一种医疗设备运行监测系统的设计
2020-07-03林海东
林海东
厦门市第五医院 （福建厦门 361101）
现阶段，很多的诊疗活动都离不开医疗设备，为了确保在用医疗设备的安全有效，《医疗器械监督管理条例》明确指出，需对所有的医疗设备进行有计划性的保养和维护[1]。很多医疗机构都有医疗设备定期保养计划，但是计划实施过程中总是存在着时间盲点和空间盲点，有些设备需要长时间运行，甚至不允许夜间停机，因此医务人员发现设备的运行情况存在相对的滞后性[2]。另一方面，医疗机构对于设备的安全管理越来越精细化，包括设备的运行时间、使用率、使用效益等，因此对于设备的运行状态进行监测，并及时发送给相关的医务人员具有重要的意义[3]。
基于上述情况，本研究旨在设计一种医疗设备运行监测系统，适用于各医院各种医疗设备的运行状态监测，主要包括运行电流监测、运行电压监测、运行时间监测等，进而判断出设备运行状态，并对设备的运行时间进行统计，判断设备的使用率，为医务人员进行效益分析提供数据支撑[4]。
1 系统设计路线
本研究设计的医疗设备运行监测系统由两部分组成，分别为硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括主控制电路、电压采集电路、电路采集电路、设备驱动电路、无线传输电路、液晶显示电路、按键电路等；软件部分包括主程序、电压采集程序、电流采集程序、报警程序、按键扫描程序、显示程序等。本系统通过监测设备运行时的电压、电流等参数计算该设备是否处于正常状态。在监测过程中，医务人员可以根据设备不同的功率和电流设定安全电流，当设备电流大于安全电流时，则判断该设备处于故障状态，一方面该系统处于报警状态，用以提示医务人员设备存在故障，另一方面通过无线传输模块将监测数据传给设备工程师，提醒工程师采取有效措施。本系统还可以统计设备的运行时间，为设备的有效使用率和效益分析提供一些基础依据[5]。系统结构示意图见图1。
1.1 硬件设计
1.1.1 主控制电路设计
医疗设备运行监测系统采用的主芯片是STC15F2K60S2，具有60 kB Flash 程序存储器；1 kB 数据Flash，2 048字节的SRAM，3个16位可自动重装载的定时/计数器，2个全双工异步串行口，1个高速同步通信端口，内部集成高精度R/C时钟，可以省去外部晶振电路。主控电路图见图2。主控制器的VCC 脚连接电源VCC，GND 脚接地；脚P0.0～P0.5用于连接无线传输模块；脚P1.0用于连接电流监测模块，脚P1.1用于连接电压监测模块，脚P4.5、P2.5～P2.7用于连接按键模块，脚P2.1～P2.4用于连接液晶显示器[6]。
图1 系统结构
图2 主控电路
1.1.2 市电采集电路设计
市电采集电路（图3）通过D2稳压管进行半波整流，主控制芯片通过AD 采样接口采集波峰电压，即可算出交流电压有效值。电阻R3和R4启动分压作用，通过采集R4的电压即可根据分压比例测算出R3的输入电压及输入市电的电压。当采集的市电为0时，说明该设备的供电异常，系统会发出报警[7]。
图3 市电采集电路
1.1.3 电流采集电路设计
医疗设备运行时伴随着电流的波动，当电流的波动超过安全电流的极限时，可以判断设备存在安全隐患。图4为电流采集电路图，采用的电流检测芯片为ACS712，芯片的脚IP+为220 V 的输入，脚IP-为220 V 的输出，可以实时监测设备的运行电流。采集的电流值通过电阻转换为电压信号传输到单片机中，进行处理后输出设备的电流量。
1.1.4 设备驱动电路设计
医疗设备在运用过程中直接连接220 V 市电时，容易产生电源反激，进而损坏设备。本系统设计有设备驱动电路，控制设备的开关机。设备驱动电路见图5。手动开关按下后，主控制芯片的脚P5.5输出高电平，光电耦合器U3导通，开关管Q1导通，继电器K1吸合，电源指示灯D1亮，则该系统即输出220 V 给用电设备。
图4 电流采集电路
图5 设备驱动电路
1.1.5 无线传输电路设计
本系统可以通过无线传输将设备运行监测结果发到医务人员的手机软件上，便于医务人员实时了解设备的运行状态。本系统采用的无线传输模块为NRF24L01，其供电电压为3.3 V，CE 为使能端，SCK 为时钟控制端，数据传输端连接主控制器的脚P0.0～P0.2端，便于数据传输。无线传输电路见图6。
图6 无线传输电路
1.2 软件设计
本系统主要监测医疗设备的工作电流、工作电压、工作功率和统计设备的使用时间。在系统设计中，开机后系统进入电压和电流采集子程序，判断电压和电流是否异常；当电压或者电流异常时，系统进入报警子程序和液晶显示子程序；当无线输出电路开启时，同时也进入无线传输子程序，用于提示医务人员市电异常，应尽快采取相关措施[8]。主程序流程图见图7。
图7 主程序流程
2 设备运行监测系统的临床测试
本系统采用转接头设计理念，在使用过程中，医务人员只需将设备的电源接头插入在转接头上，再将转接头插入市电，适合所有需要监测的医疗设备，如图8。在开启该监测系统时，医务人员根据监测设备类型设定安全电流或者设备运行功率即可；当设备出现断电或者运行电流大于安全电流时，系统进入报警状态；当医务人员需要统计设备的有效运行时间时，只需要查看系统的运行时间显示[9]，整个运行界面见图9。
图8 设备运行监测系统接头连接图
图9 设备运行监测系统界面显示图
3 小结
现阶段所有医疗机构都有对医疗设备的预防性维护和运行监测，针对监测过程中存在的一些问题，本研究设计的医疗设备运行监测系统可以以外接的方式连接在所需设备上，通过监测设备运行时的电压和电流，可以判断设备是否正常供电、是否正常运行，并可以统计设备的有效运行时间，以无线的方式传输到医务人员的软件上。本系统对于医疗设备的全生命周期管理及提高医疗服务质量具有重大的意义[10]。
