摘要：目的 依托醫(yī)療設備租賃中心設計一款呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，用于記錄、分析呼吸機的運行狀態(tài)信息。方法 基于MSP430單片機開發(fā)嵌入式模塊，定時收集呼吸機運行狀態(tài)信息并將其發(fā)送至醫(yī)療設備租賃中心的服務器；基于Visual Studio C#開發(fā)平臺設計應用軟件，用于接收呼吸機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)并對其進行分析。結(jié)果 該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集并儲存呼吸機的運行狀態(tài)信息，并對呼吸機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測與分析。結(jié)論 該系統(tǒng)的應用提高了呼吸機實時質(zhì)量監(jiān)測能力。

　　呼吸機是一種臨床急救與生命支持類設備，廣泛應用于急救、麻醉、呼吸維持與治療、術(shù)后恢復等臨床救治過程，能夠有效提高病人的肺通氣量，迅速提升氧氣吸入和二氧化碳排放的效率，其參數(shù)設置是否合理、性能是否穩(wěn)定、環(huán)境是否適宜、監(jiān)測是否準確，直接影響著患者的診療效果甚至生命安全。在ISO-14971 醫(yī)療設備風險規(guī)范中，呼吸機的風險分值最高，屬于超高風險的醫(yī)療設備，因而其臨床安全性與穩(wěn)定性也備受關注。

　　隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的設備自帶了故障診斷系統(tǒng)，甚至預留了接口以方便技術(shù)人員遠程監(jiān)控設備狀態(tài)，為實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)提供了有力的技術(shù)保障。本研究依托醫(yī)療設備租賃中心和醫(yī)學計量三級站，基于嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究并設計了呼吸機運行狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)，下面以 PB840 呼吸機的運行狀態(tài)監(jiān)控流程為例來介紹該系統(tǒng)的研究及設計過程。

　　1 總體設計

　　1.1 PB840呼吸機可監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型

　　PB840 呼吸機顯示屏背面右下方有3個 RS232 串口，配套的說明書中詳細介紹了該組串口的通信參數(shù)設置方法、通信命令與反饋數(shù)據(jù)的格式等技術(shù)指標，根據(jù)相關內(nèi)容將可監(jiān)測的呼吸機運行狀態(tài)信息分為以下幾類 ：① 呼吸機本身信息，如呼吸機 ID 號、內(nèi)部時間日期、呼吸管路類型與內(nèi)徑、濕化器的類型與容量、氧傳感器是否開啟等 ；② 使用者設置的靜態(tài)參數(shù)，包括設定的呼吸參數(shù)值，如呼吸模式、呼吸頻率、觸發(fā)方式、潮氣量、平臺期時長等 ；以及報警信息的設定值，如分鐘呼氣量、呼氣潮氣量、呼氣壓力、呼氣頻率等參數(shù)的報警限值 ；③ 動態(tài)監(jiān)測記錄信息，包括呼吸機內(nèi)部傳感器實時監(jiān)測到的呼吸參數(shù)值，如呼吸頻率、分鐘呼氣量、峰值氣道壓力、平均氣道壓力等 ；以及根據(jù)傳感器檢測結(jié)果估算的病人呼吸參數(shù)值，如估算的總阻力、病人阻力、病人彈性、病人順應性等 ；④ 報警信息，主要指呼吸機檢測到運行異常時產(chǎn)生的報警信息，包括窒息通氣、分鐘呼氣量過高、呼氣潮氣量過高、呼吸壓力過高、AC 電源丟失、電池電量不足、氧濃度低等報警信息。

　　1.2 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

　　呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集與存儲模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊以及醫(yī)療設備租賃中心的服務器組成?；谇度胧胶臀锫?lián)網(wǎng)技術(shù)設計的數(shù)據(jù)采集與存儲模塊可定時采集呼吸機的運行狀態(tài)信息，并將其存入自身配備的存儲器中 ；當呼吸機用畢歸還至醫(yī)療設備租賃中心后，服務器端的應用軟件在登記歸還信息的同時，可通過無線網(wǎng)絡讀取數(shù)據(jù)采集與存儲模塊中存儲的呼吸機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)并對其進行分析，然后將分析結(jié)果反饋給臨床工程師 ；工程師根據(jù)反饋結(jié)果對歸還回來的呼吸機進行自檢、維修保養(yǎng)、計量檢定等工作，確保呼吸機運行的安全性與可靠性。其整體架構(gòu)圖，見圖1。

　　圖1 呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖

　　2 硬件設計及實現(xiàn)過程

　　呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要包括數(shù)據(jù)采集與存儲模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊兩部分。

　　2.1 數(shù)據(jù)采集與存儲模塊

　　數(shù)據(jù)采集與存儲模塊（圖 2）與呼吸機相連，主要由RS232 串口通信模塊、MSP430 單片機模塊、CC1101 無線通信模塊、5 V 直流開關電源、鋰電池與充電模塊、電源切換電路等組成，圖中的空心雙向箭頭代表系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流向，黑色實心箭頭代表系統(tǒng)的電源供電方向。電源電路中的 5 V 直流開關電源插頭、呼吸機電源插頭、濕化器電源插頭均接入固定在呼吸機背面的插線板上，臨床科室的操作人員在使用呼吸機時首先將插線板接入市電，數(shù)據(jù)采集與存儲模塊就會與呼吸機同步上電。

　　圖2 數(shù)據(jù)采集與存儲模塊示意圖

　　圖 3 所示的是電源切換電路的原理圖，圖中 B1 是鋰電池，RL1 是繼電器，C1 是大容量電容，當市電斷開時可迅速切換為鋰電池供電，可保障數(shù)據(jù)采集與存儲模塊的不間斷供電，以免市電突然斷開時導致數(shù)據(jù)丟失。

　　圖3 電源切換電路的原理圖

　　2.2 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

　　圖 4 所示的是與醫(yī)療設備租賃中心的服務器相連的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括 CC1101無線通信模塊、MSP430 單片機模塊、RS232 串口通信模塊、5V 直流開關電源等部分。

　　圖4 服務器端無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊示意圖

　　3 軟件設計及實現(xiàn)過程

　　呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要包括 MSP430 單片機端的控制軟件、服務器端的應用軟件和 SQL Server 2005 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 3 部分，下面分別介紹前兩部分的設計與實現(xiàn)過程。

　　3.1 MSP430單片機端的控制軟件

　　MSP430 單片機端的控制軟件用于控制數(shù)據(jù)采集與存儲模塊的工作流程，其流程圖，見圖 5。圖中的實線箭頭是控制程序?qū)嶋H的邏輯流向，虛線箭頭則是程序內(nèi)部或不同程序之間隱含的控制或邏輯關系流程。由圖 5 可知，MSP430 單片機的定時器中斷函數(shù)每隔 5 min 經(jīng)由 RS232 串口向呼吸機發(fā)送 1 次查呼吸機運行狀態(tài)信息的命令，隨后呼吸機將會按規(guī)定的格式反饋其運行狀態(tài)信息 ；串口中斷函數(shù)接收到呼吸機反饋回來的運行狀態(tài)信息后，將其與5 min 前采集到的數(shù)據(jù)進行比較，并判斷接收的數(shù)據(jù)是否完整，然后根據(jù)比較及判斷結(jié)果設置各標記位的值 ；主程序則根據(jù)各標記位的值執(zhí)行相應的代碼，數(shù)據(jù)接收完畢后，MSP430 單片機若接收到服務器發(fā)來的讀數(shù)據(jù)命令，將讀取存儲器中的數(shù)據(jù)然后經(jīng)由 CC1101 無線通信模塊發(fā)送給服務器。

　　圖5 MSP430單片機控制程序流程圖

　　3.2 服務器端的應用軟件

　　服務器端的應用軟件基于 C# 開發(fā)平臺設計，用于實時接收并處理數(shù)據(jù)采集與存儲模塊記錄到的呼吸機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，其流程圖，見圖 6。首先與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊建立通信連接，然后讀取呼吸機運行狀態(tài)信息，若讀取成功則分析接收到的數(shù)據(jù)中是否包含報警信息，是否有參數(shù)越界以及其他異常狀況信息 ；軟件分析出異常狀況信息后，會將異常信息及呼吸機位置信息顯示在終端顯示屏上 ；技術(shù)人員處理完畢后，按照提示錄入處理方案及結(jié)果，系統(tǒng)將流程中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)存入 SQL Server 2005 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。

　　圖6 服務器端應用軟件流程圖

　　4 系統(tǒng)工作流程

　　呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程圖，見圖 7。圖中左側(cè)虛線框內(nèi)是醫(yī)療設備租賃管理流程，右側(cè)虛線框內(nèi)是呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)在租賃管理軟件的配合下定時讀取并存儲呼吸機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的工作流程。呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的主要工作流程介紹如下 ：

　?。?）服務器端的上位機軟件登記呼吸機租賃信息。

　?。?）呼吸機抵達臨床科室后，醫(yī)護人員首先將呼吸機背面的插線板接入市電，此時數(shù)據(jù)采集與存儲模塊也同步上電啟動。MSP430 單片機首先控制鋰電池充電模塊對鋰電池進行充電，并在檢測到過充現(xiàn)象后停止充電，同時清空存儲器，系統(tǒng)計時器開始計時，MSP430 單片機切換為低功耗模式運行，5 min 計時結(jié)束時中斷響應函數(shù)喚醒MSP430 單片機，經(jīng)串口向呼吸機發(fā)送狀態(tài)查詢命令 ；如果呼吸機正在運行，就會按照預定的格式反饋其運行狀態(tài)信息，MSP430 單片機接收到呼吸機的運行狀態(tài)信息后將其與上一次的運行狀態(tài)記錄進行對比，若有變化則將其存入數(shù)據(jù)采集與存儲模塊的存儲器中 ；存儲完畢后計時器重新計時，MSP430 單片機再次切換為低功耗模式，等待下一次計時結(jié)束后的中斷喚醒。

　　（3）呼吸機使用完畢后，醫(yī)護人員斷開插線板的市電連接，電源切換電路自動將數(shù)據(jù)采集與存儲模塊切換為鋰電池供電，MSP430 單片機將數(shù)據(jù)存儲完畢后切換為低功耗待機模式。

　?。?）呼吸機歸還到醫(yī)療設備租賃中心時，服務器端應用軟件在登記設備歸還信息的同時經(jīng) CC1101 無線通信模塊向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令，MSP430 單片機接收到命令后讀取存儲器中的數(shù)據(jù)，再經(jīng) CC1101 無線通信模塊發(fā)送給服務器端的應用軟件，隨后 MSP430 單片機清空數(shù)據(jù)采集與存儲模塊的存儲器后自行掉電關機，等待下一次呼吸機上電時重新啟動。

　?。?）上位機軟件接收完數(shù)據(jù)后將其存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，然后對數(shù)據(jù)進行分析，若監(jiān)測到異常狀況則提醒管理人員及時進行處理，記錄故障處理方案及結(jié)果并將其存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。

　　圖7 呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)工作流程圖

　　5 結(jié)果與討論

　　呼吸機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設計完成后，已在醫(yī)療設備租賃中心測試通過，目前運行穩(wěn)定。通過嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、應用軟件開發(fā)技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)的配合實現(xiàn)了呼吸機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與異常狀況分析。但由于實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)尚未測試完畢，系統(tǒng)的時效性有待提高，未來將進一步完善服務器端應用軟件，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)呼吸機全程質(zhì)量狀況監(jiān)測與實時質(zhì)量控制。