监护平台范文（精选3篇）
监护平台 第1篇
安全是电力企业永恒的主题,虽然近年来我国电力安全生产事故大为减少,但电力企业安全生产形势依然严峻。2011年,全国发生电力生产人身伤亡责任事故30起,死亡38人,同比事故起数增加5起,死亡人数增加5人[1]。人身伤亡事故的发生主要是因为部分一线作业人员安全意识薄弱、安全技能水平较差、习惯性违章行为普遍存在等。目前,电力企业配备了绝缘类、个体防护类、登高类等多种安全工器具,但大多不具备主动安全告警功能。利用现代科学技术,加强主动防御型电力安全装置的研发很有必要。
可穿戴技术是一种微型的、穿在身上的计算机系统,是一种新型的人机交互形式,具有可随身携带、易于使用、解放双手、无线数据传输、长时间连续工作等特点[2]。可穿戴技术是各大高科技企业争相研究的热点技术之一,以Google Glass、AppleWatch为代表的娱乐产品为可穿戴设备树立了典范,加速了国内对可穿戴技术的研究。
目前,可穿戴技术在工业、医疗、消防、军事等重要领域已有一些研究和应用,如文献 [3] 研究了可穿戴技术在企业现场设备维护作业中的应用,文献 [4]研究了可穿戴技术在心血管远程监护中的应用,文献 [5] 研究了音视频无线传输和红外热成像技术在消防员头盔上的应用,文献 [6] 研究了可穿戴技术在军事作业中的应用。
国内一些电力设备企业研发了近电报警安全帽、手表式近电报警器,但在电力生产现场的应用还未普及,而具有危险告警、语音通话、摄像、事故报警等功能的可穿戴设备在电力作业现场人身安全监护中的应用还属空白。
1应用场景
典型电力作业包括设备巡视、设备检修、事故抢修、倒闸操作、线路作业等。
1.1设备巡视
通过变电站运行值班人员对设备的巡视,能够及时掌握设备的运行情况,在第一时间发现设备存在的缺陷。设备巡视包括定期巡视、特殊性巡视、夜间熄灯巡视、监督性巡视等。
1.2设备检修
设备检修是为了及时消除设备的缺陷,确保设备的安全稳定运行,包括事故检修、定期检修、状态检修等。现场检修人员有工作负责人、工作班成员。工作负责人对工作班成员进行监护,较复杂的检修现场增设专责监护人。
1.3线路作业
工作人员攀登输电线路杆塔,开展安装号牌、线路紧固、更换绝缘子、清除异物、架设施工等工作,采取使用安全带、脚扣等安全措施,杆塔下方有专人监护。
1.4可穿戴设备的应用
电力作业人员使用可穿戴设备,当健康状况异常、擅自跨越安全围栏、误入带电间隔、与带电设备小于安全距离、临近的带电设备温度过高、六氟化硫(SF6)泄露时立即进行语音告警,及时制止违章行为,防止安全事故的发生;还可对作业过程进行音视频录制、对有缺陷的设备进行拍照、对作业人员进行远程指导、晚间照明、查询电力设备参数和运行规程等资料;当作业人员由于触电、坠落等事故跌倒时第一时间向远程监护人员发出报警信息,远程监护人员接到报警信息后,通过在电子地图中查看作业人员位置信息,及时赶赴现场进行处理。
2解决方案
2.1总体设计方案
结合电力作业现场的特点,文章利用可穿戴技术,研究了电力作业人员安全监护平台,实现对作业人员的危险告警、远程指导、紧急救援等功能,避免发生人身伤亡事故。
安全监护平台分为可穿戴设备、监护系统2部分。可穿戴设备由智能安全帽、智能手表组成,通过无线通信技术与监护系统互联。
将信息、通信、传感等技术应用于安全帽和电子手表上,可实现人员定位、语音通话、音视频录制、照明、拍照、设备红外测温、近电报警、SF6浓度监测、远程资料查阅、生命体征监测、跌倒自动报警、紧急情况报警等功能。
智能安全帽与智能手表之间以蓝牙进行通信。作业人员的定位以及与远程监护系统之间的数据传输在变电站内以无线局域网(Wireless Fidelity,WiFi)方式实现,在远离变电站进行作业时则以全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和第四代(the 4th Generation,4G)无线通信方式实现。安全监护平台总体设计思路如图1所示。
2.2可穿戴设备
为减少安 全帽上的 按钮数量,使用智能 手表上的APP软件控制 发光二极 管(Light EmittingDiode,LED)灯、近电报警器的自检和灵敏度调整。进入作业现场前,使用智能手表APP软件设置作业人员姓名和工号。
2.2.1智能安全帽
在传统安全帽上安装的电子模块包括Wi-Fi模块、分时长期演进(Time Division Long Term Evolution,TD-LTE)4G模块、摄像头、红外探测器、麦克风、扬声器、蓝牙、LED灯、近电报警感应线圈、SF6浓度传感器、红外体温传感器、中央处理器(CentralProcessing Unit ,CPU)、锂电池等。电子设备在安全帽的前后左右均匀分布,以保证安全帽的平衡性。
智能安全帽可实现的功能:1人员定位;2语音通话;3音视频录制上传;4拍照;5设备红外测温;6照明;7近电报警;8 SF6泄露报警;9体温监测。
2.2.2智能手表
智能手表安装的电子模块包括Wi-Fi模块、全球移动通 信系统(Global System for Mobile Communications,GSM)/ 通用分组无 线业务( GeneralPacket Radio Service,GPRS)模块、GPS模块、脉搏传感器、蓝牙、麦克风、扬声器、报警按钮、加速度传感器、CPU、锂电池等。
智能手表可实现的功能:1拨打电话;2人员定位;3录像、拍照显示;4手写输入;5设备参数、运行规程等资料查阅;6血压、脉搏等生命体征监测;7跌倒自动报警;8紧急情况手动报警。
2.3监护系统
监护系统负责接收所有可穿戴终端上传的数据,实时掌握每个作业人员的工作状态,并向作业人员反馈有关信息。
监护系统的功能有:1人员定位,如作业人员误入带电间隔时向其发送告警信息;2设备参数、运行规程等资料数据库,根据可穿戴终端的申请向其发送数据;3与可穿戴终端进行语音通话;4接收、显示可穿戴终端录制的音视频;5接收、显示可穿戴终端拍摄的照片;6接收、显示可穿戴终端发出的红外热像图;7作业人员身体状况检查与提醒;8接收可穿戴终端发出的近电报警、SF6泄露报警、跌倒报警、紧急情况报警信号;9作业过程回放;10数据统计分析。
2.4通信方案
2.4.1变电站作业通信方案
智能安全帽与智能手表之间的通信采用蓝牙4.0技术,实现LED灯开关及亮度调整、近电报警器自检及灵敏度调整、摄像、拍照、红外热像图等数据和控制信号的传输。
在变电站四面围墙的中间位置处各布置一个Wi-Fi接入点(Access Point,AP),在变电站设备区中心处也布置一个AP,智能安全帽和智能手表通过Wi-Fi无线连接到AP,AP与监护系统之间以有线以太网连接。作业人员与监护系统之间的通信信息包括人员位置、音视频、照片、语音通话、红外热像图、设备参数、身体异常报警、近电报警、SF6报警、跌倒报警、紧急情况报警等数据和控制信号。
GPS定位精度低且抗干扰性能差,不适于变电站内的复杂环境。文章利用变电站内布置的5个AP和安全帽上的Wi-Fi模块进行作业人员的定位,以基于信号接收强度的二次定位方法,可实现定位精度2.7 m左右[7],基本满足变电站内巡视路径跟踪及防止误入带电间隔的需要。
2.4.2线路作业通信方案
在远离变电站的线路杆塔上作业时,与监护系统的通信由智能安全帽上安装的4G模块实现。智能手表的数据传输由智能安全帽通过蓝牙进行中转。由于不需要巡视路径跟踪及防止误入带电间隔,因此人员定位不需要达到变电站内的精度要求,定位方法采用GPS定位即可。
3可穿戴终端硬件设计
3.1智能安全帽硬件设计
智能安全帽硬件体系结构如图2所示。
CPU采用华为海思Kirin 910T,四核处理器,频率1.8 GHz,支持中国电信TD-LTE 4G网络。随机存储器(Random Access Memory,RAM)容量1 GB。
摄像头像 素1 300万,视频分辨 率720×576,帧速率25帧 /s。采集的视频经过标准H.264 MainProfile算法进行编码后,与麦克风采集的音频数据同步由Wi-Fi上传至监护系统。
Wi-Fi模块采用驱动芯片为RT3070的无线网卡,传输速率150 Mb/s,工作频段2.4 GHz,支持协议IEEE 802.11 a/b/g/n。
TD-LTE 4G通信模块采用华为ME906V,理论上行峰值速率50 Mb/s。
蓝牙模块采用TI公司CC2540芯片,支持蓝牙4.0协议,最高传输速率24 Mb/s。
近电报警 器灵敏度 有10 k V、35 k V、110 k V、220 k V、500 k V共5个档位,设置5组可调电 阻,分别与灵敏度开关的5个档位连接,通过智能手表APP软件实现不同电压等级的适应性调整。
利用单通道声波衰减检测方法可实现SF6浓度检测装置的小型化、低功耗,SF6浓度传感器由超声波换能器、温湿度传感器、检测通道等组成[8]。
红外探测器(热像仪)采用非制冷氧化钒(VOx)红外焦平面探测器,MEMS工艺制备,双层结构,金属管壳真空封装,像元大小20μm,640×512阵列,噪声等效温差(NETD)40 m K,热响应时间20 ms,响应率为12 m V/K,响应范围8~16μm[9]。
额头温度 测量采用GE公司ZTP135S-R型传感器,它的结构设计具有较小的热惯性和较高的灵敏度,采用负温度系数电热调节器进行环境温度补偿[10]。
摄像头、红外探测器、麦克风、近电报警感应线圈、SF6浓度传感器、红外体温传感器采集的信息由信号调整电路进行滤波、放大、模–数转换(Analogto Digital,A/D)等处理。
锂电池容量2 500 m Ah,充电接口采用微型通用串行总线(Micro Universal Serial Bus,Micro USB)接口。
3.2智能手表硬件设计
智能手表硬件体系结构如图3所示。
智能手表采用Android 4.3操作系统,屏幕1.63英寸,分辨率320×320,触屏操作,手写输入。
CPU采用联发科MT6589,四核处理器,频率1.2GHz。RAM容量512 MB,只读存储器(Read OnlyMemory,ROM)容量4 GB。
脉搏传感器[4]基于压电原理,置于手表带内,通过2根导线接入手表中的信号调整电路。感应头外形尺寸15 mm×3 mm,压力范围5.8~11.6 PSI。传感器接触面接触手腕动脉,把脉搏信号转化为电压信号。
加速度传感器采用Freescale公司MMA7260Q三轴加速度传感器,利用卡尔曼滤波算法对传感器数据进行降噪,以姿态角作为跌倒判断标准[11],具有较高的跌倒检测正确率。
紧急情况报警设计为实体按钮,布置在手表周边。
GSM/GPRS模块采用华为MG323,制式 / 频率为GSM 850/900/1 800/1 900 MHz。
GPS芯片采用Si RF公司第三代芯片Si RF star III,可同时追踪20个卫星信道,定位精度3~10 m。
Wi-Fi、蓝牙模块同智能安全帽。
锂电池容 量750 m Ah,充电接口 采用MicroUSB接口。
4监护系统设计
4.1技术架构设计
监护系统采用B/S架构,数据表达、语音通话在浏览器端展现,事务逻辑、数据库管理等在服务器端实现。
如图4所示,监护系统总体功能框架采用分层设计的理念,分为基础设备层、支撑层、业务层和表现层。
基础设备 层包括定 位设备(Wi-Fi AP)、网络设备(路由器、交换机、防火墙)、服务器;支撑层是数据采集、处理和存储等底层基础软件,包括传输控制协议 / 因特网互联协议(Transmission ControlProtocol/Internet Protocol,TCP/IP)、实时流协 议(Real Time Streaming Protocol,RTSP)、定位算法、电子地图、数据库等;业务层实现了对电力作业人员安全监护的部分功能,包括误入带电间隔报警、数据资料查阅、与作业人员语音通话、实时展现作业现场音视频、显示作业现场照片、显示作业现场红外热像图、作业人员健康状况报警、接收危险报警信号、作业过程回放、历史信息查询统计等;表现层负责监控和报警信息的输出和展示,包括PC监护终端、音频终端、智能安全帽、智能手表。
4.2人员定位
变电站电子地图采取二维地图形式,按实际比例缩放建立变电站场景和设备位置信息。监护系统根据从Wi-Fi定位子系统接收到的人员坐标信息,在变电站地图中实时展示人员运动轨迹。
作业区域、带电区域事先在变电站电子地图上标出。监护系统通过对比作业人员与作业区域、带电区域的坐标信息来判断是否处于越界状态。如果越界,系统立即向作业人员发出告警,系统管理端同样发出语音报警,提醒管理人员现场有违规行为发生。
系统发出告警信息或接收到可穿戴终端的报警信息时,相应的人员标志在电子地图上以红色显示,并列出报警信息。
在变电站外进行作业时,调用已建设的地理信息系统或百度地图,根据GPS坐标信息在地图上进行人员定位。
4.3报警信息记录与查询
监护系统设置报警事项一览表。系统同时在电子地图和报警事项一览表中显示报警信息,并将报警信息保存到数据库中。报警内容包括作业人员姓名、报警类型、报警时间、报警地点。报警类型包括越界报警、身体异常报警、近电报警、SF6泄露报警、跌倒报警、紧急情况报警。
监护系统将可穿戴终端传送的其他信息也保存到数据库中,包括音视频、照片、红外热像图。
在进行事故调查时,可对监护系统中保存的报警内容、人员轨迹、音视频、照片、红外热像图等进行查询与回放。
监护系统还具备统计分析功能,可统计某段时间内的工作次数、人数、报警次数、报警类型次数等,通过日期、班组名称、变电站名称、人员姓名、作业类型、报警类型等条件进行组合查询。
5结语
监护平台 第2篇
呼吸机是用于代替、控制或改变人的生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻呼吸功消耗，节约心脏储备能力的一种临床常用的治疗设备。在呼吸ICU中，为了对呼吸治疗进行集中、实时的监测，便于医护人员及时采取医疗救治措施，需要采用呼吸监护系统连接多台呼吸机设备，这对呼吸机提出了信息输出能力的要求。
依赖呼吸机的患者常使用家用呼吸机进行呼吸治疗，该类设备是生命支持设备，通常是在受过不同程度培训的非医护人员监护下使用[1]，如果没有专业医务人员对呼吸治疗进行正确指导，呼吸治疗可能达不到预期效果[2]。通过呼吸监护系统对居家呼吸治疗进行远程监护和支持是一种可行的解决方案[3]，这也需要呼吸机具备远程网络连接和信息共享的能力。
为实现呼吸机远程数据传输能力，国外部分厂商通过开发外部附加数据处理模块，来进行扩展。德尔格通过Remote Service Link模块与Web Frontend Management Tool进行数据通信[4]。瑞思迈通过ResControlⅡ或ResLink模块与ResScan系统相联[5]。伟康则通过Wireless flow modem模块与EncoreAnywhere系统联接进行数据管理[6]。但这些呼吸机的信息输出接口都是由厂商自行定义，只能与厂商自己的信息系统通信，缺乏开放的、具备良好扩展性的呼吸信息集成技术的支持。研究基于标准的开放的呼吸监护信息集成框架，已经成为业界所关注的一个共性问题。
本文提出基于IHE-PCD技术框架的呼吸监护信息集成解决方案，设计实现呼吸监护平台，解决呼吸机的数据共享与集成问题。
1 IHE-PCD技术框架简介
医疗健康信息集成规范(Integrating the Healthcare Enterprise,IHE)是基于现有的HL7、DICOM等标准，通过制定技术框架来对流程进行规范化和对现有标准的使用进行约束，促进医疗信息系统之间的互联互通互操作[7]。病人监护设备(Patient Care Device,PCD)是IHE中专门解决病人监护设备与信息系统之间的信息集成问题的一个领域(Domain)[8]，通过制定技术框架为医疗信息系统与医疗设备之间的互操作提供一个通用的解决方案。PCD技术框架规范了通信场景，以及设备与设备数据接收单元之间的流程，使得设备数据得到有效及安全的交换，有助于提高医疗质量[9]。该技术框架得到越来越多厂商的关注，在产品设计中应用IHE-PCD的集成模式解决医疗仪器的信息集成问题[10]。
PCD技术框架包含多个集成模式[8]，其中与呼吸机信息集成关系密切的集成模式有:
(1)设备系统通信(Device Enterprise Communication,DEC)实现医疗设备与医疗信息系统间的数据传输。目前涉及到的设备有输液泵、呼吸机、麻醉机、监护仪等。可以将周期性或非周期性生理数据(呼吸频率、心率等)以及设备配置信息传送到信息系统。
DEC集成模式的角色(Actor)包括设备数据报告者(Device Observation Reporter,DOR)和设备数据使用者(Device Observation Consumer,DOC)，通过PCD-01事务(Transaction)，使用HL7 ORU^R01消息实现DOR与DOC之间的数据通信，如图1所示。
(2)报警通信管理(Alarm Communication Management,ACM)实现病人诊疗过程中报警信息的管理。将包含状态和事件的报警信息从医疗设备传送至信息系统，以便医护人员及时处理。这些报警信息主要包括病人生理参数和设备参数、状态、故障等。
ACM集成模式的角色有报警报告者(Alarm Reporter,AR)、报警管理者(Alarm Manager,AM)和报警终端(Alarm Communicator,AC)，通过PCD-04事务，使用HL7 ORU^R40消息实现AR与AM之间的数据通信，AM与AC之间PCD-06/07事务通过无线传输协议(WCTP)进行报警数据的分发及状态报告。如图2所示。
(3)波形内容模块(Waveform Content Module,WCM)定义了波形数据结构和语义，将波形数据以及波形片段向信息系统传输。WCM集成模式是DEC集成模式的扩展，也是通过PCD-01事务，使用HL7 ORU^R01消息进行波形数据通信。消息中的每个波形部分采用一个OBR段标识，多个OBX段记录波形数据和参数，其中包含两个必要OBX段，分别是采样率段和波形观察结果段。
(4)术语映射(Rosetta Terminology Mapping,RTM)提供设备数据内容与标准术语ISO/IEEE MDC和UCUM的映射，对设备数据进行约束，保证设备与系统对数据的统一理解，避免数据的二义性。表1列出了部分术语映射关系，该集成模式没有定义角色与事务。
2 呼吸监护信息集成平台的系统分析与设计
2.1 PCD集成模式角色分析
(1)DEC:呼吸机嵌入式控制系统实现DOR角色，监护系统实现DOC角色，通过PCD-01事务，使用HL7 ORU^R01消息实现呼吸机设备向监护系统传输数值数据，如呼吸频率、分钟通气量等。实现呼吸机设备至监护系统的数据传输。
(2)ACM:呼吸机嵌入式控制系统实现AR角色，监护系统实现AM和AC角色，通过PCD-04事务，使用ORU^R40消息实现AR与AM之间的数据通信，实现呼吸机设备的报警信息管理。
(3)WCM:呼吸机嵌入式控制系统实现DOR角色，监护系统实现DOC角色。通过PCD-01事务，使用ORU^R01消息实现DOR与DOC之间的波形数据通信，从而实现对呼吸波形的管理。
2.2 系统框架设计
根据2.1节的角色分析，设计出呼吸监护信息集成平台框架图(如图3所示)，由两部分组成。
(1)设备端集成功能组件:实现DEC-DOR角色、WCM-DOR角色和ACM-AR角色，以HL7消息格式输出呼吸参数、报警、波形数据，并通过网络进行HL7消息的传送。
(2)系统端集成功能组件:实现DEC-DOC角色、WCM-DOC角色以及ACM-AM/AC角色，通过Socket网络通信，接收设备端集成组件传送的数据，对消息数据进行解封装，得到HL7消息格式的呼吸参数、报警信息以及波形数据。该组件可作为呼吸监护系统软件的一部分。
2.3 集成功能组件的实现
从上面的分析可知，呼吸监控平台的数据传送是由几组集成模式定义的角色之间执行相关事务，通过网络通信传送HL7消息来完成的，设备端与系统端集成功能组件具有相似的结构，由以下三部分构成。
(1)PCD角色功能模块:设备端PCD角色功能模块包括DEC-DOR角色、WCM-DOR角色和ACM-AR角色。系统端PCD角色功能模块包括DEC-DOC角色、WCM-DOC角色以及ACM-AM/AC角色。
以设备端集成功能组件的DEC-DOR角色为例，从图1中可以看到，DOR角色是PCD-01事务的发起方。每当有新的呼吸数据到来时，DOR角色需要按照语义要求，构造ORU^R01消息，并通过HL7通信模块发送给系统端集成功能组件的DOC角色。DOR所构造生成的ORU_R01消息如下:
MSH-2=SMIC_C308Ventilator_DOR表示发送端应用程序名为:SMIC_C308Ventilator_DOR(呼吸机嵌入式控制系统)，MSH-3=USST表示发送端设备名称:USST,MSH-4=DEC_DOC_Demish表示接收应用程序为:DEC_DOC_Demish(“第3节测试与讨论中提供的模拟呼吸监护系统”)，MSH-5=NIST表示接收端设备名称:NIST。
PID段表示病人信息:姓名叫Albert Hon，男性，婚前姓氏为Adams，病人ID号为HO2009001，出生日期为1961.1.1。住院信息为:HO Surgery科室的OR病房1号床。
OBX1段为潮气量参数信息段。OBX1-3-2=MDC_VOL_AWAY_TIDAL表示潮气量参数(在Rosetta术语映射中潮气量的对应MDC标识)，OBX1-5=500表示潮气量大小为500,OBX1-6-2=MDC_DIM_MILLI_L表示单位为毫升(在Rosetta术语映射中毫升对应的MDC标识);OBX2段为压力峰值参数信息段。OBX2-3-2=MDC_PRESS_AWAY_INSP_PEAK表示压力峰值参数，OBX2-5=100表示压力峰值为100,OBX2-6-2=MDC_DIM_CM_H2O表示单位为CMH2O;OBX3段为PEEP参数信息段。OBX3-3-2=MDC_PRESS_AWAY_END_EXP_POS表示PEEP参数，OBX3-5=5表示PEEP值为5,OBX3-6-2=MDC_DIM_CM_H2O表示单位为CMH2O;
(2)HL7消息的构造解析模块:选择使用NHapi开发包，进行消息构造和解析。以ORU^R01消息构造和解析为例。首先实例化一个ORU_R01对象，然后按照语义要求给所有必需的字段赋值。每个呼吸机参数都用一个OBX段编码，以潮气量500ml为例子构造ORU^R01消息:
(3)HL7通信模块:在TCP/IP上传递的数据是一串连续的比特流，而HL7的封装协议要求通信代码能够识别每条消息的开始和结束。按照HL7MLLP协议的规定，在发送时每个HL7消息加一个字节的消息头(0x0B)和两个字节的消息尾(0x1C和0x0D)进行封装[11]，然后通过Socket发送。接收端通过识别消息头和消息尾进行解封得到HL7消息。经过MLLP封装后的消息结构为:<0x0B>HL7消息字节块<0x1C><0x0D>。
3 测试与讨论
为验证呼吸监护平台是否正确实现了IHE PCD相关集成模式所定义的角色，采用IHE-PCD PreConnetathon Test Tool为测试工具。该工具是美国国家标准技术研究院(NIST)研发，具有良好的公信力。本文以呼吸机嵌入式系统测试IHE DEC Reporter(DOR)角色为例。NIST的DEC_DOC_Demish担任DOC角色。选择NIST_DEC_DOR_DOC_One_Patient(DOR_SUT)为测试用例。设置SMIC_C308Ventilator为发送应用程序名称，设置DEC_DOC_Demish为接收应用程序名称。该测试包括两个步骤，步骤1 DOR向DOC发送ORU^R01^ORU_R01消息(通过)，步骤2 DOC向DOR返回ACK确认消息(通过)，测试报告如图4所示，报告分析如图5所示。
该测试包括两个步骤，步骤1 DOR向DOC发送ORU^R01消息(通过)，步骤2 DOC向DOR返回ACK^R01确认消息(通过)。角色的验证通过，说明呼吸监护平台中呼吸机设备的DEC-DOR角色符合IHE-PCD消息语法和语义要求。
监护平台实现IHE-PCD角色功能和提供基于HL7标准消息解析与构造的数据传输的能力。将能与同样遵循HL7标准的现有医学信息系统进行有效的数据共享与集成。
此监护平台开发的呼吸机设备的集成功能组件，扩展了呼吸机设备的外部数据处理能力。该组件可以作为与呼吸机通信的单独的数据处理模块，或作为呼吸机嵌入式控制系统的一部分内置到呼吸机中。基于此监护平台开发的呼吸机监护系统使用该平台提供数据接口，将有效屏蔽监护系统开发时对IHE-PCD角色功能如何实现以及HL7消息如何解析与构造等问题。
4 结束语
基于标准的呼吸机等医疗设备与医疗信息系统集的研究还处于发展阶段。文中提出的基于IHE-PCD技术框架的方案，旨在解决呼吸机与呼吸监护系统的信息集成困难的问题，同时，可以使得呼吸监护平台具有良好的开放性与扩展性，不再依赖于特定厂商的呼吸机产品。本文可以为其他医疗设备(如心电监护仪、输液泵等设备)的数据集成提供借鉴，促进医疗设备与医疗信息系统的数据集成[12]。在以后的研究中，可以扩展至移动医疗领域，将智能手机运用在移动呼吸监护中[13]。
摘要：呼吸ICU的集中监护和居家呼吸治疗远程监护等应用对呼吸机提出了新的功能需求,即信息输出能力和基于标准的信息集成能力,以解决呼吸机与呼吸监护系统之间有效的数据共享与集成问题。文中提出基于IHE-PCD(病人监护设备)技术框架的解决方案,通过对呼吸机设备与呼吸监护系统的集成功能组件的分析与设计,实现了基于ISO/IEEE 11073和HL7标准的消息通信。所设计的呼吸监护平台的信息集成功能组件通过美国国家标准技术研究院提供的IHEPCD测试工具的测试。
监护平台 第3篇
在现代医学中, 使用多参数监护仪对危重病人进行实时监测, 可以及时地了解其心肺功能、血压以及氧合能力等综合因素, 对病人的治疗起着非常重要的作用。多参数监护仪已经在病房护理和急救系统中得到了广泛的应用。
基于传统PC平台的多参数监护仪成本高、体积大、操作复杂, 使用范围具有局限性。而采用单片机为核心的便携式多参数监护仪运算能力低, 功能单一, 界面简陋, 只能进行简单的信号显示和存储。本文以德州仪器公司 (TI) ARM+DSP的双核处理器OMAP3530为核心, 扩展参数采集前端、触摸屏、SD卡存储电路和网络接入电路等模块, 设计及实现了一个具有实时检测、显示、存储和网络传输等功能的新型多参数监护仪。基于双核芯片的优异性能, 系统可采用高效复杂的算法对各生命参数进行快速准确的检测、除噪和优化等处理, 而Google Android丰富的应用支持, 则为监护仪提供了良好的监护界面、网络功能以及应用扩展性。医生可使用该监护仪实时或远程掌握病人的信息, 使用者也可以家中自行测量, 这将是新一代“数字医疗社区/医院”的重要发展方向。
系统架构
处理核心
OM A P3530处理器采用65nm低功耗工艺制造, 内部集成了600MHz的Cortex-A8弹性内核以及430MHz的TMS320C64x+DSP内核[1]。ARM+DSP的双核结构使操作系统效率和代码的执行更加优化, ARM端负责系统控制工作, DSP端则承担繁重的实时信号处理任务, 从而成功地解决了性能与功耗的最佳组合问题。具有双核结构的OMAP3530非常适合新型多参数监护仪的设计。低功耗可以更好地实现监护仪的便携性, 满足野外救护等特殊需要;ARM对多种操作系统的支持, 可以保证系统的稳定和良好的监护界面;DSP强大的运算能力可以确保对各生命参数进行快速、准确和复杂的分析处理。
硬件架构
系统框图如图1所示, 监护仪的设计采用经典C/S (Client/Server, 客户机/服务器) 架构, 既可以离线使用, 也可以通过以太网或者Wi-Fi网络传送数据到远程PC服务端。人体各个生命特征信号通过导联电极、血氧探头、袖套等传感器获得后, 在参数采集前端进行除噪、放大和A/D转换后, 通过串行口送到OMAP3530进行检测、显示、存储和网络传送等处理。
软件架构
Android是Google与开发手机联盟 (Open Handset Alliance, OHA) 推出的以Linux为内核, 真正意义上的开放性移动设备综合平台。从软件结构的角度上, Android系统分成4个层次:Linux操作系统及驱动、本地代码框架、Java框架和Java应用程序。图2为本系统的软件架构图。多参数采集前端通过异步串行口与OMAP3530通信, 由于Java本身未提供串口的类库, 必须使用JNI (Java Native Interface) 实现应用层与串口硬件的数据传送。数据采集、处理、显示及网络传输使用多线程和队列缓冲机制来保证数据的实时性和完整性。网络使用C/S架构, 充分发挥服务器上的硬件优势, 完成更多监护信息的显示和分析。
关键设计
参数采集前端
前端中的心电模块使用仪表放大器和运放组成两级放大电路将微弱心电信号放大200倍, 并在设计中加入右腿驱动电路来克服50Hz工频共模干扰[2]。血氧的测量是根据血液中各种血红蛋白对血氧探头发射的不同特定波长光吸收程度不同而进行的。血压采用振动无创方法测量, 首先充气袖套阻断上臂的动脉血流, 通过检测因为血液流经弹性动脉而引起袖套内压力的波动幅度来识别动脉收缩压、舒张压和平均压[3]。呼吸频率的测量共用心电模块的前端导联电极, 使用呼吸阻抗法, 根据呼吸时胸腔张弛, 肺阻抗的变化来检测人体的呼吸频率[4]。设计中体温的测量线路采用惠斯登电桥, 将热敏电阻接在电桥的一个桥臂上, 通过测量电桥的不平衡输出, 即可测定体温的大小。
高速PCB设计
系统中采用LPDDR数据总线频率高达330MHz, 属于典型的高速电路, 必须考虑器件管脚的电气特性、PCB (印制电路板) 参数、布局和高速信号的布线等因素, 否则容易导致系统工作不稳定, 甚至无法工作。PCB采用6层板设计, FR4板材, 分层方案为:顶层-地层-走线层-电源层-地层-底层。在高速PCB设计中, 首先要对信号进行分组, 再确定布线规则, 如表1所示。
监护程序设计
监护程序需要完成各参数的采集、接收、显示、存储以及网络传输等功能。程序中使用JNI技术向Java层提供串口的访问接口, 通过文件描述符对象创建输入/输出流进行串口通信。为保证数据采集的实时性和完整性, 设计采用多线程和双缓冲机制。如开启远程监护, 系统将动态生成一个线程来完成数据传输的任务。波形显示是界面设计中的难点, 考虑到数据采集、波形绘制时的页面刷新和网络传输给系统带来的消耗以及屏的大小限制, 绘制波形的视图采用多缓冲机制来实现, 避免屏幕刷新时闪烁的现象。为了维护Android的单线程模型, 设计中使用消息通知机制来完成非主界面线程与主界面线程之间的通信[5]。监护界面如图3所示。
结语
样机测试结果表明, 基于OMAP3530双核处理器设计的多参数监护仪, 可以实现对心电、心率、血氧、血压、呼吸频率和体温6个生命参数的实时检测、显示、存储和网络传送等功能。该监护仪便于操作、成本低、功耗小、功能强大、便携等特点使其具有广泛的应用领域和良好的市场价值。随着人们医疗意识的提高和医疗体系的完善, 该类型监护仪将会在个人医疗保健、医院救护、野外急救和远程医疗监护等场合得到越来越广泛的应用。
摘要：设计及实现了一个以美国德州仪器公司的OMAP3平台为核心, 用于检测人体心电、心率、血氧、血压、呼吸频率及体温6个基本生命参数的新型多参数监护仪。系统采用ARM+DSP的双核芯片OMAP3530作为核心处理器, 以Google Android 2.1为操作系统, 扩展参数采集前端、触摸屏、SD卡存储电路和网络接入电路等模块, 实现了对人体6个基本生命参数的测量、显示、存储和网络传送等功能。
关键词：多参数监护,OMAP3,Android
参考文献
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