医院医用气体监测与报警系统的设计与实现

杨宪章 刘延梅 杨蕾 王丽芬

1 山东第一医科大学附属省立医院医学工程管理办公室 （山东 济南 250021）

2 山东第一医科大学附属省立医院消化内科 （山东 济南 250021）

内容提要：目的：设计一种医院医用气体监测与报警系统，实现值班人员使用手机等终端实时掌握所有医用气体设备的运行情况及报警信息。方法：数据采集由末端智能终端采用分散自主采集，服务器通过TCP通讯高速采集；末端传感元件安装工艺，采用不停气带压施工工艺；系统对音频视频数据同时采集，存档，并具有预测剩余气体使用期限功能；广域网客户端与服务器通讯采用P2P对等网络技术，高速可靠，可跨系统平台适应不同的屏幕分辨率显示。结果：医用气体监测与报警系统具有24h不间断，实时动态监测功能，报警功能在故障形成之前提前报警提醒值班人员，从而大大减少安全隐患，保证患者生命安全。结论：医院医用气体监测与报警系统利用信息化手段，将医用气体发生故障后的事后被动维修转变为事前报警提醒预防，可提高问题解决的时效性、可靠性及可追溯性，为患者安全提供有力保障。

医用气体是医院医疗服务的生命线，故障突发时情况紧急复杂，对维修时效性要求极高，医用气体监测管理系统是现代医院不可或缺的部分[1]。医用气体工程是指由医用中心供氧系统，医用负压吸引系统，医用压缩空气系统，医用传呼对讲系统，医用设备带、终端、电源及照明系统，输液吊架系统，医用中心供氧管网系统，医用负压吸引管网系统和压缩空气管网系统等组成的工程系统总称，既包含在医疗器械范畴内，又涉及压力管道方面内容，具有较强的专业性[2,3]。根据我国医院建设的发展要求，2012年8月1日，国家标准《医用气体工程技术规范》[4]（GB50751-2012）颁布实施，明确了“医用气体系统宜设置集中监测与报警系统”。

目前，山东省绝大部分医院的医用气体监测还停留在人工巡检、手工记录的层面，与临床科室其他设备的信息化发展水平不相匹配，这一短板严重制约了医院整体规模、档次和发展，存在如下弊端：监测表箱、指示灯板等零散设置，需人工监视，且功能单一，不能集中管理，费时费力[5,6]。维保人员逐楼层巡检各机房设备运行状态，没有动态趋势监测，每2小时手工记录一次零散信息，不能全面及时掌握医用气体所有参数、压力趋势及故障点历史趋势，如有氧气泄漏，无法主动掌握、实时监控、远程监控、提前预警、及时维修[7]。

为进一步提升医用气体稳定供应及应急响应能力，保障供应及使用两大环节安全，设计医用气体监测与报警系统（设计与实现时间：2021年4月），实时监视监测各病区及机房医用气体压力、氧浓度等参数，发生故障时提前收到压力趋势预警信息，定位故障区域或管路，变事后被动维修为事前分析预判，提高问题解决的时效性、可靠性及可追溯性，减少安全隐患及人工，保证患者生命安全。

1.系统硬件组成

医用监测报警系统监控报警系统由电接点仪表、报警装置、情报盘面等组成[8]。硬件系统由各种末端气体参数传感器、现场显示及报警装置、数据采集处理模块、数据传输模块、数据接收模块、中央处理主机、显示单元、手机平板移动终端、网络摄像头等组成。本系统所有传感器均采用工业标准信号输出，数据采集处理模块可采集任何标准信号的传感器及开关量，数据传输接收模块全部采用高速网线连接，采用MOUDBUS TCP协议进行传输。系统示意图及流程图分别见图1、图2。

图1.硬件组成系统示意图

图2.数据采集系统流程图

1.1 末端气体参数传感器

1.1.1 参数选择要求

根据现场情况，参照系统需要监视气体的压力、露点、浓度、温度、流量等参数的量程及气体介质，选用不同技术指标的传感器。所谓“露点”，即未饱和空气在保持水蒸气分压力不变（即保持绝对含水量不变）情况下降低温度，使之达到饱和状态时的温度，温度降至露点时，湿空气中便有凝结水滴析出[9]。

以上传感器的选择需要根据测量的气体介质不同，选用不同的参数；医用气体露点传感器精度漂移应<1°C/年。一氧化碳传感器在浓度为10×10-6时，误差不应超过2×10-6。压力或压差传感器的工作范围应大于监测采样点可能出现的最大压力或压差的1.5倍，量程宜为该点正常值变化范围的1.2～1.3倍。流量传感器的工作范围宜为系统最大工作流量的1.2～1.3倍。气源报警压力传感器应安装在管路总阀门的使用侧。区域报警传感器应设置维修阀门，区域报警传感器不宜使用电接点压力表。除手术室、麻醉室外，区域报警传感器应设置在区域阀门使用侧的管道上。

传感器输出信号采用能较远传输距离的4～20mA或485信号输出，确保量程符合现场要求，信号传输稳定，对独立供电的传感器应设置应急备用电源。

1.1.2 传感器及测量元件安装

医用气体监测报警系统既适用于原有医院新增，也适用于新建医院，在原有医院新增施工中，因原有管路设计未预留传感器安装位置而必须停气才能安装传感器的情况经常发生，而急诊、重症医学科、心外ICU、呼吸与危重症医学科等重病号科室需高流量吸氧不能停气，给施工造成了很大困难。

为克服此困难，经过实验，对压缩空气管路（图3）、真空管路（图4）通过带压开孔、带压截断、带压加装旁路等实现了不停气管路改造；氧气管路实现了对局部科室局部供氧后，对气源上游管路进行改造，并实现了对不锈钢氧气管路进行不停气带压截断、焊接封堵（图5）。通过以上措施顺利地实现了在医院正常用气的情况下，在管路上加装压力传感器，流量传感器等各种传感器和测量元件的工作。

图3.压缩空气管路带压开口引管

图4.真空管路带压开口引管

图5.氧气管路带压截断、焊接封堵

1.2 现场显示报警系统

信号采集后除了要远传到集中监控室更要具备现场显示报警功能，每个现场报警气体参数均应根据实际需要可以调整报警限值，并且具有暂时静音功能；报警需持续到故障解除为止。报警箱的供电电源应设置应急备用电源。

1.3 智能数据采集及高速网路传输

本系统中央监控主机并不直接采集传感器等现场数据，而是由分散在现场的多个RS485RTU-RS485TCP单元自主的采集各个传感器的数据，并保存在其内部存储区；监控主机通过高速的TCP网络发送命令，成批快速采集各个RS485RTU-RS485TCP内的数据。每个RS485RTU-RS485TCP可以支持32个终端485设备，最长通信距离1200m。避免了监控主机逐个按顺序去采集各个传感器的信号，遇有个别传感器故障长时间等待的问题，避免了目前大部分数据采集系统在数据点多时，显示页面数据像卷帘门一样从上到下逐步显示数据更新缓慢的问题。

1.4 音视频采集对讲系统

每个监测点均可配备网络摄像系统，实时采集保存现场的视频、音频信号，在客户终端与视频采集端对讲通话。

系统采集的视频可保存在服务器硬盘内，通过对现场数据及音视频的采集记录，确保能全方位的对设备运行状态进行监视。

保存的音视频和数据具有记录查询和回放功能。这些功能可在设备出现故障时提供强有力的故障原因分析支持。

2.系统软件组成

监视系统软件有基础界面系统、数据库，外围硬件驱动程序、数据采集标准协议、界面绘制模块、P2P（peer-topeer）穿透模块，参数记录及报警设置模块、微信企业号报警应用模块、跨平台多终端自适应分辨率显示模块、语音报警模块等组成，软件组成系统框图如图6所示。

图6.软件组成系统框图

2.1 软件基础界面系统

软件基础界面系统包含：文件，视图，编辑，工具，窗口，帮助等工具栏，点击每个工具栏都有具体的下拉菜单。通过下拉菜单可以绘制出丰富的现场工艺图，实时、直观地表达出现场设备的运行状态，界面图如图7所示。

图7.本系统绘制的现场设备工艺流程界面图

2.2 硬件驱动程序及数据采集标准协议模块

该模块整合了现有市场大部分的数据采集处理设备的驱动程序，可方便地将市场上主流的工控设备数据采集到本系统中[10]。如西门子、欧姆龙、三菱等知名品牌的PLC、触摸屏、变频器等，本系统包括的各品牌设备的驱动程序如图8所示。

图8.本系统包括的各品牌设备驱动程序界面图

作为工业领域通信协议的业界标准，Modbus是OSI模型第7层上的应用层报文传输协议，它在连接至不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信[11]。

2.3 监视点参数记录及报警模块

该系统可对各个设备的监测点进行实时的监测并记录数据，方便即时观察和事后追查；输出表格满足医院三甲评审要求。每个数据均可设置记录频率及报警限值，提供微信报警、现场语音声光报警、短信报警、邮件报警等多种报警方式。报警状态详细记录报警的位置、故障描述、故障发生结束时间等。

集中监测管理系统能以不同方式显示各子系统运行参数和设备状态的当前值与历史值，并能连续记录储存不少于一年的运行参数，系统具有信息管理（MIS）功能。

2.4 P2P对等网络建立模块

系统运行时通过服务器注册建立P2P对等网路，网络一旦注册建立成功，则互联网上的任何终端在安装专用App或浏览器后均可输入密码登录系统。此种模式打破了固定IP的限制且实现了上传下载的高速通讯。使用此种模式无需再使用价格高昂的动态域名、端口映射软件和远程桌面共享软件等，避免了使用多个软件带来的配置繁琐、故障多发问题。

2.5 跨平台多终端自适应分辨率显示模块

通过在开发过程中的程序编写，本系统做到了一次开发便可在电脑、手机、Pad等多种系统多种分辨率终端的浏览显示，不同终端显示时可自动调整。在不同系统客户端登入服务器系统时，程序会自动识别客户端是何种操作系统及分辨率，从而做出自动适应，终端自适应软件设置界面图见图9。

图9.终端自适应软件设置界面图

2.6 软件模拟推测模块

该模块监测系统配备模拟软件，可对汇流排等瓶装气体进行存量分析和用气量预测。提前通知值班人员根据送气周期准备气源。

3.结语

医用气体监测与报警系统安装过程不影响医院的任何诊疗活动，系统运行后，相关人员能够及时检查并处理医用气体系统的隐患，实现了手机等终端实时监测医用气体的运行状态、使用情况，保障用气的安全性和可靠性[12,13]。报警功能，可实时提醒操作人员提前发现医用气体故障，降低维修成本，减少经济损失。预测功能实现了值班人员提前备足气源，防止气源断供，提高了安全系数，为减少重大医疗事故或纠纷提供有力支持。

总之，本系统可为医院安全使用和管理医用气体提供强有力支撑，能够有效地服务医疗救护第一线，是医用气体系统中不可或缺的一部分。该系统在推进医用气体安全化管理、智能化管理、信息化管理的同时，保证了医用气体系统的有效运行[14]。