基于物聯(lián)網(wǎng)通信監(jiān)測技術(shù)的智能醫(yī)護工作站系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)＊

張麗媛

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，陜西 西安710026）

據(jù)調(diào)研，中國醫(yī)院護士與患者的比例為2∶5，伴隨2020年新冠疫情的爆發(fā)和2021年局部地區(qū)的多發(fā)，各地醫(yī)患比例嚴重失調(diào)[1]。醫(yī)護人員的工作量增大且容易受到感染。為了避免交叉感染，減少醫(yī)護人員的工作量[2]，亟待開發(fā)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能醫(yī)護站來遠程監(jiān)測患者生理數(shù)據(jù)。

目前醫(yī)院普遍采用的病人生理數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)大都是較大型的拖線設(shè)備、病人監(jiān)護儀、電子體溫計、魚躍指甲式血氧儀、南格智能護理呼叫信息系統(tǒng)等[3-4]。這類醫(yī)療設(shè)備大多結(jié)構(gòu)簡單、使用便捷。但是缺存在缺陷：病人監(jiān)護儀、南格智能護理呼叫系統(tǒng)雖然檢測項目全，但價格昂貴，不能無線傳輸，必須與病人近距離接觸，無法避免醫(yī)患間的交叉感染；魚躍血氧儀、電子體溫計價格便宜，但功能單一，醫(yī)護人員不能全面了解病人身體情況，無法與病人實時溝通。

基于此背景，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)通訊監(jiān)測技術(shù)的智能醫(yī)護工作站。該產(chǎn)品具有語音提示和對講功能，患者可根據(jù)醫(yī)生提示進行血氧飽和度、心率、體溫等生理參數(shù)測量，醫(yī)生可實時查看患者的生理數(shù)據(jù)。同時數(shù)據(jù)傳輸范圍大且采集方便，實時性強。核心控制單元來實現(xiàn)分為步數(shù)采集、心率采集以及溫度采集。其中心率采集模塊和溫度采集模塊采用的是MAX30102、LMT70傳感器。護士接收端主要是通過顯示模塊采用OLED實時監(jiān)測患者的生理信息[5-6]，2個端口的數(shù)據(jù)通信采用無線收發(fā)器芯片NRF24L01實現(xiàn)患者和醫(yī)護工作。

本文的監(jiān)測指標為以下目標：①監(jiān)測數(shù)據(jù)類型指標。實現(xiàn)對病人血氧飽和度、心率、血壓等生理參數(shù)的實時智能監(jiān)測。②監(jiān)測精度指標。監(jiān)測精度數(shù)字要在小數(shù)點后2位，時間要在毫秒內(nèi)。③監(jiān)測系統(tǒng)時間響應指標。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳送時間要在毫秒范圍里，監(jiān)測系統(tǒng)能夠即時響應，即時處理數(shù)據(jù)?；竟ぷ髟砣鐖D1所示。

圖1 智能醫(yī)護工作站工作原理圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)通訊監(jiān)測技術(shù)的智能醫(yī)護工作站。該設(shè)備的系統(tǒng)總體設(shè)計基于主控處理模塊、通訊模塊、采集模塊、電源模塊、顯示模塊?；颊甙l(fā)送端的數(shù)據(jù)采集模塊是以STM32F103C8T6作為

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包含了語音通訊器、接收端檢測數(shù)據(jù)OLED顯示屏、溫度檢測器、血氧飽和度和心率檢測器、發(fā)送端OLED顯示屏[7]。語音通訊器，只需按動按鈕，即可與護士遠程語音通話；接收端檢測數(shù)據(jù)OLED顯示屏，將USB接口插到護士站電腦上即可遠程讀取病人心率、體溫及血氧飽和度的檢測數(shù)據(jù)；溫度檢測器，病人將手放在溫度檢測器上，一定時間后檢測器自動將病人的體溫數(shù)據(jù)傳輸至護士接收端處方便護士監(jiān)測；血氧飽和度和心率檢測器，病人將手放在血氧飽和度和心率檢測器上一定時間后，檢測器自動將病人的血氧飽和度及心率數(shù)據(jù)傳輸至護士接收端，方便護士進行監(jiān)測；發(fā)送端OLED顯示屏，病人可以直接在顯示屏上讀取自己的檢測數(shù)據(jù)。具體實物如圖2所示。

圖2 設(shè)備實物展示

從硬件電路設(shè)計、軟件編程調(diào)試、實物焊接調(diào)試3部分進行詳細闡述。硬件電路主要是基于單片機STM32為核心的控制單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，采用傳感芯片MAX30102、LMT70、MPU6050和NRF24L01傳感器對數(shù)據(jù)進行采集，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到單片機進行處理顯示，數(shù)據(jù)顯示由OLED顯示屏來顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計覆蓋發(fā)送端和接收端的電路原理，在患者發(fā)送端電源模塊選擇聚合鋰電池[8]。分別輸出DC3.3 V的電壓供給給MAX30102、LMT70、MPU6050。聚合鋰電池采用高分子材料，可在電芯里做成多層組合達到高電壓。之后將數(shù)據(jù)信號傳送給STM32單片機。

在醫(yī)護工作者接收端由STM32單片機經(jīng)過USB、TTC串口端傳送給顯示屏。兩者之間的數(shù)據(jù)連通由NRF24L01傳感器實現(xiàn)。除此之外還設(shè)計了濾波功能，在不同的環(huán)境下對其進行自校準功能，采集使用者信息，并存儲到自定義的數(shù)組中，然后讀出數(shù)據(jù)并對其處理記錄。等到了需要使用者的心電信息、體表溫度和運動信息時讀出所儲存的數(shù)據(jù)進行比較分析，實現(xiàn)得到使用者上述數(shù)據(jù)的功能。電路框圖中發(fā)送端與接收端如圖3所示。

圖3 電路框圖

4 測試方案與結(jié)果

4.1 測試方案

在系統(tǒng)測試方案中首先測試兩個端口的傳輸距離，保證在室內(nèi)50 m進行無障礙監(jiān)測[9]。但在實際的應用場景中，不可能出現(xiàn)無障礙測試，故通過增加端口數(shù)量來保證數(shù)據(jù)的傳輸。為了進一步驗證系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性、實時性及準確性，測試方案將從上位機患者發(fā)送端系統(tǒng)發(fā)送信號，經(jīng)過各個傳感器及STM32單片機的串口將數(shù)據(jù)傳送至醫(yī)護人員的接收端。在接收到信號之后又將數(shù)據(jù)反送回上位機。對比Apple Watch和華為運動手環(huán)，得出兩者之間的誤差率，看是否滿足指標要求。

4.2 測試過程中的問題及解決方案

在測試過程中遇到以下3個問題：①采集到的數(shù)據(jù)是由USB數(shù)據(jù)線對單片機進行供電，當硬件搭建完成時，但采集的數(shù)據(jù)與一開始采集的數(shù)據(jù)有偏差；②硬件搭建、程序編譯、數(shù)據(jù)采集及提取比較好，但在測試的時候偶爾也會出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等情況，可能是由外部環(huán)境及硬件本身的性質(zhì)造成的；③步數(shù)距離與計步數(shù)據(jù)有較大波動。

針對上述問題采用如下的解決方案：①用裝置中的穩(wěn)壓模塊給單片機的供電電壓進行調(diào)節(jié)，使之與USB數(shù)據(jù)線供電的電壓相同。但數(shù)據(jù)還是不相同，就使用電池供電再一次進行了數(shù)據(jù)采集，替換了初始的數(shù)據(jù)。②在進行裝置搭建時，選擇了屏蔽線作為極板連接導線，降低外界環(huán)境對導線的干擾。③設(shè)計了自校準功能，在不同的環(huán)境下對其進行自校準功能，采集紙張信息，并存儲到自定義的數(shù)組中，然后讀出數(shù)據(jù)并對其處理記錄，加濾波器后得到了比較精確的數(shù)值。

4.3 測試結(jié)果分析

將發(fā)送的數(shù)據(jù)與接收到的數(shù)據(jù)與Apple Watch和華為運動手環(huán)進行比較，在幾次典型的測試中結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

由表1所顯示的6次的測試結(jié)果，心率測量絕對誤差小于5%，溫度測量誤差絕對值小于2℃，但此設(shè)備相較于標準計步設(shè)備而言，運動距離與計步誤差較大。原因分析：排查后判斷是因為使用了互補濾波器，隨后決定使用卡爾曼濾波器。在使用卡爾曼濾波器后，根據(jù)10次的測試結(jié)果，心率測量絕對誤差小于5%，溫度測量誤差絕對值小于2℃，運動距離記錄相對誤差小于10%，運動步數(shù)記錄相對誤差小于5%，符合技術(shù)指標要求。綜上所述，在實際應用場景下，該設(shè)備可以實現(xiàn)通信穩(wěn)定性高、準確度高、實時性高的3大優(yōu)勢，可以滿足患者和醫(yī)護端的生理參數(shù)監(jiān)測的實際需求。

5 結(jié)論

本文結(jié)合實際應用現(xiàn)場的痛點問題，設(shè)計出了一款基于物聯(lián)網(wǎng)通信監(jiān)測技術(shù)的智能醫(yī)護工作站系統(tǒng)。該系統(tǒng)從總體設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計3個方面實現(xiàn)了對患者基本生理參數(shù)的監(jiān)測，通過實物制作和對比測量得出的數(shù)據(jù)符合主要的技術(shù)指標。其創(chuàng)新點主要有以下3個方面：①智能醫(yī)護工作站能使病人自我檢測，同時護士可以同步接收患者所檢測的數(shù)據(jù)，并可以使數(shù)據(jù)傳送至云端；②本設(shè)備使用方法簡單、界面直觀、時效性高，是心率、體溫、血氧飽和度及無線通訊四合一的智能生理數(shù)據(jù)監(jiān)測模式；③有效減少護士往返病房與工作站的頻次，減少臨床護理差錯，有效地避免醫(yī)患糾紛。綜上所述，該設(shè)備具有較強的實踐應用意義。