一種嬰兒培養(yǎng)箱多參數(shù)中央監(jiān)控系統(tǒng)的設計

魏鵬飛

鄭州大學附屬鄭州中心醫(yī)院 醫(yī)療設備科，河南 鄭州 450000

引言

嬰兒培養(yǎng)箱可為新生兒、早產兒及病弱嬰兒提供一個類似母體子宮的環(huán)境，以滿足對嬰幼兒的救治需要，是國家重點監(jiān)控的生命支持類醫(yī)療器械產品之一。

目前，美國、歐盟等國家都由專門機構采用集中管理的方式負責嬰兒培養(yǎng)箱的監(jiān)管工作，并制定了比較完善的醫(yī)療器械不良事件報告法規(guī)及其相關制度，以減少醫(yī)療器械不良事件的發(fā)生，確保使用安全[1]。而我國于2010年由原衛(wèi)生部印發(fā)了關于《醫(yī)療器械臨床使用安全管理規(guī)范（試行）》的通知，要求各級衛(wèi)生行政部門加強醫(yī)療器械臨床使用安全監(jiān)管工作，保障臨床醫(yī)療質量安全。目的在于通過降低醫(yī)療器械臨床使用風險，提高醫(yī)療質量，保障醫(yī)患雙方合法權益。

近年來，國內外各大醫(yī)院有關嬰兒培養(yǎng)箱的可疑醫(yī)療器械不良事件時有發(fā)生。據(jù)國家藥品不良反應監(jiān)測中心統(tǒng)計，自2002年至2011年10月共收到有關嬰兒培養(yǎng)箱的可疑醫(yī)療器械不良事件報告332份，主要表現(xiàn)為溫度失控、通風系統(tǒng)故障、皮疹、劃傷等，其中溫度失控167例，通風系統(tǒng)故障50例，劃傷4例。 因此，嬰兒培養(yǎng)箱的使用風險不容忽視[2]。

本文針對以上情況設計一套嬰兒培養(yǎng)箱多參數(shù)（溫度、濕度、CO2濃度）中央監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對多臺嬰兒培養(yǎng)箱運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測、自動報警、查詢和顯示等功能，為培養(yǎng)箱運行提供多重安全保障，減少因培養(yǎng)箱溫度和環(huán)境造成嬰兒燙傷、凍傷、窒息等不良事件的發(fā)生，提高嬰兒培養(yǎng)箱的使用安全性[3]。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)由兩部分組成：一是放置于多臺嬰兒培養(yǎng)箱內的下位機，由主控芯片MSP430F149負責檢測培養(yǎng)箱內溫濕度及CO2濃度，并實現(xiàn)液晶顯示與超出閾值的聲光報警功能，再通過射頻芯片nRF905將數(shù)據(jù)發(fā)送至中央站[4]；二是放置于護士站的中央站上位機，由射頻芯片nRF905接收來自下位機發(fā)來的數(shù)據(jù)傳輸至MSP430F149，并通過RS-232通訊顯示于中央站[5]。其整體框圖，見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

由于醫(yī)院嬰兒培養(yǎng)箱數(shù)量眾多，且培養(yǎng)箱內空間有限，本系統(tǒng)設計側重于低功耗設計，主控微處理器芯片選用美國德州儀器（Texas Instruments）公司設計生產的一款超低功耗16位單片機MSP430F149，其工作電壓3.3 V，待機模式下工作電流僅為1.6 μA，超低功耗，具有12位的模數(shù)轉換器，可以得到很高的精度，擁有大容量的存儲空間，存儲器多達60 k Flash ROM和2 k RAM，擁有兩通道串行通信接口，可以與計算機進行異步或同步串行通信與編程[6]。

溫濕度傳感器選用一款已校準全數(shù)字信號輸出的超低功耗溫濕度復合傳感器SHT11，其體積小、響應快、抗干擾能力強[7]。它與微處理器MSP430F149的連接示意圖如圖2所示。SHT11的供電電壓為2.4～5.5 V，電源引腳VDD與GND之間增加一個100 nF的電容，用以去耦濾波。串行時鐘輸入引腳SCK用于與微處理器MSP430F149之間的通訊同步。串行數(shù)據(jù)引腳DATA用于數(shù)據(jù)的讀取，DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效，數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA必須保持穩(wěn)定，為避免信號沖突，MSP430F149應驅動DATA在低電平，需要一個上拉電阻10 kΩ將信號拉至高電平[8]。

CO2濃度是嬰兒培養(yǎng)箱內空氣通暢狀況的重要參數(shù)，所以對CO2的濃度檢測很有必要。本系統(tǒng)選用的CO2濃度傳感器是一款已校對全數(shù)字式低功耗傳感器DS-CO2-20，其體積小、精度高、靈敏度強，采用非分光紅外吸收原理，可連續(xù)采集并計算單位體積內空氣中的CO2濃度，并以通用數(shù)字接口形式輸出，為串口通信協(xié)議，@3.3 V TTL電平，可直接與3.3 V單片機MSP430F149連接，它們的連接示意圖如圖2所示。

本系統(tǒng)無線傳輸模塊采用挪威Nordic公司的高性能低功耗nRF905射頻通信芯片[9]，其靈敏度高、抗干擾能力強、通信穩(wěn)定，工作電壓為1.9～3.6 V，待機模式下電流僅為12.5 μA，工作頻道為433/868/915 MHz三個免費的ISM頻道，本系統(tǒng)采用3.3 V供電，使用433 MHz開放頻段[10]。nRF905有三種接口：一是模式控制接口，由PWR_UP、TRX_CE、TX_EN組成，并有四種工作模式（關機與SPI編程模式、待機與SPI編程模式、接收模式、發(fā)射模式）；二是SPI接口，由CSN、SCK、MISO及MOSI組成，在配置模式下單片機通過SPI接口配置高頻頭的工作參數(shù)，在發(fā)射/接收模式下SPI接口發(fā)射和接收數(shù)據(jù)；三是狀態(tài)輸出接口，由提供載波檢測輸出CD、地址匹配輸出AM及數(shù)據(jù)就緒輸出DR組成。nRF905的SPI接口與MSP430F149的SPI接口連接，nRF905的輸入輸出信號與MSP430F149的其他幾個I/O相連接，實現(xiàn)nRF905與MSP430F149的雙向通信[11]。

圖2 MSP430F149與SHT11及DS-CO2-20連接示意圖

液晶顯示模塊采用12864液晶模塊，它是一塊128×64點陣的液晶顯示模組，有帶字庫可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字形及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能，該模組為串行SPI接口，接口簡單，操作方便，可以與MSP430F149簡單方便地連接。

本系統(tǒng)各硬件實物設計連接圖如圖3所示。采用基于MSP430F149的模塊通過杜邦線將各部件連接，再通過軟件編程將傳感器SHT11和DS-CO2-20采集的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，并通過nRF905模塊傳至中央站。

圖3 硬件實物設計連接圖

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)中對于單片機的嵌入式程序設計選用C語言進行設計[12]。C語言運算速度快，編譯效率高，有良好的可移植性，可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制[13]。

本系統(tǒng)中置于嬰兒培養(yǎng)箱內的下位機程序流程圖如圖4所示。開始后首先對系統(tǒng)進行初始化操作，然后檢測鍵盤是否有輸入來設置報警閾值，當單片機處理完傳感器采集的數(shù)據(jù)后調用顯示子程序，在液晶上顯示數(shù)據(jù)，并分析是否超出閾值來進行聲光報警，提醒護士及時處理，減少不良事件的發(fā)生，接著調用無線模塊子程序將數(shù)據(jù)傳至中央站上位機[14]。

圖4 培養(yǎng)箱下位機主程序流程圖

本系統(tǒng)中央站上位機操作軟件采用VB6.0開發(fā)[15]，VB6.0全稱為Visual Basic 6.0，是微軟公司推出的一種可視化編程工具，它擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應用程序開發(fā)（RAD）系統(tǒng)，可以輕松創(chuàng)建Active X控件，可以輕易使用DAO、RDO、ADO連接數(shù)據(jù)庫，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用SQL數(shù)據(jù)庫，用于存儲、查詢和分析數(shù)據(jù)等。

本系統(tǒng)中央站上位機主程序流程圖如圖5所示。開始后首先初始化操作，然后無線接收模塊接收來自嬰兒培養(yǎng)箱內下位機發(fā)來的數(shù)據(jù)，將其顯示于中央站操作界面[16]，并給予超限報警提示，提醒護士及時查看和處理，再將數(shù)據(jù)存儲，以便于查詢與分析數(shù)據(jù)，也為處理一些醫(yī)療糾紛提供重要的依據(jù)。

本系統(tǒng)軟件設計實現(xiàn)圖如圖6所示。監(jiān)控列表顯示各培養(yǎng)箱內環(huán)境數(shù)據(jù)；特設計各項菜單完成一些輔助功能，如系統(tǒng)管理可完成登錄用戶賬號的管理；設備管理可完成對培養(yǎng)箱內下位機的添加、刪除等操作；數(shù)據(jù)查詢可完成對各培養(yǎng)箱內數(shù)據(jù)的查詢；維修管理專為工程師維修之用；常用工具里特添加計算器、日歷、提醒器及醫(yī)學寶典等工具服務臨床工作；輔助功能里可完成對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份與恢復等操作。

4 結果

嬰兒培養(yǎng)箱為嬰兒提供適宜的治療場所，便于醫(yī)護人員觀察、護理和治療。醫(yī)護人員根據(jù)不同嬰兒的病情一般對其溫度設定在30℃～38℃之間，適宜嬰兒治療的相對濕度一般在55% RH～65% RH之間，箱內CO2濃度要求不得高于0.5%，因此本系統(tǒng)設計溫度報警閾值為培養(yǎng)箱設定值±2℃，相對濕度報警閾值設計為偏離適宜濕度范圍±5%RH，故將其報警下限設計為50% RH，報警上限設計為70% RH，對于CO2濃度設計為高于0.5%即報警。

圖5 中央站上位機主程序流程圖

圖6 軟件設計實現(xiàn)圖

由于醫(yī)院內嬰兒培養(yǎng)箱數(shù)量眾多，為方便監(jiān)控和管理將其進行編號處理，現(xiàn)將1～6號嬰兒培養(yǎng)箱拿來驗證試驗結果。六臺嬰兒培養(yǎng)箱的溫度均設定為32℃，1號培養(yǎng)箱不做任何處理，2號培養(yǎng)箱做降溫處理，3號培養(yǎng)箱做升溫處理，4號培養(yǎng)箱做干燥處理，5號培養(yǎng)箱做加濕處理，6號培養(yǎng)箱做密封處理。其測量結果如表1所示。

表1 六臺嬰兒培養(yǎng)箱的實際監(jiān)測情況

5 討論與結論

醫(yī)院新生兒重癥監(jiān)護室收治的嬰兒大部分為早產兒、病危兒等急需救治的嬰兒患者，再加上嬰兒自身的抵抗力十分微弱，各項生理功能尚未成熟，體溫調節(jié)功能尚不完善，這就要求培養(yǎng)箱能提供一個溫濕度適宜、通風良好的生長環(huán)境。嬰兒培養(yǎng)箱作為重要的生命支持類醫(yī)療器械，它的工作狀態(tài)直接關系到嬰兒的生命安全。醫(yī)院要加強對使用人員和技術人員的培訓，規(guī)范操作，加強預防性維護和質量控制，加強設備巡檢，最大限度地發(fā)揮嬰兒培養(yǎng)箱的作用，預防事故的發(fā)生，確保安全、有效。

目前，許多醫(yī)院的嬰兒培養(yǎng)箱都處于單機工作狀態(tài)或者不具有RS-232通訊輸出類接口，無法實現(xiàn)中央監(jiān)控，再加上醫(yī)院嬰兒培養(yǎng)箱數(shù)量眾多，分布分散，有可能分布于不同的房間，這樣護士對嬰兒培養(yǎng)箱的巡視就會有一定的時間間隔，不能及時掌握培養(yǎng)箱及嬰兒的實時狀況，增加醫(yī)療事故的風險，另外護士經常性巡視走動既會影響新生兒的休息，也增加了護士的工作量，因此嬰兒培養(yǎng)箱多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的實施是很有必要的。

本文通過軟硬件結合設計出了一套可以實時采集嬰兒培養(yǎng)箱內多項參數(shù)的無線中央監(jiān)控系統(tǒng)，采用的單片機、傳感器及射頻芯片均在市場上比較成熟，且價格低廉，容易實現(xiàn)與推廣，試驗結果證明該系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)控嬰兒培養(yǎng)箱內的環(huán)境情況。本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于解決市場上某些嬰兒培養(yǎng)箱無法實現(xiàn)中央監(jiān)控或設計不佳硬件故障頻發(fā)等問題，實現(xiàn)了近幾年對醫(yī)院信息化統(tǒng)一管理的要求，提高了嬰兒培養(yǎng)箱的使用安全性，大大降低了各項可疑不良事件的發(fā)生，也減少了各種不必要的醫(yī)療事故與醫(yī)療糾紛，具有很好的臨床使用價值和推廣意義[17]。不過本文中也有一些需要改進的地方，比如嬰兒培養(yǎng)箱還會經常遇到風機老化導致噪音過大現(xiàn)象，正常情況下箱內的噪音聲級不得高于55 dB，噪音過大會影響早產兒聽覺的正常發(fā)育，因此下一步改進方向可以增加噪音檢測和抑制裝置；還有，在如今醫(yī)療器械技術與信息技術大融合的時代背景下，無線遠程管理與研究的興起不可避免會帶來一些電離輻射也會對患兒造成影響[18]，都需要是下一步的重要研究內容。