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20世紀80年代初，隨著傳感檢測技術、模擬及數字通信技術、計算機應用技術、微電子技術等許多新技術的迅速發展，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監護儀及監護系統實現遠程監護。特別是90年代開始，網絡技術、多媒體技術、信息技術的開發與應用，醫院在管理手段上發生著根本性的轉變，使醫院信息數字化飛速發展。在一些大型綜合醫院，更是提出了一種基于信息技術，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為依托的一種開放的全開放分布式醫院管理信息系統模式，通過計算機網絡連接醫院分散的各個部門，覆蓋患者在醫院就診的各個環節。醫院監護系統便是住院管理系統中的一個底層分布式監控局域網。早在七五期間，危重病人監護系統作為國家攻關項目，相繼產生了一些初具雛形的總線分布式病房監護方案。但這些所謂的總線式監護系統，由于采用的都是傳統串行通信協議，只能實現點對點之間的通信，即使系統通過“主（Master）”設備中轉可以實現多點通信，但這種總線網絡中只允許存在一個主設備，其余全部是從（Slave）設備，因此各個節點之間 不具有互可操作性，并且無法構成多主冗余系統，系統可靠性差。此外，構成系統的節點受主設備負荷限制，擴展性很差，所以傳統總線方案都不具備全開放分布式網絡性能。而現場總線作為近些年來首先在工控領域發展起來的一種新型技術，目前尚未被應用于醫院病房監護領域。現場總線在病房監護全開放分布式系統中的應用，將具有很重要的現實革新意義。 1. 醫院病房分布式監護系統的發展及其現狀 80年代之前，在我國微電子計算機技術尚未興起，醫院病房監護主要依靠人工步行呼叫值班員來對病人進行監護。80年代以后，開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用器件，形成一個獨立系統，不提供與外部系統的接口，不能進行遠程監護。因此，如何將這些現場監護儀器設備以及獨立的監護系統互聯起來，構成醫院病房監護分布式系統網絡，實現遠程監護，成為了該領域一個研究的熱門課題。隨著數字通信技術的迅速發展和應用，適應遠程信息傳輸的串行通信技術逐漸成熟并得到廣泛應用，醫院病房監護系統開始引入了串行通信技術，利用分布在各個病房的現場監護儀器設備實現對病人生理參數作實時數據采集，通過串行通信接口進行對數據信息的遠距離傳輸，借助遠程計算機經醫務人員對數據參數進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，同時護士值班員也可以在值班室得到病人實時監護請求信息以及簡單的監護反饋信息，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做傳輸介質，實現中心監護站對病人床邊監護儀之間點對點的通信，通信簡單容易實現。但整個系統隨著監護病人數量增多，聯網線路太多，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： （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，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成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，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之間相互通信功能，可以說是一種總線標準的通信協議，它具有如下優點： （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的數據最高傳輸速率為10Mbps。 （3） RS-485接口是采用平衡驅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備網絡。 盡管RS-485構成的分布式總線系統，和以往出現的分布式系統相比較具有以上諸多優點。但是，和現場總線構成的全開放分布式系統相比較，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，系統自身的監控和維護功能差； （2）無總線脫離功能，一旦某個節點上的RS-485收發器短路或發生嚴重錯誤，整個總線將不能正常工作； （3）硬件上沒有緩存功能； （4）數據通信方式為命令響應式，致使系統靈活性差； （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生影響 （6）RS-485總線網的設備間要想互通信息只有通過“主（Master）”設備中轉才能實現，而這種總線網絡中只允許存在一個主設備，其余全部是從（Slave）設備，因此各個節點之間不具有互可操作性，并且無法構成多主冗余系統，系統可靠性差； （7）RS-485總線不具有開放式互聯網的特點，還不能構成全開放分布式的互聯通信網絡系統。 2. 現場總線技術特點以及運用在醫院病房全開放分布式監護系統中的優點 由于傳統總線系統存在的不足，我們分析了自控領域內多年來發展并應用成熟的現場總線技術的特點，將其引入醫院病房監護，構成醫院病房全開放分布式監護系統能夠很好的克服傳 統總線系統的不足。 現場總線（Fieldbus）是80年代末、90年代初國際上發展形成的，按照ISO/OSI國際標準組織的開放系統互連模型提供網絡服務，用于現場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、多站的通信系統。現場總線系統在技術上具有以下特點： （1）系統的開放性 開放系統是指通信協議公開,各不同廠家設備之間可進行互連并實現信息交換。現場總線開發者就是要致力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統。這里的開放是指對相關標準的一致性、公開性,強調對標準的共識與遵從。一個開放系統,它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個具有總線功能的現場總線網絡，系統必須是開放的；開放系統把系統集成的權利交給了用戶。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應商的產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，是指實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數字通信。而互用性則意味著對不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。 （3）現場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設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。 （4）系統結構的高度分散性 由于現場設備本身可完成自動控制的基本功能，導致現場總線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，簡化了系統結構，提高了可靠性。 （5）對現場環境的適應性 工作在現場設備前端，作為工廠網絡底層的現場總線，是專為現場環境工作而設計的，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，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。 在現代化的大中型醫院經營管理過程中，網絡將成為連接醫院內部各個部門，并與外部交流信息的重要基礎設施。一個完整高效的醫院經營管理信息網絡系統，對于醫院經營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絡一個子系統，因此，醫院對各個病房的監控護理最適合于利用現場總線構成底層局域網，實現醫生、護士與病員之間實時可靠的通信，并且還可以利用病房現場醫療、診斷、監控等設備的智能化對病員的護理監測實現自動化。而且由于現場總線的以上特點，特別是現場總線系統結構的簡化，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) 節省維護開銷； (4) 用戶具有高度的系統集成主動權； (5) 提高了系統的準確性與可靠性； (6) 設計簡單，易于重構； 3. 基于CAN總線的醫院病房全開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總線，它有如下基本特點： （1）CAN協議遵循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，節點數可達110個，傳輸介質可以是雙絞線，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，這樣傳輸時間短，受干擾的概率低。并且，當CAN節點發生嚴重錯誤時，CAN具有自動關閉節點的功能，自動切斷與總線的聯系，使總線上的其它節點及其通信不受影響。所以，具有較強的抗干擾能力 （4）CAN節點采用點對點，一點對多點以及廣播幾種發送和接受數據，可實現全分布式多機系統，并且無主從之分 （5）CAN采用非破壞的總線仲裁技術 （6）CAN能支持防爆區 因此，CAN（ControllerAreaNetwork）總線是被公認為最有前途的現場總線之一。通常基于CAN總線的智能測控系統如圖3所示： 根據病房監護特點：一般需要至少一個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時監控和護理以及各個病房病號病床現場在線監測等構成，因此，可以將整個監護系統分成為：管理級——監護級——現場級等三個層次。基于CAN總線的系統結構如圖4所示： 它由上位監控PC機作為管理級（主管醫生辦公室內）、護士智能監護節點作為監護級（各個樓道護士值班室內，假設m層樓道）以及病床現場測控節點作為現場級（病房病床，假設n個病床）。 下面就系統構成硬件及其軟件組成分別做一簡單介紹： 一 硬件設計 1.中央監控PC機 硬件基本構成：PC機+CAN總線通信接口適配卡 CAN總線通信 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網絡節點，同時，將各CAN網絡節點的采集的數據傳送給PC機做進一步分析處理。CAN總線通信接口適配卡結構框圖如圖5所示。 主要功能：接收、處理并保存來自各個值班室以及床位的監護信息。具體功能特點如下： a) 大屏幕可同時顯示現場多點采集到的不同監測參數的數據圖線圖表； b) 大容量磁盤記錄監護信息； 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網通信功能； 2. 護士智能監護節點 護士智能監護節點的硬件結構框圖如圖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，在芯片內部集成可CAN控制器，可為網絡節點與PC機連網提供硬件支持，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。 節點主要功能： a) 接受并執行中央監控PC機傳來的病員醫囑信息； b) 實時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. 病床現場測控節點 病床現場測控節點的結構框圖如圖7所示。它主要包括MCU89C52、CAN控制器SJA1000芯片和現場傳感器接口三部分。 節點主要功能： a) 采集并上傳病員實時監測參數（包括病人體溫、血壓、心律、呼吸等等）； b) 發送病員監護請求信號； c) 響應上位監護站發來的控制信號，自動執行單元進行相應操作； 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言編寫，具有系統 參數（如波特率、輸出控制、報文標識與屏蔽等）設置、監視狀態設置、數據發送和接收、本機狀態查詢、節點狀態查詢、實時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總線適配卡及自身進行初始化，然后發送命令通知特定節點向CAN總線上發送數據，通過CAN總線適配卡轉換后，再由中央監控PC根據實際情況進行相應處理。采用定時輪循方式向各節點發命令，而采用中斷方式接受數據。 其次是對PCL-841 CAN卡的驅動，生產商為PCL-841卡提供了一個完備的DLL驅動函數庫，使用VC++6.0開發時，先要將該DLL庫連入開發環境，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，具體見圖9所示： 2.智能監護節點軟件設計 智能監護節點軟件由初始化、發送數據和中斷處理三部分組成，主要完成兩項任務：一是接收現場監測節點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，將節點狀態、數據信息傳送給上位機。節點主程序流程圖如圖10所示： 3.現場測控節點軟件設計 現場測控節點軟件的主要功能是完成現場病人生理參數傳感采集與數據融合以及現場醫療設備自動控制，同時實現與中央監控PC機和其它智能監護節點之間的數字通信。 4.結論 現場總線以其領先的優點、成熟的技術和良好的性價比，越來越被更多的領域所接受。作者認為，現場總線應用于醫院病房監護系統，構成全開放分布式的系統局域網絡，必將為面向21世紀“數字化醫院”的新構想奠定基礎。此外，隨著各種醫療器械、監護儀器的智能化以及網絡技術普及，家庭遠程醫療(包括健康保健)是醫療行業發展的必然趨勢。因此，遠程家庭健康監護系統將進一步為現場總線在該領域的應用提供更加廣泛的應用前景。 |
