麻醉工作站中监护参数传输系统研究—血氧和麻醉参数传输

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3.0 高德中 2024-11-19 16 4 6.01MB 68 页 15积分

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摘要

麻醉工作站是医院现代化手术室中的标志性医疗设备。在现代麻醉手术

中，麻醉工作站要求不仅能输送可靠稳定的麻醉气体，还能提供完善的麻醉监

护系统。但是目前医院使用的麻醉工作站不仅监护系统不健全，而且只能在本

地手术室中显示所有监护信息。因此，传统的麻醉工作站在数字信息集成化、

远程传输网络化和便捷的人机交互性等方面具有较大的缺陷和不足。

课题以 ARM9 处理器为核心，以血氧模块和麻醉机为基础来实现麻醉工作

站监护参数传输系统的设计。该监护系统不仅具备血氧和麻醉参数监护，以及

本地传输显示等基本功能，还具备良好的监护信息数字化集成设计，安全可靠

的网络化传输设计和友好简洁的人机交互性设计等优点，很好的解决了传统麻

醉工作站存在的缺陷和不足。

课题第一章为绪论，第二章概述了麻醉监护系统的总体设计，第三章详细

描述了麻醉监护系统的本地数据采集、传输和显示的设计过程，还描述了系统

的报警功能。第四章详细描述了麻醉监护系统的 HL7 消息构建和远程网络传输

的设计过程，并分析实验结果。第五章对本课题的麻醉监护系统进行了总结归

纳，并由此提出该系统的发展前景。

通过完成本课题的麻醉监护系统的开发，作者熟悉和掌握了嵌入式软件的

标准开发流程。同时，该系统的的设计和实现，指明了现代麻醉工作站监护系

统的发展方向，具有广阔的应用前景。

关键词：麻醉工作站嵌入式系统 Qt/Embedded 血氧参数麻醉参数

ABSTRACT

Anesthesia workstation is the characteristic medical equipment in the modern

hospital operating room. In modern anesthesia operations, anesthesia workstations are

not only required to convey reliable and stable anesthesia gas, but also to provide solid

anesthesia monitoring system. However, the recent monitoring system of anesthesia

workstation is far from well-established as it can only show monitoring informations in

local operating room. Therefore, the traditional anesthesia workstation has comparable

large defects in aspects of digital information integration, remote transmission network,

friendly man-machine interaction, and so on.

Taking embedded processor as core, the project designed the monitoring

parameters’ transmission system of anesthesia workstation on the basis of the blood

oxygen module and anesthesia machine. The monitoring system not only has the basic

functions of monitoring, transmitting and displaying of local blood oxygen and

anesthesia parameters, but also well designed in monitoring informations integration,

safe and reliable network transmission and friendly man-machine interaction, which

well solved the problems of traditional anesthesia workstation.

In general, the article comprises five sections. The first chapter is a brief

introduction. The second chapter introduces the overall design of anesthesia monitoring

system. The third chapter describes the design of local data’s collection, transmission

and display in detail, and introduces the system’s alarm function as well. The

construction of HL7 message and the design of remote network transmission in the

anesthesia monitoring system are described detailedly in the fourth chapter. In the final

part (chapter 5), we summarizes the anesthesia monitoring system in our project and

then proposes the prospects of the system in future.

Through the design of anesthesia monitoring system, the author have been familiar

with and mastered the standards developing process of embedded software. Meanwhile,

the design of the system, pointing out the development direction of modern anesthesia

workstation monitoring system, has wide application prospects.

Key Words: Anesthesia Workstation, Embedded System,

Qt/Embedded, Blood Oxygen Parameters, Anesthesia Parameters

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§ 1.1 课题背景 .................................................. 1

§ 1.2 麻醉监护系统研究现状 ..................................... 2

§ 1.2.1 国外研究现状 ......................................... 2

§ 1.2.2 国内研究现状 ......................................... 4

§ 1.3 课题设计目标 .............................................. 5

§ 1.4 课题创新之处 .............................................. 5

§ 1.5 课题研究内容 ..............................................6

§ 1.6 本章小结 .................................................. 6

第二章麻醉监护系统的总体设计 ........................................ 7

§ 2.1 搭建系统硬件平台 .......................................... 7

§ 2.2 血氧模块概述 .............................................. 8

§ 2.2.1 SWS01 无创血氧模块 ................................... 8

§ 2.2.2 SWS01 无创血氧模块参数传输协议 .......................9

§ 2.3 麻醉机概述 ............................................... 10

§ 2.3.1 MHJ-IC 麻醉机 ...................................... 10

§ 2.3.2 MHJ-IC 麻醉机参数传输协议 .......................... 11

§ 2.4 ARM9 处理器相关硬件 ....................................... 14

§ 2.4.1 S3C2440 处理器 ..................................... 14

§ 2.4.2 串口和网络接口 ...................................... 14

§ 2.4.3 LED 灯和 PWM 蜂鸣器 .................................. 15

§ 2.4.4 按键和飞梭旋钮 ...................................... 16

§ 2.5 建立嵌入式开发环境 ....................................... 16

§ 2.5.1 安装 Linux 系统 ...................................... 16

§ 2.5.2 安装交叉编译器 ...................................... 17

§ 2.5.3 配置主机通信环境 .................................... 19

§ 2.5.4 装载 Bootloader 引导程序 ............................. 20

§ 2.5.5 定制 Linux 内核 ...................................... 20

§ 2.5.6 建立目标文件系统及映像文件 .......................... 21

§ 2.6 建立 Qt/Embedded 开发环境 ................................. 22

§ 2.6.1 Qt/Embedded 概述 .................................... 22

§ 2.6.2 安装 Qt/Embedded 交叉编译器 .......................... 23

§ 2.6.3 建立 Qt/Embedded(X86)环境 ............................ 24

§ 2.6.4 建立 Qt/Embedded(ARM)环境 ............................ 25

§ 2.6.5 Qt/Embedded 开发流程 ................................ 27

§ 2.7 本章小结 ................................................. 28

第三章麻醉监护系统的本地传输设计 ................................... 29

§ 3.1 系统软件总体设计 ......................................... 29

§ 3.2 串口通信模块 ............................................. 30

§ 3.2.1 串口第三方类 ........................................ 30

§ 3.2.2 串口通信模块设计 .................................... 30

§ 3.3 血氧和麻醉参数的采集 ..................................... 32

§ 3.3.1SWS01 无创血氧模块参数采集 .......................... 32

§ 3.3.2MHJ-IC 麻醉机参数采集 ................................33

§ 3.4 血氧和麻醉参数的处理 .................................... 33

§ 3.4.1 SWS01 无创血氧模块数据包的处理 ..................... 33

§ 3.4.2MHJ-IC 麻醉机数据包的处理 ............................ 34

§ 3.5 血氧和麻醉参数的报警系统 ................................ 36

§ 3.5.1 报警限值设置菜单 .................................... 36

§ 3.5.2 报警菜单操作说明 .................................... 36

§ 3.6 本章小结 ................................................. 38

第四章麻醉监护系统的网络传输设计 ................................... 39

§ 4.1 HL7 数据协议 .............................................. 39

§ 4.1.1 HL7 协议简介 ........................................ 39

§ 4.1.2 HL7 消息构建 ........................................ 39

§ 4.2 血氧和麻醉参数的网络传输设计 ............................. 42

§ 4.2.1 TCP/IP 传输协议 ..................................... 42

§ 4.2.2 网络传输功能的总体设计 ............................. 43

§ 4.2.3 麻醉监护系统的网络发送 ...............................44

§ 4.2.4 HL7 消息的网络接收 .................................. 45

§4.3 实验结果分析 ............................................... 46

§ 4.3.1 本地传输功能的实验结果分析 .......................... 47

§ 4.3.2 网络传输功能的实验分析 .............................. 49

§ 4.4 本章小结 .................................................. 49

第五章总结与展望 ................................................... 50

§ 5.1 总结 ...................................................... 50

§ 5.2 展望 ...................................................... 50

附录 ............................................................... 52

参考文献 ............................................................ 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 64

致谢 ............................................................... 65

第一章绪论

本章节为绪论部分，主要针对课题的选题背景、课题的研究现状，提出课题

的设计目标和主要研究内容，并阐明课题的创新之处。

§ 1.1 课题背景

麻醉工作站(Anaesthetic Workstation)是医院现代化麻醉手术室中的一种重要

医疗设备，主要功能是对患者实施全身麻醉、供氧及麻醉监护[1]。概括地说，麻醉

工作站是一种将麻醉机与现代微电子技术及电脑相结合，高度集成化和智能型的

麻醉工作平台[2]。现代化的麻醉工作站不仅具备麻醉机的气体精确输送，使用机械

通气帮助患者呼吸等基本功能，还能将人体生理参数和麻醉参数监护等功能整合

在一起。为了改善麻醉医生的工作环境，加强和保障患者的生命安全，降低临床

麻醉手术的风险，越来越完善的麻醉监护系统成为现代麻醉工作站的研究重点和

必然发展趋势。从当前国内医院的实际需求和长远发展来看，现代麻醉工作站的

监护系统必须满足以下几个条件：

(1) 麻醉信息和监护信息能数字化传输和一体化显示。

(2) 友好直观的中文显示界面和简洁的人机交互界面。

(3) 麻醉信息和监护信息能进行远程网络传输。

随着计算机和信号处理技术的不断发展，以及临床上对危重患者和潜在危险

患者的麻醉监护要求的不断提高，对麻醉工作站监护功能的要求也不断提高[3]。

为了达到现代麻醉手术的安全性要求，现在大多数医院在麻醉手术过程中都采用

组合监护的模式——麻醉机监护所有的麻醉参数，血压、心电和血氧等监护仪监

护患者的生命体征信息[4]。但是，这种组合监护模式存在很大的潜在风险，由于麻

醉机和监护仪设备存在设备精确性、稳定性和延时性等方面的差异，不能保证麻

醉信息和患者生命体征信息的实时一体化显示，这极有可能给麻醉医生带来很多

的误导信息，从而增加了麻醉手术的危险性。另外，目前大部分医院使用的麻醉

机和监护仪都是从国外进口，但是这些进口设备都是纯英文的显示界面，这对国

内的许多麻醉医生来说增加了理解和操作的困难，不利于麻醉工作站在中国的推

广和普及。还有很重要的一点，这些麻醉机和监护仪大都只能本地单机监护，缺

乏远程网络传输功能，从而大大限制了麻醉工作站信息的实时可扩展性和信息共

享性。因此，目前大部分医院使用的麻醉工作站在很大程度上不能满足现代麻醉

手术的需求，也不能将现有的这种组合监护模式的麻醉工作站称为真正意义上的

麻醉工作站中监护参数传输系统研究——血氧和麻醉参数传输

麻醉工作站。由此可以看出，这些麻醉工作站在人体生理信息和麻醉信息一体化、

友好便捷的人机交互性和远程传输网络化等方面具有较大的缺陷和不足，不能满

足国内医院麻醉手术的现代化需求。

本课题是上海市科委“新型多功能麻醉机开发”项目。课题针对当前麻醉工

作站的缺陷和不足，以嵌入式系统为基础，设计出一种用于麻醉工作站的新型监

护参数传输系统。该系统采用联网监护模式，不仅能将人体生理参数监护功能和

麻醉参数监护功能整合在一起，还能将这些参数通过网络传输到医院信息系统

(Hospital Information System，HIS)。和上述组合监护模式的麻醉监护系统相比较，该

系统不仅可实现医院中心监护、电子记录和信息共享等功能，还为提高手术工作

效率、促进手术室管理水平提高、手术流程再造提供了一种新的解决方案[5]。

该系统除了人体生理参数和麻醉参数的一体化设计，安全可靠的网络传输设计

外，还具备友好的中文界面显示，简洁的人机交互性设计等优点，很好地解决

了当前麻醉工作站一直存在的问题。该系统可避免和减少医疗意外事故的发生，

减少医疗风险，提高医疗质量，能满足现代麻醉手术对患者的监护需求，具有

很强的实用性和广阔的发展前景。

§ 1.2 麻醉监护系统研究现状

§ 1.2.1 国外研究现状

国外麻醉机的发展已经有 100 多年的历史。1901 年，德国人德尔格使用

氧气和氯仿(也叫三氯甲烷)成功仿制了世界上第一台简易麻醉机[6]。早期的麻醉

机(图1-1(a))在设计和功能方面都比较简单，主要部件只有麻醉药蒸发瓶、气体测

量表、呼吸管路和相关阀门。随着麻醉通气系统的设计和改进，出现了可重复吸

入的麻醉机(图1-1(b))。到 20 世纪 50 年代，麻醉机除了功能的改进外，开始注重

麻醉机的人性化设计，英国一家公司生产的 Penlon 麻醉机(图1-1(c))与早期的麻醉

机相比，不仅多了两个可用于放置设备的工作台，底部还具有四个方便麻醉机移

动的滑轮，这些设计为麻醉医生的工作带来极大的便利。与此同时，德国德尔格

公司生产的 Drager 麻醉机(图1-1(d))不但功能更完善，在外观设计上也更完美，初

步发展形成了现代麻醉机的雏形。

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摘要：

摘要麻醉工作站是医院现代化手术室中的标志性医疗设备。在现代麻醉手术中，麻醉工作站要求不仅能输送可靠稳定的麻醉气体，还能提供完善的麻醉监护系统。但是目前医院使用的麻醉工作站不仅监护系统不健全，而且只能在本地手术室中显示所有监护信息。因此，传统的麻醉工作站在数字信息集成化、远程传输网络化和便捷的人机交互性等方面具有较大的缺陷和不足。课题以ARM9处理器为核心，以血氧模块和麻醉机为基础来实现麻醉工作站监护参数传输系统的设计。该监护系统不仅具备血氧和麻醉参数监护，以及本地传输显示等基本功能，还具备良好的监护信息数字化集成设计，安全可靠的网络化传输设计和友好简洁的人机交互性设计等优点，很好的解决了传统麻...

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