麻醉信息与环境信息管理系统设计综述

1系统结构及原理

1．1系统结构

系统由客户端和服务器组成，其结构如图1所示。客户端由PC、床边医疗设备、可编程逻辑控制器（programmablelogiccontroller，PLC）和传感器组成，能够完成麻醉信息和手术室微环境信息的采集、显示、存储和异常情况报警等。传感器用于采集手术室内温度、湿度、压力信息，PLC读取传感器数据并将处理后的数据存入其数据存储区。客户端PC机安装有信息管理软件，用于采集医疗设备和PLC中数据，并将处理后的临床信息和手术室微环境信息进行实时显示。同时，PC作为系统人机交互接口，可接受手术过程中信息的修改与录入，并在手术结束后自动生成电子麻醉记录报告。服务器是系统数据的存储和管理中心，其一方面接受来自客户端的访问，将系统的各种数据存入数据库，另一方面可接受来自手术室外系统的访问，实现手术室信息系统与其他系统之间数据的交流。

1．2系统工作原理

客户端采集医疗设备和PLC数据的原理如图2所示。客户端采集医疗设备数据的设计采用了客户端／服务器（Client／Server，C／S）模式，即医疗设备作为Server端。客户端与医疗设备基于TCP／IP协议进行通信，采用socket的异步方式建立连接。客户端与医疗设备的上层会话基于HL7（HealthLevel7）协议，HL7协议是健康信息交换第七层协议，是ISO－OSI的第七层（应用层），是目前医疗信息数据交换标准中应用最广泛的一个国际标准。HL7协议可应用于多种操作系统和硬件环境，允许各个医疗机构的不同应用系统间进行文件和数据的交换，实现了医疗系统间的信息共享。在本系统中，HL7消息的处理采用了设计HL7接口的方法。HL7接口由一个HL7消息解析类库和函数方法构成，消息解析类库是根据HL7协议规范编写的，类库包含了HL7协议规范中消息各部分的描述以及消息的剖析所涉及的各种方法，接口中的方法主要用来调用类库中的方法并解析HL7消息。接口的输入为一段HL7消息，接口的输出为消息解析后的结果。针对目前机动手术室内医疗设备数字化水平不高的特点，设计的HL7接口方便了系统未来的二次开发，并有利于提高系统运行的速率，增强系统的可靠性。

客户端与PLC的通信采用了OPC（OLEforProcessControl）技术。OPC是一个开放的工业接口标准，是用于过程控制的OLE技术，支持不同平台上应用程序之间的通讯。硬件供应商为其设备开发一个通用的数据接口（即OPCServer），客户端应用软件（作为OPCClient）通过OPC规范的接口来读写硬件设备的信息。在使用OPC技术时，不必关心硬件底层内部的具体细节，只需遵循OPC数据接口协议，就能够从不同OPC数据服务器中获得数据。在本系统中，PLC作为OPCServer端，客户端通过使用C＃编写的接口程序访问OPC的自动化接口，可实现对PLC数据存储区的访问，从而实现微环境数据的采集。基于机动手术室工作环境的特殊性，系统选用了稳定性较高的西门子S7－300PLC作为OPCServer端，并选用以太网通信模块CP343－1Lean。在对PLC进行程序设计前需要进行硬件配置，PLC的硬件配置包括PLC模块的硬件组态和S7－300与OPC服务器的连接设置。PLC模块的硬件组态在西门子的Step7下完成，通过将硬件组态信息下载到PLC的CPU中实现CPU和各模块的连接。S7－300与OPC服务器端的连接配置是在西门子S7－300配套软件SIMATICNET下完成的。通过工业以太网来访问西门子PLCS7－300的OPC服务器，西门子PLCS7－300连接上OPC服务器作为通讯纽带，从而实现客户端对各传感器值的读取。PLC的应用提高了室外条件下机动手术室微环境管控的能力。

2系统软件设计

系统软件的设计包括客户端应用程序设计和PLC程序设计。客户端和PLC软件主要技术指标分别如表1和表2所示。

2．1客户端程序编写

客户端应用程序是使用C＃语言在VisualStu－dio2008集成开发环境下设计的，采用了ADO．NET技术管理SQLSever2005数据库。客户端能够实现手术麻醉信息和微环境信息的采集、显示与存储。图3所示是客户端软件功能框图，软件包括床边设备信息管理、微环境信息管理、麻醉医生工作站和系统自身功能管理4大模块。其中麻醉医生工作站模块中术前访视结果录入主要是录入患者基本信息、手术准备情况，以及术前患者心血管系统、呼吸系统、内脏与血液系统、内分泌及神经系统的基本情况。术前访视结果信息的采集有利于麻醉师根据不同病例制定相应的治疗和麻醉计划。术中记录的信息一部分是来自于床边设备信息采集模块，主要包括患者实时心率、血压、脉搏、血氧饱和度以及手术过程中的加药、事件等。另一部分是来自于麻醉医生的手工输入，如手术过程突况等。客户端软件的功能还包括手术回顾、用户查询、参数设置等，可对设备类型信息、设备信息、用户信息等系统参数进行设置。客户端软件的设计流程如图4所示。在正确输入用户名和密码进入管理系统后，首先需要完成必要的患者基本信息填写，如患者姓名和病历号等。对于紧急情况下的手术，术前访视结果可以在手术结束后补填。在手术开始后，客户端一方面采集、处理医疗设备数据，并实时更新界面显示信息和生成实时的趋势图。另一方面，客户端可以以一定的采样频率采集PLC中环境指标信息，其中采样频率是由PLC采集传感器数据的频率来确定的，本系统默认频率为1Hz。在手术进行的过程中，如需对术中手术信息进行修改，如修改加药信息等，则需要进一步进行身份认证并在修改后生成相应的修改日志文件。手术结束后，医生需要对整个手术过程情况进行回顾，系统将在输入麻醉总结信息后自动生成麻醉报告。

2．2PLC程序编写

PLC软件程序是在西门子STEP7环境下设计的。PLC主要完成各传感器信息的采集和数据的处理。PLC以一定的频率采集各传感器数据，并将获得的电流信息转换为相应的温湿度、压力值后存入其数据存储区。PLC程序的编写采用梯形图语言。

3实验及分析

为了验证系统对床边医疗设备信息和手术室微环境信息的处理能力，将迈瑞PM9000E监护仪作为实验的医疗设备，在PLC的模拟量输入输出模块SM334端口分别接入温度、湿度和压力传感器。其中温度、湿度、压力传感器输出电流范围均为4～20mA，量程分别为－50～120℃、0％～100％RH、－100～200kPa。在某一时刻对客户端界面截屏，图5为患者监护信息和手术室微环境信息实时监控界面，可以看出系统能够较好地显示患者生理状态以及手术室微环境实况。在软件连续运行一段时间后（本次实验为48h），界面信息更新正常，表明系统功能稳定、可靠。

4结论

本文介绍的手术室信息管理系统实现了手术室麻醉信息和微环境信息的采集、实时显示、存储及异常情况报警等功能，弥补了现阶段机动手术室麻醉信息和微环境信息管理落后的缺点。本系统采用了基于C／S模式的方式建立客户端与手术室床边医疗设备的以太网连接，并通过使用类库调用的方式来解析获得的HL7消息，具有运行速度快、实时性高的优点。对于手术室微环境信息的管理，采用PLC来采集环境信息，并通过OPC技术实现客户端与PLC的通信，提高了机动手术室在室外条件下微环境监管的水平。由于系统使用了PLC来采集微环境信息，而PLC对于电机、继电器等仪器设备的实时控制也具有良好的性能，因此可在系统中加入手术室设备集中控制的功能，包括手术室空调系统的控制，手术床、手术灯、照明等其他常规设备的控制，从而提高机动手术室集中管控的能力。由于系统能够自动采集手术室床边设备信息和手术室微环境信息，并对相关信息进行管理，因此大大提高了目前机动手术室的数字化水平。同时，系统中手术室信息管理的设计方法对于固定医院手术室信息系统的设计也具有一定的参考价值。

作者：王先文 刘志国 张文昌 吴庆富 谭树林 单位：军事医学科学院 卫生装备研究所 辽宁陆平机器股份有限公司