1、于TCP/IP協(xié)議的多床位多參數(shù)中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)    提要：通信是中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)所必須解決的主要問題之一。文中提出的中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，以TCP/IP協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，以Windows NT4.0為平臺，構(gòu)成醫(yī)院內(nèi)部的Intranet監(jiān)護(hù)網(wǎng)，并深入討論了床邊監(jiān)護(hù)站與中心監(jiān)護(hù)站的網(wǎng)絡(luò)通信等問題，提出了基于TCP/IP協(xié)議的醫(yī)用中心監(jiān)護(hù)協(xié)議HCMP用于傳遞監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有的通信子網(wǎng)，可以很容易地實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。    分類號：TP915.04文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A    文章編號：1000-69

2、74(2000)02-0067-06    Multi-bed & Multi-parameter Central Monitoring System Based on TCP/IP Protocol    LIAN Shi-junHU Da-keZHAO Ming-heTANG Li-hui    （Institute of Life Science and Biomedical Engineering，Zhejiang University）  

3、;  Abstract：Communication is one of the key problems to a central monitoring system.In this paper we put forward a central monitoring system using TCP/IP as the network protocol，Windows NT4.0 as the platform，forming a Intranet in a hospital.We also discussed the communication problem betwe

4、en the bed-side monitoring station and the central monitoring station in detail and then put forward a new protocolHospital Central Monitor Protocol (HCMP)based on TCP/IP to transfer monitoring data.It is easy to achieve tele-monitoring through the current communication subsystem.   &

5、#160;Key Words：Bed-side monitoring；Central monitoring；Network；TCP/IP    中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是目前應(yīng)用較廣、功能較強(qiáng)、使用方便的輔助診斷設(shè)備，為大中型醫(yī)院危重病房所普遍采用，目前監(jiān)護(hù)系統(tǒng)一般采用專用器件，形成一個獨立系統(tǒng)。這種系統(tǒng)往往造價昂貴，功能單一，不能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，且不提供與外部系統(tǒng)的接口。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)院的普及，醫(yī)院各科室之間共享數(shù)據(jù)的要求將會越來越強(qiáng)烈。因此，在通用的微機(jī)系統(tǒng)上開發(fā)一套監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，不僅可以滿足數(shù)據(jù)共享的要求，而且可以降低開發(fā)成本，或利用醫(yī)院現(xiàn)有的微機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，根

6、據(jù)實際需要靈活配置，使大部分中、小型醫(yī)院也可以擁有自己的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。    1系統(tǒng)簡介    1.1設(shè)計原則：    充分利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可靠的工作平臺，降低成本。    各床邊監(jiān)護(hù)儀既可獨立工作，又可連成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成醫(yī)院的中心監(jiān)護(hù)網(wǎng)。    通過現(xiàn)有的通訊手段，可以很方便地實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，無須修改程序，即遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)站同本地監(jiān)護(hù)站的地位是平等的。    不同的醫(yī)

7、院通過高速數(shù)據(jù)專線可以互相聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成更大的監(jiān)護(hù)網(wǎng)。    基于以上設(shè)計原則，我們選擇Windows NT為工作平臺，選取TCP/IP協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，構(gòu)成醫(yī)院內(nèi)部的Intranet監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。    我們的中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中有三種相對獨立的工作站：床邊監(jiān)護(hù)站、中心監(jiān)護(hù)站和中心診斷站。三種工作站用局域網(wǎng)相連，如果網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。          圖1中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖  

8、60; 床邊監(jiān)護(hù)站一般位于病人床邊，負(fù)責(zé)采集病人的生理參數(shù)。如果某種參數(shù)出現(xiàn)異常，則以各種形式報警(如發(fā)聲、字體閃轢)，提醒醫(yī)務(wù)人員采取相應(yīng)措施。同時保存各種數(shù)據(jù)。床邊監(jiān)護(hù)站可以單獨使用，本地將保存24小時的數(shù)據(jù)，同時，通過ODBC接口，數(shù)據(jù)還可以保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫上(如果有的話)，用于查詢及歸檔等?；胤艜r，可顯示任意時間段的波形。各類報警事件也將保存，醫(yī)務(wù)人員可指定查看任意類的事件。床邊監(jiān)護(hù)站既可單獨使用，也可加入監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，作為網(wǎng)上的工作站，床邊監(jiān)護(hù)站還提供“它床觀測”功能，該功能可以實現(xiàn)將別床的數(shù)據(jù)在本床顯示。    中心監(jiān)護(hù)站主要功能是便

9、利于醫(yī)生同時觀察多個床邊的情況。中心監(jiān)護(hù)站根據(jù)醫(yī)生設(shè)置，將各床邊數(shù)據(jù)收集顯示，如果有報警事件，通知值班人員。中心監(jiān)護(hù)站可配置一臺或多臺。醫(yī)務(wù)人員可根據(jù)需要選擇觀察多個床邊的部分波形和參數(shù)，也可選擇觀察一個床邊的所有數(shù)據(jù)。中心監(jiān)護(hù)站可監(jiān)護(hù)網(wǎng)上的任何床邊監(jiān)護(hù)站，但由于屏幕大小的限制，目前每個中心監(jiān)護(hù)站最多同時顯示8個床邊的數(shù)據(jù)。    中心診斷站負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，作一些后期的輔助診斷，同時提供病歷生成等功能。醫(yī)生還可以用軟盤將數(shù)據(jù)拷貝出來，或打印病歷等。    2醫(yī)用中心監(jiān)護(hù)協(xié)議HCMP  

10、60; 用TCP/IP協(xié)議傳輸實時監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)是一次新的嘗試，TCP/IP協(xié)議本不是為實時通信設(shè)計的，有些數(shù)據(jù)，尤其是波形類的數(shù)據(jù)如ECG，BP，PULSE等不僅要求有一定的實時性，而且對傳輸過程中的抖動(即相鄰兩個數(shù)據(jù)報之間的時間間隔不固定)要求較高，因此必須采取相應(yīng)措施加以解決。    目前為止，尚無基于TCP/IP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層協(xié)議用于傳輸諸如ECG、BP、PULSE等數(shù)據(jù)，因此我們只能根據(jù)自己開發(fā)的中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)定義一個協(xié)議HCMP(Hospital Central Monitor Protocol)，即醫(yī)用中心監(jiān)護(hù)協(xié)議。 

11、60;  在設(shè)計該協(xié)議時，我們既要考慮醫(yī)用中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的特點，即中心監(jiān)護(hù)站與床邊監(jiān)護(hù)與床邊監(jiān)護(hù)站須實時傳輸，但允許有一定的延時；又要考慮網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載與效率，因此采用定長數(shù)據(jù)報格式，并且采取“簡潔至上”的原則來設(shè)計，使網(wǎng)絡(luò)上盡可能地傳輸有用數(shù)據(jù)，同時考慮到系統(tǒng)的開放性，即將來很有可能增加數(shù)據(jù)種類，應(yīng)該很容易地把新種類的數(shù)據(jù)加進(jìn)HCMP中。    在中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，要求數(shù)據(jù)實時顯示，但中心監(jiān)護(hù)站與床邊監(jiān)護(hù)站是在不同的地方，有3-4秒的延遲，醫(yī)生感覺不出來，而且是可以忍受的；因此床邊沒有必要每采樣一次就向中心發(fā)送一個數(shù)據(jù)，這樣只能降低效率，增

12、加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，床邊每隔1秒鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)已經(jīng)足夠滿足監(jiān)護(hù)需要。    目前，我們的中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以監(jiān)護(hù)如下生理參數(shù)，見表1。    表1監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的主要檢測單元    編號 檢測單元 數(shù)據(jù)長度 采樣速率                 編號    檢測單元  &

13、#160; 數(shù)據(jù)長度    采樣速率        1    單道ECG(ECG)    1    250sps        2    雙道ECG(ECG1/2)    2 &#

14、160;  500sps        3    三道ECG(ECG1/2/3)    3    750sps        4    Pulse(Pir，Pred)    1   

15、0;25ps        5    Temp(Temp)    1    單次        6    NIBP(pd，ps)    2    單次    &

16、#160;   7    BP    2    單次        8    Resp(Resp)    1    10sps根據(jù)表1可以計算出最多的數(shù)據(jù)是心電，每秒250個字節(jié)，其他數(shù)據(jù)加起來不到100個字節(jié)，可以用一個報文傳輸，因此數(shù)據(jù)報文定義如

17、下：        2.1數(shù)據(jù)報文：    數(shù)據(jù)報文長度固定為256字節(jié)，包括心電報文、復(fù)合報文兩種，心電報文用于傳遞心電數(shù)據(jù)，包括ECG1，ECG2，ECG3.格式如下：    心電報文：         Type：T_ECG1，T_ECG2，T_ECG3    Length：數(shù)據(jù)長度，小于253。

18、0;   復(fù)合報文：    復(fù)合報文主要用于傳輸數(shù)據(jù)量比較小的波形數(shù)據(jù)及參數(shù)，如RESP，PULSE，BP等，前半部分用于傳輸其余的波形數(shù)據(jù)：RESP，PULSE，BP。          復(fù)合報文從第128個字節(jié)開始，用于傳輸參數(shù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型占一字節(jié)，數(shù)據(jù)值占4字節(jié)。          2.2控制報文   

19、0;網(wǎng)絡(luò)中除傳輸數(shù)據(jù)報文以外，還需要傳輸一些控制報文，以實現(xiàn)雙方信息的交流。控制報文長度固定為256字節(jié)，控制報文有如下幾種：    ALL_DATA：中心發(fā)此報文，詢問床邊能提供的所有數(shù)據(jù)，格式如下：         床邊對此報文的響應(yīng)報文格式如下：         byDataKind是一個預(yù)先定義的BYTE型數(shù)組，標(biāo)志各類參數(shù)和波形是否存在，如果存在，則byDataKin

20、di為1，否則為0。    Len為數(shù)組長度，Len=Sizeof(byDataKind)    DISP_DATA：用于他床觀測，發(fā)送者發(fā)出此報文，詢問床邊正在顯示的數(shù)據(jù)，    格式如下：    接收者對此報文的響應(yīng)報文格式如下：    PatientID：病人ID，4字節(jié)整數(shù)。    WaitTime：中心收到第一個數(shù)據(jù)報以后，等待多長時間開始顯示。&

21、#160;   收者發(fā)出此報文后，即開始發(fā)送本床正在顯示的所有數(shù)據(jù)。    NEED_DATA：中心發(fā)此報文，告知床邊中心所需要的數(shù)據(jù)，    格式如下：    床邊對此報文的響應(yīng)如下：    WaitTime：中心收到第一個數(shù)據(jù)報以后，等待多長時間開始顯示。    同樣以byDataKind的值來標(biāo)注某種數(shù)據(jù)是否存在。    

22、從上面的HCMP協(xié)議的數(shù)據(jù)報文格式可以看出，第一個字節(jié)用于標(biāo)識數(shù)據(jù)類型，因此共可標(biāo)識255種不同的數(shù)據(jù)類型(本來應(yīng)該是256種，但被控制報文占去一種)。如果數(shù)據(jù)量比較小，還可以采用復(fù)合報文來傳輸，控制報文也是占單獨一個字節(jié)，共可以有256種控制報文。因此可以容納足夠多的參數(shù)及控制消息，適應(yīng)將來的監(jiān)護(hù)需求。    2.3傳輸層協(xié)議選擇：TCP還是UDP    我們所定義的HCMP協(xié)議位于應(yīng)用層，與FTP、SMTP、TELNET等協(xié)議處于同一層，因此，在傳輸層有兩種協(xié)議供選擇：TCP及UDP協(xié)議1。 

23、0;  TCP傳送控制協(xié)議(Transmission Control Protocol)，這是一種提供給用戶進(jìn)程的可靠的全雙工字節(jié)流面向連接的協(xié)議。它要為用戶進(jìn)程提供虛電路服務(wù)，并為數(shù)據(jù)可靠傳輸建立檢查。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)用戶程序使用TCP。    UDP用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol)，這是提供給用戶進(jìn)程的無連接協(xié)議，用于傳送數(shù)據(jù)而不執(zhí)行正確性檢查。    如果只考慮在某個醫(yī)院內(nèi)部建立一個監(jiān)護(hù)網(wǎng)，那么UDP協(xié)議已經(jīng)足夠滿足監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，因為現(xiàn)在的局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)已經(jīng)

24、非常好，即使不對數(shù)據(jù)執(zhí)行正確性檢查，其出錯的概率也很小，而且，基于UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計要相對簡單些。但是如果考慮到遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)以及將來不同醫(yī)院的監(jiān)護(hù)網(wǎng)的互聯(lián)，UDP協(xié)議則不太合適，因為：    遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)時通信線路較長，易受干擾而引起數(shù)據(jù)錯誤或丟失。    不同醫(yī)院的監(jiān)護(hù)網(wǎng)互聯(lián)后，兩個醫(yī)院的監(jiān)護(hù)網(wǎng)之間可能有許多條路由供選擇，可能引起相鄰數(shù)據(jù)報沿不同路由傳輸，從而導(dǎo)致接受方收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送方發(fā)出的數(shù)據(jù)先后順序不一致，這對諸如心電等波形數(shù)據(jù)來說是不能容忍的，容易引起誤報警、誤診等事故。   

25、 因此，我們選擇TCP協(xié)議作為HCMP協(xié)議在傳輸層的協(xié)議，它通過檢錯糾錯、超時重發(fā)、滑動窗口等措施保證提供給用戶進(jìn)程可靠的全雙工字節(jié)流，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯、丟失、收發(fā)順序不一致等現(xiàn)象。    2.4網(wǎng)絡(luò)負(fù)載估算：    控制報文只是在通訊開始時發(fā)送一次，不會對網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷造成很大的影響，因此可以忽略不計。    從上面的數(shù)據(jù)報文格式可以看出：床邊監(jiān)護(hù)站所采集的所有數(shù)據(jù)共計4個256字節(jié)長的數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳遞時，會經(jīng)過層層打包，如圖2所示：其中：TCP報頭：20字節(jié)2

26、：IP報頭：20字節(jié)2。這樣，一個床邊監(jiān)護(hù)站的全部數(shù)據(jù)都在網(wǎng)上傳輸時，每秒實際的最大數(shù)據(jù)量為：    4×(256+20+20)=1184字節(jié)    1184×8比特=9472比特    即每個床邊監(jiān)護(hù)站約占用10kbps的網(wǎng)絡(luò)帶寬，對于如果采用10Mbps的以太網(wǎng)，即使考慮50%的效率和余量，每個網(wǎng)段可容納5M/10K=500個床邊監(jiān)護(hù)站。          圖2&

27、#160;   以太網(wǎng)上500個站點同時工作，每秒傳輸1184字節(jié)的數(shù)據(jù)，其效率還是很高的，約在0.85左右，即使傳輸256字節(jié)，其效率仍可達(dá)0.6左右2，實際上沒有哪家醫(yī)院會有500臺床邊監(jiān)護(hù)站同時工作，而且，每個床并非把所有的數(shù)據(jù)都傳到中心站，即使若干年后超過500臺，也可以通過中間加網(wǎng)關(guān)增加網(wǎng)段，或采用如100M快速以太網(wǎng)，ATM等高速傳輸網(wǎng)加以擴(kuò)充，程序不需要作任何改動，而現(xiàn)階段10M以太網(wǎng)已經(jīng)足夠滿足需要。    3波形連續(xù)性的保證    要保證波形數(shù)據(jù)的連續(xù)性就是要克服TC

28、P/IP協(xié)議的抖動性，在局域網(wǎng)上，抖動問題不是很明顯，但對于遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，就必須加以認(rèn)真考慮。TCP提供了面向連接的流式服務(wù)，連接建立后，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端以同樣順序接收數(shù)據(jù)，但TCP協(xié)議并不對數(shù)據(jù)的實時性提供保證，這表現(xiàn)在它網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率的波動，即TCP協(xié)議并不以恒定速率來傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時，傳輸速率會下降。表現(xiàn)在中心監(jiān)護(hù)站上，波形顯示將出現(xiàn)短暫的停頓，這是不允許的。為了避免這一問題的出現(xiàn)，我們在中心監(jiān)護(hù)站中開辟出一定緩沖區(qū)，緩沖區(qū)設(shè)計成一個隊列，采用先進(jìn)先出機(jī)制，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時，并不是立即顯示，而是先進(jìn)入緩沖區(qū)。從床邊來的數(shù)據(jù)源源不斷的由一端進(jìn)入，而中心監(jiān)護(hù)站則以恒定速率從另一端取出。

29、由于開始顯示前一定時間的延遲，緩沖區(qū)內(nèi)已經(jīng)積累了一定量的數(shù)據(jù)，所以即使某一時刻的數(shù)據(jù)不能按時到達(dá)，也不會影響中心波形顯示的平滑。    緩沖區(qū)大小不能隨便開，大了醫(yī)生會感到有明顯的延遲，小了起不到緩沖作用。由于中心監(jiān)護(hù)站與床邊監(jiān)護(hù)站允許有3-4秒左右的延遲，我們將緩沖區(qū)大小定為2秒，可以滿足需要。    4系統(tǒng)可靠性    對于一個醫(yī)用系統(tǒng)來說可靠性是很重要的，雖然TCP/IP協(xié)議在低層提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)突發(fā)性故障時，尚不能完全保證數(shù)據(jù)接收的正確性及系統(tǒng)的正常

30、工作。比如：床邊與中心建立連接后，在正常情況下，一方退出時，另一方將收到對方發(fā)送的關(guān)閉消息，從而關(guān)閉該連接，釋放所占用的資源。如果由于某種原因(如：HUB故障或網(wǎng)線斷開)，一方斷開而另一方卻沒有收到消息而依然保持連接狀態(tài)。如果斷開的是發(fā)送數(shù)據(jù)方，那么接收方將在原來的端口上繼續(xù)等待，卻無法收到數(shù)據(jù)，除非強(qiáng)行終止原來的連接并建立新的連接。如果斷開的是接收方，其結(jié)果將導(dǎo)致發(fā)送方企圖在一條并不存在的鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù)，引發(fā)未知的系統(tǒng)錯誤。    這種故障的發(fā)生是隨機(jī)的、不可預(yù)測的，當(dāng)故障發(fā)生時，任何設(shè)計完美的軟件及協(xié)議都無法保證正常的通訊過程。我們所能做的只能是：故

31、障發(fā)生后，床邊監(jiān)護(hù)站及中心監(jiān)護(hù)站必須在短時間內(nèi)檢測到故障，及時終止收發(fā)過程，并作好日志，通知網(wǎng)絡(luò)管理員排除故障；故障排除后，能夠迅速恢復(fù)到故障前的狀態(tài)，進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳遞，無須人工干預(yù)。    無論什么原因引起的通訊異常，在發(fā)送方，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)不能發(fā)送出去；在接受方，表現(xiàn)為收不到數(shù)據(jù)或收到無效數(shù)據(jù)，利用這一特點，我們很容易檢測到通訊異常的發(fā)生，為此，在軟件設(shè)計時借鑒了硬件電路設(shè)計中常用的“看門狗”技術(shù)，增加一監(jiān)控函數(shù)，監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)通訊。具體作法如下：    在接收方增加兩個計數(shù)器count1，count2，分別統(tǒng)計收到的

32、數(shù)據(jù)報數(shù)和無效的數(shù)據(jù)報數(shù)，每收到一個報文，如果是HCMP協(xié)議規(guī)定的報文，則count1加1，否則count2加1，監(jiān)視函數(shù)每隔幾秒鐘(我們的程序中是8秒)檢查count1及count2的值，檢查后將它們清零。正常情況下count1的值應(yīng)該是8，count2為零，如果count1小于5或count2大于5，則認(rèn)為發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)故障，系統(tǒng)作好日志，并報警，同時斷開連接，并嘗試建立新的連接；這樣，一旦網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常，中斷了的通信可以在十幾秒之內(nèi)恢復(fù)，無須人工干預(yù)。    對于發(fā)送端，當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時，其突出表現(xiàn)是發(fā)送不出數(shù)據(jù)，因此，當(dāng)發(fā)送端在3秒內(nèi)無法發(fā)送數(shù)據(jù)時，將關(guān)閉當(dāng)前連接，但繼續(xù)監(jiān)聽原端口，以接受新的連接請求。  &#