基于ISO 15693射頻標(biāo)簽的RFID手術(shù)器械管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸志峰， 景為平

(南通大學(xué) 江蘇省專用集成電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南通 226019)

基于ISO15693射頻標(biāo)簽的RFID手術(shù)器械管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸志峰， 景為平

(南通大學(xué) 江蘇省專用集成電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南通 226019)

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

手術(shù)異物遺留； 15693國際標(biāo)準(zhǔn)； 射頻識別； 手術(shù)器械

0 引 言

2012年9月《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道了一位女士因手術(shù)異物遺留造成嚴(yán)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(shù)異物遺留事件報(bào)告，其中造成16人直接死亡。這表明手術(shù)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(guān)系如此緊張的今天，手術(shù)異物遺留問題必須引起重視。要解決手術(shù)異物遺留的問題，就在于對手術(shù)中手術(shù)器械的使用和回收進(jìn)行科學(xué)、嚴(yán)格管理，杜絕任何手術(shù)器械遺漏的情況發(fā)生。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前在國內(nèi)的醫(yī)院手術(shù)中，為防止手術(shù)器械(如紗布、手術(shù)剪刀、血管鉗等)遺留在病人體內(nèi)，采用嚴(yán)格的3人4次清點(diǎn)制度[2]，完全依賴人工清點(diǎn)與回收，這不僅增加了手術(shù)的復(fù)雜度和管理成本，而且不能對手術(shù)中使用的所有器械進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范管理統(tǒng)計(jì)。

針對上述現(xiàn)狀，本文提出了一種基于ISO15693射頻標(biāo)簽的射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)手術(shù)器械管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以RFID技術(shù)為核心，結(jié)合高效的微處理器(Microcontroller Unit, MCU)、精準(zhǔn)的復(fù)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)穩(wěn)定、高效的智能化手術(shù)器械管理系統(tǒng)。通過對手術(shù)器械使用和回收的智能化管理，能夠達(dá)到有使用就有回收的標(biāo)準(zhǔn)，為手術(shù)器械的管理帶來了極大的幫助，有效地避免了手術(shù)過程中異物遺留問題的發(fā)生。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和原理

手術(shù)器械管理系統(tǒng)主要由內(nèi)嵌RFID標(biāo)簽的手術(shù)器械、RFID閱讀器和帶觸摸屏的工控機(jī)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(jié)構(gòu)圖如圖1所示。手術(shù)器械中內(nèi)嵌的RFID標(biāo)簽的唯一標(biāo)識符(Unique Identifier, UID)和應(yīng)用族識別符(Application Family Identifier, AFI)分別用來標(biāo)識該器械的唯一身份和器械的對應(yīng)類型[3]，RFID閱讀器通過天線的電磁耦合讀取器械內(nèi)的標(biāo)簽信息[4]，經(jīng)RS232串口傳遞給工控機(jī)[5]。工控機(jī)安裝了由Qt開發(fā)的上位機(jī)程序，顯示系統(tǒng)的操作界面和統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路主要是RFID閱讀器的3個(gè)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(fù)責(zé)RFID閱讀器的工作邏輯控制和將采集的信息上傳至上位機(jī)程序；CPLD編解碼模塊依據(jù)ISO15693協(xié)議實(shí)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(jìn)行調(diào)制和放大，對接收信號進(jìn)行整形濾波和解調(diào)。

2.1MCU邏輯控制電路設(shè)計(jì)

MCU邏輯控制電路主要由IAP15W4K61S4單片機(jī)和串口芯片MAX232組成[7]。MCU采用的是IAP15W4K61S4單片機(jī)，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(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確識別多張射頻標(biāo)簽[8]。單片機(jī)通過MAX232串口芯片實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)串口通信。在與CPLD編解碼模塊通信時(shí)利用單片機(jī)自帶的外部中斷機(jī)制，將單片機(jī)中斷設(shè)置為下降沿觸發(fā)，CPLD設(shè)計(jì)成上升沿觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(jī)采用P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P3.5、P3.2、P3.3這7個(gè)端口與CPLD完成通信，其中P3.2和P3.3為單片機(jī)的外部中斷0和外部中斷1引腳。MCU設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 MCU設(shè)計(jì)原理圖

2.2CPLD編解碼電路設(shè)計(jì)

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(shí)際硬件電路。采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)思想，將CPLD編解碼電路按功能分成5個(gè)模塊，分別為：時(shí)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(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

Clock_source模塊負(fù)責(zé)提供整個(gè)CPLD電路的時(shí)鐘信號和復(fù)位。

圖3 CPLD內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)圖

Coder模塊負(fù)責(zé)編碼功能，將單片機(jī)傳入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)根據(jù)ISO15693協(xié)議的4選1編碼模式進(jìn)行編碼。

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

2.3射頻前端電路設(shè)計(jì)

射頻前端電路分為發(fā)射和接收兩個(gè)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(diào)制到13.56 MHz的載波上去，并利用功率放大器進(jìn)行功率放大，最后采用濾波電路對信號進(jìn)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(shí)際情況調(diào)整以滿足不同的需求。

接收電路利用AD8616芯片外接濾波器構(gòu)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(jìn)行規(guī)整和優(yōu)化。其中AD8616芯片具有低失調(diào)、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(diǎn)可以快速穩(wěn)定的對信號進(jìn)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(shè)計(jì)

采用模塊化的思想設(shè)計(jì)程序，設(shè)計(jì)時(shí)注意各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。MCU控制軟件是基于單片機(jī)IAP15W4K61S4采用C語言設(shè)計(jì)的，采用多模塊結(jié)合思想使得程序邏輯結(jié)構(gòu)清晰，代碼量少。上位機(jī)程序采用C++語言基于Qt Creator圖形界面應(yīng)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(qiáng)，運(yùn)行環(huán)境多樣等特點(diǎn)，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(shè)計(jì)

首先，對各個(gè)模塊初始化和單片機(jī)IAP15W4K61S4引腳配置[11]。主程序循環(huán)判斷接收完成標(biāo)志位，當(dāng)檢測到串口中斷，進(jìn)入串口中斷服務(wù)程序，根據(jù)設(shè)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(jìn)行循環(huán)冗余檢查(Cyclic Redundancy Check, CRC)校驗(yàn)，校驗(yàn)正確將接收完成標(biāo)志位置為真[12]。當(dāng)主程序檢測到接收完成標(biāo)志位被置為真，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析判斷，根據(jù)接收的命令字向CPLD中發(fā)送對應(yīng)的命令幀。隨后接收CPLD中返回的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，驗(yàn)證通過后依據(jù)串口通信協(xié)議對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，最后通過串口向上位機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)。一次通信完成后，程序回到循環(huán)判斷接收完成標(biāo)志的函數(shù)，等檢測到下一次接收完成標(biāo)志后，進(jìn)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(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序是整個(gè)系統(tǒng)的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，是系統(tǒng)與人的交互點(diǎn)[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(jī)制[14]使得系統(tǒng)操作者只需點(diǎn)擊界面按鈕，便可觸發(fā)對應(yīng)的操作，完成數(shù)據(jù)的獲取。整個(gè)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(yàn)后，在上位機(jī)串口接收端再次進(jìn)行CRC和長度校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的絕對可靠。上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖5 MCU程序設(shè)計(jì)流程圖

圖6 上位機(jī)設(shè)計(jì)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(yīng)類型的使用和回收情況。Device表與Type表之間具有多對一的關(guān)聯(lián)關(guān)系。數(shù)據(jù)庫表關(guān)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(shù)開始后系統(tǒng)自動創(chuàng)建一張與手術(shù)患者有關(guān)的Device表。② 登記天線讀取到手術(shù)器械內(nèi)標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽未經(jīng)登記進(jìn)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(shù)結(jié)束，備份保存數(shù)據(jù)表以便日后查詢手術(shù)中器械使用的記錄，關(guān)閉數(shù)據(jù)庫。

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

4 系統(tǒng)的測試和驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，選取了8張ISO15693協(xié)議的射頻標(biāo)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(shù)剪刀四種器械中，并將這8張標(biāo)簽的AFI寫成對應(yīng)型號的編碼。然后模擬手術(shù)過程使用手術(shù)器械。

手術(shù)操作流程如下：手術(shù)開始打開手術(shù)管理系統(tǒng)，點(diǎn)擊操作界面的登記錄入(COUNT IN)按鈕，將手術(shù)器械使用前在登記錄入處掃描錄入，器械使用完后扔進(jìn)回收桶中。手術(shù)結(jié)束后點(diǎn)擊回收(COUNT OUT)按鈕，系統(tǒng)自動統(tǒng)計(jì)回收桶中的器械。根據(jù)顯示結(jié)果判斷，如果有未回收的遺漏器械，且不在可視范圍內(nèi)，點(diǎn)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(diǎn)擊詳情(DETAIIED)按鈕進(jìn)入詳細(xì)數(shù)據(jù)界面保存數(shù)據(jù)，以便日后查詢手術(shù)記錄查看手術(shù)器械使用情況。

實(shí)驗(yàn)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(jìn)回收桶模擬遺漏的情況，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)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(shù)器械遺漏。

實(shí)驗(yàn)證明登記和回收的天線能夠迅速沒有遺漏地讀取多個(gè)手術(shù)器械，掃描器的天線能夠快速準(zhǔn)確地探測到遺漏的器械。長時(shí)間工作，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)迅速。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于ISO15693射頻標(biāo)簽的RFID手術(shù)器械管理系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作原理?；贑PLD強(qiáng)大的實(shí)時(shí)和高速數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢，充分利用以分立元件設(shè)計(jì)硬件電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低及性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，加上單片機(jī)構(gòu)成的硬件結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)周期短、控制功能強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合上位機(jī)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效率、高可靠性、操作簡單便捷的手術(shù)器械管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可大大降低手術(shù)中手術(shù)器械清點(diǎn)者的壓力和工作量，準(zhǔn)確、穩(wěn)定地顯示手術(shù)器械使用和回收情況，確保手術(shù)器械無遺漏，為手術(shù)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(shù)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(shí)際應(yīng)用能力，目前正處于醫(yī)療應(yīng)用推廣階段。

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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(jì)劃-工業(yè)部分(重點(diǎn))項(xiàng)目 (BE2013008-3)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)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(shù)應(yīng)用的研究。Tel.：15365483098； E-mail：1025737677@qq.com