婴儿培养箱监控系统综述

杨俊，杨燕

南京医科大学附属无锡市人民医院 1 采购中心，2 医学工程处（江苏无锡 214023）

早产儿指胎龄小于37周的新生儿。早产缩短了新生儿在母体子宫内发育的时间，器官系统发育尚未成熟和出生体质量较低导致其具有较高的生命危险，如受身体脂肪所限的影响，早产儿的皮肤通常很薄，不能作为有效的屏障；骨骼尚未发育完全，非常脆弱。因此，早产儿需要被放置在婴儿培养箱中进行监护。婴儿培养箱能为新生儿提供温度稳定、湿度适宜、空气清洁、环境安静的类似于母体宫腔的环境[1-2]。

近年来，早产儿、病危儿等人数不断增加，在看护的过程中，医务人员的注意力主要集中在早产儿的生理状况上，难以做到时刻关注培养箱的温度、湿度等的情况。此时，若培养箱的加热系统、控制系统或报警系统出现故障，在参数超出限值或断电的情况下，培养箱便无法成功报警，早产儿的生命安全得不到有效的保障。婴儿培养箱监控系统可监控培养箱的运行参数及早产儿的身体状态，不仅能减少医护人员的工作量，还能减少不安全因素，更好地保障早产儿的生命安全[3-4]。本文综述了婴儿培养箱监控系统的组成，对其现状进行了总结，并对未来发展趋势进行了展望。

1 婴儿培养箱监控系统的组成

在婴儿培养箱使用过程中，与安全相关的参数如温度、湿度、噪声水平等及早产儿的健康指标等都需要进行监控。在目前的婴儿培养箱安全相关参数监控系统研究中，大多数研究者只重点对某一种或两种参数进行了监控，如汤栋生[5]的研究对婴儿培养箱的温度进行了监控，姚新琴和解兵[6]的研究对婴儿培养箱的温、湿度进行了监控。对早产儿健康指标相关的参数也只重点进行了某一种或两种指标的监控，如Widianto 等[7]研究了如何监控早产儿的体质量变化，并利用I/Q 雷达实现了对早产儿呼吸率及心率的监控。随着技术的进步和对监控系统认识的深入，研究者逐渐开始尝试同时监控培养箱参数和早产儿身体参数，如Sheet 等[8]提出了一种基于温、湿度传感器和一组重量传感器的婴儿培养箱监控系统的设计方案，不仅可以对培养箱参数异常进行监控，还可以实现对婴儿发育过程的监控。

婴儿培养箱监控系统总体框图见图1，婴儿培养箱监控系统包括数据采集和处理单元、数据传输单元及监控主机单元。

图1 婴儿培养箱监控系统总体框图

整个监控系统同时监控多台婴儿培养箱，每台纳入监控系统中的婴儿培养箱均配备数据采集和处理单元、数据传输单元，培养箱通过数据传输单元将监控数据传输至监控主机，监控主机同时显示多台培养箱的监控数据。

1.1 数据采集和处理

目前，婴儿培养箱监控系统中相关监控参数的数据采集主要通过各种传感器实现，采集到的数据被传输至数据处理单元进行处理。数据处理的核心通常是单片机，如张瑜[9]通过32位单片机S3C2410A实现数据处理功能，也有研究者[10]使用开源硬件Arduino 实现婴儿培养箱监控系统的数据处理。

目前，数据采集和处理主要包括两种方式，即分布式和集中式，见图2。分布式是在每个传感器中完成数据的采集和处理，这种方式仅可完成数据的采集和传输，功能较为简单；集中式是指传感器只负责将各种被监控量按照某种规则转换为电信号，数据的采集和处理则通过一个处理平台实现，这种方式结构较为复杂，优点是处理平台不仅能够实现监控数据的传输，还可以进行其他处理操作，如数据存储等。

图2 两种数据采集和处理方式

1.2 数据传输

通常情况下，婴儿培养箱的监控数据需通过一定的数据传输方式传输至监控主机，监控主机通过该传输方式与多台培养箱进行数据交换。目前，数据传输方式主要包括有线传输和无线传输两种，有线传输方式主要使用RS485等[4]总线通信的方式实现，有线传输技术成熟、实现较为简单，但具有线缆的布置受培养箱所在环境限制、可连接培养箱台数有限、通信速率受总线上的设备限制等缺点，使有线传输方式逐渐被无线传输方式所取代。最简单的无线传输方式是通过无线通信[11]实现数据的传输，该方式虽然解决了线缆布置等总线传输方式的问题，但具有传输距离短、传输速率低及可靠性差等缺点。随着无线通信技术的发展，婴儿培养箱监控系统的数据传输逐渐从传统的RS485或无线通信模块等传输方式转变成了基于某种网络系统的无线传输方式。有研究者提出了一种基于物联网和射频识别技术的无线传输方式[12]，该方法使用ZigBee 技术[13]作为无线通信标准网络，此外，也有研究基于WIFI 或LoRA[14]等无线网络来实现培养箱监控数据的传输。

1.3 监控主机

监控主机为婴儿培养箱监控系统的人机交互界面，用于显示培养箱各监控参数的实时状态，并对异常情况进行报警，以提醒医护人员。监控主机的实现方式多种多样，如现场大屏显示、电脑终端登录查看以及通过平板等手持设备现场查看等。部分监控主机单元支持多种方式，姚新琴和解兵[6]开发了一套Web 展示层软件和数据库系统，该系统支持现场大屏显示和远程登录访问，将监控参数以各种报表形式展示，并对异常情况进行报警处理；同时支持短信群发报警，可以为第三方系统提供各种Web services 接口，并预留了远程视频接口，方便远程查看相关数据。部分监控主机单元根据实际使用需求仅支持某一种方式，如王文丰等[12]将采集的信息通过无线传感网络上传至系统网关，转而由网关进行智能化的处理后作分类记录，并按照实际需求推送至各个终端。

无论何种实现方式，监控主机系统都是作为人机交互的需求而存在的，各种方式都是为了使人机交互更加友好。

2 总结及展望

各种各样的传感器是婴儿培养箱监控系统的基础，包括温度传感器、湿度传感器、声音传感器及监测身体指标的各种传感器等。每种传感器都有其优点和缺点，因此，有关婴儿培养箱监控系统的研究首要考虑的问题即如何选择合适的传感器，并且需要考虑如何在培养箱内进行布置，要求充分获取准确可靠的数据同时不影响培养箱正常功能的实现；同时，在传感器的选择上还要综合数据采集和处理的实现，两种实现方式各有其优缺点，我们认为，当培养箱内传感器数量较多时，采用集中式具有更大的优势，不仅在于集中的处理平台更有利于系统功能的扩展，而且在于可以提高数据传输的效率和降低网络中的数据交换节点。

随着系统可扩展性需求的提升，无线传输方式无疑具有更大的优势，当有新的培养箱加入监控序列时，无线传输方式需要的只是软件操作，更易于实现。

目前，监控主机有关研究的关注点在于如何将监控系统的人机交互方式呈现得更加友好和方便。现有监控主机可实现的功能仅是直观地展现采集的参数值并辅以简单的异常情况报警。监控系统采集的数据量非常庞大，采集的培养箱参数可以作进一步处理，可以采用故障预测与健康管理[15]等技术对培养箱的剩余寿命等进行预测，采集的身体参数可以辅以专家诊断系统[16]等实时诊断早产儿的健康状态。

婴儿培养箱的监控系统不仅可以用于监控培养箱的运行指标，同时还可以提供早产儿的健康指标的监控信息，这些信息具有重要的临床应用价值。然而，这方面的研究还较少，一方面是相关信息的获取较为复杂，另一方面是该领域未引起足够的重视。

在越来越注重医疗安全和医疗服务的今天，医疗设备的监控系统会受到越来越多的关注。虽然目前的研究相对还不够成熟，但其中相关技术的研究为后续进一步研究奠定了基础。