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中国医学装备2023年3月第20卷第3期  China Medical Equipment 2023 March V ol.20 No.3
①宁波市医疗中心李惠利医院设备科 浙江 宁波 315048②宁波市医疗中心李惠利医院神经内科 浙江 宁波 315048
作者简介：郭方达，男，(1984- )，硕士，高级工程师，从事医院医疗设备维修维护和医疗器械创新管理工作。
[文章编号] 1672-8270(2023)03-0199-05  [中图分类号]  R197.39  [文献标识码] B
Design of pressure injury position management system based on ZigBee wireless sensor technology/GUO Fang-da, ZHOU Yan, LIN Jing-jing//China Medical Equipment,2023,20(3):199-203.
[Abstract] Using the distributed pressure sensor technology and ZigBee technology, a pressure injury (PI) position management system was designed to realize the online monitoring of changes of posture of turning over in bed and time of continuous pressure of patients in wards. The system can provide medical staff with prompts and alarms for the change of the patient's turning posture and the continuous pressure time through the detection of the patient's turning posture and the experimental verification of data transmission, so that the medical staff can carry out effective turning nursing management, improve the nursing efficiency and reduce the incidence of PI. [Key words] Pressure injury (PI); Distributed pressure sensor; ZigBee technology
[First-author’s address] Department of Medical Equipment, Ningbo Medical Center Lihuili Hospital, Ningbo 315040, China.
[摘要] 采用分布式压力传感器技术和ZigBee技术，设计压力性损伤(PI)体位监测系统，以实现病房患者卧床翻身姿态变化和持续受压时间联网监测。通过对患者翻身姿态检测和数据传输实验验证，系统可为医护人员提供患者翻身姿态变化和持续受压时间的提示与报警，使医护人员进行有效地翻身护理管理，
提升护理效率，降低PI发生率。[关键词] 压力性损伤(PI)；分布式压力传感器；ZigBee技术DOI: 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2023.03.039
引用本文：郭方达，周艳，林晶晶.基于ZigBee无线传感器技术的压力性损伤体位监测系统设计[J].中国医学装备,2023,20(3):199-203.
郭方达①  周 艳①  林晶晶②
基于ZigBee无线传感器技术的压力性损伤体位监测系统设计
压力性损伤(pressure injury，PI)是卧床患者最常见的一种并发症[1-2]。有研究显示，我国住院患者PI患病率为1.57%，而长期卧床老年患者PI发生率高达25.7%[3-5]。PI不仅会造成患者的局部组织损坏，增加患者痛苦，当其恶化至坏死溃疡期时损坏可深达骨面，细菌极易进入血液循环引起败血症，从而危及生命[6-9]。PI为患者带来痛苦和沉重的经济负担，其需消耗大量医疗资源，被认为是最昂贵的健康问题，各医疗机构将PI患病率或发病率作为一个重要的护理质量监测指标。
发生PI的主要原因为外源性因素，即外界作用于皮肤和皮下组织的机械力，包括垂直压力、剪切力和摩擦力[7]。欧洲压疮咨询委员会(European Pressure Ulcer Advisory Panel，EPUAP)、美国压疮咨询委员会(National Pressure Ulcer Advisory Panel，NPUAP)和泛太平洋压力损伤联盟(Pan Pacific Pressure In
jury Alliance，PPPIA)在“压疮的预防与：快速参考指南”中建议，患者最佳体位变换方案为普通床垫2 h/次或减压床垫4 h/次，以减轻皮肤和皮下组织的受压压力，减少受压时间，从而减少
外源性因素的影响，以达到预防PI目的。Defloor [10]和Stansby [11]等研究均表明，在临床护理中，护士需对病房众多患者进行护理，由于各患者翻身时间点不一，造成护士工作量巨大，无法合理进行翻身护理管理，导致患者无法及时获得翻身。从护理成本的角度而言，众多频繁翻身是对护理资源的极大消耗，患者的有效翻身也较难达到理想目标[12]。为此，宁波市医疗中心李惠利医院以轴向翻身护理法为例，针对全瘫和半瘫卧床患者，采用柔性薄膜压力传感器，实现患者卧床姿态实时监测，识别患者翻身情况，形成翻身监测。通过ZigBee无线技术建立PI体位管理系统，实现病房患者卧床姿态信息联网监测，使医护人员可进行有效翻身护理管理，极大降低护理资源消耗，提升患
者的有效翻身护理，减少预防PI发生率[13-15]。1  PI体位监测系统设计方案
PI体位监测系统主要分为患者翻身姿态检测和ZigBee无线传感器网络部分，根据轴线翻身法的身体姿态变化和PI主要发病部位，采用分布式压力传感器阵列实现患者翻身姿态监测。采用ZigBee技术形成无线传感器网络，协调器(从机)和多个患者翻身姿态节
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中国医学装备2023年3月第20卷第3期  基于ZigBee 无线传感器技术的
压力性损伤体位监测系统设计-郭方达 等
点连接，各协调器(从机)之间相连，护士站(主机)与协调器连接。将病房患者卧床姿态信息安全有效地传输，实现联网监测形成无线监测和管理。PI体位监测系统架构见图1。
图1 压力性损伤体位监测系统架构示图
1.1 患者翻身姿态检测
根据轴向翻身法和患者肩胛部、骶尾部和腓肠肌等关键部位进行压力监测，患者关键部位分布见图2。
采用柔性薄膜压力传感器，柔性薄膜传感器轻薄、无突起，能够减轻长期卧床患者的不适。柔性薄膜压力传感器外观和压力与阻值变化曲线见图3。柔性薄膜压力传感器按照实验室测试的最佳形态布置，形成传感器阵列，布置于床垫下方，以监测患者关键部位体位-压力变化，根据不同翻身姿态对应的压力分布和变化，识别患者翻身姿势变化和持续受压时
间。分布式压力传感器阵列分布见图4。
图2
压力监测患者关键部位分布示图
注：图中A 为柔性薄膜压力传感器外观；B 为压力与阻
值变化曲线。
图3 分布式压力传感器和特性曲线图
A
B
图4
分布式压力传感器阵列分布示图
1.2 ZigBee 无线传感器网络
患者翻身姿态检测系统输出患者姿态持续时间和床位等信息，采用ZigBee技术将分布式压力传感器形成无线传感器网络，将病房患者信息联网，传输到信息中心，显示病房患者体位变化和持续时间，提示护
理人员进行合理有效的患者翻身护理管理。ZigBee无线连接技术因其具备传输数量小、能根据病房情况灵活组网、终端设备功耗低、无需布设过多设备以及网络节点容量大等特点，其经济成本压力小，费用相对较低等特点。
2  PI体位监测系统硬件与软件设计2.1 硬件设计
根据实际应用需求设计出电路总体结构，主要有主机显示中控设备及从机检测设备。系统可由单一主机和多从机组成完整的检测及报警功能，主机与从机之间采用星状网相连，网络可以通过“多级跳”方式通信。该拓扑结构还可组成极为复杂的网络，同时具备自组织、自愈功能，其优点减少消息延时，增强了可靠性。从机主要完成患者节点传感器信号的采集及
与主机数据交互，主机负责护士端信息显示、患者姿态持续时间和报警提示等。从机和主机结构见图5。
功能模块的划分主要包括STM32模块、传感器模块、ZigBee通讯模块、电源模块、显示模块、声光报警和键盘模块。其中射频芯片采用CC2530(美国德州仪器公司)，微控制器采用STM32F103ZE(瑞士意法半
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注：图中A 为从机检测设备电路结构示图；B 为主机电路结构示图。
图5 总体电路结构图
A
B
导体集团)，输入设备为按键，进行护理参数设置，输出设备有指示灯显示和蜂鸣器，给予状态显示和报警提示。
(1)传感器模块。该模块是患者翻身姿态检测核心部分，主要采集体位和压力数值，采集部分采用轨到轨
运算放大器MCP6004作为电压跟随器，将传感器电阻值转化为电压值输入到电压跟随器后，再送入到微控制单元(microcontroller unit，MCU)，电压跟随器具有高输入电阻和低输出电阻的特点。传感器模块电路见图6。
图6
传感器模块电路图
(2)ZigBee通讯模块。采用CC2530射频芯片，利用功率放大器(power amplifier，PA)+低噪声放大器(low noise amplifier，LNA)模组，极大扩展通信距离，提升通信稳定性。适用于ZigBee设计及2.4 GHz
电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)802.15.4协议。患者姿
态节点和护士站节点均有ZigBee模块，组成ZigBee网络，将传感器数据传送到主机，主机具有数据分析、状态显示和声光报警。ZigBee通讯模块电路见图7。
图7 ZigBee
通讯模块电路图
(3)电源模块。该模块的直流电源选用AMSlll7-3.3型
稳压芯片(美国AMS公司)得到+3.3 V电压，并接入发光二极管(light emitting diode，LED)作为电源指示灯显示其工作状态。考虑主机和从机的便携型，采用交直流供电，直流采用锂电池供电，锂电池充放管理选用TP4056线性充电芯片线性充电器(深圳十德盛科技有限公司)，TP4056可以适合通用串行总线(universal serial bus，USB)电源和适配器电源工作。由于采用内部PMOSFET架构，加上防倒充电路，因此无需外部隔离二极管。锂电池充放电电路见图8。
图8
锂电池充放电电路图
2.2 软件设计
2.2.1 患者姿态检测软件设计
数据采集程序采集分布式压力传感器的体位-压
力值，轨到轨运算放大器MCP6004将9个传感器的电
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阻值转换为电压值，输入到MCU。
(1)传感器数据归一算法。设备上电后，需测量空载(病床无病患)值为初始值，柔性薄膜压力传感器变形、每张床的床垫重量不一与床垫上覆盖物(如被子)不一等因素导致每张床的初始值之间存在不同的分布区间，差异较大的情况下会直接影响数据分析结果。为消除此类现象，需要对原始数据进行归一化处理，使各个指标处于同一数量级或基准，其采用离差标准化，初始数据进行归一法处理，使结果值映射到0。
(2)数据滤波。采用滑动去极值算术平均滤波法，对传感器所采数据进行抗干扰处理。
(3)数据导入姿态模型。在程序中加入基于大量实际数据得出的一个姿态分析模型，将当前所采的整组有效数据进行比较，最终得出较为准确的姿态状态。患者姿态检测流程见图9。
图9 患者姿态检测流程示图
2.2.2 主机和从机的软件设计
(1)主机。由ZigBee模块作为信息通信模块与从机进行数据的收发，转由显示屏显示相关参数可供管理员查询患者实时体位变化数据或报警信息，并通过按键供管理员修改和设置参数、报警时长以及消警等。此外主机还提供信号灯和声音提示，极大提高了系统操作的难易程度。
(2)从机。从机相同搭载ZigBee通信模块，主要接收主机的设置参数和上报的报警信息，在每一个从机设备上均可单独向主机上报信息和接收主机信息，在一定程度上避免通信堵塞，从而使系统通信实时性得到保证。从机同样提供按键和灯光、声音等硬件提示，方便管理员操作。从机还负责数据传感器的数据采集与数据处理，得出较为准确的姿态结果存储在本地和主机网络中以便翻阅，在规定时间内提供需要的报警信息。主机和从机人机交互流程见图10。
注：图中A为从机人机交互流程；B为主机人机交互流程。
图10 从机和主机软件人机交互流程示图
A B
3  PI体位监测系统验证
系统验证包括患者翻身姿态检测和数据传输，患者翻身姿态检测实验主要验证布置在关键部位传感器阵列是否监测翻身姿态检测变化，实验对平躺、左侧卧和平躺体位的压力分布变化进行采集，每个睡姿采样时间为2min，每个睡姿基本保持不变，传感器阵列分布见图11，对应体位-压力变化情况见图12。
图11 传感器阵列分布示图
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压力性损伤体位监测系统设计-郭方达等
从体位-压力波形图可以区分平躺和侧卧变化，结合传感器6～9，传感器1～2和传感器3～4可以识别
侧卧和平躺，达到识别要求。数据传输实验主要验证
报警数据完整率和报警数据一次性接收成功率，对系
统进行24h的终端到主机数据传输测试，测试结果为
报警数据完整率100%，报警数据一次性接收成功率
为99.4%。
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图12
患者翻身姿态监测波形示图
4  结论
PI体位监测系统是基于分布式传感器、采集PI主要发病部位的压力分布情况，实现翻身姿态识别的身体
姿态变化监测，实现高性价比检测方式，可实时有效地识别患者卧床体位变化。通过ZigBee无线网络技术，可根据病房要求进行灵活组网，其传输安全有效，功耗低，为智能护理提供了新的思路与方法。由于如病房结构和护理实际情况等因素，需要近一步在临床中进行测试，以提升系统临床的应用性。
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收稿日期：2022-01-24
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[10][11][12][13][14][15]Amir Y,Lohrmann C,Halfens RJ,et al.Pressure ulcers in four Indonesian hospitals:prevalence,Patient characteristics,ulcer characteristics,prevention and treatment[J].Int Wound J,2017,14(1):184-193.张艳，宋田，徐春苗，等.多功能红外光谱仪压力性损伤研究[J].中国医学装备,2021,18(5):120-124.周雪琪.长期卧床老年患者压疮的综合护理研究进展[J].智慧健康,2020,6(26):32-33,36.陈茜.老年卧床患者日常生活能力、社会活动、认知及并发症的调查分析[D].成都：四川大学,2017. 徐玲.住院患者压疮现患率的多中心联合横断面调李惠利
查研究[D].南京：南京中医药大学,2012.
王俊武.慢性病人健康教育方法探析[J].健康前沿,2016,23(3):15.
李佳倩.北京市综合医院护士对卧床患者常见并发症预防与护理知识、态度的现状研究[D].北京：中国医学科学院清华大学医学部北京协和医学院,2016.
Keller BP,Wille J,Van Ramshorst B,et al.Pressure ulcers in intensive care patients:a review ofrisksand prevention[J].Intensive Care Med, 2002,28(10):1379-1388．
Hopkins A,Dealey C,Bale S,et al.Patient stories of living with a pressure ulcer[J].J Adv Nurs,2006,56(1
1):345-353.
Defloor T,De Bacquer D,Orypdonck MH.The
effect of various combinations of turning and pressure reducing devices on the incidence of pressure ulcers[J].Int J Nurs Stud,2005,42(1):37-46.
Stansby G,Avital L,Jones K,et al.Prevention
and management of pressure ulcer in primary and secondary care:summary of NICE guidance[J]BMJ,2014,348:g2592.
张玉红，蒋琪霞，郭艳侠，等.使用减压床垫的压疮危
险者翻身频次的meta分析[J].中华护理杂志,2015,50(9):1029-1036．
杨晶，唐小琦，宋宝，等.智能护理床无线控制软件的
设计与实现[J].机械与电子,2015(2):74-77.陈春梅，王丽华，顾海燕，等.智能测控压疮翻身床的
研制[J].中国医疗设备,2012,27(1):15-18.李期盛.基于分布式传感阵列的智能护理床系统研
究[D].浙江：浙江大学,2017.
参考文献 [声 明]
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