智能移动病床系统结构及其主控板研发

傅 林，陈思利

(成都工业学院 网络与通信工程学院，成都 611730)

智能移动病床系统结构及其主控板研发

傅 林，陈思利

(成都工业学院 网络与通信工程学院，成都 611730)

给出智能移动病床系统框架结构和设计思想、方法，以自动化、网络化、无线化和智能化为目标，以顶层设计为指导，以可穿戴设计、柔性结构设计为圭臬，以模块化方法为主线进行研发。重点研究智能移动病床系统主控板实验模块，探讨模块软硬件功能实现和性能保障途径与方法，尤其探讨嵌入式多传感器控制、系统性能设计和人机工程学设计与制造实现思路，强调了病床安全性等六性相关标准要求及其实现方法，引入系统健康管理思想和方法，给系统的可行性和商业化打下基础。

智能移动病床；主控板；性能设计；人机工程学；可穿戴设计

作为智慧医院终端设备的智能移动病床的推广、使用是大势所趋。目前国内市场常见的产品是多功能电动病床、智能护理病床和机器人化护理病床，厂家众多，功能各异，价格也不一。典型高端产品一般具有起背、翻身、曲腿、舒展、洗头、就餐、输液、轮椅、护栏、助便等多种功能[1]，有的不仅可以医用，还可以家用。这些产品多采用单片机控制，有的也采用可编程控制器PLC控制。国外同类产品一般称为多功能电动医用病床(multi-function electric medical beds)，知名品牌有日本的FRANCEBED(芙兰舒)、英国的SIDHIL(世道)等，其产品一般按照Back-rest lifting(起背)、Knee-rest lifting(曲腿)、Trendelenburg(卧姿)等功能分为3功能、4功能和5功能等。但国内外的相关产品都只实现了床身结构部件的部分电动控制，其功能和性能满足不了空巢老人、行动不便病人、重症病人、昏迷病人的健康护理实际需求，而且在自动化、网络化、无线化和智能化等方面，与医院信息化、智慧化以及智慧小区、智慧城市的建设目标还有很大差距，满足不了物联网时代大数据存取的实际应用需求。同时，国外产品在价格方面大多较昂贵，操作较复杂，不大适合大众病人。

本文提出一种新型智能移动病床的设计方案，其目标是集诊断、健康监护、治疗于一体，融现场和远端功能于一身；同时实现自动化、网络化、无线化和智能化，适应“互联网+”、大数据时代和智慧医疗、智能城市的要求。系统设计满足：安全性，人性化舒适性，标准化，轻量化，功能多样化。在此新智能病床体系结构基础上，本文的主要研究内容是此种病床的主控板软硬件研发以及结合软硬件的系统性能保障措施和人因工程设计方法和技术。

1 智能移动病床系统结构

智能移动病床由机械结构和电子系统部分组成。电子系统包括硬件和软件两大部分，即整个病床由机械结构、智能传感器和执行器、主控制器、终端显示、病人需求和操控部分、通信模块及其接口以及其他必要配件组成。其中机械结构已经与传感器以及执行器、驱动器集成在一起，实现了电子化。病床系统框图如图1所示，采用自顶向下系统设计思想、嵌入式模块化设计方法实现。智能移动病床的机械结构包括床面部分、床架部分、驱动和控制部分及配件等。其中驱动和控制部分主要由电动机、控制器、控制手柄(有线/无线)、控制面板、CPR(背部速降机构)控制按钮以及显示器组成。智能移动病床结构设计目标：灵活移动，柔韧性强，弯曲度大，可伸缩性好，尽可能可穿戴，简便控制，智能性高，舒适性强。这些大部分都通过病人动作体位结构[2]反映。病床结构部分动作体位结构座位示意图如图2所示。

图1 智能移动病床系统框图

图2 智能移动病床结构座位体位示意图

智能移动病床机械结构的电子化，需要集成多种智能传感器、执行器和操控器，随着其功能增多，性能要求提高，设计复杂度必然大大增加。尤其是智能移动病床兼具诊断、监护和治疗多用功能，其中多参数监护设备，包括心电、脑电、无创血压、血氧饱和度、体温、呼吸、脉搏、呼吸末二氧化碳、麻醉气体监护等监护单元，其各类电极、传感器的柔性化、可穿戴化、触摸化和模块化结构设计必须解决好；同时，智能移动病床需要满足不同病人，如四肢瘫痪、聋哑等患者的需求，因此其生理参数检测和监测系统需要有非接触感应测量功能以及病人需求和操控模块势必有语音、手势、姿态等感应输入接收和控制功能。此外，在材料方面，必须合理选用现有产品以及加工工艺，而且需要大力研制新型功能材料，以满足设计要求。所以，智能病床要实现高智能性、自动化、网络化和无线化和电子化机械结构，其核心控制系统的研发就显得尤为重要。本文重点研究智能移动病床主控系统软硬件设计，包括两个方面的内容：第一，功能实现；第二，性能保障：满足可靠性、电磁兼容性、维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性等国际、国家、行业标准与规范的要求。

2 主控板设计

智能移动病床主控板主要功能包括：接收和分发各种控制、操作命令；采集各个传感器的数据、进行信号调理和预处理，并分发和传输；实现各种传输接口、显示、报警等信号处理。

2.1 主控板硬件设计

主控板电路首先要采集和传输各种生理参数的数据，使得智能移动病床实现类似于如图3所示的多生理参数床边监护[3]功能，实现对一个患者同时进行多个生理参数的监护。一般心电测量采用目前临床上广泛使用的Ag/Agcl电极测量方法；无创血压测量采用振荡法，测出收缩压、平均压和舒张压、脉率值；呼吸测量采用胸阻抗法；体温测量采用热敏电阻法；脉搏氧饱和度测量采用双波长脉动法[3]。对于这部分功能，本文所做的工作主要是采用模块化设计思想，将多参数生理监护设备分解为三大部分：第一，智能化传感器部分；第二，控制模块部分；第三，显示部分。其中控制模块部分与整个病床系统的控制板集成在一起，而显示模块与整个病床系统的终端显示器集成在一起。

图3 多参数床边监护仪示意图

智能移动病床主控板电路还需要实现各种控制和操作命令的接收与分发，同时输出显示；而这些命令多种多样，需要实现Wifi、Zigbee、蓝牙、红外、2～5G等无线全覆盖以及触摸、语音、手势、感应等遥控和传输，构成一种无线传感器网络，此外还支持手机操作控制。因此主控板分成两个模块，一个是数据采集、信号调理模块，一部分是信号或命令传输接口部分。本文重点解决第一部分模块，采用基于虚拟仪器框架设计了实验电路板图，如图4所示。该实验模块主要技术指标和参数为：ADC分辨率：12 bit；输入范围：±0.1 V和±5 V可调；最高采样率：120 MHz；8路输入(其中有4路未焊接)：单端信号；带宽：DC～50 MHz；输入阻抗：50 Ω；直流误差：<1%；交流误差：<2%。该主控板还留有无线覆盖接口电路板背板空间。从技术指标看，该板功能强大，性能高，为系统数据处理和分析提供基础。

图4 主控电路控制模块实验板实物图

2.2 主控板模块软件设计

智能移动病床主控软件除了实现控制板自身功能外，还需要实现与系统软件的接口，同时是实现智能移动病床智能性、网络化、自动化的主要载体，实现与物联网无缝融合，提供大数据存取接口。本文重点解决3个问题：

一是嵌入式操作系统的移植，将Android系统内核进行移植，实现嵌入式操作系统，在其上实现各种底层功能和应用程序。其中多传感器编程是需要解决的一个主要问题，因为智能移动病床的传感器系统比较复杂，种类多，如病床自身移动、形变和姿态调节传感器，病床环境条件传感器等，控制要求不一；同时，病床系统还配置有病人各类生理参数检测传感器，其编程和控制复杂度大为增加。Android中支持十余种传感器：重力、压力、加速度、陀螺仪、方向、温度等；在Andriod系统中，SensorManager是所有传感器的一个综合管理类，包括传感器的种类、采样率、精准度等信息。采用面向对象思想编程，利用getSystemService方法来获取一个SensorManager实例，代码为：

SensorManager mSensorManager=(SensorManager)getSystemService(SENSOR_SERVICE)；然后通过getSensorList方法来获得需要的传感器类型，以保存到系统专用传感器列表中。

二是底层功能程序，包括接口、自检和系统健康预测诊断程序，控制操作程序两层，其中接口是实现物联网的各种应用接口。

三是人机接口界面，主要是应用程序，它们包括两大模块：检测和监护，处理和控制。其中检测和监护有分为长期监护和分段定时采集两类。检测和监护信息、数据以及控制和操作命令、报警信号控制和处理等均通过终端显示器显示，或针对不同病人进行特殊处理。主控软件系统框图如图5所示。其中，底层功能程序中的自检和系统健康管理模块引入了航空和军用复杂系统中的可测试性设计要求和方法，并引入了在系统检测[4](Built-in Test：BIT)技术以及综合诊断、预测与健康管理系统技术的思想方法，将包括专家系统、神经网络、模糊理论、信息融合等在内的智能理论应用到BIT的设计以及整个系统的检测、监测、故障诊断、健康管理决策等方面，提高BIT综合效能，降低设备全寿命周期费用；保障智能移动病床的安全运行，充分体现系统的智能性。

本文利用神经网络和小波分析技术，实现病床在系统检测和预测与诊断的一些功能。其框图如图6所示。基本思路是利用小波包局部化性能好的能力，获得温度、应力以及多生理参数传感器(均采用基于IEEE1451智能传感器)的异常输出，作为神经网络(Artificial Neural Network，ANN)的输入，利用ANN的非线性转化特征和智能学习机能，建立故障现象与产品故障损伤状态之间的联系，再结合数据库中的异常特征-故障损伤退化轨迹，对ANN模型进行训练/学习，继而利用训练/学习后的ANN依据病床当前特征对病床的故障损伤状态进行预测、判断，并且输出相应的报警信号和处理指令[5-6]。

2.3 性能保障

智能移动病床集诊断、监护和治疗等功能于一体，保障病人的人身安全是系统设计的重中之重。

首先，智能移动病床设计必须满足ISO13485—2016(YY/T0287—2017)质量管理体系[7]，风险管理体系，可靠性管理体系，电磁兼容管理体系，功能安全管理体系和环境管理体系等标准的要求。

其次，智能移动病床设计必须满足电子系统、机械结构等设计的工程规范，诸如电路设计工程规范、PCB板设计规范、软件工程规范等。上述体系的主要标准和规范如表1所示。

表1 智能移动病床遵照的主要标准

再次，为了满足上述标准和规范的要求，系统设计自顶向下进行顶层设计，并且逐步模块化，求得系统实现的优化技术途径。

智能移动病床和患者面临诸多风险和危害：如电网和无线电波的电磁能危害，与患者接触的表面热能危害，病床机电故障造成的机械能危害和处置操作危害等等。在电磁能危害方面，对于预防由泄漏电流或接触电流造成的强电击或微电击危害等问题，重点采取隔离和接地技术，防护绝缘和功能绝缘技术双管齐下，将病人与所有接地物体和所有电流源绝缘；将所有病人可能接触的导电表面，均保持在同一电位上(不一定是大地电位)；所有导电表面和插座地线处于相同电位，再接真正的“地”，以保证病人免受地线故障的影响，保护电气敏感病人；用绝缘材料作床边电子系统的外壳；种种措施综合保证整个系统泄露电流在10 μA以下。对于系统异常或故障可能造成的操作和处置不当危害，在软硬件方面均采取措施进行预防：除了软硬件看门狗，还采取了前文述及的智能预测和诊断技术进行保障。另外，为了满足电磁兼容和功能安全要求，严格按照电路和PCB设计硬件，尤其是在PCB设计方面，严格控制电气间隙和爬电距离。在软件方面，严格遵照软件质量国家标准和工程规范如GB/T 32904—2016《软件质量量化评价规范》、GB/T30961—2014《嵌入式软件质量度量》、GB/T 28172—2011《嵌入式软件质量保证要求》、GB/T 28171—2011《嵌入式软件可靠性测试方法》、GB/T 28169—2011《嵌入式软件C语言编码规范》等进行设计。

2.4 人因工程设计

智能移动病床必须满足方便、舒适、可靠、安全、效率和价值等人类各心理评价，所以其设计应该以人的心理为圆心、生理为半径，将病床作为一个系统来考虑人、机、环境诸多要素，注重需求目标系统而不是单一功能；注重整体而不是局部；从人的主客观需求出发，研究病床系统中人和机有机结合，实现人机工效学(人因工程)设计要求，保障病床系统更安全、舒适、方便、高效。

本文主要从以下几个方面达到上述要求：第一，严格按照GB/T 18717.3—2002《用于机械安全的人类工效学设计第3部分人体测量数据》等标准的要求进行设计；第二，在结构上，主要采用柔性材料、可穿戴设计技术设计床面设施和相应的传感器[8-9]；第三，尽可能采用无线遥测遥感技术进行检测、监测和控制执行。可穿戴设计如血压检测采用无创袖套间接方式，可同时检测3个血压指标：收缩压(SP)、平均压(MP)、舒张压(DP)，其测量范围为0～33.33 kPa[10]；而且其传感器以及温度、脉搏等智能传感器不仅可以制作成可穿戴的，还可以实现无线遥测[11]，有商用现货可以供来进行模块化(Commercial Off-The-Shelf：COTS)设计，为智能移动病床的商业化提供了物理基础。

3 结语和展望

本文提出了智能移动病床概念及其体系结构框架，并且采用顶层设计和模块化思想，研制了病床主控板实验系统，经过初步测试，该主控板设计满足医院用户要求。本文还讨论了病床整个系统的性能设计、人机工程学设计，从标准、工程规范，软硬件诸方面探讨其实现途径和方法。经过进一步的研发，相信智能移动病床的商业化是可行的，它不仅适用于医院，也适用于家庭以及养老院和急救车。

[1]多功能护理床.[EB/OL].[2017-06-10].http：//www.zcjindouyun.com/aaa/.

[2]国家食品药品监督管理总局.电动病床产品注册技术审查指导原则.[EB/OL].(2017-02-17)[2017-06-10].http：//www.sda.gov.cn/WS01/CL0087/170072.html.

[3]国家食品药品监督管理总局.多参数患者监护设备(第二类)产品注册技术审查指导原则.(2017-02-17)[2017-06-10].http：//www.sda.gov.cn/WS01/CL0274/59885.html.

[4]傅林.智能仪器理论、设计和应用[M].成都：西南交通大学出版社，2014.

[5]王冬云，张文志，张建刚.小波包能量谱在滚动轴承故障诊断中的应用[J].轴承，2010(11)：32-36.

[6]孙旭升，周刚，于洋，等.机械设备故障预测与健康管理综述[J].兵工自动化，2016(1)：30-33.

[7]国家食品药品监督管理总局.医疗器械质量管理体系用于法规的要求：YY/T0287—2017/ISO13485：2016[S].

[8]卢忠花，王卿璞，鲁海瑞，等.柔性可穿戴电子的新进展[J].微纳电子技术，2014，51(11)：685-691.

[9]钱鑫，苏萌，李风煜，等.柔性可穿戴电子传感器研究进展[J].化学学报，2016，74(7)：565-575.

[10]林金朝，李国军，陈志勇，等.可穿戴式生命体征监护设备的研制[J].传感技术学报，2009，22(5)：632-638.

[11]ZigBee无线模块的可穿戴脉搏心率采集设计方案.[EB/OL].(2016-02-22)[2017-06-10].http：//www.52solution.com/news/80026545.html.

ResearchontheSystemStructureandMainControlBoardofIntelligentMobileBed

FULin，CHENSili

(School of Network & Communication Engineering, Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China)

The frame structure and design idea and method of intelligent mobile bed were given in this paper. We take the automation， network， wireless and intelligent as the goal， the top-level design as guidance， the wearable design and flexible structure design as the standard， and the modular approach as the main line， to implement the research and development. The main control panel experiment module of intelligent mobile sickbed system was research focus The function and realization of module software and hardware， and the way and method of performance guarantee were discussed. Especially， the implementation method of embedded multi sensor control， system performance design， ergonomics design and manufacturing were put forward.，The safety and the six standards of sickbed were emphasized. Finally， the idea and method of system health management were introduced. All these lay a solid physical foundation for the feasibility and commercialization of the system.

intelligent mobile bed; main control board; performance design; ergonomics design; wearable design.

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.04.002

2017-07-30

四川省教育厅重点项目(12ZA061)

傅林(1964—)，男，高级工程师，博士，研究方向：通信信号处理、电磁兼容等，电子邮箱：fulinlong@163.com；705289580@qq.com。

陈思利(1983—)，女，讲师，硕士，研究方向：电力系统及其自动化。

TH-39

A

2095-5383(2017)04-0006-05