基于物联网的医疗设备状态监测系统

缪吉昌 纪晓宏 陈宏文 夏红林 张 斌

南方医科大学南方医院 广东广州 510515

国家重视对医疗设备的全生命周期管理，国家卫生健康委员会在《医疗器械临床使用管理办法》中明确要求医疗机构应当监测医疗器械的运行状态。然而，由于缺乏实时感知设备的状态和监控故障发生的有效手段，管理人员只有亲自到临床科室才能够了解设备的状态，不便于设备管理。

为了做好设备精细化管理，研究人员对设备状态监测进行研究，主要集中在工业领域[1-4]，包括对具体设备的监测[5]，对多台设备进行组网监测[6,7]，采用巡检机器人对特定场所的监测[8]。但是，在医疗设备领域的应用研究非常少。王伟等[9]使用单片机，通过RS232串口接入PB840呼吸机，读取呼吸机的运行状态信息，由于不能实时传输数据，时效性不高。张瑞静[10]结合单光子发射计算机断层成像术(single-photon emission computed tomography，SPECT)机械系统工作的特点，通过获取设备的振动、噪声、应力参数，达到监测SPECT机械系统的运行状态[10]，该系统的针对性特别强，不适合常规医疗设备的状态监测。本研究尝试应用物联网技术完成对常规医疗设备的状态监测。早期的物联网是简单把两个设备用信号线连接在一起，在“互联网+”时代，随着越来越多的传感器接入，物联网逐步智能化。智能物联网在大数据、云计算、虚拟现实上渐入佳境[11]，应用的领域越来越广泛。

本研究基于物联网技术，提出一种利用无线传感器网络进行常规医疗设备状态监测的方案。每台设备配置一个终端传感器，通过终端传感器采集设备的状态信号，然后通过物联网通信装置把采集的数据以TCP或UDP协议方式传输到指定的服务器，服务器解析数据后将其存储到数据库，通过web前端、后端就可以把数据库存储的状态数据展示出来，完成人机交互。使用该系统，可以实时监测仪器设备的运行状态、位置、使用情况等信息。

1 系统设计方案

医疗设备的数量大、种类多，运行环境复杂[12]，医疗设备不断更新，低效的管理问题随之出现。近几年，“重购置，轻管理”的现象在医院中普遍存在，昂贵的医疗设备被购置后，并没有高效的运用到临床中去，存在设备闲置的情况[6]。设备存放的位置随意[12]，在资产清查或者使用时，找不到设备。设备的工作环境恶劣[12]，潮湿的工作环境，易引发设备的电路板短路，损坏设备。由于管理不善所造成的设备闲置、丢失、账物不符、完好率下降的情况经常发生[12-13]。

由于设备部件的劣化不是一蹴而就[12][14]，期间一定存在性能的渐进变化，从而在故障发生前出现征兆。如果实时监测渐进特性的变化，即可得到医疗设备健康状态。各状态通过数据处理后，可得到表征设备运行状况的参数。

物联网用于解决物物相连的问题，组建网络后可将数据上传至服务器，通用性强，但是物联网技术在医疗设备状态监测中的应用并不广泛。主要问题是在感知层没有全面感知和高度敏感的产品，在应用层不能满足设备管理的需求[15]。

本研究在感知层，通过开关机、设备运行的声音[16]、环境温度、环境湿度四类参数及网络的拓扑结构监测设备的状态；在应用层，将状态监测交互界面嵌入到智慧医疗设备运营动态管理平台进行全生命周期管理[14]。图 1为本文提出的医疗设备运行状态监测系统[17]示意图。该系统基于物联网技术构建，分为感知层、网络层和应用层[18]，其中，感知层通过物联网终端采集节点，将医疗设备的开关机状态、运行声音、环境温湿度等信息进行采集，利用无线通信方式将数据传输至局域网，完成数据的采集和传输；网络层利用局域网或者5G网络，将设备状态数据传输到服务器，实现数据的集中存储和远程管理；应用层通过算法实现用户对数据的挖掘、设备的故障特征提取，通过人机交互界面将决策信息展示给用户。

图1 医疗设备运行状态监测系统示意图

医疗设备运行状态监测系统的实施，包括两个部分：①多参数数据采集装置及组网装置的硬件设计；②状态数据采集、组网程序和人机交互界面的设计。

1.1 硬件设计

医疗设备状态监测装置的硬件，主要完成多参数传感器的数据采集、处理、传输功能，其组成为：终端传感器节点、路由器节点、协调器节点[17]。终端传感器节点分布在监测区域采集设备状态的数据信号，将数据传输到路由器或直接传输至协调器；路由器作为桥梁，连接终端传感器和协调器，为整个网络扩大覆盖范围，实现多跳的数据转发；协调器，也称网关，负责网络的建立和管理，完成终端传感器节点的数据与服务器的交互。

终端传感器节点的硬件框图如图 2所示，包含微处理器、电流传感器、声音传感器、温湿度传感器。设备的开关机状态信号从电源线获取，霍尔电流传感器通过感应上电及掉电动作，监测设备的开关机状态。设备运转的声音从声音传感器拾取，声音传感器监测设备运行声音和环境噪声。设备的温湿度环境从温湿度传感器采集。结合互联网、大数据处理，通过算法取得设备的位置数据[19-20]，实时监控设备位置状态、追溯设备轨迹。设备失联信号从物联网拓扑结构获取。此外，设备的基本信息通过关联终端传感器节点ID，从数据库维护。

图2 终端传感器节点的硬件框图

本研究采用微处理器(CC430F5137,Texas Instruments Inc,美国)进行设备状态数据的实时采集及物联网的建立。终端传感器节点、路由器节点、协调器节点射频电路的结构相似，如图 3所示。CC430F5137的射频端口RF_P、RF_N是平衡结构。为了使终端传感器节点、路由器节点、协调器节点装置小巧，在射频端采用单极性的小天线，即在平衡信号端口RF_P、RF_N与天线端的非平衡信号间插入BALUN电路进行转换[21]。图 3中，巴伦(BALUN)电路由L3、L4、C27、C29构成，L1、L2、C26构成差分低通滤波器，基频信号可顺利通过，为了解决效率和线性度的问题[21]，在BALUN电路后连接由L5、L6、C31构成的T型单端滤波器，C28、C30、C32起滤波作用，晶体振荡器使用一个带两个负载电容C19、C20的26 MHz无源晶振。

图3 终端传感器节点、路由器节点、协调器节点的射频电路

1.2 软件设计

软件分为下位机和上位机两部分程序，下位机程序为固化到硬件中的程序，实现数据采集及传输功能，上位机程序实现数据读取及人机交互功能。

1.2.1 下位机程序设计 下位机程序将医疗设备的状态数据通过物联网传输至指定网络，本研究通过网状型通信网络拓扑结构进行连接[18,22]，包含终端传感器节点、路由器节点、协调器节点的软件设计。

终端传感器节点采集设备的状态数据，通过数据预处理，向路由器或协调器发送数据。该部分程序设计使用C语言进行编程。软件流程设计根据监测装置的主要功能，采用有限状态机和模块化编程方法[17,18]。终端传感器节点程序分为三种不同的工作状态：睡眠、唤醒和执行，工作流程如图 4所示。采集终端上电，初始化硬件状态，主要包括传感器、协议栈、MAC地址、看门狗的初始化；初始化动作完成后，搜索网络，请求入网；入网成功后开始对医疗设备运行状态数据进行采集，随后将运行状态数据上传到父节点；数据采集、传输完成后，系统自动进入低功耗休眠模式，当休眠完成或接到前端调取命令时，便重新唤醒采集终端完成周期性或动态数据的采集及上传工作。

图4 采集终端节点工作流程图

路由器节点负责终端传感器和协调器之间的通信，充当无线网络和有线通讯之间的桥梁。路由器从传感器节点接收数据，将与之连接的终端节点网络数据中继到协调器，协调器负责建立网络，在稳定网络建立后，允许各个节点加入网络。最终，协调器汇总来自各个节点的数据，并将数据转换成TCP/IP数据包发送至MySQL数据库。当一组终端传感器安装在医疗设备上，协调器用于接收设备的状态数据及网络拓扑结构，通过因特网接口传送数据至服务器。图5显示了协调器节点工作流程。

图5 协调器节点工作流程图

1.2.2 上位机程序设计 上位机程序用于接收、处理、显示数据。软件使用Java编写，数据库选用开放源码的关联式数据库管理系统MySQL，系统采用的开发模式为前后端分离，其中前端使用vue和element-ui组件，后端为springboot+MyBatis+Shiro。人机交互程序从MySQL数据库中取出状态数据，通过Web页进行实时监测和管理。上位机软件架构图如图 6所示，包含展示层，业务层，数据库访问层，基础数据库层四层结构[3]。展示层为用户可见的业务需求web端，业务层对展示层需求进行逻辑判断，当客户端接收展示层的需求时，业务层判断请求并对数据库访问层进行访问，业务逻辑层包括用户管理、设备管理、实时监测、历史数据管理。数据库访问层通过协议适配完成数据格式转换。基础数据库层用于存储数据，包括物联网的网络拓扑结构数据、设备的档案数据、设备的状态监测数据。

图6 医疗设备状态监测系统上位机软件架构图

2 系统测试结果与讨论

本研究的目的是设计一套能够实现远程实时监测医疗设备状态的物联网系统，其中，状态参数为设备的开关机状态、运行声音、环境温湿度，系统中物联网装置包含终端传感器节点、路由器节点、协调器节点。传感器终端必须与在用医疗设备一起，方可监测设备的状态。为验证医疗设备状态监测系统的可行性，在超声、呼吸机等医疗设备上安装物联网采集终端，组建物联网，对系统的功能、物联网数据传输丢包率、终端传感器节点的功耗进行测试。

2.1 功能测试

医疗设备状态监测系统的人机交互界面如图 7所示。可见软件界面简洁直观，包含基站监控、基站管理、设备档案管理、设备状态管理，使用中易于操作和理解，具有较强的人机互动性。其中设备状态管理模块能够以列表或地图模式呈现，图 7为列表模式呈现的医疗设备状态监测系统的人机交互界面，从图中可以看出，系统列出设备的位置、最后通讯时间、在线时长、设备是否发生故障等状态。图 8以地图模式呈现的设备位置状况，位置信息在地图中的清晰呈现，可以实时查询设备位置，实现对设备搬运的轨迹跟踪、轨迹回放,其准确度依赖于物联网终端入网绑定的拓扑结构。通过人机交互界面，实现对纳入物联网管理的设备进行一键盘点资产。实现对在网的每一台设备，自动生成运行情况的日报表、月报表，方便成本核算及综合评价单台设备的使用情况，为医院管理者提供设备调配和购置的依据，方便设备管理工作的决策。利用物联网获取的大数据，提取出在网设备中使用效率最高、效益最好的设备运行参数进行展示，便于同类型设备进行横向对比，计算同类设备运行效率的提升空间，指导临床科室优化流程，提高单位时间的产出及效益。功能测试表明，系统提升设备精细化管理水平，完善设备全生命周期管理。实现对医疗设备实时、多方位立体监测，为评估医疗设备的使用寿命提供数据支持。

图7 医疗设备状态监测系统的人机交互界面

图8 地图模式呈现的设备具体位置

2.2 丢包率测试

为了验证系统无线传输的性能，本研究对物联网数据传输的可靠性进行测试。设置终端传感器节点与路由器节点为30 m，将路由器节点与协调器分别距离10 m、20 m、30 m、40 m、50 m放置，将终端传感器节点放置在实验室密闭的房间中，路由器节点和协调器在房间外，平常环境无附加干扰源，全天线功率，其他条件不变，终端传感器节点与路由器节点的距离固定，移动协调器，改变实验距离，在协调器端采用串口方式，以1 min的间隔发送测试数据，以此测试物联网的稳定性和准确性。让协调器节点固定向路由器发送100 Byte数据，在路由器端查看接收到的字节的完整性，测试数据如表 1所示。

表1 物联网数据传输丢包率测试结果

测试结果表明，丢包率最低的结果为路由器节点与协调器距离10 m的网络，丢包率为0.06%；丢包率最高的结果为路由器节点与协调器距离50 m的网络，丢包率为0.25%。一般的丢包测试只需要查看节点收到多少数据，而本研究加入串口这种冗余的路径，测试更为严格。说明本研究的数据传输可靠。这种可靠性是由于在设计中采用协议栈(ZSTACK)，其具备数据重传机制。单播方式中，在协调器把数据发给路由器节点后，路由器会回传一个回复(MAC ACK)。如果协调器没有收到回传响应，就会自动以5 ms左右的间隔进行多次数据重传。

2.3 功耗测试

使用功率分析仪(PA1000，Tektronix Inc.，美国)对采集终端节点测试。对终端设备上电，待采集点稳定后，对采集终端节点多次测量取平均值。测得结果为，在终端休眠时，待机电压平均值为4.845 V，待机电流平均值为128 uA；通过禁用看门狗，让模块处于工作模式下，工作电压平均值为4.840 V，工作电流平均值为163 mA。功耗测试满足工作要求。

3 结语

本文的主要目的是设计一套面向医疗设备的物联网系统，对医疗设备状态进行远程实时监测与管理。本文介绍的医疗设备状态监测系统，将物联网组网技术与医疗设备管理相结合，用于实时采集医疗设备的状态数据并将数据上传至服务器。测试结果表明，该系统人机交互界面简洁，具备医疗设备位置跟踪、设备运行声音监测、运行环境温湿度监测、开关机状态监测及运行时长统计的功能，数据传输稳定可靠，功耗低，能够进行远程医疗设备运行状态监测。

本文设计的医疗设备状态监测系统，系统成本低，安装调试快，方便在医疗机构实施。在实际应用中，该装置轻小，安装简便，不影响既有设备和线路结构，施工难度小。只需要根据功能需要，增加传感器，就能较好地适用于定制化实时监测场景，具有较强的技术适用性和广泛的应用前景。

基于物联网的医疗设备状态监测系统，是智慧医疗背景下医疗物联网应用的一次尝试，接下来，将运用物联网数字孪生技术建立大型医用设备使用评价管理系统，通过读取设备运行日志来解析还原设备的运行状态。将设备运行状态、经济效益分析、质量控制评价与不良事件监测结合起来，完善医疗设备的精细化管理。