一种婴儿培养箱多参数中央监控系统的设计
引言
婴儿培养箱可为新生儿、早产儿及病弱婴儿提供一个类似母体子宫的环境，以满足对婴幼儿的救治需要，是国家重点监控的生命支持类医疗器械产品之一。
目前，美国、欧盟等国家都由专门机构采用集中管理的方式负责婴儿培养箱的监管工作，并制定了比较完善的医疗器械不良事件报告法规及其相关制度，以减少医疗器械不良事件的发生，确保使用安全[1]。而我国于2010年由原卫生部印发了关于《医疗器械临床使用安全管理规范（试行）》的通知，要求各级卫生行政部门加强医疗器械临床使用安全监管工作，保障临床医疗质量安全。目的在于通过降低医疗器械临床使用风险，提高医疗质量，保障医患双方合法权益。
近年来，国内外各大医院有关婴儿培养箱的可疑医疗器械不良事件时有发生。据国家药品不良反应监测中心统计，自2002年至2011年10月共收到有关婴儿培养箱的可疑医疗器械不良事件报告332份，主要表现为温度失控、通风系统故障、皮疹、划伤等，其中温度失控167例，通风系统故障50例，划伤4例。 因此，婴儿培养箱的使用风险不容忽视[2]。
本文针对以上情况设计一套婴儿培养箱多参数（温度、湿度、CO2浓度）中央监测系统。该系统能够实现对多台婴儿培养箱运行状态进行实时监测、自动报警、查询和显示等功能，为培养箱运行提供多重安全保障，减少因培养箱温度和环境造成婴儿烫伤、冻伤、窒息等不良事件的发生，提高婴儿培养箱的使用安全性[3]。
1 系统总体设计
本系统由两部分组成：一是放置于多台婴儿培养箱内的下位机，由主控芯片MSP430F149负责检测培养箱内温湿度及CO2浓度，并实现液晶显示与超出阈值的声光报警功能，再通过射频芯片nRF905将数据发送至中央站[4]；二是放置于护士站的中央站上位机，由射频芯片nRF905接收来自下位机发来的数据传输至MSP430F149，并通过RS-232通讯显示于中央站[5]。其整体框图，见图1。
图1 系统总体设计框图
2 系统硬件设计
由于医院婴儿培养箱数量众多，且培养箱内空间有限，本系统设计侧重于低功耗设计，主控微处理器芯片选用美国德州仪器（Texas Instruments）公司设计生产的一款超低功耗16位单片机MSP430F149，其工作电压3.3 V，待机模式下工作电流仅为1.6 μA，超低功耗，具有12位的模数转换器，可以得到很高的精度，拥有大容量的存储空间，存储器多达60 k Flash ROM和2 k RAM，拥有两通道串行通信接口，可以与计算机进行异步或同步串行通信与编程[6]。
温湿度传感器选用一款已校准全数字信号输出的超低功耗温湿度复合传感器SHT11，其体积小、响应快、抗干扰能力强[7]。它与微处理器MSP430F149的连接示意图如图2所示。SHT11的供电电压为2.4～5.5 V，电源引脚VDD与GND之间增加一个100 nF的电容，用以去耦滤波。串行时钟输入引脚SCK用于与微处理器MSP430F149之间的通讯同步。串行数据引脚DATA用于数据的读取，DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效，数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定，为避免信号冲突，MSP430F149应驱动DATA在低电平，需要一个上拉电阻10 kΩ将信号拉至高电平[8]。
CO2浓度是婴儿培养箱内空气通畅状况的重要参数，所以对CO2的浓度检测很有必要。本系统选用的CO2浓度传感器是一款已校对全数字式低功耗传感器DS-CO2-20，其体积小、精度高、灵敏度强，采用非分光红外吸收原理，可连续采集并计算单位体积内空气中的CO2浓度，并以通用数字接口形式输出，为串口通信协议，@3.3 V TTL电平，可直接与3.3 V单片机MSP430F149连接，它们的连接示意图如图2所示。
本系统无线传输模块采用挪威Nordic公司的高性能低功耗nRF905射频通信芯片[9]，其灵敏度高、抗干扰能力强、通信稳定，工作电压为1.9～3.6 V，待机模式下电流仅为12.5 μA，工作频道为433/868/915 MHz三个免费的ISM频道，本系统采用3.3 V供电，使用433 MHz开放频段[10]。nRF905有三种接口：一是模式控制接口，由PWR_UP、TRX_CE、TX_EN组成，并有四种工作模式（关机与SPI编程模式、待机与SPI编程模式、接收模式、发射模式）；二是SPI接口，由CSN、SCK、MISO及MOSI组成，在配置模式下单片机通过SPI接口配置高频头的工作参数，在发射/接收模式下SPI接口发射和接收数据；三是状态输出接口，由提供载波检测输出CD、地址匹配输出AM及数据就绪输出DR组成。nRF905的SPI接口与MSP430F149的SPI接口连接，nRF905的输入输出信号与MSP430F149的其他几个I/O相连接，实现nRF905与MSP430F149的双向通信[11]。
图2 MSP430F149与SHT11及DS-CO2-20连接示意图
液晶显示模块采用12864液晶模块，它是一块128×64点阵的液晶显示模组，有带字库可以显示字母、数字符号、中文字形及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能，该模组为串行SPI接口，接口简单，操作方便，可以与MSP430F149简单方便地连接。
本系统各硬件实物设计连接图如图3所示。采用基于MSP430F149的模块通过杜邦线将各部件连接，再通过软件编程将传感器SHT11和DS-CO2-20采集的数据显示在液晶屏上，并通过nRF905模块传至中央站。
图3 硬件实物设计连接图
3 系统软件设计
本系统中对于单片机的嵌入式程序设计选用C语言进行设计[12]。C语言运算速度快，编译效率高，有良好的可移植性，可以直接实现对系统硬件的控制[13]。
本系统中置于婴儿培养箱内的下位机程序流程图如图4所示。开始后首先对系统进行初始化操作，然后检测键盘是否有输入来设置报警阈值，当单片机处理完传感器采集的数据后调用显示子程序，在液晶上显示数据，并分析是否超出阈值来进行声光报警，提醒护士及时处理，减少不良事件的发生，接着调用无线模块子程序将数据传至中央站上位机[14]。
图4 培养箱下位机主程序流程图
本系统中央站上位机操作软件采用VB6.0开发[15]，VB6.0全称为Visual Basic 6.0，是微软公司推出的一种可视化编程工具，它拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻松创建Active X控件，可以轻易使用DAO、RDO、ADO连接数据库，本系统数据库采用SQL数据库，用于存储、查询和分析数据等。
本系统中央站上位机主程序流程图如图5所示。开始后首先初始化操作，然后无线接收模块接收来自婴儿培养箱内下位机发来的数据，将其显示于中央站操作界面[16]，并给予超限报警提示，提醒护士及时查看和处理，再将数据存储，以便于查询与分析数据，也为处理一些医疗纠纷提供重要的依据。
本系统软件设计实现图如图6所示。监控列表显示各培养箱内环境数据；特设计各项菜单完成一些辅助功能，如系统管理可完成登录用户账号的管理；设备管理可完成对培养箱内下位机的添加、删除等操作；数据查询可完成对各培养箱内数据的查询；维修管理专为工程师维修之用；常用工具里特添加计算器、日历、提醒器及医学宝典等工具服务临床工作；辅助功能里可完成对系统数据的备份与恢复等操作。
4 结果
婴儿培养箱为婴儿提供适宜的治疗场所，便于医护人员观察、护理和治疗。医护人员根据不同婴儿的病情一般对其温度设定在30℃～38℃之间，适宜婴儿治疗的相对湿度一般在55% RH～65% RH之间，箱内CO2浓度要求不得高于0.5%，因此本系统设计温度报警阈值为培养箱设定值±2℃，相对湿度报警阈值设计为偏离适宜湿度范围±5%RH，故将其报警下限设计为50% RH，报警上限设计为70% RH，对于CO2浓度设计为高于0.5%即报警。
图5 中央站上位机主程序流程图
图6 软件设计实现图
由于医院内婴儿培养箱数量众多，为方便监控和管理将其进行编号处理，现将1～6号婴儿培养箱拿来验证试验结果。六台婴儿培养箱的温度均设定为32℃，1号培养箱不做任何处理，2号培养箱做降温处理，3号培养箱做升温处理，4号培养箱做干燥处理，5号培养箱做加湿处理，6号培养箱做密封处理。其测量结果如表1所示。
表1 六台婴儿培养箱的实际监测情况
注： 表示正常，不报警； 表示不正常，报警。
培养箱编号 温度 (℃) 湿度 (%)CO2浓度 (%) 报警提示1 32.1 60 0.10 正常2 28.4 62 0.09 温度过低3 35.3 56 0.11 温度过高4 33.7 43 0.11 湿度过低5 31.0 78 0.09 湿度过高6 33.2 55 0.55 通风不畅
5 讨论与结论
医院新生儿重症监护室收治的婴儿大部分为早产儿、病危儿等急需救治的婴儿患者，再加上婴儿自身的抵抗力十分微弱，各项生理功能尚未成熟，体温调节功能尚不完善，这就要求培养箱能提供一个温湿度适宜、通风良好的生长环境。婴儿培养箱作为重要的生命支持类医疗器械，它的工作状态直接关系到婴儿的生命安全。医院要加强对使用人员和技术人员的培训，规范操作，加强预防性维护和质量控制，加强设备巡检，最大限度地发挥婴儿培养箱的作用，预防事故的发生，确保安全、有效。
目前，许多医院的婴儿培养箱都处于单机工作状态或者不具有RS-232通讯输出类接口，无法实现中央监控，再加上医院婴儿培养箱数量众多，分布分散，有可能分布于不同的房间，这样护士对婴儿培养箱的巡视就会有一定的时间间隔，不能及时掌握培养箱及婴儿的实时状况，增加医疗事故的风险，另外护士经常性巡视走动既会影响新生儿的休息，也增加了护士的工作量，因此婴儿培养箱多参数监控系统的实施是很有必要的。
本文通过软硬件结合设计出了一套可以实时采集婴儿培养箱内多项参数的无线中央监控系统，采用的单片机、传感器及射频芯片均在市场上比较成熟，且价格低廉，容易实现与推广，试验结果证明该系统能够有效地监控婴儿培养箱内的环境情况。本系统的创新之处在于解决市场上某些婴儿培养箱无法实现中央监控或设计不佳硬件故障频发等问题，实现了近几年对医院信息化统一管理的要求，提高了婴儿培养箱的使用安全性，大大降低了各项可疑不良事件的发生，也减少了各种不必要的医疗事故与医疗纠纷，具有很好的临床使用价值和推广意义[17]。不过本文中也有一些需要改进的地方，比如婴儿培养箱还会经常遇到风机老化导致噪音过大现象，正常情况下箱内的噪音声级不得高于55 dB，噪音过大会影响早产儿听觉的正常发育，因此下一步改进方向可以增加噪音检测和抑制装置；还有，在如今医疗器械技术与信息技术大融合的时代背景下，无线远程管理与研究的兴起不可避免会带来一些电离辐射也会对患儿造成影响[18]，都需要是下一步的重要研究内容。
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Design of A Multi-Parameter Central Monitoring System for Infant Incubator