王偉，洪范宗，蘇秋玲，蘇增生

中國人民解放軍第180醫(yī)院 醫(yī)學工程科，福建 泉州 362000

呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設計

王偉，洪范宗，蘇秋玲，蘇增生

中國人民解放軍第180醫(yī)院 醫(yī)學工程科，福建 泉州 362000

目的依托醫(yī)療設備租賃中心設計一款呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，用于記錄、分析呼吸機的運行狀態(tài)信息。方法基于MSP430單片機開發(fā)嵌入式模塊，定時收集呼吸機運行狀態(tài)信息并將其發(fā)送至醫(yī)療設備租賃中心的服務器；基于Visual Studio C#開發(fā)平臺設計應用軟件，用于接收呼吸機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)并對其進行分析。結果該系統(tǒng)能夠實時采集并儲存呼吸機的運行狀態(tài)信息，并對呼吸機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測與分析。結論該系統(tǒng)的應用提高了呼吸機實時質量監(jiān)測能力。

呼吸機運行狀態(tài)；無線通信模塊；單片機；醫(yī)療設備租賃中心

呼吸機是一種臨床急救與生命支持類設備，廣泛應用于急救、麻醉、呼吸維持與治療、術后恢復等臨床救治過程，能夠有效提高病人的肺通氣量，迅速提升氧氣吸入和二氧化碳排放的效率，其參數(shù)設置是否合理、性能是否穩(wěn)定、環(huán)境是否適宜、監(jiān)測是否準確，直接影響著患者的診療效果甚至生命安全。在ISO-14971醫(yī)療設備風險規(guī)范中，呼吸機的風險分值最高[1]，屬于超高風險的醫(yī)療設備，因而其臨床安全性與穩(wěn)定性也備受關注。

隨著電子技術的快速發(fā)展，越來越多的設備自帶了故障診斷系統(tǒng)，甚至預留了接口以方便技術人員遠程監(jiān)控設備狀態(tài)，為實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)提供了有力的技術保障。本研究依托醫(yī)療設備租賃中心[2-3]和醫(yī)學計量三級站[4-5]，基于嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術研究并設計了呼吸機運行狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)，下面以PB840呼吸機的運行狀態(tài)監(jiān)控流程為例來介紹該系統(tǒng)的研究及設計過程。

1 總體設計

1.1 PB840呼吸機可監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型

PB840呼吸機顯示屏背面右下方有3個RS232串口，配套的說明書中詳細介紹了該組串口的通信參數(shù)設置方法、通信命令與反饋數(shù)據(jù)的格式等技術指標，根據(jù)相關內容將可監(jiān)測的呼吸機運行狀態(tài)信息分為以下幾類：① 呼吸機本身信息，如呼吸機ID號、內部時間日期、呼吸管路類型與內徑、濕化器的類型與容量、氧傳感器是否開啟等；② 使用者設置的靜態(tài)參數(shù)，包括設定的呼吸參數(shù)值，如呼吸模式、呼吸頻率、觸發(fā)方式、潮氣量、平臺期時長等；以及報警信息的設定值，如分鐘呼氣量、呼氣潮氣量、呼氣壓力、呼氣頻率等參數(shù)的報警限值；③ 動態(tài)監(jiān)測記錄信息，包括呼吸機內部傳感器實時監(jiān)測到的呼吸參數(shù)值，如呼吸頻率、分鐘呼氣量、峰值氣道壓力、平均氣道壓力等；以及根據(jù)傳感器檢測結果估算的病人呼吸參數(shù)值，如估算的總阻力、病人阻力、病人彈性、病人順應性等；④ 報警信息，主要指呼吸機檢測到運行異常時產生的報警信息，包括窒息通氣、分鐘呼氣量過高、呼氣潮氣量過高、呼吸壓力過高、AC電源丟失、電池電量不足、氧濃度低等報警信息。

1.2 系統(tǒng)的整體架構

呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集與存儲模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊以及醫(yī)療設備租賃中心的服務器組成。基于嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術設計的數(shù)據(jù)采集與存儲模塊可定時采集呼吸機的運行狀態(tài)信息，并將其存入自身配備的存儲器中；當呼吸機用畢歸還至醫(yī)療設備租賃中心后，服務器端的應用軟件在登記歸還信息的同時，可通過無線網(wǎng)絡讀取數(shù)據(jù)采集與存儲模塊中存儲的呼吸機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)并對其進行分析[6]，然后將分析結果反饋給臨床工程師；工程師根據(jù)反饋結果對歸還回來的呼吸機進行自檢、維修保養(yǎng)、計量檢定等工作，確保呼吸機運行的安全性與可靠性。其整體架構圖，見圖1。

圖1 呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構圖

2 硬件設計及實現(xiàn)過程

呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要包括數(shù)據(jù)采集與存儲模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊兩部分。

2.1 數(shù)據(jù)采集與存儲模塊

數(shù)據(jù)采集與存儲模塊（圖2）與呼吸機相連，主要由RS232串口通信模塊、MSP430單片機模塊、CC1101無線通信模塊[7-9]、5 V直流開關電源、鋰電池與充電模塊、電源切換電路等組成，圖中的空心雙向箭頭代表系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流向，黑色實心箭頭代表系統(tǒng)的電源供電方向。電源電路中的5 V直流開關電源插頭、呼吸機電源插頭、濕化器電源插頭均接入固定在呼吸機背面的插線板上，臨床科室的操作人員在使用呼吸機時首先將插線板接入市電，數(shù)據(jù)采集與存儲模塊就會與呼吸機同步上電。

圖2 數(shù)據(jù)采集與存儲模塊示意圖

圖3 所示的是電源切換電路的原理圖，圖中B1是鋰電池，RL1是繼電器，C1是大容量電容，當市電斷開時可迅速切換為鋰電池供電，可保障數(shù)據(jù)采集與存儲模塊的不間斷供電，以免市電突然斷開時導致數(shù)據(jù)丟失。

圖3 電源切換電路的原理圖

2.2 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

圖4所示的是與醫(yī)療設備租賃中心的服務器相連的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的硬件電路結構示意圖，主要包括CC1101無線通信模塊、MSP430單片機模塊、RS232串口通信模塊、5V直流開關電源等部分。

圖4 服務器端無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊示意圖

3 軟件設計及實現(xiàn)過程

呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要包括MSP430單片機端的控制軟件、服務器端的應用軟件和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)3部分，下面分別介紹前兩部分的設計與實現(xiàn)過程。

3.1 MSP430單片機端的控制軟件

MSP430單片機端的控制軟件用于控制數(shù)據(jù)采集與存儲模塊的工作流程，其流程圖，見圖5。圖中的實線箭頭是控制程序實際的邏輯流向，虛線箭頭則是程序內部或不同程序之間隱含的控制或邏輯關系流程。由圖5可知，MSP430單片機的定時器中斷函數(shù)每隔5 min經由RS232串口向呼吸機發(fā)送1次查詢呼吸機運行狀態(tài)信息的命令，隨后呼吸機將會按規(guī)定的格式反饋其運行狀態(tài)信息；串口中斷函數(shù)接收到呼吸機反饋回來的運行狀態(tài)信息后，將其與5 min前采集到的數(shù)據(jù)進行比較，并判斷接收的數(shù)據(jù)是否完整，然后根據(jù)比較及判斷結果設置各標記位的值；主程序則根據(jù)各標記位的值執(zhí)行相應的代碼，數(shù)據(jù)接收完畢后，MSP430單片機若接收到服務器發(fā)來的讀數(shù)據(jù)命令，將讀取存儲器中的數(shù)據(jù)然后經由CC1101無線通信模塊發(fā)送給服務器。

3.2 服務器端的應用軟件

圖5 MSP430單片機控制程序流程圖

服務器端的應用軟件基于C#開發(fā)平臺設計，用于實時接收并處理數(shù)據(jù)采集與存儲模塊記錄到的呼吸機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，其流程圖，見圖6。首先與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊建立通信連接，然后讀取呼吸機運行狀態(tài)信息，若讀取成功則分析接收到的數(shù)據(jù)中是否包含報警信息，是否有參數(shù)越界以及其他異常狀況信息；軟件分析出異常狀況信息后，會將異常信息及呼吸機位置信息顯示在終端顯示屏上；技術人員處理完畢后，按照提示錄入處理方案及結果，系統(tǒng)將流程中產生的所有數(shù)據(jù)存入SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。

圖6 服務器端應用軟件流程圖

4 系統(tǒng)工作流程

呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程圖，見圖7。圖中左側虛線框內是醫(yī)療設備租賃管理流程，右側虛線框內是呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)在租賃管理軟件的配合下定時讀取并存儲呼吸機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的工作流程。呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的主要工作流程介紹如下：

（1）服務器端的上位機軟件登記呼吸機租賃信息。

（2）呼吸機抵達臨床科室后，醫(yī)護人員首先將呼吸機背面的插線板接入市電，此時數(shù)據(jù)采集與存儲模塊也同步上電啟動。MSP430單片機首先控制鋰電池充電模塊對鋰電池進行充電，并在檢測到過充現(xiàn)象[10]后停止充電，同時清空存儲器，系統(tǒng)計時器開始計時，MSP430單片機切換為低功耗模式運行，5 min計時結束時中斷響應函數(shù)喚醒MSP430單片機，經串口向呼吸機發(fā)送狀態(tài)查詢命令；如果呼吸機正在運行，就會按照預定的格式反饋其運行狀態(tài)信息，MSP430單片機接收到呼吸機的運行狀態(tài)信息后將其與上一次的運行狀態(tài)記錄進行對比，若有變化則將其存入數(shù)據(jù)采集與存儲模塊的存儲器中；存儲完畢后計時器重新計時，MSP430單片機再次切換為低功耗模式，等待下一次計時結束后的中斷喚醒。

（3）呼吸機使用完畢后，醫(yī)護人員斷開插線板的市電連接，電源切換電路自動將數(shù)據(jù)采集與存儲模塊切換為鋰電池供電，MSP430單片機將數(shù)據(jù)存儲完畢后切換為低功耗待機模式。

（4）呼吸機歸還到醫(yī)療設備租賃中心時，服務器端應用軟件在登記設備歸還信息的同時經CC1101無線通信模塊向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令，MSP430單片機接收到命令后讀取存儲器中的數(shù)據(jù)，再經CC1101無線通信模塊發(fā)送給服務器端的應用軟件，隨后MSP430單片機清空數(shù)據(jù)采集與存儲模塊的存儲器后自行掉電關機，等待下一次呼吸機上電時重新啟動。

（5）上位機軟件接收完數(shù)據(jù)后將其存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，然后對數(shù)據(jù)進行分析，若監(jiān)測到異常狀況則提醒管理人員及時進行處理，記錄故障處理方案及結果并將其存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。

圖7 呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)工作流程圖

5 結果與討論

呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設計完成后，已在醫(yī)療設備租賃中心測試通過，目前運行穩(wěn)定。通過嵌入式技術、物聯(lián)網(wǎng)通信技術、應用軟件開發(fā)技術及數(shù)據(jù)庫技術的配合實現(xiàn)了呼吸機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與異常狀況分析。但由于實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)尚未測試完畢，系統(tǒng)的時效性有待提高，未來將進一步完善服務器端應用軟件，并結合物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)呼吸機全程質量狀況監(jiān)測與實時質量控制。

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Design of a Monitoring System for Ventilator Operation Status

WANG Wei, HONG Fan-zong, SU Qiu-ling, SU Zeng-sheng
Department of Medical Engineering, The 180thHospital of PLA, Quanzhou Fujian 362000, China

ObjectiveTo design a monitoring system based on the medical equipment leasing center so as to acquire and analyze the operation status of ventilators.MethodsThe embedded module was developed based on the MSP430 single-chip microcomputer to regularly collect and send the operation information of ventilators to the server of the medical equipment leasing center. The application software was designed on the basis of Visual Studio C# platform to receive and analyze the operation information.ResultsThe system made it possible to collect and analyze the operation status of ventilators regularly.ConclusionApplication of the system can improve the real-time monitoring of the quality of ventilators.

the operation status of ventilators; wireless communication module; single-chip microcomputer; medical equipment leasing center

R82

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.007

1674-1633(2015)03-0027-04

2014-10-27

2014-12-16

全軍軍事醫(yī)學計量科研專項課題（2011-JL3-003）。

作者郵箱：wangwei．oneway@gmail．com