麻醉工作站中监护参数传输系统研究-血压和心电传输及电子病历
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I
摘 要
随着医学工程技术的发展和人们生活水平的提高，麻醉机在临床中应用越来
越广泛。手术中对麻醉机的要求也越来越高，不但要求麻醉机具有高精准的麻醉
用药和供氧设施，还要求麻醉机具备一定的监护功能。麻醉工作站刚好符合现代
手术的要求，既能管理麻醉信息又能提供人体生理参数的监护功能。目前，国内
对于麻醉工作站的研究还较少。因此，本课题针对麻醉工作站的特点，设计了一
种集心电、血压的麻醉监护系统。
本课题在原有麻醉机的基础上，以嵌入式微处理器为核心，辅以无创心电和
血压监护模块，设计了麻醉工作站。主要针对嵌入式系统的特点对嵌入微处理进
行选型并进行了硬件设计和软件平台的开发。主要研究内容包括以下几个方面：
(1)总结了麻醉工作站的研究现状，并对心电和血压人体生理参数进行了详细
说明，并分析了麻醉工作站设计的目标功能。
(2)对麻醉工作站的硬件设计进行了分析，并具体介绍了每个监护模块及其数
据协议。
(3)详细说明了嵌入开发环境的搭建，包括 Linux 系统的选择，
Linux 系统的配
置和必要开发工具的安装，Qt/Embedded 开发环境的搭建。
(4)详细说明传输系统软件设计。包括监护模块到嵌入式微处理器的串口通信，
血压和心电数据的提取、处理和显示，报警系统的实现，网络传输中 HL7 消息的
构建和心电图的绘制。
经验证，该系统运行稳定、测量数据安全可靠。其清晰友好的界面和简单易
学的操作面板，都为医生带来了很大的方便。
关键词:麻醉工作站 嵌入式系统 Linux 心电 血压 电子病历
II
ABSTRACT
With the development of medical engineering technology and people's living
standards, anesthesia machine is increasingly used in clinical application. To meet the
growing demand, the anesthesia machine is supposed to have more functions. The
anesthesia machine should not only provide high precision anesthesia medication and
oxygen facilities, but also can provide monitoring function. So the anesthesia
workstation is exactly in line with modern surgical’s requirements, it can provide
anesthesia information management and physiological parameter monitoring functions.
At present, the research on anesthesia workstation is merely in China. Therefore, this
project designed a set of ECG, blood pressure, anesthesia monitoring system used in
anesthesia workstation.
The research is based on the traditional anesthesia machine, and designed a
anesthesia workstation. The main workstation is based on embedded microprocessor,
and integrated with ECG and blood pressure monitoring module. Depending on the
advantage of embedded system, the research includes the type selection of embedded
microprocessor, hardware circuit and software platform design. The article includes the
following:
(1) Summarized the anesthesia workstation research situation, introduction to ECG
and blood pressure and physiological parameters and analysis the design objective of
the anesthesia workstation.
(2) The anesthesia workstation hardware design was analyzed, and specific
description of each monitoring module and data protocol.
(3) Detailed description of the embedded development environment, including the
selection of Linux system, Linux system configuration and the install of necessary
development tools, Qt/embedded development environment to build.
(4) Details introduction of transmission system software design. Including the serial
communication from monitoring module to embedded microprocessor, blood pressure
and ECG data extraction, processing and display, alarm system implementation,
construction of network transmission HL7 message and ECG rendering.
After experimental verification, the system is stable, safe and the measurement is
reliable. It’s clear-friendly interface and easy learning control panel. These all give the
doctors great convenience.
Key words: Anaesthetic Workstation, Embedded System, Linux,
ECG, Blood Pressure, Electronic Medical Record
III
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ........................................................ 1
§1.1 课题研究背景 .............................................1
§1.2 课题研究意义 .............................................2
§1.3 国内外研究现状 ...........................................3
§1.3.1 国外研究现状 ....................................... 3
§1.3.2 国内研究现状 ....................................... 5
§1.4 课题研究内容及结构 .......................................6
第二章 麻醉工作站传输系统设计原理 .................................. 7
§2.1 心电概述 .................................................7
§2.1.1 心电图 ............................................. 7
§2.1.2 心电信号特征 ....................................... 8
§2.2 血压概述 .................................................8
§2.2.1 血压 ............................................... 8
§2.2.2 血压的形成 ......................................... 9
§2.2.3 血压的测量 ......................................... 9
§2.3 电子病历 ................................................10
§2.3.1 电子病历特点及现状 ................................ 10
§2.3.2 电子病历与医院信息系统的关系 ...................... 10
§2.3.3 麻醉电子病历 ...................................... 11
§2.4 系统设计 ................................................12
§2.4.1 设计目标功能概述 .................................. 12
§2.4.2 设计方法 .......................................... 13
第三章 传输系统的硬件设计 ......................................... 15
§3.1 系统总体硬件设计 ........................................15
§3.2 嵌入式开发板 ............................................16
§3.2.1 SamsungS3C2440A 处理器 ............................ 16
§3.2.2 DM9000 网络芯片 ................................... 16
§3.2.3 串口 .............................................. 17
§3.2.4 Led 和 PWM 蜂鸣器 .................................. 17
§3.2.5 按键接口 .......................................... 18
§3.3 监护模块介绍 ............................................19
§3.3.1 心电监护模块 ...................................... 19
§3.3.2 血压监护模块 ...................................... 20
IV
第四章 嵌入式开发环境的搭建 ....................................... 23
§4.1 Linux 系统 .............................................. 23
§4.1.1 Linux 系统选择 .................................... 23
§4.1.2 开发工具的安装 .................................... 24
§4.1.3 Fedora9 系统的配置 ................................ 25
§4.1.4 Linux 内核的定制和文件系统的制作 .................. 26
§4.2 Qt/Embedded .............................................27
§4.2.1 Qt/Embedded 简介 .................................. 27
§4.2.2 Qt/Embedded 的实现 ................................ 28
§4.3 Qt/Embedded 开发环境的建立 ..............................29
§4.3.1 Qt/Embedded 交叉编译器 ............................ 29
§4.3.2 Qt/Embedded(ARM)环境 .............................. 30
第五章 传输系统的软件设计 ......................................... 32
§5.1 血压和心电数据的串口传输 ................................32
§5.1.1 串口第三方类 ...................................... 32
§5.1.2 串口通信的设计 .................................... 33
§5.1.3 血压心电数据读取与解析 ............................ 35
§5.2 血压和心电数据的网络传输 ................................38
§5.2.1 TCP/IP 传输协议 ................................... 38
§5.2.2 网络传输设计 ...................................... 39
§5.2.3 HL7 简介 .......................................... 41
§5.2.4 血压和心电数据的网络传输 .......................... 41
§5.2.5 电子病历的请求与接收 .............................. 45
§5.3 报警系统 ................................................47
§5.4 终端显示 ................................................49
§5.4.1 Qt 绘图机制 ....................................... 49
§5.4.2 整体界面设计 ...................................... 50
§5.5 麻醉工作站的测试验证 ....................................51
第六章 总结与展望 ................................................. 53
§6.1 总结 ....................................................53
§6.2 展望 ....................................................53
参考文献 ......................................................... 55
附 录 ............................................................. 58
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 66
致 谢 ............................................................. 67
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究背景
随着生物医学工程的发展和人民生活水平的不断提高，麻醉机在临床上的应
用越来越广泛。在临床上，利用麻醉机为患者吸入麻醉药是广泛采用的麻醉方式
之一。在手术麻醉过程中，不仅要利用麻醉机给药，还要用机械通气来代替危重
病人的呼吸功能，还要监护病人的生命状况，这些工作都可以依靠先进的麻醉机
和监护仪来完成[1]。麻醉机已成为医院中重大手术不可缺少的医疗设备。
早期的麻醉机只是利用一些呼吸管路和阀门，依赖简单的气体测量表，全部
由人工实施通气的机械装置。随着电子技术和呼吸器械的发展和多种新的麻醉药
物的使用，使麻醉机的功能更完善化、自动化。近几十年来，国内外麻醉机的发
展突飞猛进，新的麻醉机要求能精密控制麻醉气体的释放，并要求能从蒸发罐中
释放出浓度准确的麻醉蒸汽，同时要保证供氧充足、排出二氧化碳、呼吸阻力低、
无效腔量小等特点[1]。
麻醉机作为现代医院进行手术全身麻醉的重要工具，其主要功能是为患者进
行吸入麻醉、代替呼吸、供氧等。随着各种病情的出现和医院大型手术的增加，
麻醉机的这些基本功能已不能满足病人和医生的需求。病人和医生都希望在手术
中有一种更加集成的医疗设备来为病人和医生服务，使病人的安全得到保证和医
生的工作量减小。
近年来，国内外麻醉机发展迅猛，现代麻醉机正逐步朝着智能化、集成化系
统发展，要求各部件组合协调、灵活、可靠，结构紧凑、合理，使用界面清晰友
好，操作方便快捷[2]。一台优良的麻醉机，对于减少装置故障所造成的麻醉意外及
对病人的安全起着十分重要的作用。随着医学工程技术的发展和人们对麻醉机的
不断的研究和改进。现在的麻醉机除了具有气路部分的基础构件外，还配有电子、
电脑控制和监测等仪器，已发展成为一种高度集成化、高度智能型的麻醉装置—
麻醉工作站[3]。概括的说，麻醉工作站(Anaesthetic Workstation)是一个将麻醉气体
的输送，麻醉信息的监护以及信息记录和存储管理等多项功能整合在一个平台上
的一体化麻醉系统。它不仅覆盖了传统麻醉机的所有功能，而且拥有符合现代麻
醉机发展趋势的多项功能。麻醉工作站典型的特点是采用模块式的设计，可以根
据需要进行增、减功能，具有软硬件不断升级的能力，因而为未来留有广阔的发
展空间。麻醉工作站的另一新颖、独到之处在于它能与医院信息系统(Hospital
Information System，
HIS)联网，可以把手术麻醉过程中所有的参数，包括麻醉输送
麻醉工作站中监护参数传输系统研究-血压和心电传输及电子病历
2
的参数和病人监护参数的所有信息传输到医院信息系统得以保存，还能从医院信
息中获得病人信息，得知病人的病史及禁忌，医生可以更加准确放心的对病人用
药[4]。
根据美国国家试验与设备标准协会(American Society for Testing Materials
Standards，ASTMS)规定，以后生产的麻醉工作站必须具备监测各种生理参数的装
置，还要拥有一些必要的报警系统。其监测参数一般包括：气道压力、CO2浓度、
麻醉药浓度、吸入氧气浓度、血压、心电图、血氧饱和度浓度等，报警分为高、
中、低等报警，自动和手动报警[5]。现在，麻醉工作站在保证病人安全方面做得比
较完善，其屏幕上可以按需显示病人的生理参数，并可设置报警参数的上下限值。
因此本课题根据麻醉机的发展趋势，设计了一种新型多功能麻醉机-麻醉工作
站。本课题设计的麻醉工作站除了具备一般麻醉机的基本功能外，还具有心电、
血氧、血压等监护功能，还能与医院信息系统联网，可把手术过程中病人的信息
传到医院信息系统并能从医院信息系统获取病人的信息，如电子病历等。本课题
设计的麻醉工作站，符合现代麻醉机的发展趋势。
§1.2 课题研究意义
新一代麻醉工作站是应现代麻醉的要求而专门设计的。它已经远远超出传统
麻醉机的概念。它将麻醉机与现代微电子技术及计算机技术完美结合于一体，是
高度一体化、集成化和智能化的一种新的麻醉工作平台。
本课题设计的麻醉工作站是基于嵌入式软硬件平台实现的 ，体现了其低功
耗、低成本和高性能等特点。可用于医院手术独立使用，也可用于手术室一体化
的构建。它的成功实现为病人带来了更多的福音，为医院和医生提供了更多的技
术支持。本课题设计的麻醉工作站的主要组成与特点：
(1)一体化的操作界面
麻醉工作站 14 寸的 LCD 显示界面集成几乎病人所有的信息。六个按键和一
个飞梭实现了人机交互的功能，使得医生更加容易操作。
(2)完善的监测和报警系统
监测系统能监测所有与麻醉相关的参数及指标和人体生理参数，并配有各种
波形，其监测值有：气道压力、潮气量、吸入氧(O2)浓度、心电图(ECG)、血氧饱
和度(SPO2)和血压(IBP)等。监护系统还具有完善的报警系统，如果病人的生理参
数超过设置的上下限值，系统会发出警告信息通知医生。
(3)电子病历
电子病历主要是从医院信息系统中获取病人的基本信息，主要包括病人的病
第一章 绪论
3
史与病人的用药禁忌等[6]。
§1.3 国内外研究现状
麻醉机的发展经历了一个漫长的时期。早在 1846 年，牙科医生 Morton 在为
患者拔牙时，实验了牙科手术吸入乙醚蒸汽作为麻醉作用，第一次在麻醉条件下
完成手术，使患者在麻醉条件下完成手术成为可能。
1901，德国人 Heinnich Drager
和他的儿子用氧气和氯仿(麻醉剂)制成了世界上第一台简单的麻醉机[7]。随着氧气
的提纯及高压(压缩)气体的储存技术的发展，使现代吸入麻醉技术飞速发展。到 20
世纪 50 年代，一些方便麻醉师使用的麻醉设备相继出现在麻醉机上，如在麻醉机
上添加机架、抽屉、写字台等辅助设施。呼吸机也采用自动工作模式，可以连续
为患者通气，吸(呼)气阀也有了较大改善，压力释放阀的调节范围更大，麻醉机的
安全性和可靠性得到显著提高。在科技人员和医务人员的不断努力和改造下，麻
醉机的功能不断完善，技术含量也不断的提高，从最简单的麻醉机发展至今天的
麻醉工作站。
§1.3.1 国外研究现状
国外对于麻醉机的研究较早，早期的麻醉机无论是在设计上还是功能上都是
比较简易的。最早的麻醉机(如图 1.1(a))，其主要部件有麻醉药蒸发瓶、气体测量
表、呼吸管路和一些阀门。随后，又出现了可重复吸收的麻醉机(如图 1.1(b))，其
主要改变是在麻醉通气系统上的设计。麻醉通气系统采用重复式系统的设计，这
对以后麻醉呼吸回路的发展指出了一个方向。
到20 世纪 50 年代，麻醉机不仅在功能方面有所改进，更注重于麻醉机的人
性化设计，在麻醉机上增加了一些方便麻醉师使用麻醉设备的设施。PENLON 公
司生产的麻醉机(如图 1.1(c))无论是在外观上还是功能上都比早期的麻醉机要好得
多。相比早期的麻醉机，PENLON 的麻醉机多了两个工作台和四个滑轮的支架。
工作台可用于麻醉医师放置东西，而带滑轮的支架方便麻醉机的移动，为医师的
工作带来极大的便利。同时期 dräger 公司的麻醉机(如图 1.1(d))功能更完善，在外
观设计上也更完美。除了具有工作台和支架外，还添加了抽屉，可让麻醉医师分
类放置东西。
综上所述的四种麻醉机，虽然设计上不断改进创新，功能上不断完善，但是
存在一个不足的问题。麻醉机不能设置对病人的用药，也不能显示手术过程中的
麻醉信息。对于病人用药的多少，只能根据麻醉医师的经验来判断，或多或少都
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I摘要随着医学工程技术的发展和人们生活水平的提高，麻醉机在临床中应用越来越广泛。手术中对麻醉机的要求也越来越高，不但要求麻醉机具有高精准的麻醉用药和供氧设施，还要求麻醉机具备一定的监护功能。麻醉工作站刚好符合现代手术的要求，既能管理麻醉信息又能提供人体生理参数的监护功能。目前，国内对于麻醉工作站的研究还较少。因此，本课题针对麻醉工作站的特点，设计了一种集心电、血压的麻醉监护系统。本课题在原有麻醉机的基础上，以嵌入式微处理器为核心，辅以无创心电和血压监护模块，设计了麻醉工作站。主要针对嵌入式系统的特点对嵌入微处理进行选型并进行了硬件设计和软件平台的开发。主要研究内容包括以下几个方面：(1)总结了...
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