基于物联网技术的大型医疗设备安全监测系统的研发与应用

宋景国，牟强善（通信作者），郭洪栋，亓玉龙，李基臣

1 日照市中心医院 （山东日照 276800）；2 日照市人民医院 （山东日照 276800）；3 日照市中医医院 （山东日照 276800）；4 日照心脏病医院 （山东日照 276800）

X 线正电子发射断层扫描仪、内窥镜手术器械控制系统（手术机器人）、64排及以上X 线计算机断层扫描仪、磁共振成像系统、直线加速器等大型医疗设备在当前的医院诊疗工作中发挥着重要的作用，因此，降低设备故障率、减少维修费用支出一直是医院医学装备管理部门关注的重点。针对如此数量众多的大型医疗设备，采用更加可靠的方法进行安全监测，可提高设备的开机率，保证规划内的每台设备的经济效益和社会效益[1]。

目前，大部分医院均重点关注医师工作房间和患者检查室的温湿度及空气洁净程度，但是对于大型医疗设备的主机或主机柜及关键辅助设备所在场所的电力供应、温湿度、水循环温度、电缆沟是否积水、电缆沟是否有鼠害等事关安全运行情况的监管缺乏足够的重视[2]，在监管措施上沿用传统的人工定期巡检、书面记录，发现明显异常后才进行干预[3]，存在实时安全监管的盲区[4]。如果将每家医院的每台大型医疗设备的运行状态即时显示在中控室的大屏幕显示器上，则工作人员可以随时发现每台设备的异常状态，在异常数据产生后系统推送报警信息给事先设定的设备授权管理人，便于远程接收信息，尤其是对于未实现24 h 值守的大型精密设备，在发生异常情况时及时进行干预，对减少故障损失具有重要的意义[5]。

本研究主要介绍基于物联网技术的大型医疗设备安全监测系统的研发与应用情况。

1 大型医疗设备远程安全监测系统的硬件研发

单台设备的硬件应使用各类传感器监测工作时的温湿度、循环风量、空气质量、三相电压数值与三相平衡情况、循环水流温度、关键辅助设备工作情况等，并实时上传网络，采用软件管理与分析，实时记录并上传，以确保上传的及时性和科学性[6-7]。

医用直线加速器的关键参数为机房温湿度、循环风量、尘埃颗粒、三相电压超压及欠压和不平衡情况、循环水流温度，关键设备工作状态为循环水泵和离子泵[8]；磁共振成像设备的关键参数为机房温湿度、循环风量、尘埃颗粒、三相电压超压及欠压和不平衡情况、循环水流温度，关键设备工作状态为氦压机和射频电源[9]；X 线计算机断层扫描仪的关键参数为机房温湿度、循环风量、尘埃颗粒、三相电压超压及欠压和不平衡情况、循环水流温度，关键设备工作状态为电源分配单元（power distribution unit，PDU）[10]。本研究将以上大型医疗设备的关键参数（表1）纳入常规监测范围，再选择适合的传感器，设计配套电路，测试数据曲线，准备接入主机信号输入端。

表1 大型医疗设备关键监测参数的选取

1.1 采用DED194型多功能电力仪表对三相电压进行监测

多功能电力仪表作为一种先进的智能化、数字化电网前端采集元件，可编程测量显示、数字通信，集多种输出功能于一体[11]。DED194型多功能电力仪表通过实时传输电网中的三相电压的数值，即通过RS485的数字接口可实现仪表组网络的通信功能，并借用软件的统计与运算功能，实现停电报警、三相不平衡报警、波动过快报警等实用功能，可根据需要灵活选用。

1.2 采用数字化温度传感器DS18B20对多路温度进行监测

美国Dellas 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20，采用导热性高的密封胶灌封，保证了传感器的高灵敏性，且仅有极小的温度延迟。该温度传感器支持“一线总线”接口，温度范围为-55～125 ℃，在-10～85 ℃范围内，精度为±0.5 ℃，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，极大地提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。DS18B20温度传感器具有唯一的编号，温度釆集设备通过编号识别对应的温度传感器，不锈钢外壳面积6 mm×50 mm，引线长度100 cm，芯片采用DS18B20，3.3 V 或5 V供电，分辨率9～12位可调，无需外部元件，支持独特的单总线接口，温度监测点有循环水流的进水和出水口、平板探测器等[12]。

1.3 采用AM2311湿敏电容数字温湿度模块对设备间温湿度进行监测

AM2311湿敏电容数字温湿度模块是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，釆用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与长期稳定性。该传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，并与一个高性能8位单片机连接[13]，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准，校准系数以程序的形式储存在单片机中，传感器内部在检测信号的处理过程中会调用这些系数。该传感器标准的单总线接口，使系统集成变得简单、快捷；超小的体积、极低的功耗，且信号传输距离可达20 m 以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。模块为4引线，连接方便，供电电压为DC 3.3～5.5 V，输出信号为数字信号输出，湿度量程0～99.9% RH，温度量程-40～80 ℃，湿度检测精度±3% RH，温度检测精度0.5 ℃，分辨率0.1% RH，采样周期2 s。

1.4 采用电容式土壤湿度传感器对电缆沟内积水进行及时报警

电容式土壤湿度传感器的供电电压为5 V，采集范围为0～100%，采集方式为模拟量釆集，用于监测土壤水分。该传感器采用电容感应原理检测土壤湿度，区别于其他绝大部分的电阻式传感器，避免了电阻式传感器极易被腐蚀的问题，极大地延长了工作寿命；将该传感器置入电缆沟底部，可及时发现水路滴、渗、跑水及冷凝水的风险[14]。

1.5 采用尘埃粒子检测模块对设备间空气质量进行监测

本产品利用微小颗粒物对光的散射原理，当微小颗粒物经过检测孔时，对光线形成散射，散射光线的一部分通过光轴，经透镜聚集到感光元件，感光元件将光信号转换为电信号输出[15]。

颗粒物测量范围为0.3～1.0 μm，响应时间可达10 ms，颗粒物计数效率50%=0.3 μm、98%≥0.5 μm，颗粒物质量浓度有效量程（PM2.5标准值）为500 μg/m3，颗粒物质量浓度分辨率为1 μg/m3，工作电流＜100 mA，待机电流为200 μA，工作湿度范围为0～99% RH。

1.6 采用HR-SR501热释红外线对电缆沟内鼠害进行监测

HR-SR501热释红外线，采用两个单元的传感器，且在使用时按照横置方向排列，采用3.3～5.0 V 的超低电压电源工作模式，感应距离＜7 m，能够瞬时发现可能的鼠害，便于及时采取措施，防止老鼠咬断电缆，造成本可以避免的疑难故障而影响正常诊疗工作的开展。

相关人员在完成样机的组装工作后，梳理与整合数据流程，使整机工作流畅无异常，并修正整体电源、活动部件、关键机械固定位置，保证设备可以全天候地工作和不间断地被监测；此外，将样机的各项监测参数与校准后的计量器具进行比对，认真调整数据曲线，使其符合相关标准，确保成品仪器具有临床使用价值。

2 大型医疗设备远程安全监测系统的软件研发

2.1 软件接口的分类

根据事先设想的系统结构和各项功能的设计，遵循先硬件后软件的原则，逐项改造实验样机，逐一实现各项功能，使其符合预期的设计要求，其中软件提供三类管理人员接口：（1）使用科室授权的设备管理人员实时查看异常报警；（2）医院的医学装备管理部门汇总分析各科室每台设备的工作情况，对全院各科室月度工作情况进行考核，对每台设备的异常数据进行原因分析，及时发现问题[16]；（3）医学工程技术人员实时监测每台设备的工作数据，做好预防性维修。

2.2 数据的传输与分析

2.2.1 数据的传输

为了实现每台大型医疗设备的工作数据24 h 无缝隙实时上传，使用的管理软件应能够保证医院医学装备管理部门对于自家医院所有的大型医疗设备进行实时状态监测，并能形成汇总表进行数据处理，精细化管理每台设备每秒钟的细节数据。

2.2.2 管理软件功能的设计

相关人员按照设想的软件结构编制管理软件，并经常与医院大型医疗设备使用科室进行沟通，听取关于医院大型医疗设备管理的流程与关键数据设置意见，并注意用户体验的反馈与整改。

对于现有产品的传感器的数据传输设计和网络化管理的系统调试，通过实验-试用-实验的循环模式解决研究过程中出现的每个问题；通过研究单台设备的传感器配置与系统运行、开发实用的参数监测系统管理软件、进行单台设备与工作终端的无线网络配置，使得系统内部主要组成部分具有参数检测与报警功能。

2.3 基于物联网技术的大型医疗设备安全监测系统的创新点

（1）规范化管理大型医疗设备，变粗放管理为精准管理；（2）保护大型医疗设备的外部使用环境，及时报警、快速干预，从而减少故障的发生；（3）数据不取自原厂的远程诊断接口，可以脱离原厂的保修合同限制，对于脱保的大型医疗设备起到相同的作用，降低运营费用[17]；（4）模块化设计，通用性好，监测参数的种类和数量可以简单堆积。

2.4 基于物联网技术的大型医疗设备安全监测系统的先进性

（1）选用通用款wifi 监控器，配合不同的传感器，降低总体研发费用，故障时互换性好；（2）管理软件与实际工作贴合度较高，便于使用，可以在手机上随时查看，接收报警信息；（3）市场上仅见到单台专用设备监控装置，技术烦琐、成本高，未见到同类高性价比产品。

3 小结

本研究通过多次组织医院医学装备管理部门、设备使用科室、维修工程师进行业务对接，对在用医院医学装备管理规范进行解读，对医院医学装备管理部门对设备日常的管理盲区进行分析，认为该系统具有先进性、可行性、科学性和实用性，对于提高医院大型医疗设备管理的效率和可靠性具有重要的意义[18]。医院医学装备管理部门和使用科室认为此技术创新项目具有可行性，能够更加科学地管理日常工作。

该系统在几家医院的实用效果证明，其可提高大型医疗设备安全管理（医院医学装备基础性管理）工作的规范性、科学性和可追溯性，使用科室能够远程监控每台设备的实时数据，使其成为医学装备管理部门对于全院大型医疗设备的预防性保养管理工具。医院医学装备管理部门以检查手工表格进行的汇总分析为一键式数据库分析，优化了整个流程，保证了每次考核工作的可靠性。