基于物联网的医疗设备电气安全监控系统设计

侯 军，邱 顶，王明生，王普杰，肖 庆，李 平

基于物联网的医疗设备电气安全监控系统设计

侯 军，邱 顶，王明生，王普杰，肖 庆，李 平

目的：基于物联网设计医疗设备电气安全监控系统，实现对分散的医疗设备电气安全参数智能化实时集中监控。方法：采用物联网模型设计系统，对现有电气安全参数测量仪进行技术改造，使其测量结果能够网络化传输且具备自动安全保护功能；基于B/S构架设计应用层监控软件集中接收测量设备的测量结果，并进行深层次的数据统计分析。结果：该系统实现了对分散于不同地方的医疗设备电气安全参数智能化实时集中监测，并具有报警、自动安全保护、统计分析等功能。结论：基于物联网的医疗设备电气安全监控系统，可实现医疗设备电气安全参数智能化实时集中监控，提高工作效率和安全使用率，该系统同样适用于医疗设备以外的其他设备电气安全参数的监控。

物联网；医疗设备；电气安全

0 引言

医疗设备的电气安全是一个引人关注的重要领域。实验证明，当导体与心脏直接接触时，低至20 μA的电流都可以引起心室颤动，所以，医疗设备的电气安全监控非常重要[1]。因此，本文旨在设计一种基于物联网的医疗设备多种安全参数的智能化、集中化实时监控系统。该电气安全监控系统以物联网为基础，根据国家标准GB 9706—2007《医用电气设备第1部分：安全通用要求》的规定[2]，针对标准中十几个不同医疗设备的电气安全参数标准，对其中重要防电击参数，如接地电阻、漏电流、电介质强度等进行实时集中监控。

1 基于物联网的医疗设备电气安全监控系统

1.1 系统总体设计

基于物联网的医疗设备电气安全监控系统，主要包括感知层、传输层、应用层3个部分[3]，整体结构简图如图1所示。

图1 系统整体结构

系统基于物联网，将分散于医院各处的医疗设备进行实时、智能化的集中监测，当设备超过国家标准的安全阈值时，及时进行警示，并通过控制系统切断问题设备的电源确保安全。监控软件采用B/S结构，各类智能终端接入网络后即可使用监控软件实现对医疗设备电气安全的监测和管理，真正实现设备管理人员坐在办公室即可管理的目标。

1.2 医疗设备身份识别设计

为了能够区分和唯一标志不同的医疗设备，可为每台医疗设备设定一个唯一编号并形成条码标签，将条码标签帖于医疗设备外壳之上用以设备的识别。通过特定的条码阅读器扫描条码标签，即可获得医疗设备的唯一编号及其他相关信息，为安全管理系统做好设备的“身份”识别和数据准备。医疗设备条码标签中含有设备名称、设备型号、使用科室、安全等级和设备编号等信息。

1.3 医用电气安全参数测量设备设计

目前，已有的测量仪产品，无法实现基于物联网的智能化集中管理，还有许多需要改进的地方，如：测量结果以RS232串口输出，不能网络化传输；测量仪仅具备声光报警，当测量结果超出安全阈值时，无法及时切断医疗设备电源以确保安全等[4-5]。因此，必须对现有测量仪器进行技术改造（如图2所示）。

图2 测量设备技改后结构示意

由图2可以看出，该测量设备主要包括测量仪、控制开关、串口服务器3个部分，其基本工作原理为：在测量仪时间控制器的作用下，测量仪进行测量，测量数据通过RS232端输出到串口服务器，串口服务器对测量数据进行采集并通过网络传输。测量仪在测量结果超出安全阈值时产生触发信号，触发测量仪内的声光报警器发出报警，同时，该触发信号发送到控制电路，切断医疗设备的供电电源，确保人员和医疗设备安全。

1.3.1 串口服务器设计

串口服务器主要实现测量数据的采集和网络传输。由于串口协议只定义了物理层和数据链路层的规范，要实现基于TCP/TP的网络化数据传输必须进行转换，这种转换不是简单物理层和数据链路层的转化，而是将串口的数据作为TCP/IP的应用层数据，用TCP/IP封装进行传输的方式[6]。串口服务器的结构框图如图3所示，它包括串口数据处理模块、主处理模块和网卡模块。串口服务器基本工作原理：串口数据处理模块完成串口设备的状态收集、串行数据流的接收和数据格式的解/封包；当主处理模块寻址某个端口时，由主处理模块读写相应的寄存器，判定相连接的串口设备的空闲状态，并与之建立通信连接；主处理模块对接收到的串行数据流信号进行串并转换和编码并传送至网卡；网卡的控制单元控制网卡内各部分协调，将产生的地址、数据、写信号送到读写控制单元进行处理[8]。

图3 串口服务器结构框图

电气安全参数测量仪通过RS232串口以特定的数据格式和波特率输出测量结果。以接地电阻测量仪为例，其测量结果传送格式如图4所示，共15个字节，包含1个起始位、13个数据位、1个累加和形成的校验位，波特率为9 600 Hz。

图4 接地电阻测量仪测量结果传送格式

串口服务器根据测量仪的参数，正确设置参数，确保串口数据的正确采集和传输。图5是串口服务器的参数设置界面。

图5 串口服务器参数配置界面

网络通信依靠串口服务器的网络模块，该模块支持AT指令，与服务器端通过TCP/IP协议建立socket连接，进行数据通信[8]。通信流程如图6所示。

1.3.2 控制电路设计

控制电路原理图如图7所示，主要由单向可控硅和继电器组成。正常情况下单向可控硅SCR截止，开关继电器J不得电，开关位于常通，医疗设备正常供电。当测量值超过设定安全阀值时，触发信号在触发声光报警的同时，触发单向可控硅SCR使其导通，开关继电器得电工作，故障医疗设备被切断电源，确保设备和人员的安全。在排除安全故障后，按一下复位键K，单向可控硅SCR的阳极短暂接地，由导通状态变为截止状态，开关继电器J断电跳至常通端，医疗设备恢复正常供电[9]。

1.4 监控系统软件初步设计

监控系统软件主要包括监控软件和数据库2个部分（如图8所示）。系统软件采用B/S结构，方便整个系统的扩展，其结构模型如图9所示[10]。

图6 客户端和服务器端socket通信流程

图7 控制电路原理示意

图9 B/S结构模型

1.4.1 数据库设计

用Oracle数据库平台建立数据库，主要对采集数据和分析结果进行存储，以便应用和查询。该数据库主要包含设备信息表、数据记录表、医疗设备分类字典、阈值字典、设备状态字典、科室字典等。

（1）设备信息表：被监测医疗设备的相关信息。

（2）测量数据记录表：被监测医疗设备的测量值记录。

（3）设备分类字典：根据国家医疗设备分类标准定义不同医疗设备分类。

（4）阈值字典：定义不同分类医疗设备的安全阈值，阈值根据各类医疗设备电气安全国家标准来确定。

（5）设备状态字典：定义被测设备的状态编码和其他信息。

（6）科室字典：定义使用科室编码和其他信息。

1.4.2 监控软件功能设计

监控软件主要功能包括实时监测值显示、监测设备监测值预警显示、历史监测数据查询、医疗设备信息录入查询等功能。

（1）实时监测值显示：显示被监控的医疗设备的最近一次测量值，当测量值超过国家标准规定的阈值时，界面上该设备的图标为红色闪烁并发出报警声，确认处理完成后，解除报警状态。

（2）监测值预警显示：当被监测设备的测量值连续处于安全阈值的临界点，软件通过自动统计显示预警，提醒工作人员进行必要的预防性维修，防患于未然。

（3）历史监测数据查询：对被测设备的历史监测数据进行查询，进行更深层次的数据统计分析。

（4）医疗设备信息录入和查询：录入和修改被测医疗设备的相关信息，同时可生成和打印被测设备的条码标签，并可以查询信息。

（5）数据统计和分析：利用已存储的测量数据，统计出医疗设备电气安全参数测量值趋势图，并与库中大量经验数据比对等，提醒设备管理人员有效地进行预防性维修和处理，将安全隐患排除在事故之前。

2 应用效果分析

当前医患纠纷频发，包括医疗设备电气安全在内的医疗安全问题被高度重视。目前，医疗设备电气安全管理的主要方式，是定期或不定期人工使用电气安全测量仪，手动逐台对医疗设备电气安全参数进行测量并手工记录测量结果，根据测量结果对医疗设备的电气安全性能作出评估。医院医疗设备众多，人工测量记录的方式费时费力，且当医疗设备出现电气安全故障时，不能够及时发现并采取相应的安全保护措施，易导致医疗设备电气安全事故。基于物联网的医疗设备电气安全监控系统，对分散于不同地方的医疗设备电气安全参数进行智能化的实时集中监控，改变人工手动逐个现场测量、记录和分析的现状，提高工作效率，使医疗设备电气安全管理网络化、简单化、智能化。该系统自动对测量数据进行深层次的统计分析，发现安全故障时给出报警，发现安全隐患时给出预防性维修提醒，有力保障了医疗设备电气安全，避免因此引发的医疗事故和纠纷，社会和经济效益明显。

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3 结语

基于物联网的医疗设备电气安全监控系统，实现对分散于不同地方的医疗设备电气安全参数进行智能化的实时集中监控，具有参数的实时监测、自动安全保护、报警、预防性预警提示、数据统计分析查询等功能，实现医疗设备电气安全监管的自动化、信息化和智能化，大大提高了工作效率和医疗设备的安全使用率，有效避免由医疗设备电气安全引发的事故和纠纷。本系统方案同样适用于医疗设备以外的其他设备的电气安全参数的监控，应用前景广阔。

[1]管青华.浅谈医疗设备电气安全[J].医疗设备信息，2006，21（3）：76-77.

[2]全国医用电器标准化委员会.GB 9706—2007医用电气设备第1部分：安全通用要求[S].北京：中国标准出版社，2007.

[3]刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2010.

[4]芦铭.医用电气设备电磁兼容的相关标准及应用[J].医疗卫生装备，2013，34（8）：101-103.

[5]贾建革.医用电气设备电气安全检测技术[M].北京：中国计量出版社，2010.

[6]刘通良，周建勇，潘仕彬，等.实现基于TCP/IP的多串口转换网关[J].单片机与嵌入式系统应用，2006，25（3）：24-27.

[7]王广璞.串口服务器的工作原理[J].科学时代，2012，11（22）：154.

[8]康季槐，何史林，陈广飞，等.基于物联网的病区智能监护系统研制[J].医疗卫生装备，2013，34（9）：9-12.

[9]华成英，童诗白.模拟电子技术[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[10]陈言理.C/S与B/S结构的优缺点比较[EB/OL].（2009-10-10）[2010-05-17].http：//hi.baidu.com/lovechenyanli/item/3cb550c22a1 7ee330931c6b9.

（收稿：2013-08-29 修回：2013-12-11）

Design of medical equipment electrical safety monitoring system based on IOT

HOU Jun1,QIU Ding1,WANG Ming-sheng2,WANG Pu-jie1,XIAO Qing1,LI Ping1
（1.The 520th Hospital of the PLA,Mianyang 62100,Sichuan Provance,China; 2.Medical Information Center,the 306th Hospital of the PLA,Beijing 100101,China）

ObjectiveTo supervise the electrical safety parameters of scattered medical equipment intelligently and timely by designing an electrical safety monitoring system based on IOT.MethodsIOT model was used to design the system, and the technical modification was carried out for the existing electrical safety meter to make its measurements could be transmitted by network and be gifted with the function of auto safety protection.Application layer monitoring software was designed based on B/S architecture in order to receive the measurements and analyze the data statistically.ResultsThe electrical safety monitoring system was capable of supervising the electrical safety parameters of scattered medical equipment intelligently and timely,with the functions of alarming,auto-protection and statistical analysis.Conclusion The electrical safety monitoring system based on IOT can supervise the electrical safety parameters of scattered medical equipment intelligently and timely.Therefore,the work efficiency can be enhanced.Moreover,this system is also apt for the supervision of electrical safety parameters for other non-medical equipment.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：43-45，86]

Internet of Things;medical equipment;electrical safety

TP277.2；R318

A

1003-8868（2015）01-0043-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.043

侯 军（1969—），男，副主任技师，主要从事医疗设备管理、医院信息工程等方面的研究工作，E-mail：pllzfd@sina.com。

621000四川绵阳，解放军520医院（侯 军，邱 顶，王普杰，肖 庆，李 平）；100101北京，解放军306医院卫生信息中心（王明生）