ICU生命体征监护系统实验设计与实现

唐　璐, 田传耕, 吴　响, 张　立

(1. 徐州医科大学 医学影像学院, 江苏 徐州　221004；2. 徐州工程学院 信电工程学院, 江苏 徐州　221018)



ICU生命体征监护系统实验设计与实现

唐璐1, 田传耕2, 吴响1, 张立1

(1. 徐州医科大学 医学影像学院, 江苏 徐州221004；2. 徐州工程学院 信电工程学院, 江苏 徐州221018)

为提高医学类院校工科学生的工程实践能力与创新能力,实现医工结合,设计开发了一套ICU生命体征监护系统,介绍了系统的组成与工作原理、硬件设计方案以及软件开发工作,使传统护士的“记、听、看”模式变为依据手机提示工作的新型模式。该系统应用于电子课程设计实践教学中,既丰富了实验教学内容,又提高了学生对专业知识与技能的综合运用能力以及科研创新能力。

临床监护； 远程监护系统； 互联网应用

监护是医院对患者进行临床诊断的常用手段之一,它能够对病人的心率、心律、呼吸、血压、血氧饱和度进行监测和分析。在重症监护室(ICU),每天每位患者平均可出现150～400次报警,有些甚至高达700次报警[1-2]。Gross等研究表明,普通病房里的监护患者平均每天也可产生95.6次报警[3]。有些病人难以承受监测仪器发出的报警声音。

在ICU中,医护人员需要实时了解病人的生命体征参数等信息,患者在需要帮助时要能及时呼叫医护人员,但是也要减少各种噪音,给病人提供一个安静的环境。为此,结合临床医学实际需求,综合运用临床医学概论、单片机原理[4]、无线传感网技术[5-6]、C#、Java软件开发等相关知识,设计了一个ICU生命体征监护系统,实现了医学、工学等相关课程的结合,培养学生的创新意识和科研能力。

1　系统设计方案

本系统主要由感知终端、中继节点、网关节点、监护终端构成。

1.1感知终端

感知终端需要实时采集临床人体的特征信息。在感知终端的开发设计中,学生需要综合运用临床医学概论、单片机技术、传感器技术、数字信号处理等相关知识。感知终端的主要功能有:

(1) 通过CC2530[7]获取ECG心电电压信号,将采集的信号进行放大和滤波,对电压信号进行采样,实现从模拟量到数字量的转换,实时显示在液晶显示屏上；

(2) 通过CC2530控制实现红光与红外光的切换,根据氧合血红蛋白与还原血红蛋白对红光和红外光的吸收量不同计算出血氧饱和度值;采集脉搏/血氧信号,实时显示在液晶显示屏上；

(3) 通过按键可以选择感知终端的复位,进行心电采集与脉搏/血氧采集之间的切换；

(4) 监护中能够计算出心电脉搏的正常阈值,若超过阈值,系统能够准确识别并提示医护人员。

1.2中继节点和网关

将感知终端实时采集到的人体特征信息通过无线的方式直接发送或通过中继节点发送给网关节点。网关节点对收到的数据进行可配置的预处理工作,然后将预处理后的数据发送给服务器,由服务器对这些人体特征相关数据进行处理并向监护终端发送数据。因此,学生需要将无线传感器网络、Contiki操作系统、IPv6[8-9]的相关知识进行交叉运用,按照教师提供的通信协议完成中继节点、网关的设计。

1.3监护终端

监控终端包括PC监护终端和手机监护终端。护士不仅可以在护士站通过PC监护终端实时观察病人的特征信息,还可在任何地方通过手机监护终端监护病人。PC监护终端软件的开发采用的是Microsoft Visual Studio 2010,采用SQL Server2005设计。被监护者的信息包括节点ID、姓名、性别、年龄、联系方式、备注信息；监测信息包括心电信号、每分钟脉搏数、脉搏强度、血氧饱和度等。手机监护终端界面以Eclipse为框架,使用C#、Java语言来编写应用程序、完成开发设计。由于C#、Java语言为课外选修课,学生掌握的程度不同,所以人机交互界面的全部代码公开给学生,给对Android系统开发感兴趣的学生提供良好的开发平台,培养学生的创造性思维。

2　系统硬件设计

2.1感知终端设计

感知终端的主要构成如图1所示。TI公司的CC2530芯片集成了业界标准的增强型8051微控制器,其组网灵活、能耗低,可根据不同的应用组建不同的拓扑网络,节点可兼具路由与终端的功能,提高了网络的稳定性,可很好地完成无线数据的发送和接收。为了提高CC2530的无线传输性能,在CC2530模块发射前端增加了功率放大芯片RFX2401。

图1　生命体征感知终端硬件结构图

2.1.1心电采集

为了使CC2530可以准确获取ECG的电压采集序列,需要由放大电路和滤波电路构成的驱动电路完成对原始信号的放大和滤波。图2是心电采集模块的实物图,其中U9、U10、U11是利用贴片电极,通过三联导的方式采集人体心电信号序列电路图,通过心电采集模块的放大、滤波、去噪等处理,转换成CC2530可以处理的电信号。在CC2530内部利用12位A/D转换器,对电压信号进行采样,实现从模拟量到数字量的转换。

图2　三联导心电采集模块

2.1.2脉搏/血氧采集

氧合血红蛋白对可见红光吸收较多,还原血红蛋白对红外线吸收较多。用分光光度法测定红外线吸收量与红光吸收量的比值即能直接确定血液的氧合程度。图3为脉搏/血氧采集电路图,图3(a)中电路由2个9012三极管、2个9013三极管和6个电阻构成。图3(b)中U8的管脚5与图3(a)的RED相连接收红光,图3(b)中U8的管脚6与图3(a)的INFRARED相连接收红外光,CC2530处理器通过控制该电路的通断模式来实现红光与红外光的切换,从而根据氧合血红蛋白与还原血红蛋白对红光和红外光的吸收量不同计算出血氧饱和度值。

图3　脉搏/血氧采集电路图

2.1.3功能按键

功能按键部分主要包括3个10 kΩ限流电阻、3个非自锁按键、3个0.1 μF的电容(见图4)。按键模块的功能是实现感知节点的复位、心电采集以及脉搏/血氧采集之间的切换,通过配置CC2530内部的寄存器实现按键触发中断事件,根据重新组织的逻辑关系,实现不同按键触发感知节点不同的采集功能。

图4　功能按键模块原理图

2.1.4液晶显示

为使心电图和脉搏/血氧波形图能够及时显示出来,采用了12864液晶作为显示界面。该模块具有灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,具有全中文人机交互图形界面,也可完成图形显示。12864液晶工作温度为0～55 ℃,存储温度为-20～60 ℃,无需外加负压、无需片选信号,简化了软件设计过程。

2.2中继节点、网关节点

将感知终端的信息通过近距离无线多跳转发方式发送给网关。网关收到数据后通过以太网总线将其发送到监护终端。中继节点和网关节点的无线收发模块也选用CC2530芯片。该芯片具有51内核,自带IEEE802.15.4协议,组网灵活。网关软件采用Contiki操作系统和与其配套的轻量级IPv6协议栈[10],能有效保证服务器和监控终端之间数据的透明传输。

3　系统软件设计

感知终端上电后,首先完成协议栈的初始化,节点自动加入无线传感器网络,显示感知终端ID号,准备临床生命特征信息的采集。按下功能按键后,感知终端进入实时采集状态。在感知终端工作的过程中,会对患者不同的体征信号设置不同的采集周期,通过设置不同的计数延迟实现。感知终端将采集到的生命特征信息显示在本地感知终端的显示屏上,实时发送到PC监护终端并推送到手机监护终端。手机监护终端和PC监护终端也可以主动向数据中心请求生命特征信息数据。系统采用休眠机制来降低节点的功耗,唤醒休眠的事件有定时器和按键。感知终端具体工作流程如图5所示。

图5　感知终端软件工作流程

4　系统实现

ICU生命体征监护系统有PC监护终端和Android系统的手机监护终端。PC监护终端通过计算机监护；基于Android的手机监护终端可以通过GPRS、Wi-Fi、3G等网络接入Internet,以Eclipse和Android SDK来搭建开发环境,使用Java语言来编写应用程序[11]。用户输入用户名和密码登录系统,进入监护界面。

点击“心电”按钮进入心电监护界面。图6(a)为心电信号采集,包括生命体征感知终端采集心电、PC监护终端采集心电、手机监护终端采集心电。

点击脉搏强度按钮可进入脉搏/血氧监护界面。图6(b)为脉搏/血氧采集,包括生命体征感知终端采集脉搏/血氧,PC监护终端采集脉搏/血氧,手机监护终端采集脉搏/血氧。

图6　系统实现

5　结语

本文设计并实现了一种ICU生命体征监护系统,系统通过单片机技术、Android开发技术、无线传感网等技术与临床实际结合,有助于激发学生的学习潜能和学习兴趣,提高学生的专业知识综合运用能力和科研创新能力。实际运行结果表明,用户使用Android智能手机可监测病人的生命体征信号(如心电和脉搏/血氧),并且监测结果正确,使用性能稳定可靠。

References)

[1] CAT Force. American College of Clinical Engineering (ACCE) Health care Technology Foundation. Impact of clinical alarms on patient safety:a report from the American College of Clinical Engineering Health care Technology Foundation [J].Journal of Clinical Engineering,2007,32(1):22-33.

[2] Bliss J,Fallon C K,Nica N. The role of alarm signal duration as a cure for alarm validity[J]. Appl Ergonom,2007,38(2):191-199.

[3] Gross B,Dahl D,Nielsen L. Physiologic monitoring alarm load on medical/ surgical floors of a community hospital[J]. Biomed Instrum Technol,2011(suppl):29-36.

[4] 周润景,徐宏伟,丁莉.单片机电路设计、分析与制作[M].北京:机械工业出版社,2010.

[5] 徐冬冬,郭薇,葛小宇.无线输液报警系统设计[J].南京信息工程大学学报:自然科学版,2013,5(6):548-552.

[6] 颜盛银,单鸣雷,朱昌平,等.无线传感器网络实验系统开发[J].实验技术与管理,2013,30(2):58-61.

[7] CC2530数据手册.[Z/OL].[2016-02-03].http://www.ti.com.cn.

[8] 姜仲,刘丹. Zig Bee技术与实训教程:基于 CC2530 的无线传感网络技术[M].北京:清华大学出版社,2014.

[9] 常英亮,秦雅娟,高德云,等.基于异构分簇机制的 IPv6 WSN 系统设计与实现[J].计算机技术与发展,2013,23(9):147-154.

[10] 宋树彬,王能.无线传感器网络上超轻量化的IPv6协议栈[J].计算机应用,2007,27(10):2556-2558.

[11] 郭宏志.Android应用开发详解[M].北京:电子工业出版社,2010.

Design and realization of experiments for ICU life signs monitoring system

Tang Lu1, Tian Chuangeng2, Wu Xiang1, Zhang Li1

(1. School of Medical Imaging,Xuzhou Medical University,Xuzhou 221004, China；2. School of Information and Electrical Engineering, Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou 221018, China)

In order to improve the engineering practical innovative ability of engineering students in medical colleges,realizing the combination of medicine and engineering, a set of ICU life signs monitoring system is designed and developed. This paper introduces the components and working principle,system hardware design scheme and software development work. So that the traditional nurse’s “Remenbering-Listening-Seeing” mode becomes the basis of “Mobile Phone Prompts Work” new mode. The system is applied in the practical teaching of electronic course design,which not only enriches the content of experiment teaching,but also improves the ability of comprehensive utilization of professional knowledge and skills,and the ability of scientific research and innovation.

clinical care; remote monitoring system; Internet application

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.036

现代教育技术

2016-02-15

江苏省科学技术厅产学研联合创新基金项目(BY2014033)；徐州市科技计划项目(KC15SH013)

唐璐(1982—),女,江苏徐州,硕士,讲师,主要从事生物医学工程教学科研工作.

E-mail：xztanglu@163.com

TP393

A

1002-4956(2016)9-0140-04