醫院病房全開(kāi)放分布式監護系統設計方案探討

數字化醫院是我國現代醫療發(fā)展的新趨勢，數字化醫院系統是醫院業(yè)務(wù)軟件、數字化醫療設備、網(wǎng)絡(luò )平臺所組成的三位一體的綜合信息系統，數字化醫院工程有助于醫院實(shí)現資源整合、流程優(yōu)化，降低運行成本，提高服務(wù)質(zhì)量、工作效率和管理水平。根據醫 院的要求，本著(zhù)高水準、高質(zhì)量，提高產(chǎn)品的性能價(jià)格比，在設計上充分體現建設者的意圖，同時(shí)考慮到今后使用者的使用、維護、保養的方便性，設計了該系統的總體方案。本方案分為兩部分：病房呼叫系統和病房監護系統。醫院監護系統便是住院管理系統中的一個(gè)底層分布式監控局域網(wǎng)。這些所謂的總線(xiàn)式監護系統，由于采用的都是傳統串行通信協(xié)議，只能實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)之間的通信，構成系統的節點(diǎn)受主設備負荷限制，擴展性很差，而現場(chǎng)總線(xiàn)作為近些年來(lái)首先在工控領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一種新型技術(shù)。

現場(chǎng)總線(xiàn)作為近些年來(lái)首先在工控領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一種新型技術(shù)，目前尚未被廣泛應用于醫院病房監護領(lǐng)域。CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)是被公認為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，其在病房監護全開(kāi)放分布式系統中的應用，將具有很重要的現實(shí)革新意義。該文主要通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現中央監護站對病床現場(chǎng)監控器之間點(diǎn)對點(diǎn)的通信，從硬件的設計、軟件的實(shí)現來(lái)完成系統功能。該系統通信設計簡(jiǎn)單易行，易于在醫院內進(jìn)行廣泛的推廣。

　　1. 醫院病房分布式監護系統的發(fā)展及其現狀

　　各種微計算機的監護儀及監護系統，起初的這種監護系統一般采用專(zhuān)用器件，形成一個(gè)獨立系統，不提供與外部系統的接口，不能進(jìn)行遠程監護。隨著(zhù)數字通信技術(shù)的迅速發(fā)展和應用，適應遠程信息傳輸的串行通信技術(shù)逐漸成熟并得到廣泛應用，醫院病房監護系統開(kāi)始引入了串行通信技術(shù)，利用分布在各個(gè)病房的現場(chǎng)監護儀器設備實(shí)現對病人生理參數作實(shí)時(shí)數據采集，通過(guò)串行通信接口進(jìn)行對數據信息的遠距離傳輸，借助遠程計算機經(jīng)醫務(wù)人員對數據參數進(jìn)行分析處理形成病人醫囑信息，傳輸給護士值班員對病人執行臨床監護，同時(shí)護士值班員也可以在值班室得到病人實(shí)時(shí)監護請求信息以及簡(jiǎn)單的監護反饋信息。

　　最先采用的串行通信協(xié)議是RS-232接口標準，系統結構如圖1所示，該系統采用一般的雙絞線(xiàn)做傳輸介質(zhì)，實(shí)現中心監護站對病人床邊監護儀之間點(diǎn)對點(diǎn)的通信，但整個(gè)系統隨著(zhù)監護病人數量增多，聯(lián)網(wǎng)線(xiàn)路太多，而且由于RS-232接口標準出現較早，通信上存在一些不足之處，主要有以下四點(diǎn)：

　?。?） 接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL 電平不兼容故需使用電平轉換電路方能與TTL電路連接。

　?。?） 傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps.

　?。?） 接口使用一根信號線(xiàn)和一根信號返回線(xiàn)而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

　?。?） 傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實(shí)際上也只能用在50米左右。

　　針對RS-232的不足，于是就不斷出現了一些新的接口標準，RS-485就是其中之一，并且在病房監護領(lǐng)域很快得到應用，系統結構如圖2所示。

　　智能儀表是隨著(zhù)80年代初單片機技術(shù)的成熟而發(fā)展起來(lái)的，現在世界儀表市場(chǎng)基本被智能儀表所壟斷。究其原因就是企業(yè)信息化的需要，企業(yè)在儀表選型時(shí)其中的一個(gè)必要條件就是要具有聯(lián)網(wǎng)通信接口。最初是數據模擬信號輸出簡(jiǎn)單過(guò)程量，后來(lái)儀表接口是RS232接口，這種接口可以實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，但這種方式不能實(shí)現聯(lián)網(wǎng)功能。隨后出現的RS485解決了這個(gè)問(wèn)題。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?） RS-485接口信號電平比RS-232降低了，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

　?。?） RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps.

　?。?） RS-485接口是采用平衡驅動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。

　?。?） RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實(shí)際上可達3000米，另外RS-232接口在總線(xiàn)上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線(xiàn)上是允許連接多達32個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶(hù)可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網(wǎng)絡(luò )。

　　雖然優(yōu)點(diǎn)很多，但是和現場(chǎng)總線(xiàn)構成的全開(kāi)放分布式系統相比較，本身仍然存在一些無(wú)法克服的缺陷：

　?。?）硬件上檢錯、糾錯、和錯誤定位能力較弱，系統自身的監控和維護功能差；

　?。?）無(wú)總線(xiàn)脫離功能，一旦某個(gè)節點(diǎn)上的RS-485收發(fā)器短路或發(fā)生嚴重錯誤，整個(gè)總線(xiàn)將不能正常工作；

　?。?）硬件上沒(méi)有緩存功能；

　?。?）數據通信方式為命令響應式，致使系統靈活性差；

　?。?）RS-485總線(xiàn)在空閑時(shí)需要在總線(xiàn)上維持一個(gè)固定的電流，這對器件的壽命和功耗都產(chǎn)生影響

　?。?）RS-485總線(xiàn)網(wǎng)的設備間要想互通信息只有通過(guò)主（Master）設備中轉才能實(shí)現，而這種總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中只允許存在一個(gè)主設備，其余全部是從（Slave）設備，因此各個(gè)節點(diǎn)之間不具有互可操作性，并且無(wú)法構成多主冗余系統，系統可靠性差；

　?。?）RS-485總線(xiàn)不具有開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，還不能構成全開(kāi)放分布式的互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò )系統。

　　2. 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)特點(diǎn)以及運用在醫院病房全開(kāi)放分布式監護系統中的優(yōu)點(diǎn)

　　由于傳統總線(xiàn)系統存在的不足，我們分析了自控領(lǐng)域內多年來(lái)發(fā)展并應用成熟的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的特點(diǎn)，將其引入醫院病房監護，構成醫院病房全開(kāi)放分布式監護系統能夠很好的克服傳統總線(xiàn)系統的不足。

　　現場(chǎng)總線(xiàn)是指以工廠(chǎng)內的測量和控制機器間的數字通訊為主的網(wǎng)絡(luò )，也稱(chēng)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )。也就是將傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進(jìn)行特化的網(wǎng)絡(luò )。原來(lái)這些機器間的主體配線(xiàn)是ON/OFF、接點(diǎn)信號和模擬信號，通過(guò)通訊的數字化，使時(shí)間分割、多重化、多點(diǎn)化成為可能，從而實(shí)現高性能化、高可靠化、保養簡(jiǎn)便化、節省配線(xiàn)（配線(xiàn)的共享）?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)：

　?。?）系統的開(kāi)放性 開(kāi)放系統是指通信協(xié)議公開(kāi)，各不同廠(chǎng)家設備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現信息交換?，F場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)者就是要致力于建立統一的工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放系統。這里的開(kāi)放是指對相關(guān)標準的一致性、公開(kāi)性，強調對標準的共識與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統，它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個(gè)具有總線(xiàn)功能的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，系統必須是開(kāi)放的；開(kāi)放系統把系統集成的權利交給了用戶(hù)。

　?。?）互可操作性與互用性 這里的互可操作性，是指實(shí)現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)的數字通信。

　?。?）現場(chǎng)設備的智能化與功能自治性 它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場(chǎng)設備中完成，僅靠現場(chǎng)設備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設備的運行狀態(tài)。

　?。?）系統結構的高度分散性 由于現場(chǎng)設備本身可完成自動(dòng)控制的基本功能，導致現場(chǎng)總線(xiàn)已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。

　?。?）對現場(chǎng)環(huán)境的適應性 工作在現場(chǎng)設備前端，作為工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )底層的現場(chǎng)總線(xiàn)，是專(zhuān)為現場(chǎng)環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線(xiàn)、電力線(xiàn)等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線(xiàn)制實(shí)現送電與通信，并可滿(mǎn)足本質(zhì)安全防爆要求等。

　　一個(gè)完整高效的醫院經(jīng)營(yíng)管理信息網(wǎng)絡(luò )系統，對于醫院經(jīng)營(yíng)管理現代化信息化智能化，提高醫院的就疹監護管理效率，都起著(zhù)十分重要的作用。醫院病房的監護系統屬于醫院管理信息網(wǎng)絡(luò )一個(gè)子系統，因此，醫院對各個(gè)病房的監控護理最適合于利用現場(chǎng)總線(xiàn)構成底層局域網(wǎng)，并且還可以利用病房現場(chǎng)醫療、診斷、監控等設備的智能化對病員的護理監測實(shí)現自動(dòng)化。而且由于現場(chǎng)總線(xiàn)的以上特點(diǎn)，特別是現場(chǎng)總線(xiàn)系統結構的簡(jiǎn)化，使其在醫院病房監護系統的設計、安裝、正常運行及其維護，都體現出優(yōu)越性。

　?。?） 節省硬件數量與投資；

　?。?） 節省安裝費用；

　?。?） 節省維護開(kāi)銷(xiāo)；

　?。?） 用戶(hù)具有高度的系統集成主動(dòng)權；

　?。?） 提高了系統的準確性與可靠性；

　?。?） 設計簡(jiǎn)單，易于重構；

　　3. 基于CAN總線(xiàn)的醫院病房全開(kāi)放分布式監護系統模型及其軟硬件組成

　　CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò )（Controller Area Network, CAN）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車(chē)電子產(chǎn)品著(zhù)稱(chēng)的德國B(niǎo)OSCH公司開(kāi)發(fā)了的，并最終成為國際標準（ISO118?8）。是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。 在北美和西歐，CAN總線(xiàn)協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計算機控制系統和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線(xiàn)，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專(zhuān)為大型貨車(chē)和重工機械車(chē)輛設計的J1939協(xié)議。近年來(lái)，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車(chē)計算機控制系統和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境它有如下基本特點(diǎn)：

　?。?）CAN協(xié)議遵循ISO/OSI模型采用了其中的物理層、數據鏈路層和應用層的三層結構。

　?。?）CAN的通信速率為：5Kbps/10km,1Mbps/40m,節點(diǎn)數可達110個(gè)，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)，光纖等。

　?。?）CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀有效字節數為8個(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。并且，當CAN節點(diǎn)發(fā)生嚴重錯誤時(shí)，CAN具有自動(dòng)關(guān)閉節點(diǎn)的功能，自動(dòng)切斷與總線(xiàn)的聯(lián)系，使總線(xiàn)上的其它節點(diǎn)及其通信不受影響。所以，具有較強的抗干擾能力。

　?。?）CAN節點(diǎn)采用點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)以及廣播幾種發(fā)送和接受數據，可實(shí)現全分布式多機系統，并且無(wú)主從之分。

　?。?）CAN采用非破壞的總線(xiàn)仲裁技術(shù)。

　?。?）CAN能支持防爆區。

　　通?；贑AN總線(xiàn)的智能測控系統如圖3所示：

　　根據病房監護特點(diǎn)：一般需要至少一個(gè)中央監控站由監護主管醫生負責全局性的監控、其次每道樓層設置護士值班室對所負責的床位作實(shí)時(shí)監控和護理以及各個(gè)病房病號病床現場(chǎng)在線(xiàn)監測等構成，因此，可以將整個(gè)監護系統分成為：管理級--監護級--現場(chǎng)級等三個(gè)層次?；贑AN總線(xiàn)的系統結構如圖4所示：

　　下面就系統構成硬件及其軟件組成分別做一簡(jiǎn)單介紹：

1.中央監控PC機

　　硬件基本構成：PC機+CAN總線(xiàn)通信接口適配卡

　　CAN總線(xiàn)通信

　　接口適配卡在PC機內的數據和控制參數迅速傳送給指定的CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，同時(shí)，將各CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的采集的數據傳送給PC機做進(jìn)一步分析處理。CAN總線(xiàn)通信接口適配卡結構框圖如圖5所示。

　　主要功能：接收、處理并保存來(lái)自各個(gè)值班室以及床位的監護信息。具體功能特點(diǎn)如下：

　　a） 大屏幕可同時(shí)顯示現場(chǎng)多點(diǎn)采集到的不同監測參數的數據圖線(xiàn)圖表；

　　b） 大容量磁盤(pán)記錄監護信息；

　　c） 具有監護聲光報警功能；

　　d） 全中文軟件界面；

　　e） 計算機輔助分析診斷功能；

　　f） 具有和醫院其他子系統聯(lián)網(wǎng)通信功能；

　　2. 護士智能監護節點(diǎn)

　　護士智能監護節點(diǎn)的硬件結構框圖如圖6所示。由圖可見(jiàn)，它由兩部分組成：帶在片CAN的微控制器PAC87C591（一種功能很強的8位微控制器，在芯片內部集成可CAN控制器，可為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)與PC機連網(wǎng)提供硬件支持，并且內部還帶有A/D轉換電路等其它功能）、人機交互接口構成。

　　節點(diǎn)主要功能：

　　a） 接受并執行中央監控PC機傳來(lái)的病員醫囑信息；

　　b） 實(shí)時(shí)接收所監護病員遠程監護請求信號

　　c） 記錄并將所監護病員的監護日志上傳中央監控PC機；

　　3. 病床現場(chǎng)測控節點(diǎn)

　　病床現場(chǎng)測控節點(diǎn)的結構框圖如圖7所示。它主要包括MCU89C52、CAN控制器SJA1000芯片和現場(chǎng)傳感器接口三部分。

　　節點(diǎn)主要功能：

　　a） 采集并上傳病員實(shí)時(shí)監測參數（包括病人體溫、血壓、心律、呼吸等等）；

　　b） 發(fā)送病員監護請求信號；

　　c） 響應上位監護站發(fā)來(lái)的控制信號，自動(dòng)執行單元進(jìn)行相應操作；

　　二 軟件設計

　　軟件設計采用結構化程序設計方案，具有良好的模塊性，可修改性及可移植性。整個(gè)系統軟件設計分三大部分，即：

　　1.中央監控PC機接口適配卡軟件設計

　　采用基于Windows 98平臺的VC++6.0面向對象的可視化高級語(yǔ)言編寫(xiě)，具有系統

　　參數（如波特率、輸出控制、報文標識與屏蔽等）設置、監視狀態(tài)設置、數據發(fā)送和接收、本機狀態(tài)查詢(xún)、節點(diǎn)狀態(tài)查詢(xún)、實(shí)時(shí)報警及中斷接收數據管理等功能模塊。軟件功能模塊如圖8所示。上位機首先對CAN總線(xiàn)適配卡及自身進(jìn)行初始化，然后發(fā)送命令通知特定節點(diǎn)向CAN總線(xiàn)上發(fā)送數據，通過(guò)CAN總線(xiàn)適配卡轉換后，再由中央監控PC根據實(shí)際情況進(jìn)行相應處理。采用定時(shí)輪循方式向各節點(diǎn)發(fā)命令，而采用中斷方式接受數據。

　　其次是對PCL-841 CAN卡的驅動(dòng)，生產(chǎn)商為PCL-841卡提供了一個(gè)完備的DLL驅動(dòng)函數庫，使用VC++6.0開(kāi)發(fā)時(shí)，先要將該DLL庫連入開(kāi)發(fā)環(huán)境，然后就可以調用庫中的函數。庫函數調用需要遵循一定的流程，具體見(jiàn)圖9所示：

　　2.智能監護節點(diǎn)軟件設計

　　智能監護節點(diǎn)軟件由初始化、發(fā)送數據和中斷處理三部分組成，主要完成兩項任務(wù)：一是接收現場(chǎng)監測節點(diǎn)監護請求信號與控制算法；二是當中央監控PC機請求數據時(shí)，將節點(diǎn)狀態(tài)、數據信息傳送給上位機。節點(diǎn)主程序流程圖如圖10所示：

　　3.現場(chǎng)測控節點(diǎn)軟件設計

　　現場(chǎng)測控節點(diǎn)軟件的主要功能是完成現場(chǎng)病人生理參數傳感采集與數據融合以及現場(chǎng)醫療設備自動(dòng)控制，同時(shí)實(shí)現與中央監控PC機和其它智能監護節點(diǎn)之間的數字通信。

　　4.結論

　　現場(chǎng)總線(xiàn)以其領(lǐng)先的優(yōu)點(diǎn)、成熟的技術(shù)和良好的性?xún)r(jià)比，越來(lái)越被更多的領(lǐng)域所接受。作者認為，現場(chǎng)總線(xiàn)應用于醫院病房監護系統，構成全開(kāi)放分布式的系統局域網(wǎng)絡(luò )，必將為面向21世紀“數字化醫院”的新構想奠定基礎。

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