陸志峰， 景為平

(南通大學 江蘇省專用集成電路設計重點實驗室， 江蘇 南通 226019)

基于ISO15693射頻標簽的RFID手術器械管理系統(tǒng)設計

陸志峰， 景為平

(南通大學 江蘇省專用集成電路設計重點實驗室， 江蘇 南通 226019)

針對手術異物遺留(RSIS)的難題，提出了基于ISO15693射頻標簽的射頻識別(RFID)手術器械管理系統(tǒng)。將ISO15693射頻標簽內置在手術器械中，采用三通道天線協(xié)調工作的RFID閱讀器完成對手術器械的登記錄入、回收統(tǒng)計和尋找掃描。借助Qt圖形界面應用程序開發(fā)框架，實現(xiàn)對手術器械管理系統(tǒng)的上位機操作界面的設計。實驗表明系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、快速、準確地實現(xiàn)對手術器械使用和回收的智能化管理，有效地防止了手術器械遺留問題的發(fā)生，給手術安全提供了更加高效可靠的保障。系統(tǒng)現(xiàn)已具備實際應用能力，正在進行面向醫(yī)療實用的推廣。

手術異物遺留； 15693國際標準； 射頻識別； 手術器械

0 引 言

2012年9月《紐約時報》報道了一位女士因手術異物遺留造成嚴重傷害的案例[1]。數(shù)據(jù)顯示，從2005年至2016年，聯(lián)合委員會警訊事件數(shù)據(jù)庫共收到772例手術異物遺留事件報告，其中造成16人直接死亡。這表明手術異物遺留給患者不僅帶來了不必要的傷害和疼痛的折磨，甚至直接威脅到他的生命安全。在醫(yī)患關系如此緊張的今天，手術異物遺留問題必須引起重視。要解決手術異物遺留的問題，就在于對手術中手術器械的使用和回收進行科學、嚴格管理，杜絕任何手術器械遺漏的情況發(fā)生。通過調研發(fā)現(xiàn),目前在國內的醫(yī)院手術中，為防止手術器械(如紗布、手術剪刀、血管鉗等)遺留在病人體內，采用嚴格的3人4次清點制度[2]，完全依賴人工清點與回收，這不僅增加了手術的復雜度和管理成本，而且不能對手術中使用的所有器械進行統(tǒng)一規(guī)范管理統(tǒng)計。

針對上述現(xiàn)狀，本文提出了一種基于ISO15693射頻標簽的射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)手術器械管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以RFID技術為核心，結合高效的微處理器(Microcontroller Unit, MCU)、精準的復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)和友好的Qt圖形交互界面，實現(xiàn)了一個穩(wěn)定、高效的智能化手術器械管理系統(tǒng)。通過對手術器械使用和回收的智能化管理，能夠達到有使用就有回收的標準，為手術器械的管理帶來了極大的幫助，有效地避免了手術過程中異物遺留問題的發(fā)生。

1 系統(tǒng)的總體結構和原理

手術器械管理系統(tǒng)主要由內嵌RFID標簽的手術器械、RFID閱讀器和帶觸摸屏的工控機組成。其中RFID閱讀器由三組天線、射頻前端模塊、CPLD編解碼模塊和MCU控制模塊組成。三組天線分別分布在登記錄入處、回收桶和掃描器。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。手術器械中內嵌的RFID標簽的唯一標識符(Unique Identifier, UID)和應用族識別符(Application Family Identifier, AFI)分別用來標識該器械的唯一身份和器械的對應類型[3]，RFID閱讀器通過天線的電磁耦合讀取器械內的標簽信息[4]，經(jīng)RS232串口傳遞給工控機[5]。工控機安裝了由Qt開發(fā)的上位機程序，顯示系統(tǒng)的操作界面和統(tǒng)計結果。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)的硬件電路主要是RFID閱讀器的3個部分：射頻前端模塊、CPLD編解碼模塊和MCU邏輯控制模塊[6]。MCU邏輯控制模塊負責RFID閱讀器的工作邏輯控制和將采集的信息上傳至上位機程序；CPLD編解碼模塊依據(jù)ISO15693協(xié)議實現(xiàn)MCU和射頻前端電路之間通信的編碼和解碼；射頻前端電路對發(fā)射信號進行調制和放大，對接收信號進行整形濾波和解調。

2.1MCU邏輯控制電路設計

MCU邏輯控制電路主要由IAP15W4K61S4單片機和串口芯片MAX232組成[7]。MCU采用的是IAP15W4K61S4單片機，30 MHz的最大處理器頻率，保證其能夠快速的完成ISO15693協(xié)議中的抗沖突算法，實現(xiàn)快速準確識別多張射頻標簽[8]。單片機通過MAX232串口芯片實現(xiàn)與工控機串口通信。在與CPLD編解碼模塊通信時利用單片機自帶的外部中斷機制，將單片機中斷設置為下降沿觸發(fā)，CPLD設計成上升沿觸發(fā)，實現(xiàn)一個方波信號傳遞一位數(shù)據(jù)的快速穩(wěn)定的通信方法。單片機采用P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P3.5、P3.2、P3.3這7個端口與CPLD完成通信，其中P3.2和P3.3為單片機的外部中斷0和外部中斷1引腳。MCU設計原理圖如圖2所示。

圖2 MCU設計原理圖

2.2CPLD編解碼電路設計

CPLD編解碼電路通過VHDL硬件語言基于ALTER公司的MAXII芯片映射成實際硬件電路。采用“自頂向下”的設計思想，將CPLD編解碼電路按功能分成5個模塊，分別為：時鐘模塊Clock_source、編碼模塊 Coder、接收處理模塊Processor、幀頭幀尾識別模塊SEOF_decode和譯碼模塊Man_decode。CPLD內部模塊結構圖如圖3所示。

Clock_source模塊負責提供整個CPLD電路的時鐘信號和復位。

圖3 CPLD內部模塊結構圖

Coder模塊負責編碼功能，將單片機傳入的二進制數(shù)據(jù)根據(jù)ISO15693協(xié)議的4選1編碼模式進行編碼。

解碼功能由Processor模塊、SEOF模塊、和Man_decode模塊相互協(xié)調工作實現(xiàn)。其中Processor模塊負責對傳入的射頻前端信號進行采樣分析；SEOF模塊負責對傳入信號的幀頭和幀尾識別；Man_decode模塊負責將接收的曼切斯特碼[9]形式的數(shù)據(jù)解碼成二進制數(shù)據(jù)。

2.3射頻前端電路設計

射頻前端電路分為發(fā)射和接收兩個部分。

發(fā)射電路采用分立元件搭建，將需要發(fā)送的編碼信號調制到13.56 MHz的載波上去，并利用功率放大器進行功率放大，最后采用濾波電路對信號進行整形濾波。分立元件使得硬件電路成本更低，輸出參數(shù)可以根據(jù)實際情況調整以滿足不同的需求。

接收電路利用AD8616芯片外接濾波器構成的兩級放大濾波電路，將13.56 MHz的載波信號濾除，提取出副載波信號，然后利用MAX9142雙路比較器對提取的副載波信號進行規(guī)整和優(yōu)化。其中AD8616芯片具有低失調、低噪聲、極低的輸入偏置電流和高速度的特性，配合濾波器可以完整高效的提取出副載波信號。雙路比較器MAX9142具有低功耗、高速度、滿擺幅特點可以快速穩(wěn)定的對信號進行整形和優(yōu)化。射頻接收部分電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)的軟件設計

采用模塊化的思想設計程序，設計時注意各個模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。MCU控制軟件是基于單片機IAP15W4K61S4采用C語言設計的，采用多模塊結合思想使得程序邏輯結構清晰，代碼量少。上位機程序采用C++語言基于Qt Creator圖形界面應用開發(fā)軟件開發(fā)，該軟件具有成熟的庫函數(shù)，移植性強，運行環(huán)境多樣等特點，支持Linux，Windows等操作系統(tǒng)可以快速簡單地開發(fā)出友好交互界面[10]。

圖4 射頻接收部分電路圖

3.1MCU程序設計

首先，對各個模塊初始化和單片機IAP15W4K61S4引腳配置[11]。主程序循環(huán)判斷接收完成標志位，當檢測到串口中斷，進入串口中斷服務程序，根據(jù)設定的通信協(xié)議識別到幀頭后開始接收數(shù)據(jù)，通信協(xié)議如表1所示。接收完成后進行循環(huán)冗余檢查(Cyclic Redundancy Check, CRC)校驗，校驗正確將接收完成標志位置為真[12]。當主程序檢測到接收完成標志位被置為真，對接收的數(shù)據(jù)進行解析判斷，根據(jù)接收的命令字向CPLD中發(fā)送對應的命令幀。隨后接收CPLD中返回的數(shù)據(jù)幀，進行CRC校驗，驗證通過后依據(jù)串口通信協(xié)議對接收數(shù)據(jù)進行打包，最后通過串口向上位機返回數(shù)據(jù)。一次通信完成后，程序回到循環(huán)判斷接收完成標志的函數(shù)，等檢測到下一次接收完成標志后，進行上面同樣的步驟。MCU程序具體流程如圖5所示。

表1 通信協(xié)議

3.2上位機程序設計

上位機程序是整個系統(tǒng)的開始點和結束點，是系統(tǒng)與人的交互點[13]，因此界面不僅要簡潔明了，更要保證操作快捷方便。利用Qt特有的信號與槽的機制[14]使得系統(tǒng)操作者只需點擊界面按鈕，便可觸發(fā)對應的操作，完成數(shù)據(jù)的獲取。整個通信過程的數(shù)據(jù)可靠性很重要，因此在MCU端采用了多次CRC校驗后，在上位機串口接收端再次進行CRC和長度校驗，確保數(shù)據(jù)的絕對可靠。上位機軟件的設計流程圖如圖6所示。

圖5 MCU程序設計流程圖

圖6 上位機設計流程圖

數(shù)據(jù)處理部分用Qt自帶的SQLite輕量級數(shù)據(jù)庫處理[15-16]。數(shù)據(jù)庫由2張表組成：① Device表。記錄所有器械的使用和回收情況；② Type表。記錄所有器械對應類型的使用和回收情況。Device表與Type表之間具有多對一的關聯(lián)關系。數(shù)據(jù)庫表關系圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫存儲格式

數(shù)據(jù)庫對接收的數(shù)據(jù)處理流程如下：① 手術開始后系統(tǒng)自動創(chuàng)建一張與手術患者有關的Device表。② 登記天線讀取到手術器械內標簽的UID，先在表中查詢是否已存在此UID記錄。如果沒有則創(chuàng)建ID為此UID的一條行記錄，并將登記天線值寫為true，回收天線和掃描天線值寫為false，器械類型根據(jù)讀取到標簽的AFI判別。如果存在此UID記錄就忽略。③ 回收天線讀取到UID，在表中查詢是否表中有此UID記錄，如果有就將回收天線的值改為true，狀態(tài)的值也改為true，否則提示該標簽未經(jīng)登記進入使用。④ 掃描天線讀取到UID，在表中查詢是否表中有此UID記錄以及回收天線的值是否為false，如果以上條件都滿足就將掃描天線值改為true，否則忽略此UID。⑥ 手術結束，備份保存數(shù)據(jù)表以便日后查詢手術中器械使用的記錄，關閉數(shù)據(jù)庫。

Type表每當Device表有數(shù)據(jù)操作就對其做一次數(shù)據(jù)統(tǒng)計并更新Type表的內容。界面根據(jù)Type表的內容，統(tǒng)計顯示當前各種類型手術器械使用和回收的數(shù)量情況。

4 系統(tǒng)的測試和驗證

為了驗證系統(tǒng)的準確性和可靠性，選取了8張ISO15693協(xié)議的射頻標簽，分別放置在40 mm×40 mm紗布、100 mm×60 mm紗布、100 mm×100 mm紗布和手術剪刀四種器械中，并將這8張標簽的AFI寫成對應型號的編碼。然后模擬手術過程使用手術器械。

手術操作流程如下：手術開始打開手術管理系統(tǒng)，點擊操作界面的登記錄入(COUNT IN)按鈕，將手術器械使用前在登記錄入處掃描錄入，器械使用完后扔進回收桶中。手術結束后點擊回收(COUNT OUT)按鈕，系統(tǒng)自動統(tǒng)計回收桶中的器械。根據(jù)顯示結果判斷，如果有未回收的遺漏器械，且不在可視范圍內，點擊掃描(SCAN)按鈕用掃描器去病人身體部位探測尋找，快速定位遺漏器械的位置。最后點擊詳情(DETAIIED)按鈕進入詳細數(shù)據(jù)界面保存數(shù)據(jù)，以便日后查詢手術記錄查看手術器械使用情況。

實驗過程中故意讓1塊100 mm×60 mm型號和1塊100 mm×100 mm型號的紗布未放進回收桶模擬遺漏的情況，系統(tǒng)能夠準確的顯示這2種紗布各有1塊未回收，然后用掃描器找到這2塊紗布后，系統(tǒng)顯示沒有手術器械遺漏。

實驗證明登記和回收的天線能夠迅速沒有遺漏地讀取多個手術器械，掃描器的天線能夠快速準確地探測到遺漏的器械。長時間工作，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，響應迅速。整個系統(tǒng)實物圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)實物

5 結 語

本文設計了一種基于ISO15693射頻標簽的RFID手術器械管理系統(tǒng)，詳細闡述了系統(tǒng)的設計和工作原理?；贑PLD強大的實時和高速數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢，充分利用以分立元件設計硬件電路具有結構簡單、成本低及性能穩(wěn)定的特點，加上單片機構成的硬件結構簡單、開發(fā)周期短、控制功能強、可靠性高的優(yōu)點，結合上位機簡潔人性化的操作界面和清晰明了的數(shù)據(jù)顯示，最終實現(xiàn)了一個高效率、高可靠性、操作簡單便捷的手術器械管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可大大降低手術中手術器械清點者的壓力和工作量，準確、穩(wěn)定地顯示手術器械使用和回收情況，確保手術器械無遺漏，為手術安全提供最后一道防線，而且還可以接入醫(yī)院的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為智能化醫(yī)院提供支持并為醫(yī)院手術器械耗材的大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)來源。該系統(tǒng)已具備實際應用能力，目前正處于醫(yī)療應用推廣階段。

[1] O’CONNOR A. When surgeons leave objects behind[N].The New York Times，September 24，2012.

[2] 王 珂.醫(yī)用病床的智能化設計研究——檢查病床為例[D].上海：東華大學，2011.

[3] 王愛英.智能卡技術[M].北京：清華大學出版社，2000.

[4] 寧煥生.RFID產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)關鍵技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[5] 李明娟，李海龍.單片機和RFID技術的智能門禁系統(tǒng)設計[J].實驗室研究與探索，2016，35(11)：123-126.

[6] 孫杰林，王中訓.基于15693協(xié)議的射頻識別讀卡器的設計[J].電視技術，2012，36(3)：29-31.

[7] 王 穎，呂顯強，張 菁. MAX485在PC機與單片機間通信的應用[J].信息技術，2011(6)：180-182.

[8] 王 松.RFID系統(tǒng)防沖突算法的研究與實現(xiàn)[D].天津：天津理工大學，2012.

[9] 博 斯.信息論、編碼與密碼學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[10] 霍亞飛.Qt Creator快速入門[M].北京：航空航天大學出版社，2012：465.

[11] 楊維祎，郭 穎，欒哲江，等. 基于STC98C52的智能玩具小車設計[J].電子設計工程，2016，24(10)：97-99.

[12] 劉恩博，田 敏，李江全.組態(tài)軟件數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應用實戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[13] 彭民德.基于Web的生產(chǎn)者-消費者同步問題的實現(xiàn)技術[J].計算機工程與應用，2006(22)：50-51.

[14] 薩默菲爾德.Qt高級編程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[15] 胡 曉，談恩民，陳壽宏，等.嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite在邊界掃描測試系統(tǒng)中的應用[J].微電子學與計算機，2014(5)：188-192.

[16] 陳 新，高鳳梅，曹玲芝，等.嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite在電梯B/S監(jiān)控中的應用[J].電子技術應用，2006，32(5)： 59-61.

DesignoftheRFIDOperatingInstrumentsManagementSystemBasedOnISO15693ElectronicTags

LUZhifeng，JINGWeiping

(Jiangsu Key Laboratory of ASIC Design, Nantong University, Nantong 226019, Jiangsu, China)

In order to solve the problem of retained surgical items (RSIS), the paper proposed a radio frequency identification (RFID) operating device management system based on ISO15693 electronic tags. In the system, every surgical device contains an ISO15693 electronic tag, and the RFID reader with three channels is cooperated to achieve the surgical instruments’ registration, recycling and scanning. The upper computer’s operation interface of the operating device management system is designed by using Qt GUI application development framework. Experiments show that the system can stably, accurately and timely accomplish the intelligent management of the operation devices’ using and recycling, the problem of RSIS is prevented. The system can provide more reliable safeguard for the safety of operation. System now has the capability of practical application and is going on the medical application promotion.

retained surgical items (RSIS); ISO 15693; radio frequency identification (RFID); surgical devices

TN 4

A

1006-7167(2017)09-0275-05

2016-12-25

江蘇省科技支撐計劃-工業(yè)部分(重點)項目 (BE2013008-3)；江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2013042-03)

陸志峰(1990-)，男，江蘇如皋人，碩士生，研究方向：主要從事射頻識別技術應用的研究。Tel.：15365483098； E-mail：1025737677@qq.com