基于現(xiàn)場總線的醫(yī)院病房全開放分布式監(jiān)護系統(tǒng)

　　前言

　　20世紀80年代初，隨著傳感檢測技術(shù)、模擬及數(shù)字通信技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)、微電子技術(shù)等許多新技術(shù)的迅速發(fā)展，帶各種微計算機的監(jiān)護儀及監(jiān)護系統(tǒng)便應(yīng)運而生。醫(yī)院病房監(jiān)護也逐漸由人工臨床監(jiān)護轉(zhuǎn)向利用現(xiàn)場監(jiān)護儀及監(jiān)護系統(tǒng)實現(xiàn)遠程監(jiān)護。特別是90年代開始，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，醫(yī)院在管理手段上發(fā)生著根本性的轉(zhuǎn)變，使醫(yī)院信息數(shù)字化飛速發(fā)展。在一些大型綜合醫(yī)院，更是提出了一種基于信息技術(shù)，面向21世紀的“數(shù)字化醫(yī)院”的新模式。

　　所謂數(shù)字化醫(yī)院是以局域網(wǎng)為依托的一種開放的全開放分布式醫(yī)院管理信息系統(tǒng)模式，通過計算機網(wǎng)絡(luò)連接醫(yī)院分散的各個部門，覆蓋患者在醫(yī)院就診的各個環(huán)節(jié)。醫(yī)院監(jiān)護系統(tǒng)便是住院管理系統(tǒng)中的一個底層分布式監(jiān)控局域網(wǎng)。早在七五期間，危重病人監(jiān)護系統(tǒng)作為國家攻關(guān)項目，相繼產(chǎn)生了一些初具雛形的總線分布式病房監(jiān)護方案。但這些所謂的總線式監(jiān)護系統(tǒng)，由于采用的都是傳統(tǒng)串行通信協(xié)議，只能實現(xiàn)點對點之間的通信，即使系統(tǒng)通過“主(Master)”設(shè)備中轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)多點通信，但這種總線網(wǎng)絡(luò)中只允許存在一個主設(shè)備，其余全部是從(Slave)設(shè)備，因此各個節(jié)點之間不具有互可操作性，并且無法構(gòu)成多主冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性差。此外，構(gòu)成系統(tǒng)的節(jié)點受主設(shè)備負荷限制，擴展性很差，所以傳統(tǒng)總線方案都不具備全開放分布式網(wǎng)絡(luò)性能。而現(xiàn)場總線作為近些年來首先在工控領(lǐng)域發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，目前尚未被應(yīng)用于醫(yī)院病房監(jiān)護領(lǐng)域。現(xiàn)場總線在病房監(jiān)護全開放分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用，將具有很重要的現(xiàn)實革新意義。

　　1. 醫(yī)院病房分布式監(jiān)護系統(tǒng)的發(fā)展及其現(xiàn)狀

　　80年代之前，在我國微電子計算機技術(shù)尚未興起，醫(yī)院病房監(jiān)護主要依靠人工步行呼叫值班員來對病人進行監(jiān)護。80年代以后，開始出現(xiàn)由病號呼叫值班員請求醫(yī)療護理的各種病房呼叫對講裝置和系統(tǒng)。此后，出現(xiàn)了帶各種微計算機的監(jiān)護儀及監(jiān)護系統(tǒng)，起初的這種監(jiān)護系統(tǒng)一般采用專用器件，形成一個獨立系統(tǒng)，不提供與外部系統(tǒng)的接口，不能進行遠程監(jiān)護。因此，如何將這些現(xiàn)場監(jiān)護儀器設(shè)備以及獨立的監(jiān)護系統(tǒng)互聯(lián)起來，構(gòu)成醫(yī)院病房監(jiān)護分布式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程監(jiān)護，成為了該領(lǐng)域一個研究的熱門課題。隨著數(shù)字通信技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，適應(yīng)遠程信息傳輸?shù)拇型ㄐ偶夹g(shù)逐漸成熟并得到廣泛應(yīng)用，醫(yī)院病房監(jiān)護系統(tǒng)開始引入了串行通信技術(shù)，利用分布在各個病房的現(xiàn)場監(jiān)護儀器設(shè)備實現(xiàn)對病人生理參數(shù)作實時數(shù)據(jù)采集，通過串行通信接口進行對數(shù)據(jù)信息的遠距離傳輸，借助遠程計算機經(jīng)醫(yī)務(wù)人員對數(shù)據(jù)參數(shù)進行分析處理形成病人醫(yī)囑信息，傳輸給護士值班員對病人執(zhí)行臨床監(jiān)護，同時護士值班員也可以在值班室得到病人實時監(jiān)護請求信息以及簡單的監(jiān)護反饋信息，這樣便形成了所謂的醫(yī)院病房分布式監(jiān)護系統(tǒng)。

　　最先采用的串行通信協(xié)議是RS-232接口標準，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)采用一般的雙絞線做傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)中心監(jiān)護站對病人床邊監(jiān)護儀之間點對點的通信，通信簡單容易實現(xiàn)。但整個系統(tǒng)隨著監(jiān)護病人數(shù)量增多，聯(lián)網(wǎng)線路太多，而且由于RS-232接口標準出現(xiàn)較早，通信上存在一些不足之處，主要有以下四點：

　　(1) 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(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。

　　(2) 傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps。

　　(3) 接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)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。

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

　　針對RS-232的不足，于是就不斷出現(xiàn)了一些新的接口標準，RS-485就是其中之一，并且在病房監(jiān)護領(lǐng)域很快得到應(yīng)用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　相對而言，RS485串行通訊接口具備了多點之間相互通信功能，可以說是一種總線標準的通信協(xié)議，它具有如下優(yōu)點：

　　(1) 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。

　　(2) RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。

　　(3) RS-485接口是采用平衡驅(qū)動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。

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

　　盡管RS-485構(gòu)成的分布式總線系統(tǒng)，和以往出現(xiàn)的分布式系統(tǒng)相比較具有以上諸多優(yōu)點。但是，和現(xiàn)場總線構(gòu)成的全開放分布式系統(tǒng)相比較，本身仍然存在一些無法克服的缺陷：

　　(1)硬件上檢錯、糾錯、和錯誤定位能力較弱，系統(tǒng)自身的監(jiān)控和維護功能差;

　　(2)無總線脫離功能，一旦某個節(jié)點上的RS-485收發(fā)器短路或發(fā)生嚴重錯誤，整個總線將不能正常工作;

　　(3)硬件上沒有緩存功能;

　　(4)數(shù)據(jù)通信方式為命令響應(yīng)式，致使系統(tǒng)靈活性差;

　　(5)RS-485總線在空閑時需要在總線上維持一個固定的電流，這對器件的壽命和功耗都產(chǎn)生影響

　　(6)RS-485總線網(wǎng)的設(shè)備間要想互通信息只有通過“主(Master)”設(shè)備中轉(zhuǎn)才能實現(xiàn)，而這種總線網(wǎng)絡(luò)中只允許存在一個主設(shè)備，其余全部是從(Slave)設(shè)備，因此各個節(jié)點之間不具有互可操作性，并且無法構(gòu)成多主冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性差;

　　(7)RS-485總線不具有開放式互聯(lián)網(wǎng)的特點，還不能構(gòu)成全開放分布式的互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

　　2. 現(xiàn)場總線技術(shù)特點以及運用在醫(yī)院病房全開放分布式監(jiān)護系統(tǒng)中的優(yōu)點

　　由于傳統(tǒng)總線系統(tǒng)存在的不足，我們分析了自控領(lǐng)域內(nèi)多年來發(fā)展并應(yīng)用成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)的特點，將其引入醫(yī)院病房監(jiān)護，構(gòu)成醫(yī)院病房全開放分布式監(jiān)護系統(tǒng)能夠很好的克服傳統(tǒng)總線系統(tǒng)的不足。

　　現(xiàn)場總線(Fieldbus)是80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，按照ISO/OSI國際標準組織的開放系統(tǒng)互連模型提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點、多站的通信系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點：

　　(1)系統(tǒng)的開放性　開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開,各不同廠家設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關(guān)標準的一致性、公開性,強調(diào)對標準的共識與遵從。一個開放系統(tǒng),它可以與任何遵守相同標準的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)必須是開放的;開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。

　　(2)互可操作性與互用性　這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著對不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進行互換而實現(xiàn)互用。

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　　(3)現(xiàn)場設(shè)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(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。

　　(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性　由于現(xiàn)場設(shè)備本身可完成自動控制的基本功能，導致現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

　　(5)對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性　工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。

　　在現(xiàn)代化的大中型醫(yī)院經(jīng)營管理過程中，網(wǎng)絡(luò)將成為連接醫(yī)院內(nèi)部各個部門，并與外部交流信息的重要基礎(chǔ)設(shè)施。一個完整高效的醫(yī)院經(jīng)營管理信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對于醫(yī)院經(jīng)營管理現(xiàn)代化信息化智能化，提高醫(yī)院的就疹監(jiān)護管理效率，都起著十分重要的作用。醫(yī)院病房的監(jiān)護系統(tǒng)屬于醫(yī)院管理信息網(wǎng)絡(luò)一個子系統(tǒng)，因此，醫(yī)院對各個病房的監(jiān)控護理最適合于利用現(xiàn)場總線構(gòu)成底層局域網(wǎng)，實現(xiàn)醫(yī)生、護士與病員之間實時可靠的通信，并且還可以利用病房現(xiàn)場醫(yī)療、診斷、監(jiān)控等設(shè)備的智能化對病員的護理監(jiān)測實現(xiàn)自動化。而且由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使其在醫(yī)院病房監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、正常運行及其維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。

　　(1) 節(jié)省硬件數(shù)量與投資;

　　(2) 節(jié)省安裝費用;

　　(3) 節(jié)省維護開銷;

　　(4) 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán);

　　(5) 提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性;

　　(6) 設(shè)計簡單，易于重構(gòu);

　　3. 基于CAN總線的醫(yī)院病房全開放分布式監(jiān)護系統(tǒng)模型及其軟硬件組成

　　CAN是目前唯一被批準為國際標準的現(xiàn)場總線，它有如下基本特點：

　　(1)CAN協(xié)議遵循ISO/OSI模型采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的三層結(jié)構(gòu)。

　　(2)CAN的通信速率為：5Kbps/10km，1Mbps/40m，節(jié)點數(shù)可達110個，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，光纖等。

　　(3)CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低。并且，當CAN節(jié)點發(fā)生嚴重錯誤時，CAN具有自動關(guān)閉節(jié)點的功能，自動切斷與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響。所以，具有較強的抗干擾能力

　　(4)CAN節(jié)點采用點對點，一點對多點以及廣播幾種發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，并且無主從之分

　　(5)CAN采用非破壞的總線仲裁技術(shù)

　　(6)CAN能支持防爆區(qū)

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　　因此，CAN(ControllerAreaNetwork)總線是被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。通常基于CAN總線的智能測控系統(tǒng)如圖3所示：

　　根據(jù)病房監(jiān)護特點：一般需要至少一個中央監(jiān)控站由監(jiān)護主管醫(yī)生負責全局性的監(jiān)控、其次每道樓層設(shè)置護士值班室對所負責的床位作實時監(jiān)控和護理以及各個病房病號病床現(xiàn)場在線監(jiān)測等構(gòu)成，因此，可以將整個監(jiān)護系統(tǒng)分成為：管理級——監(jiān)護級——現(xiàn)場級等三個層次?；贑AN總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示：

　　它由上位監(jiān)控PC機作為管理級(主管醫(yī)生辦公室內(nèi))、護士智能監(jiān)護節(jié)點作為監(jiān)護級(各個樓道護士值班室內(nèi)，假設(shè)m層樓道)以及病床現(xiàn)場測控節(jié)點作為現(xiàn)場級(病房病床，假設(shè)n個病床)。

　　下面就系統(tǒng)構(gòu)成硬件及其軟件組成分別做一簡單介紹：

　　一 硬件設(shè)計

　　1.中央監(jiān)控PC機

　　硬件基本構(gòu)成：PC機+CAN總線通信接口適配卡

　　CAN總線通信

　　接口適配卡在PC機內(nèi)的數(shù)據(jù)和控制參數(shù)迅速傳送給指定的CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，同時，將各CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的采集的數(shù)據(jù)傳送給PC機做進一步分析處理。CAN總線通信接口適配卡結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

　　主要功能：接收、處理并保存來自各個值班室以及床位的監(jiān)護信息。具體功能特點如下：

　　a) 大屏幕可同時顯示現(xiàn)場多點采集到的不同監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)圖線圖表;

　　b) 大容量磁盤記錄監(jiān)護信息;

　　c) 具有監(jiān)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(yī)院其他子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信功能;

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　　2. 護士智能監(jiān)護節(jié)點

　　護士智能監(jiān)護節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。由圖可見，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(nèi)部集成可CAN控制器，可為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與PC機連網(wǎng)提供硬件支持，并且內(nèi)部還帶有A/D轉(zhuǎn)換電路等其它功能)、人機交互接口構(gòu)成。

　　節(jié)點主要功能：

　　a) 接受并執(zhí)行中央監(jiān)控PC機傳來的病員醫(yī)囑信息;

　　b) 實時接收所監(jiān)護病員遠程監(jiān)護請求信號

　　c) 記錄并將所監(jiān)護病員的監(jiān)護日志上傳中央監(jiān)控PC機;

　　3. 病床現(xiàn)場測控節(jié)點

　　病床現(xiàn)場測控節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。它主要包括MCU89C52、CAN控制器SJA1000芯片和現(xiàn)場傳感器接口三部分。

　　節(jié)點主要功能：

　　a) 采集并上傳病員實時監(jiān)測參數(shù)(包括病人體溫、血壓、心律、呼吸等等);

　　b) 發(fā)送病員監(jiān)護請求信號;

　　c) 響應(yīng)上位監(jiān)護站發(fā)來的控制信號，自動執(zhí)行單元進行相應(yīng)操作;

　　二 軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方案，具有良好的模塊性，可修改性及可移植性。整個系統(tǒng)軟件設(shè)計分三大部分，即：

　　1.中央監(jiān)控PC機接口適配卡軟件設(shè)計

　　采用基于Windows 98平臺的VC++6.0面向?qū)ο蟮目梢暬呒壵Z言編寫，具有系統(tǒng)參數(shù)(如波特率、輸出控制、報文標識與屏蔽等)設(shè)置、監(jiān)視狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、本機狀態(tài)查詢、節(jié)點狀態(tài)查詢、實時報警及中斷接收數(shù)據(jù)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總線適配卡及自身進行初始化，然后發(fā)送命令通知特定節(jié)點向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，通過CAN總線適配卡轉(zhuǎn)換后，再由中央監(jiān)控PC根據(jù)實際情況進行相應(yīng)處理。采用定時輪循方式向各節(jié)點發(fā)命令，而采用中斷方式接受數(shù)據(jù)。

　　其次是對PCL-841 CAN卡的驅(qū)動，生產(chǎn)商為PCL-841卡提供了一個完備的DLL驅(qū)動函數(shù)庫，使用VC++6.0開發(fā)時，先要將該DLL庫連入開發(fā)環(huán)境，然后就可以調(diào)用庫中的函數(shù)。庫函數(shù)調(diào)用需要遵循一定的流程，具體見圖9所示：

　　2.智能監(jiān)護節(jié)點軟件設(shè)計

　　智能監(jiān)護節(jié)點軟件由初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)和中斷處理三部分組成，主要完成兩項任務(wù)：一是接收現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點監(jiān)護請求信號與控制算法;二是當中央監(jiān)控PC機請求數(shù)據(jù)時，將節(jié)點狀態(tài)、數(shù)據(jù)信息傳送給上位機。節(jié)點主程序流程圖如圖10所示：

　　3.現(xiàn)場測控節(jié)點軟件設(shè)計

　　現(xiàn)場測控節(jié)點軟件的主要功能是完成現(xiàn)場病人生理參數(shù)傳感采集與數(shù)據(jù)融合以及現(xiàn)場醫(yī)療設(shè)備自動控制，同時實現(xiàn)與中央監(jiān)控PC機和其它智能監(jiān)護節(jié)點之間的數(shù)字通信。

　　4.結(jié)論

　　現(xiàn)場總線以其領(lǐng)先的優(yōu)點、成熟的技術(shù)和良好的性價比，越來越被更多的領(lǐng)域所接受。作者認為，現(xiàn)場總線應(yīng)用于醫(yī)院病房監(jiān)護系統(tǒng)，構(gòu)成全開放分布式的系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)，必將為面向21世紀“數(shù)字化醫(yī)院”的新構(gòu)想奠定基礎(chǔ)。此外，隨著各種醫(yī)療器械、監(jiān)護儀器的智能化以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)普及，家庭遠程醫(yī)療(包括健康保健)是醫(yī)療行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。因此，遠程家庭健康監(jiān)護系統(tǒng)將進一步為現(xiàn)場總線在該領(lǐng)域的應(yīng)用提供更加廣泛的應(yīng)用前景。