基于無線技術的住院患者體溫監(jiān)測系統(tǒng)的設計*

黃二亮，卜祥磊，謝衛(wèi)華，欒強厚，黃鑫△，王正發(fā)，葉鳳章

（1.廣州市婦女兒童醫(yī)療中心設備部，廣州510623；2.廣東睿超電子科技有限公司，東莞523808）

1 引 言

此前我們設計了一款基于智能手機和藍牙通訊協(xié)議的可穿戴無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)，通過用戶手機將體溫數(shù)據(jù)上傳至云服務平臺，而醫(yī)生從云服務平臺獲取相關體溫信息[1]。在醫(yī)院實際推廣期間發(fā)現(xiàn)，醫(yī)院更傾向于在園區(qū)內建立一套獨立運行的監(jiān)測系統(tǒng)來測量并獲取住院患者體溫等信息，而非通過患者的手機設備獲取相關信息[2]。為此，我們組織醫(yī)院專家及一線醫(yī)護人員共同研討，了解他們的實際需求，從而設計出一款符合醫(yī)院臨床使用需求的動態(tài)無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)。新設計的動態(tài)無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)與原無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)的主要區(qū)別在于體溫數(shù)據(jù)的傳輸過程和方式不同，體溫監(jiān)測與體溫數(shù)據(jù)管理是基于此前系統(tǒng)改良設計而成。

2 系統(tǒng)總體設計

根據(jù)醫(yī)院臨床使用需求，我們將系統(tǒng)分為三大部分：體溫監(jiān)測終端、體溫數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點和體溫監(jiān)測管理平臺，見圖1。該動態(tài)無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)是利用用戶佩戴的體溫監(jiān)測終端實時測量體溫數(shù)據(jù)的，體溫監(jiān)測終端通過無線網(wǎng)絡將體溫數(shù)據(jù)上傳到體溫數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，然后由體溫數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點將體溫數(shù)據(jù)上傳到基于PC的體溫監(jiān)測管理平臺。

圖1 系統(tǒng)整體設計框圖Fig 1 System block diagram of our detection

動態(tài)體溫監(jiān)測系統(tǒng)以每棟住院樓為一個監(jiān)測單位，多個病房布局一個體溫數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，以無線橋接實現(xiàn)整棟住院樓的無線信號覆蓋。住院患者在病房內佩戴體溫監(jiān)測終端，測得的體溫數(shù)據(jù)經(jīng)由體溫數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點傳輸至體溫監(jiān)測管理平臺，實現(xiàn)雙向通信。體溫監(jiān)測管理平臺可以實現(xiàn)對患者體溫等相關數(shù)據(jù)的查看、分析、處理等操作。該平臺允許醫(yī)護人員根據(jù)不同類型的患者設置不同的體溫監(jiān)測閾值和監(jiān)測頻率。當患者體溫超過預設閾值，平臺會發(fā)出報警信號，便于醫(yī)護人員和患者及時采取相應措施，防止病情進一步惡化。

3 體溫監(jiān)測終端設計

體溫監(jiān)測終端延續(xù)手表形狀的可穿戴設備設計，佩戴于上臂上部，探測腋下溫度。見圖2，體溫監(jiān)測終端主要調整在核心控制模塊和無線傳輸模塊部分。新款體溫監(jiān)測終端基于2.4 GHz頻段無線傳輸協(xié)議，只需識別到任一體溫數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點即可連接入網(wǎng)，無指定傳輸節(jié)點，方便用戶在體溫監(jiān)測期間走動和完成其它檢查。

圖2 體溫監(jiān)測終端設計框圖Fig 2 Structure composition frame of temperature monitoring terminal

3.1 核心控制模塊

終端采用STM8L152作為主控制芯片，負責終端設備各個功能模塊的控制。該芯片為STM8核心的8位超低功耗微處理器，具備了低功耗RTC、LCD驅動、16位定時器以及12位ADC等功能模塊，滿足屏幕驅動、按鍵開關和溫度測量等功能需求。芯片工作電壓為1.65～3.6 V，可用3 V的紐扣電池驅動，有效減少終端設備體積大小，滿足終端設備穿戴需求。該芯片具有5個模式的低功耗運行模式，可根據(jù)需求調整系統(tǒng)運行功耗，芯片低功耗運行工作電流為5.1 uA，低功耗等待工作電流低至3 uA。終端默認每間隔15 s采集并發(fā)送一次體溫數(shù)據(jù)，其余時間保持低功耗等待狀態(tài)，極低的終端設備功耗能保證紐扣電池電量滿足患者一個住院周期使用需求。該芯片集成度高，功能強大，能通過簡單的外圍電路設計實現(xiàn)終端的所有功能需求。

3.2 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用LT8920主控芯片，該芯片是一款低成本、高集成度的2.4 GHz可變數(shù)據(jù)射頻的無線收發(fā)芯片。芯片集成了發(fā)射機、接收機和頻率綜合器等，外圍電路簡單，只需搭配MCU即可使用。其低中頻結構，靈敏度高，發(fā)射機功率可調，接收機采用數(shù)字擴展通信機制，可隨時監(jiān)控信道質量，抗干擾能力強，收發(fā)性能優(yōu)良。該無線芯片最低工作電壓為1.9 V，最低電流為1 uA，符合終端設計需求。

初始化LT8920主控芯片，芯片上電后，設置RST_n復位信號，等待系統(tǒng)晶振穩(wěn)定后，完成寄存器初始化，芯片即可進行數(shù)據(jù)發(fā)射或接收。LT8920在無數(shù)據(jù)收發(fā)期間保持低功耗睡眠狀態(tài)，以降低系統(tǒng)功耗。待芯片接收到發(fā)射或接收中斷后退出低功耗睡眠狀態(tài)，判斷收發(fā)使能，執(zhí)行相應操作。完成相應操作后再次進入低功耗睡眠狀態(tài)，等待下次中斷。主控芯片具體數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)機見圖3。

圖3 LT8920狀態(tài)機Fig 3 LT8920 state machine

無線模塊將測量的患者體溫數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)發(fā)送格式進行裝載，通過藍牙協(xié)議經(jīng)由傳輸節(jié)點發(fā)送至體溫監(jiān)測管理平臺。體溫數(shù)據(jù)發(fā)送主要包括終端設備ID、預警閾值、測溫頻率、測溫時間和體溫值。為了配合原有藍牙傳輸協(xié)議設置，預警閾值分為了整數(shù)部分和小數(shù)部分；測溫時間包含了體溫值對應的年月日和時分秒。同樣，醫(yī)護人員也可以通過體溫監(jiān)測管理平臺，根據(jù)實際需求對系統(tǒng)終端進行設置，并通過數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，按照特定數(shù)據(jù)接收格式發(fā)送至系統(tǒng)終端，即可完成系統(tǒng)終端設置。系統(tǒng)終端可保存接收到的預警閾值和測溫頻率等配置數(shù)據(jù)，并修改相應設置。

4 體溫數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點設計

體溫數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點包括路由和網(wǎng)關，其網(wǎng)絡結構由樹型拓撲結構組成。樹型拓撲結構是從總線拓撲結構演變而來，由一個頂端和多個分支組成，各個分支又包含其自分支。樹型拓撲結構易于擴展、故障隔離容易，當發(fā)生故障時，容易排查出具體故障位置和原因[3]。

該系統(tǒng)內由一個網(wǎng)關和多個路由器組成，各個路由器之間通過無線橋接實現(xiàn)醫(yī)院住院大樓內的信號全覆蓋。見圖4，該系統(tǒng)由多個體溫監(jiān)測終端和多個路由器作為數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，但最后都通過同一個網(wǎng)關將所有數(shù)據(jù)匯聚到體溫監(jiān)測管理平臺上。

4.1 終端與路由器數(shù)據(jù)收發(fā)

系統(tǒng)終端與路由器之間采用2.4 GHz頻段無線通訊。2.4 GHz頻段是一個全球性的頻段，通用性好，其頻寬遠勝于其它通用頻段，數(shù)據(jù)雙向傳輸速率高，允許系統(tǒng)共存，抗干擾性強，能滿足醫(yī)院住院大樓內的使用需求[4]。最主要的是2.4 GHz無線傳輸模塊集成度高，天線體積非常小，功耗低，適合于穿戴式體溫終端設計需求。因此，在系統(tǒng)終端和路由器之間，我們采用該頻段無線信號傳輸。體溫監(jiān)測終端會選擇接入信號質量最好的路由器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。當終端離開已連接的路由器有效信號范圍時，終端會自動接入下一個信號質量最好的路由器[5]。患者佩戴體溫監(jiān)測終端在住院大樓內部移動時，體溫監(jiān)測終端會自動切換信號較強的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，實現(xiàn)持續(xù)的數(shù)據(jù)交互，將體溫數(shù)據(jù)等相關信息上傳至體溫監(jiān)測管理平臺，并獲取平臺最新的配置數(shù)據(jù)和相關信息。

圖4 體溫數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點設計Fig 4 Design of temperature data transmission node

4.2 路由器與網(wǎng)關數(shù)據(jù)收發(fā)

由于在相同環(huán)境下傳輸損耗與頻率成正比，即無線信號頻率越高，傳輸損耗越大[6]。所以，2.4 GHz頻道無線通訊方式信號傳輸衰減較大，信號穿透能力差，在實際應用場景中有效傳輸距離短，尤其是很難穿透建筑物的墻體。因此，我們在路由器之間、路由器與網(wǎng)關之間數(shù)據(jù)傳輸采用相對較低頻率的433 MHz頻段無線通訊。433 MHz無線傳輸模塊天線輸入端有選頻電路，可以根據(jù)需要適當增減天線長度，輸出波形噪聲小，能有效保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定[7]。該無線傳輸芯片設計結構穩(wěn)定，能有效抵抗環(huán)境溫度、濕度和機械振動等不確定因素造成的干擾。由于路由器和網(wǎng)關受產(chǎn)品體積限制小，可以使用外置天線，較低的信號頻率和較長的外置天線，使路由器和網(wǎng)關更適宜較大范圍的系統(tǒng)網(wǎng)絡布置和較長距離的數(shù)據(jù)傳輸，以確保終端數(shù)據(jù)能完整傳輸至數(shù)據(jù)管理平臺。

5 體溫監(jiān)測管理平臺設計

體溫監(jiān)測管理平臺除了保存用戶基本信息、體溫數(shù)據(jù)、測溫時間等基本信息外，還可對終端進行設置。當患者處于溫度波動階段、高溫階段或正常體溫階段，醫(yī)生可根據(jù)需要適當增減溫度測量頻率和設置預警閾值。當體溫監(jiān)測終端預警閾值和測溫頻率與體溫監(jiān)測管理系統(tǒng)不一致時，以管理系統(tǒng)為準，重新發(fā)送指令設置終端預警閾值和測溫頻率。

體溫監(jiān)測管理平臺通過USB接口從網(wǎng)關獲取所有患者體溫數(shù)據(jù)，保存至Tomcat服務器中。服務器根據(jù)科室、病床號和患者姓名等信息區(qū)別不同用戶體溫數(shù)據(jù)，按表1數(shù)據(jù)格式存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。其中，數(shù)據(jù)長度根據(jù)系統(tǒng)收到的數(shù)據(jù)量持續(xù)增加，體溫數(shù)據(jù)包括終端測量所得的患者體溫值以及體溫值對應的時間點，同一分鐘內接收到的體溫數(shù)據(jù)會根據(jù)具體數(shù)據(jù)量去除異常溫度值或去除最大、最小溫度值并取平均值處理后存入數(shù)據(jù)庫。具體數(shù)據(jù)存儲格式可根據(jù)醫(yī)院信息系統(tǒng)要求重新調整。

6 系統(tǒng)功能測試

依據(jù)醫(yī)用電子體溫計國家標準GB/T 21416-2008規(guī)定，見表 2[8]。

為了加速測試系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸完整性，我們相應加快了數(shù)據(jù)傳輸頻率，使終端每間隔10 s測量并發(fā)送一個體溫相關數(shù)據(jù)。將體溫監(jiān)測系統(tǒng)終端置于恒溫水槽，連續(xù)測試72 h，截取部分測試數(shù)據(jù)分析，見圖5，當恒溫水槽溫度分別設置為35.3℃、37.0℃、38.5℃和40.4℃時，終端測量結果波動范圍始終在0.2℃以內，與恒溫水槽設定值對比，測量誤差均不大于0.1℃，重復性誤差不大于0.1℃，測試結果均符合相關標準。當恒溫水槽溫度設置超過37.5℃時，體溫監(jiān)測管理平臺能作出相應高溫異常預警。

表1 體溫數(shù)據(jù)存儲格式Table 1 Temperature data storage format

表2 醫(yī)用電子體溫計最大允許誤差范圍Table 2 Maximum permissible error range of medical electronic thermometer

圖5 恒溫環(huán)境測試結果Fig 5 Thermostat test results of our detection system

在通過恒溫環(huán)境測試后，我們選取外科和ICU作為臨床試驗科室，將體溫監(jiān)測管理平臺安裝在各科室護士工作站，將無線傳輸節(jié)點布置于醫(yī)院住院大樓相應科室范圍內。實測系統(tǒng)終端低功耗運行工作電流5 uA，終端數(shù)據(jù)發(fā)射和接收工作電流3.45 mA，所有終端設備穩(wěn)定運行時間均大于7 d；臨床試驗為期12個月，體溫監(jiān)測系統(tǒng)運行良好。試驗過程中，選取每天早飯前、午休前、晚飯前、就寢前四個時間節(jié)點為患者用汞式體溫計進行常規(guī)體溫測量。汞式體溫計測量結果與本系統(tǒng)監(jiān)測結果對比見表3，兩種體溫監(jiān)測方法所得患者體溫值比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），采用體溫監(jiān)測系統(tǒng)測溫耗時較汞式體溫計短，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。

表3 兩種體溫測量方法測量值和測量時間的比較（±s）Table3 The comparison of our detection system and mercury thermometer（±s）

表3 兩種體溫測量方法測量值和測量時間的比較（±s）Table3 The comparison of our detection system and mercury thermometer（±s）

體溫測量方法 例次 體溫測量值（℃） 測量時間（min）體溫監(jiān)測系統(tǒng)6864 36.8±1.5 0.7±0.2汞式體溫計 6864 36.7±1.6 10.8±0.7 t 1.950 -4.140 p＞0.05 ＜0.05

7 結論

臨床試驗證明，該體溫監(jiān)測系統(tǒng)能準確采集患者體溫數(shù)據(jù)，測溫結果符合電子體溫計相關標準。系統(tǒng)傳輸節(jié)點無線通訊丟包率低，能將終端體溫數(shù)據(jù)完整傳輸至體溫監(jiān)測管理平臺。醫(yī)護人員可直接從體溫監(jiān)測管理平臺獲取患者最新體溫情況，查看并分析患者體溫趨勢，并可根據(jù)患者體溫情況，在體溫監(jiān)測管理平臺上設置體溫監(jiān)測頻率和預警溫度。

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)醫(yī)院、養(yǎng)老社區(qū)等大規(guī)模的體溫監(jiān)測，體溫測量不受地點束縛，能有效減少醫(yī)護人員工作量，并提高其工作效率。