（生物医学工程专业论文）基于rs485的监护和输液诊疗一体化系统——基站.pdf

中山大学硕士学位论文基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 用需求，既满足了临床的实时治疗操作要求，又可以使医护人员随时随地对信息 进行更新及维护。 监护输液基站的主要功能包括：最多可集中控制1 6 个输液设备，并显示 在线输液设备的输液和异常报警信息；设置完成复杂的输液方案，并可在权限 范围内对方案进行修改：进行心电、血氧、呼吸和体温等生理参数的监测，实 时显示监护信息和各种异常报警信息；闭环反馈控制功能，分析监护信息，如 某个或某些生理参数超出预先设定的安全范围，系统可以自动发送控制命令到所 连接的输液设备，实现初步的闭环反馈控制；同时软件设有算法库模块，可以嵌 入更复杂更智能化的闭环控制算法，拓展生理稳态控制等闭环控制功能；报警 功能，及时响应异常报警和报警方式的选择；日志记录：实时记录医护人员操 作信息、输液信息，监护信息，及产生的异常情况；输液治疗的综合分析，药 物趋势，液体平衡；信息管理功能，可进行病人信息、员工信息及药物信息管 理。 关键词：输液控制，重症监护，诊疗一体化，r s 4 8 5 ，面向对象 中山大学硕士学位论文 基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 t h ec l i n i ci n t e g r a t i o ns y s t e mb a s i n go nr s 4 8 5 b a s e s t a t i o n m a j o r ：b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：l iy a n g s u fy u a nh e n g 】 叁i u p e r v l s o r ： n a uh e n g x m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh u m a ns o c i e t y sp r o g r e s sa n dt h ei m p r o v e m e n to f t h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n d u s t r y ，t h em e d i c a le q u i p m e n ti sa l s ot ot h ed i r e c t i o n o f “p o r t a b i l i t y , m i n i a t u r i z a t i o n , n e t w o r k i n g ，i n t e l l i g e n t c r i t i c a l c a r ea n di n f u s i o n c o n t r o lc l i n i ci n t e g r a t i o ns y s t e mb a s eo nc l o s e dl o o pc o n t r o lb yc o m p u t e rn e t w o r k t e c h n o l o g yw h i c hc a ni n t e g r a t ep h y s i c a lc u s t o d ya n dt h ei n t r a v e n o u si n f u s i o ni no r d e r t or e a l i z et h ei m p l e m e n t a t i o no ff l u i dt h e r a p yi nc r i t i c a l l yi l lp a t i e n t si nt h ec l i n i c i n t e g r a t e ds y s t e m t h es y s t e mi n c l u d e sb a s e ds t a t i o nm o n i t o r i n gi n f u s i o n , i n f u s i o n d e v i c e s ( i n f u s i o np u m pa n ds y r i n g ep u m p ) ，t h ec e n t r a lm o n i t o r i n gs e r v e r , p d aa n d o t h e rc o m p o n e n t so fh e a l t hc a r e t h eb a s e ds t a t i o ni sac o r ec o m p o n e n to fi n t e g r a t e ds y s t e m s t h i sp a p e rm a i n l y i n t r o d u c e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eb a s es t a t i o n ，d i s c u s s e sh o wt ob u i l d b a s e ds t a t i o n si nt h ec u s t o d yo fc l o s e d - l o o pf e e d b a c ki n f u s i o nf l u i dc o n t r o lm o d u l e a n ds e t sf o r t hu s i n gr e a l - t i m em o n i t o r i n go fp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r si n t ot h e c l o s e d - l o o pc o n t r o lo ft h ei n f u s i o np r o c e s s t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb a s e d s t a t i o na n dt h ei n f u s i o nd e v i c e si so n et om a n ym a s t e r - s l a v ec o m m u n i c a t i o nb a s i n go n r s 4 8 5b u s i n f u s i o nb a s e ds t a t i o ns o f t w a r es t r u c t u r em o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n sa r ef e l li n t o f o r e g r o u n da n db a c k g r o u n ds e p a r a t i o no fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tp r o g r a m ，ak i n d t i i 中山大学硕士学位论文 基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 o fc s sa r c h i t e c t u r ed e s i g n ，w h i c he n h a n c e st h es e c u r i t yo fs y s t e ma n de a s e st h e h a n d l i n g f o r e g r o u n da p p l i c a t i o nh a si n f u s i o no fp r o g r a mi m p l e m e n t a t i o nf u n c t i o n s b e f o r et h em a i np r o g r a mt h ei n f u s i o n ；b a c k g r o u n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tp r o g r a m i st h em a i nb a c k g r o u n df o r t h es y s t e mt ou p d a t ea n dm a i n t a i nd a t a b a s e s ，i n c l u d i n g p a t i e n ti n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，d r u gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t , i n f o r m a t i o nr i g h t s m a n a g e m e n ta n dl o gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t t h i sk i n do fd e s i g nc a nn o to n l ym e e t t h eo p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n t so fc l i n i c a lr e a l - t i m et r e a t m e n t , b u ta l s ot h er i g h tt o u p d a t et h ei n f o r m a t i o na n y t i m e ，a n y w h e r em e d i c a ls t a f fa n dm a i n t e n a n c e n e e d s t h em a i nf u n c t i o n so ft h eb a s e ds t a t i o na r ea sf o l l o w s ：a c h i e v i n gt h e c e n t r a l i z e dc o n t r o lo fa tm o s t16i n f u s i o nd e v i c e s ，a n dd i s p l a y i n go n l i n ei n f u s i o n , t r a n s f u s i o ne q u i p m e n t ，a n da b n o r m a ls i g n a l ；s e t t i n gac o m p l e xi n f u s i o np r o g r a m , w h i c hc a nb em o d i f i e dw i t h i nt h ep u r v i e wo ft h ep r o g r a m ；i l l u s t r a t i n gm o n i t o r i n g i n f o r m a t i o ns u c ha se c g ，b l o o do x y g e n ，r e s p i r a t i o na n dt e m p e r a t u r ea n dav a r i e t yo f a b n o r m a ls i g n a l ；c a r r y i n go u tc l o s e d l o o pf e e d b a c kc o n t r o l ，a n da n a l y s i so f m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n f o re x a m p l e ，i fo n e o rs o m eo ft h ep h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r s e x c e e dp r e - s a f es e t , t h es y s t e mc a na u t o m a t i c a l l ys e n dc o n t r o lc o m m a n d st ot h e i n f u s i o nd e v i c et h a ti sc o n n e c t e d ，b r i n g i n gt h ei n i t i a lc l o s e d - l o o pf e e d b a c kc o n t r o l ；a t t h es a m et i m e ，t h es o f t w a r eh a sa l g o r i t h m sl i b r a r ym o d u l ew h i c hc a nb ee m b e d d e d i nm o r ec o m p l e xa n di n t e l l i g e n tc l o s e d - l o o pc o n t r o la l g o r i t h m ，s t e a d ye x p a n s i o no f p h y s i c a lc o n t r o lc l o s e d - l o o pc o n t r o l ；a l a r mf u n c t i o n , a l a r ma n da l a r mi nt i m et o r e s p o n dt ou n u s u a lm e t h o d so fc h o i c e ；l o g g i n gt h er e a l - t i m eo p e r a t i n gi n f o r m a t i o n o nm e d i c a lr e c o r d s ，i n f u s i o no fi n f o r m a t i o n ，m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n , a n dt h er e s u l t i n g a n o m a l i e s ；s h o w i n gc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft r a n s f u s i o nt h e r a p y ，d r u gt r e n d s ， a n df l u i db a l a n c e ；m a n a g i n gp a t i e n ti n f o r m a t i o n , e m p l o y e ei n f o r m a t i o na n dd r u g i n f o r m a t i o n k e y w o r d ：i n f u s i o nt h e r a p y ，c r i t i c a lc a r e ，t h ec a 他a n dt r e a t m e n ti n t e g r a t i o n , r s - 4 8 5 ，o b j e e t - o r i e n t e d 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：夕参移 日期：五卜年占月尸日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：参勺 日期：k p 年阳夕日 导师签名厂棚 日期：压f 口年 伊f b 中山人学硕：匕学位论文 基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗体化系统摹站 第1 章前言 1 1 课题背景简介 随着人类的发展社会的进步，各行各业信息化水平的提高，医疗设备也正 在向“便携化、小型化、网络化、智能化的方向迈进。对危重症患者来说，输 液治疗和生理监护是最基础的诊疗手段，如何保证对危重症患者实施安全、有效 的、精准的输液更是至关重要的。 病人输液治疗是常用的治疗措施之一。在没有输液泵和微量注射泵之前， 医护人员是通过手工的方式来给病人进行液体治疗的，对输液速度的调节完全是 根据监护系统对病人生理参数的监测结果，来调整用药的剂量、速度，又或是根 据病人的病程变化，动态地调整医嘱，这种方式输液治疗的质量不高，对医务人 员来说劳动强度较大，不能达到精准治疗的目的。智能输液设备的的出现改变了 传统的人工输液模式的种种弊端，大大提高了输液治疗的效果。目前输液泵和微 量注射泵的使用已经在三甲医院普及n 2 1 。但对于大多数危重病人来说通常是需 要多通路综合的输液治疗，单一的输液设备还不能满足危重病人的需要。近些年 来，基于这样的临床需求，国外著名公司推出了输液工作站，即可以通过一台微 电脑系统实现对多个输液设备的综合控制，进而实现对患者的多通路精准输液治 疗，在输液治疗前医护人员不但可以根据药物的特殊要求及病人情况选择递增 式、递减式、阶梯式、脉冲式等输液模式输液，以满足危重病人的诊疗要求蚓。 但这样仍未能解决输液速度的自动调节问题，即输液设备根据病人的生理参数情 况自动调节输液的速度，而且可以实时地根据生命体征的变化来闭环控制调整药 物输注速度或剂量，提高危重病人的诊疗质量。计算机闭环控制自动给药的研究， 取得了比依靠手工调节给药方案更优的效果，现在自动闭环控制系统已用来自动 调节血压、血糖等重要生理指标，但是血压、血糖等的监测方法是有创的，限制 了它的广泛使用。此外，输液用药安全的问题也不容忽视，临床用药过程的各个 环节都存在着用药错误的可能，错误包括：哪个患者、何种药物、剂量多少、使 用用法、输注速度。错误会带来药物潜在的不良反应，甚至对病人造成永久的伤 害呻1 。目前国内的输液设备和多参数监护仪产品很多，也较成熟。像迈瑞、金 科威等知名厂家还有无线网络化的危重病监护系统产品。 中山大学硕士学位论文基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 如果能把现有临床上的生理参数监护设备和输液设备整合起来，便可以形成 一个闭环系统，嵌入相应的闭环控制算法可以对输液实现自动控制，也能进行综 合控制和管理危重病人的诊疗。基于这样的背景，我们项目组提出了监护和输液 诊疗一体化系统。 1 2 诊疗一体化系统相关领域研究现状 1 2 1 输液工作站 国际上现有的输液基站产品基本都采用非通用系统结构，输液设备层叠放置 在支架上；输液基站通过r s 2 3 2 、有线局域网或无线局域网与运行病人数据管理 系统的h i s 终端计算机相连接，同时支持输液治疗和病人数据管理。2 0 0 1 年费 森尤斯卡比公司开始推出协奏曲i c u 输注工作站( o r c h e s t r a ) ，代表了当时输注 工作站的最先进技术和管理水平，集多通路复杂输液和注射治疗管理、输液数据 管理于一身，具有强大的协同工作能力，可实现输注治疗与病人数据管理系统 ( p d m s ) 的兼容与联网嗍。2 0 0 3 年德国贝朗医疗公司研制开发出的f ms y s t e m ， 开创了输液治疗与输液监护统一管理的新模式，输液监护是将分散的输液控制纳 入统一的输液管理当中n 叼。目前输液基站基本上由上述几家国外的大公司垄断， 价格昂贵，一台输液基站一般在2 5 4 9 万之间，除发达地区少数大医院外，难 以接受，因此很难在国内普及。 1 2 2 液体治疗 液体治疗是以静脉为通路输入各种输液剂进行治疗的方法。现代液体治疗不 仅是一种给药途径，还可用于对患者体液和营养的补充。在对危重症患者进行救 治的过程中，液体治疗的作用是不可替代的。但是由于危重病人的特殊性，无论 是大量输液或多种药物输注，还是控制给药，都对液体治疗的质量提出了很高的 要求。传统的手动推注和挂瓶输液难以达到临床要求。具有精确控制输液能力的 输液泵成为危重病房的必备医疗器械。输液泵能够大大减少因病人特征改变、输 液停止等非疾病因素造成的输液设备状态突然改变，以及由此而带来的病人生理 状态的不平稳所造成的对机体的损害，从而明显提高输液治疗的质量，同时减轻 对护士工作带来的额外负担。在欧洲和美国的高级医院中，平均每张床都配置了 一台输液泵，有时一个患者会使用4 个泵左右。目前，在国内医院，输液泵在i c u 、 手术室、c c u 、麻醉科等内使用较广泛。m q 钉 2 中山大学硕士学位论文基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 1 2 3 计算机辅助输注系统( c a c i ) 计算机辅助输注系统，应用计算机闭环控制技术对临床药物输注的自动控 制，能够大大减轻医护人员的日常工作量，改善病房工作环境，提高医疗质量。 s h e p p a r d 等( 1 9 6 8 ) 最早从事计算机闭环控制自动给药方案的研究，并将其应用 到对手术后危重病人的护理工作上。从7 0 年代开始，许多国外学者致力于研究 对各种药物进行闭环自动控制输注的理论，各种依靠计算机的自动给药算法不断 出现，取得了比依靠手工调节的给药更优的效果：对比手工调节药物静脉输注的 速度，计算机闭环控制自动给药可以在更好地稳定病人生理状态的同时，显著地 降低药物使用总剂量。也陆续在临床上开展一定规模的试验n 纠羽。这些闭环系统 的构成基本都是类似的：测量患者的生理状态参量，将测量的数值输入到计算机； 计算机内部的特定算法将即时的测量值与事先设定的目标值进行比较，从而决定 药物的输注速度；利用带有通讯接口的输液泵，控制输液泵的输注速度；进而使 病人的某个生理指标达到稳定状态。但是这些研究中的生理状态参量的检测方法 是有创的，难以在临床上普遍推广。 1 2 4 总线控制技术 目前工业控制方面比较流行的总线有r s 4 8 5 以及现场总线。在多种现场总 线的标准里，c a n 总线是应用最为广泛的标准 1 9 o c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 是一种有效支持分布式系统或实时控制的串行通信网络。其特点为：多主结构、 无破坏性的基于优先权的仲裁、多地址传送、远程数据请求、配置灵活、全系统 数据相容性、错误检测和出错信令、发送期间若丢失仲裁或信息遭破坏可自动重 发，暂时错误和永久性故障节点会自动脱离网络n 钉。但是，协议复杂，成本也较 高。r s 4 8 5 标准是一种一点对多点的串行通信总线，可构成主从式网络。它规定 使用差分传输在双绞线上传递数据；r s 4 8 5 实际上只规定了收发期间的电气特 性，是物理层的规范删。c a n 总线主要应用在汽车电子、自动控制、智能大 厦电力系统、安防监控等方面，近年来初步向医疗仪器领域应用。r s 4 8 5 相对更 为灵活，作为一种物理层规范，它的应用范围更加广泛。目前医疗仪器的分布控 制中，r s 4 8 5 的应用也相对更普遍，成本低，技术成熟醐1 。在本系统中，监护 输液基站与输液设备之间的有线通信控制，是一种集中控制枢纽与分散控制单元 的通信，与r s 4 8 5 的规范吻合。其通信可靠性问题也可以通过软件来保证。因 3 中山大学硕士学位论文基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 此，基于对于系统功能需求以及不同总线功能的比较，我们认为r s 4 8 5 的应用 是一种性价比更高的选择。 1 3 论文的主要工作 在2 0 0 8 年，我们项目组已经实现了基于z i g b e e 无线网络的诊疗一体化系统 的监护输液基站的主体功能的研制嘲。在最近年多的时间里我们通过查阅文 献，借鉴国内外同行的经验，应用科学分析方法对系统需求、方案、实现等方面 做了较充分的考虑，在论文中详细说明了整个需求分析、系统设计及实现的过程 和开发过程中的关键技术问题。本文作者的工作主要是实现基于r s 4 8 5 控制方 式的监护输液基站软件的研发，具体功能差别在于1 ) 在通讯方式上，用r s 4 8 5 总线替代了原有的z i g b e e 方式；2 ) 在输液计划的设置功能上增加了输液模板功 能，简化了人机界面的操作步骤，为用户带来方便；3 ) 优化了数据库的数据表， 降低数据冗余；4 ) 改进了通讯流程，使通讯过程更加可靠，增加模块的可移植性； 5 ) 实现了监护数据的回放以及系统的报警功能；6 ) 实现了液体平衡功能的框架。 1 4 论文的组织结构 本文包括如下内容： 第l 章绪论 介绍课题的背景、研究的意义，国内外研究现状及论文内容和结构等。 第2 章系统需求分析 介绍监护输液基站系统的需求分析及系统开发平台的选择。 第3 章系统功能设计 主要包括各功能模块的流程及数据库的设计。 第4 章系统实现 介绍监护输液基站系统的关键实现技术、实现策略及工作流程，实现结果， 各工作界面的操作流程。 第5 章结论及展望 总结全文，介绍本论文完成的主要工作，并指出不足，同时提出课题进一步的研究方 向。 4 中山大学硕士学位论文基于f , $ 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 2 1 需求分析 第2 章系统需求分析 基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统是基于现代计算机技术及输液治 疗方法、生理监护技术而研发的，由计算机控制多个输液设备根据输液过程中病 人的生理参数变化而对输液设备的输注速度、剂量、药物浓度等进行自动调节的 一套闭环反馈系统。系统由输液设备( 包括输液泵和注射泵) 、监护输液基站、医 护p d a 和中央监控服务器等组成。输液设备和监护输液基站各自带有通讯模块， 作为系统的组成部分，输液设备既可以与监护输液基站联合使用，也可以作为独 立设备单独适用。监护输液基站是整个系统控制的核心，以一个病人为治疗对象 具有输液过程监控和输液过程中的多生理参数监护等功能，可以为病人的治疗提 供交互式生理监护和输液治疗数据管理，集多通路复杂输液控制和病人生理参数 的控制管理、数据管理于一身，嵌入一定的闭环反馈控制算法能够实现输液的闭 环反馈控制，此外具有对输液和监护的异常情况进行报警的功能。监护输液基站 通过i 峪4 8 5 总线管理控制最多1 6 个输液设备共同构成一个治疗单元( 以一个病 人为中心) 。基站能够通过8 0 2 1l b 无线局域网与中央监控服务器和医护p d a 通 讯，并接受其控制。医护p d a 由医护人员携带，通过w i f i 网络访问监护输液 基站和中央监控服务器，显示任一治疗单元的基本状况，接受报警信息并响铃或 和振动，调节执行输液设备的基本控制参数，观察病人输液过程中的状态信息， 执行远程操作。中央监控服务器主要体现中央监控功能，放置在医护人员值班室， 方便随时查看了解病人状况。此外，诊疗一体化系统可以接入医院信息系统的有 线局域网，无缝接入到医院网络之中。 根据各组件在系统中的的层次结构和应用需求的不同，本系统采用以太网、 r s 4 8 5 总线等组成一个可互相通讯的网络系统。中央监控服务器、监护输液基站 和医护p d a 之间采用8 0 2 1 1 b 通讯协议组成局域网络，中央监控服务器和监护 输液基站基于医院网络通讯无需另外布线。8 0 2 1 l b 是i e e e 制定并广泛应用的 全球通用的无线局域网络( w l a n ) 标准，具有有线局域网络( 幽n ) 一样的安全 性、可管理性及可伸缩性，能够很好地与有线局域网兼容，而且具有较高的传输 速度( 最高传输速度为l1 m b p s ) 。在监护输液基站与输液设备之间的通讯方式： 5 中山大学硕士学位论文 基于l i s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 系统中要求监护输液基站能实时控制各输液设备，各输液设备之间无需通信，每 个输液设备都只接受监护输液基站的命令，并且将本输液设备的工作状态信息反 馈至监护输液基站。在这个交互过程中，每一次通信都是一对一的通信，且各输 液设备固定在同一个支架上，通信距离短。整个系统的网络拓扑结构如图2 - i 所示。 中 央 医 。 监 院 信 ip d a 卜卜控 _ - 息 ， 服 系 务 器 统 图2 1 危重监护与输液控制诊疗一体化系统结构 2 1 1 监护输液基站功能需求 输液监护基站是诊疗一体化系统的一部分，是输液治疗单元的输液控制和管 理的核心，最多可控制1 6 台输液设备( 包括输液泵和注射泵) 。基站提供了所连 接的所有输液设备的全部情况。主要功能有： 1 ) 遥控输液设备，最多可集中控制1 6 台输液设备； 2 ) 在输液治疗前，可针对病人的情况设置个性化的输液方案； 3 ) 输液方案模板功能：在对输液设备进行输液方案设置时，首先选中核心药， 系统会自动查询模板库中是否有该药物信息，如果有则自动填充其余参数，减轻 医护人员工作量； 4 ) 多种输液模式选择：有四种输液控制方式，包括常规模式( 恒速、梯形、 间隔、阶梯) 、基本闭环模式、稳态闭环模式、靶向控制模式； 5 ) 报警功能，对输液过程中出现的异常问题进行报警提示； 6 ) 液体平衡显示，对某一段时间病人的液体平衡状况进行分析； 7 ) 日志记录功能，对输液信息、操作信息及报警信息进行记录； 6 中山火学硕j ：学位论文基于p , $ 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 8 ) 生理监护功能，可在病人输液的同时监测病人的生理参数； 9 ) 后台信息管理，对系统的药物信息、员工信息、病人信息的管理，更新、 查询、删除、修改。 2 2 监护输液基站闭环控制工作原理 监护输液基站集成多参数生理监护模块，能综合控制多个输液设备，将治 疗( 静脉输液) 及其效果( 生理参数) 联系起来，监护输液基站的生理监护模块可实 时连续地测量患者生理状态( 心电、血氧、呼吸和体温) 数据。基本闭环控制模 式：当生理参数超出设定范围出现异常时，相关的输液设备暂停输液操作，并发 出警报；输液设备的异常报警信息通过r s 4 8 5 总线发送到监护输液基站，在监 护输液基站界面上显示出报警信号，并对报警信息进行记录，异常状况被处理后， 输液继续进行。稳态闭环反馈控制模式，是针对治疗需要，将监测到的生理参数 作为输入，根据一定的闭环控制算法，实现生理指标稳态控制，及时调整输液设 备的工作参数，输液设备依据指令实时调节工作状态，改变用药方式，进而达到 诊疗一体化和个体化治疗的目的。 闭环反馈控制功能的工作原理：生理监护模块实时连续地将测量到的患者生 理参数( 心电、血氧、呼吸和体温) 数据经分类解包后传送至闭环反馈控制算法模 块；闭环反馈控制算法模块根据特定的算法( 如基于血压稳态控制的闭环反馈控 制算法) 实现闭环反馈控制，控制的输入是测量的各生理参数的数据，控制的输 出即是对输注速度的调节指令；调节指令被发送至输液管理模块，通过输液管理 模块发送调节指令到输液设备；输液设备依据指令实时调节工作状态，改变用药 方式；而改变药物治疗方式所引起的机体反应，又可实时地检测出来，再次进入 系统进行分析计算，形成实时闭环反馈。( 见图2 - 2 ) 7 中山大学硕上学位论文 基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 图2 - 2 闭环反馈机制原理图 2 3 监护输液基站软件模块划分 根据监护输液基站的功能需求和模块化分析的原则，我们得到系统的软件功 能结构图，软件各模块如图2 - 2 所示： 图2 2 监护输液基站软件功能结构 1 ) 输液模块 诊疗一体化的主要功能就是对危重病人实施更有效的输液治疗。因此输液模 块的设计是基站的关键所在。输液模块可分为三个子模块：输液计划设置子模块、 输液过程监控子模块、输液分析子模块。三个子模块分别对应的输液治疗的输液 前、输液中、输液后的三个过程。 输液计划设置子模块：可在对病人输液治疗前根据病人的个体状况并按照医 嘱进行该次输液治疗方案的设置，基站可对多个输液设备进行组合式输液。设置 方案内容包括：选择对哪个输液设备进行操作、输液药物、输液模式、及输液速 8 中山大学硕上学位论文基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 度等参数。同时可以对输液方案进行编辑( 新建、修改、删除等) 并记录。将病人 的基本信息、医嘱和指定的输液方案保存在数据库中，方便日后的查阅。同时有 输液模板功能，即在选定核心药物之后，系统会自动搜索输液核心药物模板库， 查看是否有该核心药物的模板，如果有模板，则其余设置参数可根据模板记录自 动填入，不需要医护人员手动逐一设置，输液模板功能的设计可大大减轻医护人 员的负担，提高工作效率。 输液过程监控子模块：输液计划设置好后，就可以执行已设置的输液计划了。 在计划执行过程中，基站会将之前设定的计划生成输液控制命令通过r s 4 8 5 总 线与本次计划设置的多个输液设备进行通讯。对输液过程中出现的异常情况会自 动储存形成报警日志。基站的显示界面上会自动更新显示与输液过程紧密相关的 各类信息。监护输液基站接收输液设备的提示、报警信息，并提示中央监控服务 器的护士，并发送至护士手持p d a 。 输液分析子模块：提供对当次输液治疗的简要报告，有关重要事件、数据存 入日志；将输液治疗的历史纪录储存提供对患者治疗纪录的详细查询；可准确地 反应液体平衡情况。无需繁琐的输液速率分析，输液设备的所有数据均自动进行 编辑和处理，且液体平衡参数完全不需手工计算。 2 ) 监护模块 监护模块可实现病人生理参数0 心电、血氧、血压、体温) 的实时读取显示及 历史数据的趋势图和趋势表功能。其中最近l 小时的趋势图可以以每秒一个或每 5 秒一个数据的分辨率显示；最近2 4 小时的趋势图可以以每一分钟、每5 分钟、 或每1 0 分钟的分辨率显示；趋势图中纵坐标表示测量值，横坐标表示测量时间。 最近2 4 小时的趋势表数据可以按以下分辨率显示：1 分钟、5 分钟、1 0 分钟、 3 0 分钟、6 0 分钟。各组趋势数据对应的时间显示在最左边一列，趋势表中的参 数可以分为4 组：h r ，p r ；t e m p i ，t e m p 2 ，t e m p d ；s p 0 2 ，p r ；n i b p n s n d ) 。 3 ) 算法模块 算法模块主要是针对系统的闭环反馈控制功能而设计的。系统可根据具体需 要嵌入多种算法，例如基于血压的稳态控制算法，即当病人的血压指标超出预先 设定的安全范围，系统经过算法的计算可以对当前的输液方案进行调整，算法会 9 中山大学硕士学位论文基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 输出当前应执行的速度或输入的药物剂量，将其按照通讯协议打包发送到所连接 的输液设备。随着研究的深入可以嵌入更复杂更智能的闭环反馈算法。 4 ) 报警模块 系统的报警类型可分为三类：报警、预警、一般提示信息。对于每一种报警 类型都有一套特定的报警方案。系统可进行声、光、文字等报警。按报警源的类 型可分为：监护模块的报警、输液模块的报警及监护输液基站本身的报警。例如： 当病人的监护或生理数据出现异常，系统会进行声音提示，并用文字显示报警原 因；当病人输液出现异常时，系统会进行声音提示，并用文字显示报警原因，并 据具体情况，停止当前运行的输液设备；这样，监护的医生和护士可以非常直观 地观察到报警源，以便采取相应的措施。 5 ) 药物信息管理模块 储存常用药物的用药说明知识库，包括药物名称、生产厂家、剂型信息、剂 量信息、常规剂量、常规速度、该药的最大最小限速等，作为对各种药物注射 使用的总的约束。在权限范围内允许进行药物信息的编辑( 添加、设定、删除、 修改等) 。 6 ) 病人信息管理模块 收录病人基本信息，包括：病人姓名、i d 号、出生日期、体重、年龄、身 高、体表面积、患病历史记录。 7 ) 员工信息管理模块 收录员工基本信息，包括：员工姓名，性别，所属科室，职务，职位，简介 囱蟹 奇o 8 ) 日志信息管理模块 日志分两种：报警日志和操作日志。报警日志即对系统产生的各种报警信 息进行记录。操作日志记录对监护输液基站所进行的任何操作。日志一般情况下 都是只读属性。权限范围内人员可以查看日志记录，只有具有特定权限的人员才 可以对日志进行删除、备份等特殊操作。 1 0 中山大学硕士学位论文基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统薏站 第3 章系统设计 3 1 监护输液基站软件架构设计 3 - 1 ) ： 3 1 1 软件体系结构 根据前面功能模块的划分，在软件内部结构上采用层次体系结构( 见图 嘉 用户界面 = 刁 t = 层 t 匪銮垂垂 亘至引输液i 管理卜亘夏至至j 翠尝 l 一报警管理 卜 茎 圄圆l 数据文件l圊j l | 图3 - 1 软件体系结构框图 1 ) 表示层 通常指用户界面，主要用于应用程序与用户的交互，完成人机界面处理， 向用户提供对应用程序的交互性访问。大多数应用程序的表示层对于该应用程序 的成败常常都是至关重要的。表示层实际上代表了用户和应用程序其余部分之间 的接口。打个比方说，它就是轮胎和路面接触的地方。如果用户与应用程序的交 互方式不能使他们以高效和有效的方式执行自己的工作，那么应用程序在总体上 的成功将大打折扣嘲。 2 ) 业务层 介于表示层和数据层之间，为表示层服务，通过数据层得到相关数据进行 具体的运算和数据处理，它是将具体的业务处理逻辑编入程序中。表示层和业务 层之间的数据交往要尽可能简洁嘲。 3 ) 数据层 中山大学硕士学位论文基于赂4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 实现对数据库中数据的存取、修改、查询及访问数据的安全性、完整性和 一致性或者数据文件的管理和系统与外界的通讯处理嘲。 3 2 监护输液基站数据库设计 系统共需要9 大类信息，具体如下： 1 ) 病人信息表以病人为单位记录一个病人的相关信息。记录信息包括( 病人 i d 号、姓名、性别、病人类型、出生年月日、身高、体重、体表面积、入院时 间、出院时间、是否出院标志位、是否当前病人标志位、接管医生、住院医生) 。 病人信息表与输液计划表相关联，可通过输液计划表查询到某一位病人的所有输 液计划内容。 2 ) 药物信息表以一个药物为单位记录药物的相关信息。记录信息包括( 药 物i d 号、药名、类别、单位、正常速度、最小速度、最大速度、用药规则、配 伍禁忌、常用剂量、剂量调节步长) 。药物信息表与输液计划模板表相关联。当 选择了核心药物后，通过输液计划模板表搜索该药物的模板。药物信息表的作用 在于：1 ) 当设置输液计划时在选择核心药物的时候搜索核心药物模板；2 ) 选择 药物后如果未搜到模板，在该药物的剂量及单位选项仍会关联默认值，这个默认 值就记录在药物信息表的常用剂量及单位字段，还可关联该药物的调节步长。 3 ) 输液方案表以一个个病人的某一个输液设备为单位，记录与该设备相关 的输液计划信息，在输液执行的过程中，程序将从该表中提取与控制相关的参数 ( 输液速度) 进行上、下位机的通讯，这样就可使下位机( 输液设备) 按照预先设 置的输液计划执行输液过程。表的一条记录( 即一行) 可记录如下信息：该输液设 备在本次输液执行中所输的药物名称、药物剂量、药物单位、输液模式的类型， 模式的每一段的输液信息( 初速度、末速度、预置液量) ，本条记录的设置时间， 及输液完成后的信息搜集( 本条记录的执行时间、结束时间、总时间、总输注液 量) 。与输液计划表相关联的有病人信息表( 可通过该表按照病人的i d 号搜索到 该病人的所有计划信息) 。 方案药物表( 一个输液设备里可含有多种药物，因此采用这种索引下级表的 方式) 方案模式表( 一个输液设备对应一种输液模式，一种输液模式可能包含多个 输液段，比如梯形模式有3 段等，将一种模式分段记录便于统一多种模式，更具 中山大学硕上学位论文基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 灵活性，因此采用这种索引下级表的方式) 4 ) 输液方案模板表以核心药为单位记录该核心药的输液设置模板，记录信 息包括( 药物名、药物剂量、药物单位、剂型、模式类型、各段初末速度) 5 ) 输液计划表( 以一个病人为单位记录病人的1 1 1 个输液方案的组合) 6 ) 在线输液设备信息表以输液设备为单位，记录各个输液设备的相关信息， ( 输液设备i d 号、输液设备类型、是否在使用) 7 ) 员工信息表( 员工i d 号、员工姓名、员工性别、所在科室、员工职位、 员工职称) 8 ) 多媒体信息表( 存放多媒体信息：声音、图片等) 9 ) 登陆信息表( 用户名、密码、用户状态) 以一个登陆账号为单位，管理登 陆信息。目的在于登录时判断输入的用户名与密码是否与系统信息一致，如果不 一致则不能登录系统。 通过概念设计得出的数据库概念结构是独立于任何一种数据模型的信息结 构，是一个与具体d b m s 无关的概念模式。逻辑结构设计的主要目的是把概念 结构转换为数据库所选用的d b m s 所支持的数据模型。e _ r 图向关系数据模型 的转换要解决的问题是如何将实体和实体间的联系转换成关系模式，如何确定这 些转换后的关系模式的属性和码。关系模型的逻辑结构是一组关系模式的集合， e - r 图则是由实体，实体的属性和实体间的联系三个要素组成的。所以将e r 图转换为关系模型实际上就是要将实体、实体的属性以及实体问的联系转换成关 系模式啪矧。 下面列出本数据库系统几个重要关系模式的表结构： 输液模式表，用于保存某核心药物的模板信息，简化界面操作复杂度。结构如下： 输液模式表( f m _ i n f um o d e l ) 字段名数据类型字段大小说明 i n f u _ m o d e l i d c h a r 1 0 输液模板i d 号，主键 k e y d r u g _ n a m e c h a r1 0 核心药物名 m o d e ld r u gi dc h a r 4 辅助药物i d ，外键 m o d e lm o d ei df l o a t 8 模板模式i d m o d e l _ m o d et y p e i n t2 模板模式类型 表3 - 1 输液模式表结构说明 1 3 中山大学硕士学位论文 基于r s 4 8 5 的监护和输液诊疗一体化系统基站 输液设备表，用于查看当前输液设备的状态。结构如下： 输液设备表( f m _ p u m p _ m n g ) 字段名数据类型字段大小说明 p