基于物联网的透析患者体重采集系统的设计与实现

李金宝

油田总医院 透析净化室,黑龙江 大庆163316

[摘 要]目的基于物联网开发透析患者体重采集系统,用于管理透析患者的体重信息。方法 系统由ZigBee终端节点、协调器和嵌入医生工作站的透析患者体重管理软件组成。结果医生工作站透析患者体重管理软件能自动计算患者的脱水量和反馈透析后的脱水量,并可以长时间管理患者的体重信息。1次测量时间<3 min,精度为0.01 kg。结论系统开发采用物联网通信技术,省去现场布线的要求,也节省了空间,同时方便了患者和医护人员的使用。

[关键词]血液透析机;透析患者体重采集系统;物联网;医生工作站

引言

血液透析是尿毒症患者维系生命治疗的主要方式之一。在患者的每次治疗前和透析后都需要跟踪测量患者的体重,根据治疗前后患者体重变化可以有效地评估本次透析疗效[1-2]。透析患者的体重信息需要长期记录,以便于医护人员及时了解患者病情变化,及时调整治疗方案[3]。目前我国大部分透析中心采用专门的医护手写记录患者体重和血压信息,造成工作效率低下,且不方便长期管理患者的体重信息[4-5]

近年来物联网技术的快速发展,改变了人们感知生活和获取生活环境信息的方式。ZigBee通讯技术作为物联网通讯的一种方式,可以实现自组网通信,可以将传感器采集的数据通过ZigBee网络传输到服务器,实现环境信息的显示、存储和共享[6]。此外,基于射频识别(RFID)卡的信息管理系统在生活中使用广泛[7],如小区的门禁卡、校园一卡通等。

本设计将ZigBee无线通讯技术应用到透析患者体重采集和信息管理系统中。利用ZigBee终端节点读取电子秤的体重数据,接入ZigBee网络;协调器读取患者RFID卡,识别透析患者的身份信息;在医生工作站设计系统软件接收患者的RFID卡号和体重信息,并根据RFID卡号来记录和存储患者的体重信息,通过查询数据库信息来显示透析患者的干体重和体重的增加量,以及显示当次的患者治疗台位[8]。该系统可长期记录、存储和管理透析患者的体重信息,以提高他们的生活质量[9],同时提高了医护人员的工作效率。

1 方法

1.1 系统构成

基于物联网的透析患者体重测量系统由ZigBee终端节点、协调器和医生工作站系统软件组成,见图1。物联网的通信控制芯片选择的是JN5139ZigBee芯片(Jennic公司生产);终端节点通过串口读取电子秤的测量数据;协调器负责组建通信网络,让终端节点加入网络;通过SPI总线连接RC522读卡器,读取患者的卡号,传输患者的信息。透析患者体重管理软件以C++ Builder和SQL Server2008为开发工具。透析治疗开始前后,患者刷RFID卡,协调器读取的患者卡号信息并传输到医生工作站的透析患者体重管理软件,软件在数据库中查询患者信息,通过ZigBee网络向终端节点发送命令读取电子秤上的患者体重数据,再通过ZigBee网络传输到透析患者体重管理软件。软件计算、显示和存储患者体重信息,保证更高效的管理患者的体重信息。

图1 系统整体框图

1.2 系统硬件设计

透析患者体重测量系统中,ZigBee无线通信采用JN5139-201-MO2通信模块。该模块微处理器性能高、使用频段免费,具有较高的读写功能(ROM和RAM),可以自组网等优点。读写模块采用Mifare RC522读写芯片,它是低电压和低成本的非接触式读写芯片。ZigBee节点通过串口读取电子秤上的患者体重数据,实现数据的采集。

ZigBee网络采用树状结构,网络由终端节点、路由节点和协调器3部分组成,其中终端节点通过串口读取电子秤显示的患者体重数据,路由器节点主要实现路由传输的中继作用,协调器需要连接RC522读卡器,识别患者的身份信息。根据JN5139系列芯片使用说明书设计了最小电路系统和串口通信功能,只需要将设计好的终端节点程序、路由器节点程序和协调器程序分别下载到相应的模块,承担相应的网络角色。在协调器端需要连接RC522读卡器,通信方式是采用标准的SPI总线,RC522和JN5139的引脚连接框图,见图2。

图2 协调器与RC522读写器连接框图

本文主要介绍相对复杂的协调器端的硬件电路设计,其中路由节点和终端节点的电路设计大体相同,终端节点需要通过串口连接到患者的体重秤上读取患者的体重数据,路由节点主要起到信号的中继传输作用。

1.3 系统软件设计

本系统的软件设计主要由ZigBee节点的程序设计和嵌入医生工作站的系统程序设计两部分组成。

ZigBee的节点程序设计是在Jennic CodeBlock的开发环境下进行编写的。在系统的工程下面建立:Coordinate. cbp 、Router.cbp和EndDevice.cbp文件,分别对相应的协议栈程序进行应用函数的编写。

(1)协调器负责建立ZigBee网络。路由器和终端节点加入网络,读取患者的RFID卡号,并将患者的RFID卡号发送到医生工作的系统软件,同时接收医生工作站发送过来的指令,传输到相应的终端节点,再将接收终端节点发送过来的患者的体重或血压脉搏信息上传到医生工作站的软件系统。

(2)终端节点需要着重说明的地方是接收事件触发以后,首先判断接收到的指令是发给本节点的(通过预定义的IDNum号判断),然后读取电子秤的测量数据,再通过ZigBee网络发送到医生工作站的透析患者体重管理软件。考虑到网络端的地址断电后不能保存,所以在程序的文件头中定义了终端的ID号,保证患者血压、脉搏和体温等生命体征信息安全存储。

医生工作站透析患者体重管理软件与协调器通过串口通信,登录系统程序后,点击按钮打开串口,就可以自动接收患者的RFID[10]卡号和体重信息,并从数据库中查询到患者的干体重,计算出透析间隙内的体重增加量,透析治疗结束后还可以计算出本次的患者脱水量,方便医生评估本次的治疗方案。嵌入医生工作站的管理软件交互式界面,见图3。

2 结果

本系统设计了专用的医生工作站系统软件,能够接收患者的RFID就诊卡号,根据患者的RFID卡号,读取数据库中的患者信息,同时通过串口向ZigBee网络中的电子秤终端节点发送读取患者的体重指令,ZigBee终端节点将读取的患者体重信息通过ZigBee网络传输到医生工作站的系统软件,开始治疗前能够根据患者的干体重计算出透析间期体内潴留的水,透析结束后可以计算出患者本次治疗的脱水量。测试显示系统采集1次患者的体重时间<3 min,精度可以达到±0.01 kg,现场测试场景,见图4。

图3 嵌入医生工作站软件系统界面

图4 现场测试

JN5139ZigBee芯片使得通信网络更稳定,无线通信距离更远,组网更加方便灵活,由于采用ZigBee无线通信技术,省去现场布线的要求,节省了空间,方便了电子秤节点和医生工作站的移动,同时方便后续完善测量内容和增加ZigBee节点操作简单。

3 讨论

近年来慢性肾脏病患者的发病率逐年增高,随着病情的不断恶化,透析患者的人数也在不断增加,同时随着社会条件的提高,医疗保险的加大投入,透析患者及其家庭对生活质量提出了更高的要求,进而推动了医院透析室软硬件环境的建设[11-12]。透析患者治疗数据的数字化和信息化成为国内外医疗公司和医疗研究机构的热点[4],其中透析患者治疗间期的体重变化和生命体征,影响着患者的生活质量和决定着治疗方案。

国内现有的透析患者体重称量方式多种多样,多数都已经采用了电子称量系统,但是能够将电子秤和医生工作站的患者信息管理软件整合到一块,并智能管理透析患者的体重和生命体征的患者称重系统还很少见。基于ZigBee通信的患者称重系统,没有相关报道。国外生产透析设备的大公司如德国贝朗和日本的日机装都研发透析中心信息化管理系统和相应的硬件设施,虽然信息化程度高,整体使用便利,但是存在着垄断和费用昂贵的缺陷,同时在我国透析设备品牌多,接入方式各不相同,很难达到采用一套设备管理透析患者治疗信息的目的[13-14]

本课题采用发展迅速的物联网技术采集现有电子秤的患者体重数据,结合RFID刷卡技术来管理患者的身份信息,通过ZigBee网络将带有患者身份的RFID卡号和体重传输到医生工作站的系统软件,可以长时间存储和管理患者体重信息。经过实验测试,采集1次患者的体重< 3 min,精度为±0.01 kg,符合实际的工作需要,系统稳定可靠。

因为ZigBee网络可以自由组网,还可以考虑将采集透析患者体温、血压、脉搏和血氧的终端节点加入网络,构建起管理患者生命体征的信息系统,为管理透析患者的健康提供长期的大数据,进而有利于提高透析患者的生活质量[15-16],同时还能能够方便透析中心的医护人员提高工作效率。

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本文编辑 韩淑英

Design and Realization of Weight Acquisition System for Dialysis Patients Based on Internet of Things

LI Jin-bao1, MENG Hong-yan2
Dialysis Decontamination Room, Daqing Oilfield General Hospital, Daqing Heilong jiang 163316, China

Abstract:ObjectiveTo develop weight acquisition system for dialysis patients based on internet of things to manage weight information of dialysis patients. Methods This system consisted of ZigBee terminal node, coordinator and weight management software of dialysis patients that was linked to doctor workstation.ResultsThe weight management software of dialysis patients at the doctor workstation can calculate dehydration amount and send feedback of dehydration amount after dialysis automatically, and can manage patients’ weight information for a long time. It takes less than 3 min to finish measurement, and the accuracy is 0.01 kg.ConclusionThe internet of things technology is adopted, which is time-saving without site wiring, at the same time, brings convenience for patients, doctors and nurses.

Key words:hemodialysis machine; weight acquisition system for dialysis patients; internet of things; doctor workstation

[中图分类号]TP393.09

[文献标志码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.014

[文章编号]1674-1633(2017)01-0057-03

收稿日期:2016-07-01

修回日期:2016-10-16