醫(yī)療設(shè)備RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

丁效軍，鄭理華

醫(yī)療設(shè)備RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

丁效軍，鄭理華

目的：解決目前醫(yī)療設(shè)備管理方面存在的管理混亂、查詢(xún)統(tǒng)計(jì)不便、無(wú)法掌握具體位置信息等問(wèn)題。方法：對(duì)醫(yī)療設(shè)備RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方案與應(yīng)用形式進(jìn)行研究和討論，從軟件和硬件2個(gè)方面進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了方案的總體結(jié)構(gòu)，分析了其工作原理，采用非接觸式充電的模式，有效地延長(zhǎng)了RFID的生命期限。結(jié)果：設(shè)計(jì)了有源RFID標(biāo)簽方案。結(jié)論：該標(biāo)簽的設(shè)計(jì)大幅提高了醫(yī)療設(shè)備的管理效率。

無(wú)線射頻識(shí)別；標(biāo)簽設(shè)計(jì)；醫(yī)療設(shè)備管理

0 引言

無(wú)線射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的識(shí)別技術(shù)[1]。與以往的電子標(biāo)簽不同，RFID可以識(shí)別有效距離大的光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)，RFID標(biāo)簽可以多次讀寫(xiě)，還可以存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)信息，已被應(yīng)用于自動(dòng)收費(fèi)、物流管理、食品安全跟蹤等多個(gè)領(lǐng)域。醫(yī)療設(shè)備是醫(yī)院的重要資源，其種類(lèi)繁多、不易管理、對(duì)于大型的三甲醫(yī)院來(lái)說(shuō)，醫(yī)療設(shè)備的管理顯得更為重要。醫(yī)院的信息化建設(shè)越來(lái)越重視RFID技術(shù)的應(yīng)用，加之醫(yī)療設(shè)備的使用年限較長(zhǎng)，所以對(duì)RFID標(biāo)簽的有效生命期要求較高[2]。目前，很多有源的RFID標(biāo)簽使用時(shí)間有限，當(dāng)電量用盡時(shí)需要更換電池，或者更換新的RFID標(biāo)簽，降低了工作效率，也造成了一定的浪費(fèi)，而且當(dāng)電量降低時(shí)，RFID標(biāo)簽的識(shí)別可靠性也將受到影響，造成整個(gè)RFID醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。本文針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種非接觸式充電的電子標(biāo)簽，方案設(shè)計(jì)了2種工作方式，在降低標(biāo)簽功耗的同時(shí)，還可以通過(guò)天線實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽電池的充電功能，使RFID標(biāo)簽的使用壽命得到延長(zhǎng)，從而保證了基于RFID標(biāo)簽的醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 RFID標(biāo)簽的重要作用

RFID標(biāo)簽可應(yīng)用于醫(yī)療信息化領(lǐng)域中的各個(gè)方面。由于標(biāo)簽中可以存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的信號(hào)接收，因此，可應(yīng)用于病患管理、醫(yī)療設(shè)備管理、醫(yī)療垃圾管理等方面[3]。

在病患管理方面，可為每一名患者分配一條帶有RFID標(biāo)簽的腕帶，其中記錄著該患者的所有重要信息，包括病歷、用藥情況等，醫(yī)生在對(duì)其進(jìn)行查房和診斷時(shí)，可通過(guò)帶有RFID信號(hào)接收功能的個(gè)人數(shù)字助理獲取該患者的相關(guān)信息，從而更好地提供診療服務(wù)。同時(shí)，利用RFID的空間定位功能，也可對(duì)重要病患進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，防止意外發(fā)生[4]。

在醫(yī)療設(shè)備管理方面，對(duì)于輸液泵、輪椅等可移動(dòng)的醫(yī)療設(shè)備，可利用RFID對(duì)其進(jìn)行定位，降低丟失的可能性；對(duì)于CT機(jī)、核磁共振儀等相對(duì)固定的設(shè)備，可利用RFID記錄其相關(guān)信息，包括配備時(shí)間、維護(hù)記錄、性能指標(biāo)等，一方面可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)這些信息進(jìn)行讀取和管理，另一方面可以根據(jù)維護(hù)計(jì)劃及時(shí)地對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行檢修，以保證其正常的工作狀態(tài)[5]。

在醫(yī)療垃圾處理方面，可利用RFID標(biāo)簽對(duì)垃

圾整個(gè)處理流程進(jìn)行管理。由于醫(yī)療垃圾的特殊性，要求其處理流程必須在監(jiān)管下進(jìn)行，而RFID可以記錄每一袋垃圾的相關(guān)信息，追蹤和監(jiān)測(cè)各個(gè)處理環(huán)節(jié)，防止交叉感染和丟失情況的發(fā)生[6]。

在以上諸多應(yīng)用中，RFID標(biāo)簽的有效作用時(shí)間是系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)，特別是對(duì)于醫(yī)療設(shè)備的管理，RFID標(biāo)簽的有效期長(zhǎng)度，決定了醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)的可用性。

2 RFID標(biāo)簽硬件設(shè)計(jì)方案

本文討論的RFID標(biāo)簽硬件的構(gòu)成包括微處理器、射頻收發(fā)、無(wú)線接收3個(gè)主要部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RFID標(biāo)簽硬件的總體結(jié)構(gòu)

其中，微處理器的功能包括配置射頻模塊的參數(shù)，處理RFID標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的信息，響應(yīng)比較器的請(qǐng)求和定時(shí)器的中斷事件，讀取或者改寫(xiě)閃存芯片中的內(nèi)容；射頻收發(fā)部分與外界的數(shù)據(jù)交互是通過(guò)GMSK的調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的編碼和解碼操作，并通過(guò)天線發(fā)送和接收信號(hào)；無(wú)線接收部分與微處理器部分是通過(guò)單片機(jī)MSP430中的比較器進(jìn)行連接，通過(guò)向單片機(jī)發(fā)送中斷信號(hào)，使其進(jìn)入充電的工作模式，通過(guò)倍壓整流電路，產(chǎn)生足夠的電壓，對(duì)RFID標(biāo)簽中的電池進(jìn)行充電操作。

2.1 微處理器部分

微處理器部分是整個(gè)RFID標(biāo)簽的控制中心，采用的處理芯片是MSP430F147，該芯片由TI公司出品。該單片機(jī)的突出特點(diǎn)是功耗很低，使用者可根據(jù)外圍設(shè)備的實(shí)際工作需求，編寫(xiě)相關(guān)的指令對(duì)單片機(jī)中的時(shí)鐘進(jìn)行控制，從而根據(jù)實(shí)際的使用需求，調(diào)度系統(tǒng)資源使RFID標(biāo)簽系統(tǒng)的功耗降至最低。MSP430F147單片機(jī)可以響應(yīng)中斷信號(hào)，使系統(tǒng)進(jìn)入不同的工作狀態(tài)，節(jié)省功耗。本文設(shè)計(jì)的RFID標(biāo)簽系統(tǒng)，中央處理器在不需要工作的情況下，處于LPM3的休眠狀態(tài)，此時(shí)功耗最低，當(dāng)單片機(jī)中的比較器中斷端口接收到喚醒信號(hào)時(shí)，立即進(jìn)入工作狀態(tài)，完成RFID信號(hào)的收發(fā)和數(shù)據(jù)交換，一旦完成了相關(guān)工作，系統(tǒng)將再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。由此可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)方案中的中央處理器只在需要時(shí)才被激活，相比于長(zhǎng)期待命狀態(tài)的RFID標(biāo)簽，其功率大幅降低，耗電更少，從而延長(zhǎng)了電池壽命。

2.2 無(wú)線射頻收發(fā)部分

無(wú)線射頻收發(fā)模塊主要負(fù)責(zé)RFID標(biāo)簽與外部設(shè)備的信號(hào)與數(shù)據(jù)交互，本設(shè)計(jì)中采用的是Nordic公司的nrf2401芯片，該芯片采用的信號(hào)調(diào)制方式為GMSK，工作于2.4 GHz頻段。該芯片提供了程序開(kāi)發(fā)的API接口，開(kāi)發(fā)者可對(duì)其通信頻率和輸出功率進(jìn)行控制。與方案所選用的單片機(jī)特點(diǎn)相同，該芯片的功耗很低，且具有多種工作模式[7]，開(kāi)發(fā)者可根據(jù)需要進(jìn)行編程，控制射頻收發(fā)部分的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示進(jìn)行。

圖2 射頻收發(fā)部分結(jié)構(gòu)

射頻收發(fā)部分與微處理器部分之間是通過(guò)SPI模式連接的，具有多種通信工作模式。在本方案設(shè)計(jì)中，采用的ShockBurstTM收發(fā)模式利用了芯片內(nèi)部的FIFO堆棧，數(shù)據(jù)低速進(jìn)入，并以1 Mbps的速度進(jìn)行發(fā)射，而所有的信號(hào)處理操作都在片內(nèi)完成[8]，這一設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)的能耗進(jìn)一步降低。

2.3 無(wú)線接收部分

無(wú)線接收部分的一個(gè)重要功能是對(duì)RFID標(biāo)簽的電池進(jìn)行充電操作，以延長(zhǎng)標(biāo)簽的使用壽命。無(wú)線接收部分主要包括天線、天線適配器、倍壓整流電路3個(gè)組成部分，如圖3所示。

圖3中，左半部分是天線適配電路，微調(diào)電容C1的功能是對(duì)天線諧振的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)；右半部分為倍壓整流電路，可將電壓放大4 姨 2倍，即如果天線適配輸出的電壓為E，則圖中INT端和GND端之間

圖3 無(wú)線接收部分電路原理圖

3 RFID標(biāo)簽軟件設(shè)計(jì)

RFID標(biāo)簽的軟件設(shè)計(jì)方案包括2個(gè)主要的部分，分別是系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和對(duì)中斷的響應(yīng)，其程序的流程如圖4所示。

系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置主要完成的工作包括對(duì)MSP430單片機(jī)內(nèi)部各寄存器的初始化設(shè)置、時(shí)鐘模式和參數(shù)的設(shè)置、nrf2401片內(nèi)寄存器的設(shè)計(jì)、比較器和定時(shí)器的設(shè)計(jì)等。根據(jù)軟件的設(shè)計(jì)，本文研究的RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)了2種工作模式，當(dāng)定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)，RFID標(biāo)簽中的中央處理器被喚醒，但此時(shí)標(biāo)簽只發(fā)送標(biāo)簽內(nèi)的內(nèi)容，用于對(duì)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行管理以及跟蹤，當(dāng)發(fā)送完成后，系統(tǒng)立即進(jìn)入休眠的狀態(tài)；而當(dāng)比較器中斷出現(xiàn)時(shí)，RFID標(biāo)簽不僅會(huì)發(fā)送標(biāo)簽中的標(biāo)志內(nèi)容，而且還會(huì)打開(kāi)接收天線，一方面可以根據(jù)接收到的讀寫(xiě)信號(hào)，對(duì)Flash中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，另一方面可通過(guò)倍壓整流電路對(duì)電池進(jìn)行非接觸式的充電，所有的工作完成后，系統(tǒng)又將進(jìn)入休眠狀態(tài)。

4 應(yīng)用效果

基于本方案設(shè)計(jì)的RFID設(shè)備標(biāo)簽，已經(jīng)在本院800多臺(tái)大型醫(yī)療設(shè)備上使用。使用時(shí)間最長(zhǎng)的標(biāo)簽已達(dá) 2 a，期間共計(jì)進(jìn)行了 4次設(shè)備點(diǎn)驗(yàn)，相對(duì)于普通標(biāo)簽，該RFID標(biāo)簽大大節(jié)省了點(diǎn)驗(yàn)時(shí)間，設(shè)備定位精度與點(diǎn)驗(yàn)率大大提高，取得了良好的使用效果，達(dá)到了該標(biāo)簽的設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)中存在的電池使用壽命不長(zhǎng)，導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備管理不到位、可靠性不高等缺陷，設(shè)計(jì)了超低功耗、可進(jìn)行非接觸式充電的RFID標(biāo)簽系統(tǒng)，分析了其工作原理，對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和程序?qū)崿F(xiàn)流程進(jìn)行了說(shuō)明。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

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（收稿：2013-02-17 修回：2013-06-10）

Design and Application of RFID Tag of Medical Equipment

DING Xiao-jun,ZHENG Li-hua
(Department of Medical Engineering,Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Area Command, Guangzhou 510010,China)

ObjectiveTo solve the problems of medical equipment management in inquiry,locating and etc.MethodsThe design scheme and application mode of RFID tag of the medical equipment were discussed,which was studied from the aspects of hardware and software.The overall configuration and working principle were analyzed,and non-contact charging mode was used to prolong the service life of RFID tag.ResultsThe scheme for active RFID tag was designed.Conclusion The design of active RFID tag enhances the efficiency for managing medical equipment.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（1）：42-44]

radio frequency identification;tag design;medical equipment management

R318.6；R197．39

A

1003-8868（2014）01-0042-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.01.042

廣東省醫(yī)學(xué)科研基金（A2013442）

丁效軍（1975—），男，碩士，工程師，主要從事醫(yī)療設(shè)備維修、管理和醫(yī)療信息化建設(shè)方面的研究工作，E-mail：17289757@qq.com。

510010廣州，廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科（丁效軍，鄭理華）