基于无线技术的住院患者体温监测系统的设计*

黄二亮，卜祥磊，谢卫华，栾强厚，黄鑫△，王正发，叶凤章

（1.广州市妇女儿童医疗中心设备部，广州510623；2.广东睿超电子科技有限公司，东莞523808）

1 引 言

此前我们设计了一款基于智能手机和蓝牙通讯协议的可穿戴无线体温监测系统，通过用户手机将体温数据上传至云服务平台，而医生从云服务平台获取相关体温信息[1]。在医院实际推广期间发现，医院更倾向于在园区内建立一套独立运行的监测系统来测量并获取住院患者体温等信息，而非通过患者的手机设备获取相关信息[2]。为此，我们组织医院专家及一线医护人员共同研讨，了解他们的实际需求，从而设计出一款符合医院临床使用需求的动态无线体温监测系统。新设计的动态无线体温监测系统与原无线体温监测系统的主要区别在于体温数据的传输过程和方式不同，体温监测与体温数据管理是基于此前系统改良设计而成。

2 系统总体设计

根据医院临床使用需求，我们将系统分为三大部分：体温监测终端、体温数据传输节点和体温监测管理平台，见图1。该动态无线体温监测系统是利用用户佩戴的体温监测终端实时测量体温数据的，体温监测终端通过无线网络将体温数据上传到体温数据传输节点，然后由体温数据传输节点将体温数据上传到基于PC的体温监测管理平台。

图1 系统整体设计框图Fig 1 System block diagram of our detection

动态体温监测系统以每栋住院楼为一个监测单位，多个病房布局一个体温数据传输节点，以无线桥接实现整栋住院楼的无线信号覆盖。住院患者在病房内佩戴体温监测终端，测得的体温数据经由体温数据传输节点传输至体温监测管理平台，实现双向通信。体温监测管理平台可以实现对患者体温等相关数据的查看、分析、处理等操作。该平台允许医护人员根据不同类型的患者设置不同的体温监测阈值和监测频率。当患者体温超过预设阈值，平台会发出报警信号，便于医护人员和患者及时采取相应措施，防止病情进一步恶化。

3 体温监测终端设计

体温监测终端延续手表形状的可穿戴设备设计，佩戴于上臂上部，探测腋下温度。见图2，体温监测终端主要调整在核心控制模块和无线传输模块部分。新款体温监测终端基于2.4 GHz频段无线传输协议，只需识别到任一体温数据传输节点即可连接入网，无指定传输节点，方便用户在体温监测期间走动和完成其它检查。

图2 体温监测终端设计框图Fig 2 Structure composition frame of temperature monitoring terminal

3.1 核心控制模块

终端采用STM8L152作为主控制芯片，负责终端设备各个功能模块的控制。该芯片为STM8核心的8位超低功耗微处理器，具备了低功耗RTC、LCD驱动、16位定时器以及12位ADC等功能模块，满足屏幕驱动、按键开关和温度测量等功能需求。芯片工作电压为1.65～3.6 V，可用3 V的纽扣电池驱动，有效减少终端设备体积大小，满足终端设备穿戴需求。该芯片具有5个模式的低功耗运行模式，可根据需求调整系统运行功耗，芯片低功耗运行工作电流为5.1 uA，低功耗等待工作电流低至3 uA。终端默认每间隔15 s采集并发送一次体温数据，其余时间保持低功耗等待状态，极低的终端设备功耗能保证纽扣电池电量满足患者一个住院周期使用需求。该芯片集成度高，功能强大，能通过简单的外围电路设计实现终端的所有功能需求。

3.2 无线传输模块

无线传输模块采用LT8920主控芯片，该芯片是一款低成本、高集成度的2.4 GHz可变数据射频的无线收发芯片。芯片集成了发射机、接收机和频率综合器等，外围电路简单，只需搭配MCU即可使用。其低中频结构，灵敏度高，发射机功率可调，接收机采用数字扩展通信机制，可随时监控信道质量，抗干扰能力强，收发性能优良。该无线芯片最低工作电压为1.9 V，最低电流为1 uA，符合终端设计需求。

初始化LT8920主控芯片，芯片上电后，设置RST_n复位信号，等待系统晶振稳定后，完成寄存器初始化，芯片即可进行数据发射或接收。LT8920在无数据收发期间保持低功耗睡眠状态，以降低系统功耗。待芯片接收到发射或接收中断后退出低功耗睡眠状态，判断收发使能，执行相应操作。完成相应操作后再次进入低功耗睡眠状态，等待下次中断。主控芯片具体数据收发状态机见图3。

图3 LT8920状态机Fig 3 LT8920 state machine

无线模块将测量的患者体温数据按照一定的数据发送格式进行装载，通过蓝牙协议经由传输节点发送至体温监测管理平台。体温数据发送主要包括终端设备ID、预警阈值、测温频率、测温时间和体温值。为了配合原有蓝牙传输协议设置，预警阈值分为了整数部分和小数部分；测温时间包含了体温值对应的年月日和时分秒。同样，医护人员也可以通过体温监测管理平台，根据实际需求对系统终端进行设置，并通过数据传输节点，按照特定数据接收格式发送至系统终端，即可完成系统终端设置。系统终端可保存接收到的预警阈值和测温频率等配置数据，并修改相应设置。

4 体温数据传输节点设计

体温数据传输节点包括路由和网关，其网络结构由树型拓扑结构组成。树型拓扑结构是从总线拓扑结构演变而来，由一个顶端和多个分支组成，各个分支又包含其自分支。树型拓扑结构易于扩展、故障隔离容易，当发生故障时，容易排查出具体故障位置和原因[3]。

该系统内由一个网关和多个路由器组成，各个路由器之间通过无线桥接实现医院住院大楼内的信号全覆盖。见图4，该系统由多个体温监测终端和多个路由器作为数据传输节点，但最后都通过同一个网关将所有数据汇聚到体温监测管理平台上。

4.1 终端与路由器数据收发

系统终端与路由器之间采用2.4 GHz频段无线通讯。2.4 GHz频段是一个全球性的频段，通用性好，其频宽远胜于其它通用频段，数据双向传输速率高，允许系统共存，抗干扰性强，能满足医院住院大楼内的使用需求[4]。最主要的是2.4 GHz无线传输模块集成度高，天线体积非常小，功耗低，适合于穿戴式体温终端设计需求。因此，在系统终端和路由器之间，我们采用该频段无线信号传输。体温监测终端会选择接入信号质量最好的路由器实现数据交互。当终端离开已连接的路由器有效信号范围时，终端会自动接入下一个信号质量最好的路由器[5]。患者佩戴体温监测终端在住院大楼内部移动时，体温监测终端会自动切换信号较强的数据传输节点，实现持续的数据交互，将体温数据等相关信息上传至体温监测管理平台，并获取平台最新的配置数据和相关信息。

图4 体温数据传输节点设计Fig 4 Design of temperature data transmission node

4.2 路由器与网关数据收发

由于在相同环境下传输损耗与频率成正比，即无线信号频率越高，传输损耗越大[6]。所以，2.4 GHz频道无线通讯方式信号传输衰减较大，信号穿透能力差，在实际应用场景中有效传输距离短，尤其是很难穿透建筑物的墙体。因此，我们在路由器之间、路由器与网关之间数据传输采用相对较低频率的433 MHz频段无线通讯。433 MHz无线传输模块天线输入端有选频电路，可以根据需要适当增减天线长度，输出波形噪声小，能有效保证数据传输稳定[7]。该无线传输芯片设计结构稳定，能有效抵抗环境温度、湿度和机械振动等不确定因素造成的干扰。由于路由器和网关受产品体积限制小，可以使用外置天线，较低的信号频率和较长的外置天线，使路由器和网关更适宜较大范围的系统网络布置和较长距离的数据传输，以确保终端数据能完整传输至数据管理平台。

5 体温监测管理平台设计

体温监测管理平台除了保存用户基本信息、体温数据、测温时间等基本信息外，还可对终端进行设置。当患者处于温度波动阶段、高温阶段或正常体温阶段，医生可根据需要适当增减温度测量频率和设置预警阈值。当体温监测终端预警阈值和测温频率与体温监测管理系统不一致时，以管理系统为准，重新发送指令设置终端预警阈值和测温频率。

体温监测管理平台通过USB接口从网关获取所有患者体温数据，保存至Tomcat服务器中。服务器根据科室、病床号和患者姓名等信息区别不同用户体温数据，按表1数据格式存入系统数据库中。其中，数据长度根据系统收到的数据量持续增加，体温数据包括终端测量所得的患者体温值以及体温值对应的时间点，同一分钟内接收到的体温数据会根据具体数据量去除异常温度值或去除最大、最小温度值并取平均值处理后存入数据库。具体数据存储格式可根据医院信息系统要求重新调整。

6 系统功能测试

依据医用电子体温计国家标准GB/T 21416-2008规定，见表 2[8]。

为了加速测试系统稳定性和数据传输完整性，我们相应加快了数据传输频率，使终端每间隔10 s测量并发送一个体温相关数据。将体温监测系统终端置于恒温水槽，连续测试72 h，截取部分测试数据分析，见图5，当恒温水槽温度分别设置为35.3℃、37.0℃、38.5℃和40.4℃时，终端测量结果波动范围始终在0.2℃以内，与恒温水槽设定值对比，测量误差均不大于0.1℃，重复性误差不大于0.1℃，测试结果均符合相关标准。当恒温水槽温度设置超过37.5℃时，体温监测管理平台能作出相应高温异常预警。

表1 体温数据存储格式Table 1 Temperature data storage format

表2 医用电子体温计最大允许误差范围Table 2 Maximum permissible error range of medical electronic thermometer

图5 恒温环境测试结果Fig 5 Thermostat test results of our detection system

在通过恒温环境测试后，我们选取外科和ICU作为临床试验科室，将体温监测管理平台安装在各科室护士工作站，将无线传输节点布置于医院住院大楼相应科室范围内。实测系统终端低功耗运行工作电流5 uA，终端数据发射和接收工作电流3.45 mA，所有终端设备稳定运行时间均大于7 d；临床试验为期12个月，体温监测系统运行良好。试验过程中，选取每天早饭前、午休前、晚饭前、就寝前四个时间节点为患者用汞式体温计进行常规体温测量。汞式体温计测量结果与本系统监测结果对比见表3，两种体温监测方法所得患者体温值比较，差异无统计学意义（P＞0.05），采用体温监测系统测温耗时较汞式体温计短，差异有统计学意义（P＜0.05）。

表3 两种体温测量方法测量值和测量时间的比较（±s）Table3 The comparison of our detection system and mercury thermometer（±s）

表3 两种体温测量方法测量值和测量时间的比较（±s）Table3 The comparison of our detection system and mercury thermometer（±s）

体温测量方法 例次 体温测量值（℃） 测量时间（min）体温监测系统6864 36.8±1.5 0.7±0.2汞式体温计 6864 36.7±1.6 10.8±0.7 t 1.950 -4.140 p＞0.05 ＜0.05

7 结论

临床试验证明，该体温监测系统能准确采集患者体温数据，测温结果符合电子体温计相关标准。系统传输节点无线通讯丢包率低，能将终端体温数据完整传输至体温监测管理平台。医护人员可直接从体温监测管理平台获取患者最新体温情况，查看并分析患者体温趋势，并可根据患者体温情况，在体温监测管理平台上设置体温监测频率和预警温度。

该系统可以实现医院、养老社区等大规模的体温监测，体温测量不受地点束缚，能有效减少医护人员工作量，并提高其工作效率。