無線醫療系統資料集合
一、 無線集散醫療監護系統的設計
多參數監護儀是臨床護理中的重要設備，該設備可以監測病人的心電、血壓、血氧飽和度、呼吸率、脈率和體溫等生理參數。目前，國內普遍使用帶有CRT或LCD顯示屏的便攜式監護儀，該儀器能夠進行實時的數據和波形顯示，并且操作比較靈活，因此主要用于協助醫生診斷和分析病人的病情。然而由于其體積較大、耗電量高（接220V交流電或內置電池），因此不便于病人隨身攜帶，更無法同時對多個病人進行監護。本文設計的無線集散醫療監護系統可以彌補上述之不足。該系統由于采用三個獨立的OEM模塊進行生理參數測量，每個模塊分別和一個具有無線收發功能的控制顯示模塊相連構成獨立的裝置，因此每個模塊的耗電量大為減少，體積也相應減小。病人可以根據不同的需求選擇不同的模塊使用，每個模塊上的LCD顯示屏可以實時顯示測量信號是否正常。所有這些模塊都跟上位機進行無線信息交互，PC機可以給每個模塊注冊一個唯一的序列號，并可以訪問每個模塊的信息，對該信息進行存儲、分析、顯示、報警等，這樣就非常方便地實現了許多模塊的擴展，即實現對多個病人的實時監護。
1 系統結構及工作原理
該系統主要由硬件和軟件兩部分構成。硬件主要包括PC機和三種獨立的模塊，即心電模塊、血氧模塊和血壓模塊，這三種模塊都是由OEM模塊和控制顯示傳輸模塊組成。心電模塊主要用來測量心電、呼吸率、體溫等參數；血氧模塊主要用來測量血氧飽和度和脈率等參數；血壓模塊用來測量血壓參數。軟件部分主要是上位機的中央監護軟件，包括數據庫部分和用戶界面。圖1是無線集散醫療監護系統的結構框圖。
圖1中，各OEM模塊都和PC機通過無線傳輸模塊進行串口通訊來交換信息。各OEM模塊采集的數據在PC機上進行處理后被存儲。用戶可以在中央監護軟件界面上選擇任意模塊查看實時采集來的數據或波形，軟件可對數據自動作出分析，發現異常及時發出報警信號。
2 各模塊功能與特點
2.1 控制顯示傳輸模塊
控制顯示傳輸模塊以Atmega161單片機為核心，外接WGM-12864圖形LCD模塊、按鍵和NRF903無線收發模塊。其電路結構如圖2所示。
Atmega161是Atmel公司生產的一款低功耗CMOS RISC的8位單片機，其具有1MIPS/MHz的性能，16K字節的FLASH,512字節的EEPROM,1K字節的存儲器，35個通用I/O口，32個通用工作寄存器，三個定時器，內外中斷源，兩個可編程的UART、SPI口以及三種可以通過軟件選擇的節電模式。
WGM-12864B模塊是單色圖形點陣液晶顯示模塊，點陣數為64×128。其8位數據線與Atmega161的PA口相連，控制線和PC口的高6位相連，D/I表示數據總線上的信號是點陣數還是控制命令字，R/W表示當前操作是讀或寫操作，E是使能控制端，RST是復位端，CS1、CS2是左右點陣區選端。PC1、PC2、PB1、PB0為功能選擇鍵，可以和LCD一起形成菜單方式的人機交互界面，控制相應的OEM模塊。在工作模式下LCD可以顯示從OEM模塊獲取的相關數據信息。
NRF903模塊是無線收發模塊。NRF903是NORDIC公司推出的單片無線收/發一體芯片，它采用Bluetooth（藍牙）核心技術設計，在一個32腳的芯片中包括了三段高頻發射、高頻接收、PLL合成、I/Q調制、I/Q解調、多頻道切換、異步通訊接口等，其編程接口CFG_CLK（配置寄存器時鐘）、CFG_DATA(配置寄存器數據)、CS（配置寄存器片選）分別和Atmega161的SPI口PB7(SCK)、PB5(MOSI)、PB4(SS)相連，可對工作頻率、通道、輸出功率和輸出時鐘頻率等參數進行編程設置。設置CS為高電平，來自單片機的14位控制字，在每個CFG_CLK編程模式時鐘信號的上升沿，將CFG_DATA端上的邏輯值寫入組態寄存器，編程信息被裝入，參數設置完成。STBY、PWR_DWN分別和Atmega161的PD6、PD5相連，可以設置為待機或掉電模式。數據接口DATA和Atmega161的一個UART1口相連，用來接收和發送數據。TXEN腳和PD7相連，用來控制數據的收發。
2.2 心電OEM模塊
心電OEM模塊采用北京邁創通元電子儀器有限公司的BT007七通道心電板。BT007能夠自動測量人體的心電波、呼吸波、心率、呼吸率、體溫等參數，具有如下特點：同步七通道心電波，四級程控增益，三級濾波方式（診斷方式、監護方式、手術方式），起博脈沖抑制功能，導聯脫落報警，心率范圍20～250BPM，抗除顫及電刀干擾，阻抗呼吸，呼吸率范圍5～99BPM；采用雙體溫測量，測量范圍為0～50°C,顯示精度0.1°C,測量精度0.2°C。與用戶的通訊接口為UART串口通訊方式，內部有兩種通訊協議：同步三通道心電協議與同步七通道心電協議,可以通過跳線選擇。同步三通道心電協議的特點為：19200波特率，8位數據，1個起始位,一個停止位，無奇偶校驗位；同步七通道心電協議的特點為：28800波特率，8位數據，1個起始位，一個停止位，無奇偶校驗位。可以通過MCU向該模塊發送控制字，控制心電增益、濾波方式等；心電板向MCU傳送的數據，以1個字節數據頭加若干字節數據為一組，成組發送，其中數據頭為251～254，數據字節為0～250。MCU可以對這些數據進行歸類存儲、分析、顯示并實時傳送給PC機。
2.3 血氧OEM模塊
血氧OEM模塊采用北京邁創通元電子儀器有限公司的DIGISAT脈搏血氧模塊。該模塊通過TTL電平的UART口與MCU進行通訊。它可以提供如下數據：動脈血氧飽和度、脈率、體積掃描圖、棒圖、信號強度和狀態信息。它的通訊協議和BCI通訊協議兼容，數據傳送波特率為4800bps，傳送格式為：8位數據+奇偶校驗位+1個停止位。每秒鐘向MCU發送60個數據包，每個數據包為5個字節。
2.4 血壓OEM模塊
血壓OEM模塊采用北京邁創通元電子儀器有限公司的BTN602無創血壓測量模塊。該模塊也通過TTL電平的UART口與MCU進行通訊。其接收外部命令后，完成相應操作，返回系統狀態和相應數據。數據格式為：起始位+8位數據位+1位停止位，無奇偶校驗位，波特率為4800bps。
3 軟件系統的設計——中央監護軟件
該軟件采用VC語言進行設計。在同醫院以往管理系統結合的前提下，按照統一規范的原則，實現了新老系統的有機結合，充分保證了原有系統的獨立可靠性，實現了軟件結構的模塊化和重構性。該系統首先需要管理員將入院病人信息手工錄入到計算機系統，其中關鍵信息保存到中央數據庫服務器中；然后對數據庫中的關鍵數據進行排序、統計、分類。按照類別把數據復制到各個部門的監護中心數據庫中，當啟動監護需求時，開始對病人進行監護并記錄。病人的監護數據報警級別可根據監護需要進行調節。查詢時，可分別顯示關鍵數據和圖像，并可對查詢的關鍵數據進行備注，對圖像進行批注，還可批量打印輸出關鍵數據和圖像文件。其軟件系統結構如圖3所示。
系統的安全控制主要從三方面來保證:數據庫的安全性、圖像文件的安全性、用戶權限的安全性。建立在NT Server上的數據庫服務器SQL Server使用戶和數據庫操作人員登陸時都需要身份驗證。只有用數據庫用戶的帳號和密碼登陸的用戶才能管理和維護數據庫，用戶對不同的表有不同級別的權限。文件服務器采用端口控制訪問，保證了文件服務器的安全性。
系統軟件通過無線收發模塊，采用輪詢的方式采集低端各模塊數據，如果系統在查詢病人信息時超時，則跳過本模塊查詢，進入其它模塊的查詢，軟件會記錄查詢失敗次數，當查詢失敗次數超過一定的閾值后，系統會發出報警信號。
參考文獻
1 李朝青. 單片機&DSP外圍數字IC技術手冊[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2003
2 李曉吉吉. SQL Server 2000管理及應用系統開[M]. 北京：人民郵電出版社，2002
3 耿德根.AVR高速嵌入式單片機原理與應用(修訂版）[M].北京：北京航空航天大學出版社， 2002
二、 藍牙技術在醫療監護中的應用
醫學臨床監護技術就是把患者的各種重要生理信息及時、準確地提取出來進行處理、分析和判斷幫助醫護人員對患者病情進行監測和防護的技術。醫學臨床監護技術分為病房監護技術、動態監護技術以及遠程監護與家庭保健監護。在現有醫療監護系統中，數據的傳輸一般采用有線的方式。由于生物醫學工程中所檢測的信號大多是人體信號，而且需要檢測人體處于自然狀態時的信號。這種將檢測設備通過有線方式連到人體上進行監測的傳統方法會使病人感到不自然，心情緊張，從而導致所檢測到的數據不準確。特別在病房監護中，各種連線不僅使病人感到不舒服，而且還使病房顯得雜亂無章，影響病人的心情。使用藍牙技術就可以解決這個問題。帶有藍牙芯片的微型傳感器安置在人體身上，盡量使其不對人體正常活動產生干擾，從而得到較為準確的數據，再通過藍牙技術將數據傳到接收設備上，并對其進行處理。
1藍牙技術 藍牙技術是一種無線數據與語音通信的開放性全球規范，它是一種用于替代移動設備或固定電子設備之間連接電纜的近距離無線鏈路。它以低成本的近距離無線連接為基礎，為固定與移動設備通信環境建立一個特別連接。其程序寫在一個9mmX9mm的微芯片中。如果把藍牙技術引入到移動電話和膝上型電腦中，就可以去掉移動電話與膝上型電腦之間令人討厭的連接電纜而通過無線建立通信。打印機、PDA、桌上型電腦、傳真機、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其它的數字設備都可以成為藍牙系統的一部分。除此之外，藍牙無線技術還為已存在的數字網絡和外設提供通用接口以組建一個遠離固定網絡的個人特別連接設備群。
藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業、科學、醫學)頻段。藍牙的數據速率為1Mb/s。時分雙工傳輸方案被用來實現全雙工傳輸。ISM頻帶是對所有無線電系統都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等，都可能是干擾源。為此，藍牙特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩定。跳頻技術是把頻帶分成若干個跳頻信道(hop chan nel)，在一次連接中，無線電收發器按一定的碼序列(即規律的“偽隨機碼”)，不斷地從一個信道“跳”到另一個信道。只有收發雙方是按這個規律進行通信的，而其他的干擾不可能按同樣的規律進行干擾；跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術使這個窄帶寬成百倍地擴展成寬頻帶。使干擾影響變得很小。與其它工作在相同頻段的系統相比，藍牙跳頻更快，數據包更短，這使藍牙比其它系統更穩定。FEC(Forward Error Correction，前向糾錯)的使用抑制了長距離鏈路的隨機噪音。用二進制調頻(FM)技術的跳頻收發器抑制干擾和防止衰落。
藍牙系統的組成框圖如圖1所示。
無線射頻單元主要負責射頻處理和基頻調制；鏈路控制單元是實現基帶協議和其他底層連接規程的基帶部分，包括建立網絡連接、差錯控制和安全控制三方面的內容；鏈路管理單元主要負責基帶連接的設定及管理，基帶數據的分段及重組、多路復用和QOS(quality of service)等；軟件結構單元主要為各種應用提供應用軟件所需的通信協議與應用程序接口。
2藍牙技術在病房監護中的應用 在病房監護中，由各類便攜式小型探測器采集的原始數據，通過藍牙技術傳遞到病房探測器，房間探測器采用通訊總線與計算機系統相聯，由計算機分時采集各房間及床位參數。如圖2所示，醫院可采用整體監護系統，由一臺主機連接各個科室的分機，各科室的分機又分別連接到各病房的房間探測器，此房間探測器作為藍牙網絡的主單元，每一病房構成一藍牙網絡。此系統具有模塊化的功能，能根據各科室的不同需要增加或減少所測生理參數。
2.1藍牙系統的網絡構成在此藍牙系統中，可將藍牙芯片集成到各小型探測器中，并在房間探測器上集成藍牙芯片。可使用藍牙系統提供的一對多的連接方式，用一個帶有藍牙芯片的房間探測器作為微微網的主單元。各種帶有藍牙芯片的小型探測器作為從單元。一個微微網中活動從單元的個數最多有7個。當所需測量的生理參數超過7個時，有兩個解決方案，一種是使更多的從單元處于鎖定于主單元的休眠狀態，由主單元控制激活順序，一般來說，某些所測生理參數不需要不間斷連續測量，故可利用這種時差，當需要測量某個生理參數時，才激活相應的從單元，只要保證同時處于活動狀態的從單元數目不超過7個，就可達到目的。第二種方案是由具有重疊覆蓋區域的多個微微網構成一個散射網，每一微微網只能有一個主單元，從單元可基于時分復用參加不同的微微網。而在一個微微網中的主單元仍可作為另一個微微網的從單元。利用這種網絡拓撲結構，就可達到上述目的。綜上所述，如圖3所示，可以這樣規劃一個病房中的藍牙系統網絡：每一病床構成一個微微網，各個帶有藍牙芯片的小型傳感器構成這一微微網。由這一病房中的各個病床所組成微微網構成一散射網，在這一散射網中，帶有藍牙芯片的房間探測器作為散射網的主單元。
2.2藍牙主、從單元工作方式作為主單元的藍牙芯片使用外接串行設備的形式與PC主機相連接，藍牙在主機端支持的設備連接方式有三種USB、UART和PC插卡。從長期來看 USB是最好的選擇因為它是目前發展最快的PC擴展連接方式并且已經由PC領域滲透到信息家電領域；從速度上來看目前使用的USB1.0和USB1.1在全速率情況下有12Mbps的速度而下一代USB2.0規范也基本上得到了通過其速率已經達到了480Mbps從串行設備發展的歷史來看USB基本上是串行設備的最終形式經歷了從RS-232到RS-485等一系列發展之后達到一個高速的串行連接體系 。當需要對心電進行檢測時，就需要使用USB的高速傳輸性能，所以USB會是長期的最終選擇。如圖３所示需要使用基帶協議、邏輯鏈路控制和適配協議L2CAP 、服務搜索協議(SDP) 、電纜替代協議(RFCOMM)，并使用主機控制接口(HCI)為基帶控制器、鏈路管理器，硬件狀態和控制寄存器提供命令接口，如圖4所示。
作為從單元的藍牙芯片當前只需要對一些諸如溫度、血壓等數據量不大的信號進行監測，故只需要使用基帶層協議，以及鏈路管理協議(LMP)。在主單元與從單元之間建立異步無鏈接鏈路(ACL)采用DM1分組。通過LMP負責藍牙各設備間連接的建立和設置。
3藍牙技術在動態監護中的應用為了早期和準確地診斷一些重要生理系統的功能性疾病往往需要對處于正常生活和工作條件下的患者進行長時間24小時甚至更長的連續監測。這類監測技術被稱為動態監測技術。目前最常用的動態監測是動態心電監護、動態血壓監護、消化道生理參數的動態監護、腦電動態監護。連續監測的時間多為一個晝夜，均由病人隨身佩帶能連續記錄相關生理參數的便攜式記錄盒。在記錄完成后 將數據傳輸到分析工作站進行數據分析和處理。如果利用藍牙技術使傳感器與記錄盒分離，記錄盒放置在衣服口袋或隨身攜帶的公文包中，傳感器利用藍牙技術點對點無線傳輸數據給記錄盒，免除了各種連線在病人身上纏繞帶來的不便。
4藍牙技術在遠程監護中的應用隨著現代科技的發展和生活水平的提高人們對高質量高水平的醫療保障需求迅速增長促使遠程醫療事業快速發展。現代技術尤其是網絡通訊、計算機、微電子技術為遠程醫療的發展提供了所必需的技術條件。在遠程醫療領域中發展最快也是最先得以實用、給病人以實惠的是遠程監護和家庭保健監護。它不僅給患者帶來了方便也減少了住院醫療費用。在遠程監護與家庭保健監護中，藍牙技術也有很多用武之地。就如同病房監護一樣，在家中安裝一個帶有藍牙芯片的房間探測器，其余各種醫療設備將數據通過藍牙芯片傳輸到房間探測器，房間探測器再與Internet網連接，通過網絡將數據傳輸到醫院或社區保健中心，達到遠程監護的目的。設想一下，當病人隨手拿起一個帶有藍牙芯片的微傳感器，進行測試，生理參數就自動地傳輸出去。免除了復雜連線給病人心理帶來的不良影響，使病人享受良好的家庭和社會環境這對病人的心理健康和康復均有特殊的好處。
5藍牙的使用安全性問題將藍牙芯片用在醫療設備中，對其安全性要格外重視。安全問題包括信息安全和生態安全。
索尼在日本無線展覽會的現場進行了Bluetooth和IEEE802.11b以及微波爐之間的相互干擾實驗。結果表明，在無干擾的情況下，數據傳送速度為500~600kb/s。一旦使用微波爐，由于干擾的出現，數據傳送速度降至300kb/s，此時再使用對應IEEE802.11b規格的無線LAN，由于干擾的加大，數據傳送速度下降至100~299kb/s。未來的藍牙應用環境將包括擴頻設備、跳頻設備、無線LAN、微波爐等。又據SIG英特爾公司在京一次會議上談到，國際SIG在各種環境中做過實驗，低功率藍牙產品對其他同類產品干擾微乎其微，相反，其他產品對藍牙的干擾，可通過軟件或硬件方法解決。故信息安全問題更多地是在軟件協議棧中加以強調，由軟件工程師去解決它。
生態安全問題是指當藍牙設備靠近人體時是否帶來危害，對此人們非常關心。隨著無線技術的深入人心輻射也成了消費者非常關心的問題。由世界衛生組織、ＩＥＥＥ等專家組成的小組表示檢測中并未發現藍牙產品的輻射對人體有影響。藍牙的問題主要是由于藍牙使用和微波爐一樣的頻率范圍，是否會帶來不良的后果，目前也尚無定論。一些組織認為藍牙輸出功率很小(只有1mW)，是微波爐使用功率的百萬分之一，是移動電話的一小部分。而在這些輸出中，也僅僅有一小部分被物體吸收，基本檢測不到溫度的增加。由于藍牙理想的連接范圍為10厘米~10米，但是通過增大發送電平可以將距離延長至100米。因此可以根據需要進一步減小藍牙輸出功率，縮短其連接范圍，這樣就更為
|
|
資源大小：28.85 KB 
