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20世紀80年代初，隨著(zhù)傳感檢測技術(shù)、模擬及數字通信技術(shù)、計算機應用技術(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護儀及監護系統便應運而生。醫院病房監護也逐漸由人工臨床監護轉向利用現場(chǎng)監護儀及監護系統實(shí)現遠程監護。特別是90年代開(kāi)始，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應用，醫院在管理手段上發(fā)生著(zhù)根本性的轉變，使醫院信息數字化飛速發(fā)展。在一些大型綜合醫院，更是提出了一種基于信息技術(shù)，面向21世紀的“數字化醫院”的新模式。 所謂數字化醫院是以局域網(wǎng)為依托的一種開(kāi)放的全開(kāi)放分布式醫院管理信息系統模式，通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )連接醫院分散的各個(gè)部門(mén)，覆蓋患者在醫院就診的各個(gè)環(huán)節。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)。早在七五期間，危重病人監護系統作為國家攻關(guān)項目，相繼產(chǎn)生了一些初具雛形的總線(xiàn)分布式病房監護方案。但這些所謂的總線(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，即使系統通過(guò)“主（Master）”設備中轉可以實(shí)現多點(diǎn)通信，但這種總線(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。此外，構成系統的節點(diǎn)受主設備負荷限制，擴展性很差，所以傳統總線(xiàn)方案都不具備全開(kāi)放分布式網(wǎng)絡(luò )性能。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)，目前尚未被應用于醫院病房監護領(lǐng)域�，F場(chǎng)總線(xiàn)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。 1. 醫院病房分布式監護系統的發(fā)展及其現狀 80年代之前，在我國微電子計算機技術(shù)尚未興起，醫院病房監護主要依靠人工步行呼叫值班員來(lái)對病人進(jìn)行監護。80年代以后，開(kāi)始出現由病號呼叫值班員請求醫療護理的各種病房呼叫對講裝置和系統。此后，出現了帶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。因此，如何將這些現場(chǎng)監護儀器設備以及獨立的監護系統互聯(lián)起來(lái)，構成醫院病房監護分布式系統網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現遠程監護，成為了該領(lǐng)域一個(gè)研究的熱門(mén)課題。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，這樣便形成了所謂的醫院病房分布式監護系統。 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，通信簡(jiǎn)單容易實(shí)現。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)： （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換電路方能與TTL電路連接。 （2） 傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps。 （3） 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。 （4） 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。 相對而言，RS485串行通訊接口具備了多點(diǎn)之間相互通信功能，可以說(shuō)是一種總線(xiàn)標準的通信協(xié)議，它具有如下優(yōu)點(diǎn)： （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的數據最高傳輸速率為10Mbps。 （3） 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。 （4） 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 )。 盡管RS-485構成的分布式總線(xiàn)系統，和以往出現的分布式系統相比較具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)。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： （1）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； （2）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； （3）硬件上沒(méi)有緩存功能； （4）數據通信方式為命令響應式，致使系統靈活性差； （5）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 （6）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； （7）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)（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(kāi)放系統互連模型提供網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，用于現場(chǎng)儀表與控制系統和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、多變量、多點(diǎn)、多站的通信系統�，F場(chǎng)總線(xiàn)系統在技術(shù)上具有以下特點(diǎn)： （1）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)。用戶(hù)可按自己的需要和考慮，把來(lái)自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統。 （2）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。而互用性則意味著(zhù)對不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的性能類(lèi)似的設備可進(jìn)行互換而實(shí)現互用。 （3）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)。 （4）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。從根本上改變了現有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡(jiǎn)化了系統結構，提高了可靠性。 （5）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。 在現代化的大中型醫院經(jīng)營(yíng)管理過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò )將成為連接醫院內部各個(gè)部門(mén)，并與外部交流信息的重要基礎設施。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)，實(shí)現醫生、護士與病員之間實(shí)時(shí)可靠的通信，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。 (1) 節省硬件數量與投資； (2) 節省安裝費用； (3) 節省維護開(kāi)銷(xiāo)； (4) 用戶(hù)具有高度的系統集成主動(dòng)權； (5) 提高了系統的準確性與可靠性； (6) 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是目前唯一被批準為國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)，它有如下基本特點(diǎn)： （1）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。 （2）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。 （3）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 （4）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 （5）CAN采用非破壞的總線(xiàn)仲裁技術(shù) （6）CAN能支持防爆區 因此，CAN（ControllerAreaNetwork）總線(xiàn)是被公認為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。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： 它由上位監控PC機作為管理級（主管醫生辦公室內）、護士智能監護節點(diǎn)作為監護級（各個(gè)樓道護士值班室內，假設m層樓道）以及病床現場(chǎng)測控節點(diǎn)作為現場(chǎng)級（病房病床，假設n個(gè)病床）。 下面就系統構成硬件及其軟件組成分別做一簡(jiǎn)單介紹： 一 硬件設計 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。此外，隨著(zhù)各種醫療器械、監護儀器的智能化以及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)普及，家庭遠程醫療(包括健康保健)是醫療行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。因此，遠程家庭健康監護系統將進(jìn)一步為現場(chǎng)總線(xiàn)在該領(lǐng)域的應用提供更加廣泛的應用前景。 |
