的结构。简化后的结构如图2所示。

图2简化后的系统结构图

数据采集节点由2个温度传感器、1个脉搏传感器、1个单片机、1个无线射频传输模块组成。数据采集节点通过相应的传感器对人体的生理参数进行测量，测量所得数据在单片机内进行相应的分析，最后单片机驱动发送端的无线射频模块将分析后的数据进行传输。数据的接收节点在接收到数据后，单片机直接将接收到的数据在LCD屏上进行显示。在对生理信号进行测量时，两温度传感器Tsic506、DS18B20分别用来进行体温和呼吸时鼻腔内温度数据的测量，读取脉搏传感器数据时则需要先进行AD转换，将模拟信号转变成数字量的形式后再进行相应的数据分析。数据在通过无线射频模块传输到数据接收节点后，需要依照相应的通讯协议先进行拆包，才能将数据通过接收节点的微处理器发送到液晶显示屏上进行显示。

无线生理参数巡测系统的主要功能:

（1）人体体温采集功能。采用精度较高的数字式温度传感器进行读取，测量精度达到0.1摄氏度。

（2）脉搏信号的拾取。通过指尖进行信号的采集，将采集来的信号进行相应的分析，最终得出脉搏的数据。

（3）呼吸时鼻腔内温度的采集。采集鼻腔内的温度数据，通过温度的变化，将采集到的数据绘制出相应的曲线，然后进行数据分析，得出呼吸频率。

（4）数据的无线传输功能。数据的采集节点和接收节点之间能够完成单方向的通讯。

（5）数据在液晶屏上的显示功能。

3系统软件的设计思路

该无线生理参数巡测系统的软件主要由采集端主程序、接收端主程序组成。采集端主程序包括2个温度传感器、1个脉搏传感器和1个无线发送，4个模块的程序；接收端主程序包括1个无线接收和1个液晶显示，2个模块的程序。

在系统程序设计时要有清晰的思路，模块的设计方案是使程序更为简洁、清晰。本次设计程序采用C51进行编程，在Keil Uvision4环境中进行编程将最终生成的HEX文件烧录到单片机内。与单片机的汇编编程相比，C语言在可读性、结构性和功能等方面具有更为明显的优势。

设计软件时，需要注意保持模块化的编程思想，在进行程序编写时，每段程序都要分工明确。无线射频模块的发送和接收端必须设置成同一个通信频率。系统软件的整体结构、数据流向如图3所示。

图3系统的数据流向图

4实验结果的分析

在实验中，当未输入人体体温信号时，体温传感器的测量结果为周围环境的温度，数值会随着传感器周围温度的变化而变化，因此在未进行任何信号输入时体温项显示的是周围环境温度，而脉搏和呼吸项因没有任何信号的输入，故显示值为0。当分别进行体温、脉搏和呼吸信号的输入时，相应的项显示数据会发生变化，除了体温信号的实验值是一组外，另外两个实验都包含三组小实验，这三组实验进行相互对照，可以发现系统对信号变化的反应良好。LCD显示屏右下角现实标号1代表这是由1号节点发送来的数据，当按下1号节点的按钮时LCD闪烁显示接收到的参数，表示病人呼叫，当按下数据接收节点的按钮时，显示恢复正常。

通过查询资料可知，正常人的口腔温度为36℃至37.3℃，根据个体的差异可有一定的波动，腋下正常的温度约为36.0℃至37.0℃，直肠内的温度较高，相比于腋下的温度约高0.5℃。为了测量方便，临床上常规的体温测量大多数是对腋下的温度进行测量，虽然结果与核心温度有一定的差距，但是作为临床判断的依据已然足够。本次实验测得手指表面的温度约为35.5℃，使用水银温度计进行测量，测得指尖温度介于35.5℃到35.6℃之间，更接近于35.5℃，与实验结果接近，误差较小，设计实验结果显示，在本次实验中测得体表温度为35.5℃，在正常测量范围内。事实上人体平均的皮肤温度约为33.8℃，日均方差约为0.6℃。

正常成年人的呼吸频率约15次／min到20次／min，在运动后呼吸频率会发生变化。在进行测试时人为地对呼吸频率进行改变，当进行深度呼吸时，呼吸频率必然减慢，人为地进行较高深度的呼吸，呼吸频率可小于正常范围，另外在进行较浅的呼吸时，呼吸频率相应得会增加。实验过程中，进行较高深度的呼吸时系统测量得出的呼吸频率为11次／min，以同样的呼吸频率进行呼吸时，人工计数测得一分钟进行了11次完整呼吸和1次完整吸气过程，考虑到人工计时的过程中存在一定的误差，以及每一次呼吸时间之间也会存在一定的差异，试验中测得的结果在允许的范围内。正常的呼吸时，测得的呼吸频率为19次／min。当快浅的呼吸时，实验结果也迅速发生了明显得变化。经实验验证该系统在反应呼吸频率的变化的方面较为灵敏。

对心率进行测量，男性的脉搏要比女性跳得快，运动员或者是长期锻炼的人的脉速较慢，故心率值的范围较大。一般一个健康成年人的心跳速度在60次／min-120次／min的区间内都是正常的。在本次试验中，通过改变呼吸频率的方式来改变心率的数值，当实验者减少呼吸次数或者停止呼吸时，心率会明显下降，当实验者进行正常平稳的呼吸时，心率迅速而明显地上升至正常范围，当继续加快呼吸或者运动、情绪紧张时，心率明显升高。该系统对各种情况引起的心率增加都能很灵敏地进行准确反应。

5结束语

本次课题研究并实现了一个3参数生理信号自动巡测系统。本系统使用了高性价比的STC12C5A60S22单片机作为核心处理器，其内部集成的AD转换电路使整个系统的开发变得简单，较低的功耗使系统在进行长时间、实时地对体温、脉率和呼吸频率巡测的工作上表现优异。在系统设计时从整体上进行规划，对于各功能的实现均由相应的模块来进行。传感器在低成本、开发周期短、易于维护、性能稳定的前题下进行选择。

由于时间短、个人能力不足，本系统仅实现了对体温、脉搏、呼吸频率的简单测量。在进行系统设计时，传感器选择了高度集成的数字式温度传感器和脉搏传感器模块来进行信号采集。在进行算法的设计时，由于无法获取到更好的思路，在实现的功能上存在一定的缺陷。功能上依旧需要对以下几点进行相应的完善。

（1）实现对血压的监测，血压也是人体较为重要的生理参数，血压数据变化的检测也是临床监护中的重要参考信息。

（2）在进行呼吸频率的数据分析时应能分辨出咳嗽等呼吸异常。

（3）实现与上位机的通讯，将数据传输到上位机上进行相应的显示。

互联网技术的广泛应用使医疗在远程医疗监护领域逐渐迈开脚步，基于互联网的远程医疗监护系统已经成为生理参数巡测系统的发展方向。本次的设计为近距离的生理参数自动巡测系统，在医院病房或者家庭等用户中能够满足对心理、脉搏和呼吸频率信号的检测，且具有体积小、成本低、易维修、移动性较好等优点，在户外急救等具有较高移动性的情况下应用效果较好。

［1］无线通讯模块NFR24L01.

［2］陈 拓.Tsic系列高精度温度传感器的应用［Z］.2011.

［3］柳巨雄，杨焕民.动物生理学［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［4］欧阳钦.临床诊断学［M］.北京:人民卫生出版社，2010.

［5］孟亚丽.四参数生理监护仪的设计［D］.天津:天津大学，2005.

［6］杨志寅.诊断学大辞典［M］.北京:华夏出版社，2004.

［7］冷富萍，王安静.临床体温测量技术的研究进展［J］.中华现代护理杂志.2010，32:2-3.

［8］王守利.基于无线传感器网络技术远程医疗监护系统的研制［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2009.

Design of automatic detecting system based on clinical daily-nursing physiological index

ZHOU Wei，ZHAO Dan-dan
（HenanPolytechnicInstitute，Nanyang473009，China）

The clinical data collection and the transmission for the three physiological signals of the temperature，the pulse rate and the respiratory rate are presented.The wireless physiological parameter monitoring system can achieve the following functions:picking and analysis of the pulse signals and the pulse rate calculating；temperature data reading through Tsic506 high precision temperature sensor；calculating respiratory frequency through the data of the respiratory temperature which changes in the nasal cavity；real-time transmitting and displaying the data of the temperature，the pulse and the respiration frequency；calling in the data collecting node without the corresponding reset button.Each module of the system has functions of clear labor division，clear structure，easy to future functional modification，extension and maintenance.At the same time，it also has advantages of the lower requirement for equipment and the short time for developing and can make encryption for the written procedures.

temperature sensor；Tsic506；pulse rate；modularization

TP274+.2

B

周 伟（1978-），男，河南人，河南工业职业技术学院汽车工程学院教师，从事自动化、机电一体化、汽车电子类教学和研究工作。

2016-06-15

1005—7277（2016）04—0035—04