基于现场总线的医院病房全开放分布式监护系统

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前言

　　20世纪80年代初，随着传感检测技术、模拟及数字通信技术、计算机应用技术、微电子技术等许多新技术的迅速发展，带各种微计算机的监护仪及监护系统便应运而生。

　　医院病房监护也逐渐由人工临床监护转向利用现场监护仪及监护系统实现远程监护。特别是90年代开始，网络技术、多媒体技术、信息技术的开发与应用，医院在管理手段上发生着根本性的转变，使医院信息数字化飞速发展。在一些大型综合医院，更是提出了一种基于信息技术，面向21世纪的“数字化医院”的新模式。

　　所谓数字化医院是以局域网为依托的一种开放的全开放分布式医院管理信息系统模式，通过计算机网络连接医院分散的各个部门，覆盖患者在医院就诊的各个环节。医院监护系统便是住院管理系统中的一个底层分布式监控局域网。早在七五期间，危重病人监护系统作为国家攻关项目，相继产生了一些初具雏形的总线分布式病房监护方案。但这些所谓的总线式监护系统，由于采用的都是传统串行通信协议，只能实现点对点之间的通信，即使系统通过“主(Master)”设备中转可以实现多点通信，但这种总线网络中只允许存在一个主设备，其余全部是从(Slave)设备，因此各个节点之间不具有互可操作性，并且无法构成多主冗余系统，系统可靠性差。此外，构成系统的节点受主设备负荷限制，扩展性很差，所以传统总线方案都不具备全开放分布式网络性能。而现场总线作为近些年来首先在工控领域发展起来的一种新型技术，目前尚未被应用于医院病房监护领域。现场总线在病房监护全开放分布式系统中的应用，将具有很重要的现实革新意义。

　　1. 医院病房分布式监护系统的发展及其现状

　　80年代之前，在我国微电子计算机技术尚未兴起，医院病房监护主要依靠人工步行呼叫值班员来对病人进行监护。80年代以后，开始出现由病号呼叫值班员请求医疗护理的各种病房呼叫对讲装置和系统。此后，出现了带各种微计算机的监护仪及监护系统，起初的这种监护系统一般采用专用器件，形成一个独立系统，不提供与外部系统的接口，不能进行远程监护。因此，如何将这些现场监护仪器设备以及独立的监护系统互联起来，构成医院病房监护分布式系统网络，实现远程监护，成为了该领域一个研究的热门课题。随着数字通信技术的迅速发展和应用，适应远程信息传输的串行通信技术逐渐成熟并得到广泛应用，医院病房监护系统开始引入了串行通信技术，利用分布在各个病房的现场监护仪器设备实现对病人生理参数作实时数据采集，通过串行通信接口进行对数据信息的远距离传输，借助远程计算机经医务人员对数据参数进行分析处理形成病人医嘱信息，传输给护士值班员对病人执行临床监护，同时护士值班员也可以在值班室得到病人实时监护请求信息以及简单的监护反馈信息，这样便形成了所谓的医院病房分布式监护系统。

　　最先采用的串行通信协议是RS-232接口标准，系统结构如图1所示，该系统采用一般的双绞线做传输介质，实现中心监护站对病人床边监护仪之间点对点的通信，通信简单容易实现。但整个系统随着监护病人数量增多，联网线路太多，而且由于RS-232接口标准出现较早，通信上存在一些不足之处，主要有以下四点：

　　(1) 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

　　(2) 传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。

　　(3) 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

　　(4) 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。

　　



     针对RS-232的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，并且在病房监护领域很快得到应用，系统结构如图2所示。


　　相对而言，RS485串行通讯接口具备了多点之间相互通信功能，可以说是一种总线标准的通信协议，它具有如下优点：

　　(1) RS-485接口信号电平比RS-232降低了，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

　　(2) RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

　　(3) RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。

　　(4) RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS- 485接口在总线上是允许连接多达32个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

　　尽管RS-485构成的分布式总线系统，和以往出现的分布式系统相比较具有以上诸多优点。但是，和现场总线构成的全开放分布式系统相比较，本身仍然存在一些无法克服的缺陷：

　　(1)硬件上检错、纠错、和错误定位能力较弱，系统自身的监控和维护功能差;

　　(2)无总线脱离功能，一旦某个节点上的RS-485收发器短路或发生严重错误，整个总线将不能正常工作;

　　(3)硬件上没有缓存功能;

　　(4)数据通信方式为命令响应式，致使系统灵活性差;

　　(5)RS-485总线在空闲时需要在总线上维持一个固定的电流，这对器件的寿命和功耗都产生影响

　　(6)RS-485总线网的设备间要想互通信息只有通过“主(Master)”设备中转才能实现，而这种总线网络中只允许存在一个主设备，其余全部是从(Slave)设备，因此各个节点之间不具有互可操作性，并且无法构成多主冗余系统，系统可靠性差;

　　(7)RS-485总线不具有开放式互联网的特点，还不能构成全开放分布式的互联通信网络系统。

　　2. 现场总线技术特点以及运用在医院病房全开放分布式监护系统中的优点

　　由于传统总线系统存在的不足，我们分析了自控领域内多年来发展并应用成熟的现场总线技术的特点，将其引入医院病房监护，构成医院病房全开放分布式监护系统能够很好的克服传统总线系统的不足。

　　现场总线(Fieldbus)是80年代末、90年代初国际上发展形成的，按照ISO/OSI国际标准组织的开放系统互连模型提供网络服务，用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统。现场总线系统在技术上具有以下特点：

　　(1)系统的开放性　开放系统是指通信协议公开,各不同厂家设备之间可进行互连并实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。一个开放系统,它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络，系统必须是开放的;开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

　　(2)互可操作性与互用性　这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

       (3)现场设备的智能化与功能自治性　它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

　　(4)系统结构的高度分散性　由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能，导致现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

　　(5)对现场环境的适应性　工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

　　在现代化的大中型医院经营管理过程中，网络将成为连接医院内部各个部门，并与外部交流信息的重要基础设施。一个完整高效的医院经营管理信息网络系统，对于医院经营管理现代化信息化智能化，提高医院的就疹监护管理效率，都起着十分重要的作用。医院病房的监护系统属于医院管理信息网络一个子系统，因此，医院对各个病房的监控护理最适合于利用现场总线构成底层局域网，实现医生、护士与病员之间实时可靠的通信，并且还可以利用病房现场医疗、诊断、监控等设备的智能化对病员的护理监测实现自动化。而且由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使其在医院病房监护系统的设计、安装、正常运行及其维护，都体现出优越性。

　　(1) 节省硬件数量与投资;

　　(2) 节省安装费用;

　　(3) 节省维护开销;

　　(4) 用户具有高度的系统集成主动权;

　　(5) 提高了系统的准确性与可靠性;

　　(6) 设计简单，易于重构;

　　3. 基于CAN总线的医院病房全开放分布式监护系统模型及其软硬件组成

　　CAN是目前唯一被批准为国际标准的现场总线，它有如下基本特点：

　　(1)CAN协议遵循ISO/OSI模型采用了其中的物理层、数据链路层和应用层的三层结构。

　　(2)CAN的通信速率为：5Kbps/10km，1Mbps/40m，节点数可达110个，传输介质可以是双绞线，光纤等。

　　(3)CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低。并且，当CAN节点发生严重错误时，CAN具有自动关闭节点的功能，自动切断与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响。所以，具有较强的抗干扰能力

　　(4)CAN节点采用点对点，一点对多点以及广播几种发送和接受数据，可实现全分布式多机系统，并且无主从之分

　　(5)CAN采用非破坏的总线仲裁技术

　　(6)CAN能支持防爆区

       因此，CAN(ControllerAreaNetwork)总线是被公认为最有前途的现场总线之一。通常基于CAN总线的智能测控系统如图3所示：

　

　



      根据病房监护特点：一般需要至少一个中央监控站由监护主管医生负责全局性的监控、其次每道楼层设置护士值班室对所负责的床位作实时监控和护理以及各个病房病号病床现场在线监测等构成，因此，可以将整个监护系统分成为：管理级——监护级——现场级等三个层次。基于CAN总线的系统结构如图4所示：

　　
        基于CAN总线的系统结构

　　它由上位监控PC机作为管理级(主管医生办公室内)、护士智能监护节点作为监护级(各个楼道护士值班室内，假设m层楼道)以及病床现场测控节点作为现场级(病房病床，假设n个病床)。

　　下面就系统构成硬件及其软件组成分别做一简单介绍：

　　一 硬件设计

　　1.中央监控PC机

　　硬件基本构成：PC机+CAN总线通信接口适配卡

　　CAN总线通信

　　接口适配卡在PC机内的数据和控制参数迅速传送给指定的CAN网络节点，同时，将各CAN网络节点的采集的数据传送给PC机做进一步分析处理。CAN总线通信接口适配卡结构框图如图5所示。

　　主要功能：接收、处理并保存来自各个值班室以及床位的监护信息。具体功能特点如下：

　　a) 大屏幕可同时显示现场多点采集到的不同监测参数的数据图线图表;

　　b) 大容量磁盘记录监护信息;

　　c) 具有监护声光报警功能;

　　d) 全中文软件界面;

　　e) 计算机辅助分析诊断功能;

　　f) 具有和医院其他子系统联网通信功能;
        2. 护士智能监护节点

　　护士智能监护节点的硬件结构框图如图6所示。由图可见，它由两部分组成：带在片CAN的微控制器PAC87C591(一种功能很强的8位微控制器，在芯片内部集成可CAN控制器，可为网络节点与PC机连网提供硬件支持，并且内部还带有A/D转换电路等其它功能)、人机交互接口构成。

　　节点主要功能：

　　a) 接受并执行中央监控PC机传来的病员医嘱信息;

　　b) 实时接收所监护病员远程监护请求信号

　　c) 记录并将所监护病员的监护日志上传中央监控PC机;

　　3. 病床现场测控节点

　　病床现场测控节点的结构框图如图7所示。它主要包括MCU89C52、CAN控制器SJA1000芯片和现场传感器接口三部分。

　　节点主要功能：

　　a) 采集并上传病员实时监测参数(包括病人体温、血压、心律、呼吸等等);

　　b) 发送病员监护请求信号;

　　c) 响应上位监护站发来的控制信号，自动执行单元进行相应操作;

　　二 软件设计

　　软件设计采用结构化程序设计方案，具有良好的模块性，可修改性及可移植性。整个系统软件设计分三大部分，即：

　　1.中央监控PC机接口适配卡软件设计

　　采用基于Windows 98平台的VC++6.0面向对象的可视化高级语言编写，具有系统参数(如波特率、输出控制、报文标识与屏蔽等)设置、监视状态设置、数据发送和接收、本机状态查询、节点状态查询、实时报警及中断接收数据管理等功能模块。软件功能模块如图8所示。上位机首先对CAN总线适配卡及自身进行初始化，然后发送命令通知特定节点向CAN总线上发送数据，通过CAN总线适配卡转换后，再由中央监控PC根据实际情况进行相应处理。采用定时轮循方式向各节点发命令，而采用中断方式接受数据。

　　其次是对PCL-841 CAN卡的驱动，生产商为PCL-841卡提供了一个完备的DLL驱动函数库，使用VC++6.0开发时，先要将该DLL库连入开发环境，然后就可以调用库中的函数。库函数调用需要遵循一定的流程，具体见图9所示：

　　2.智能监护节点软件设计

　　智能监护节点软件由初始化、发送数据和中断处理三部分组成，主要完成两项任务：一是接收现场监测节点监护请求信号与控制算法;二是当中央监控PC机请求数据时，将节点状态、数据信息传送给上位机。节点主程序流程图如图10所示：

　　3.现场测控节点软件设计

　　现场测控节点软件的主要功能是完成现场病人生理参数传感采集与数据融合以及现场医疗设备自动控制，同时实现与中央监控PC机和其它智能监护节点之间的数字通信。

　　4.结论

　　现场总线以其领先的优点、成熟的技术和良好的性价比，越来越被更多的领域所接受。作者认为，现场总线应用于医院病房监护系统，构成全开放分布式的系统局域网络，必将为面向21世纪“数字化医院”的新构想奠定基础。此外，随着各种医疗器械、监护仪器的智能化以及网络技术普及，家庭远程医疗(包括健康保健)是医疗行业发展的必然趋势。因此，远程家庭健康监护系统将进一步为现场总线在该领域的应用提供更加广泛的应用前景。