基于TCP/IP协议的多床位多参数中心监护系统

　　提　要：通信是中心监护系统所必须解决的主要问题之一。文中提出的中心监护系统，以TCP/IP协议为网络通信协议，以Windows NT4.0为平台，构成医院内部的Intranet监护网，并深入讨论了床边监护站与中心监护站的网络通信等问题，提出了基于TCP/IP协议的医用中心监护协议——HCMP用于传递监护数据，利用现有的通信子网，可以很容易地实现远程监护。

　　分类号：TP915.04　文献标识码：A

　　文章编号：1000-6974(2000)02-0067-06

Multi-bed & Multi-parameter Central Monitoring System Based on TCP/IP Protocol

LIAN Shi-jun　HU Da-ke　ZHAO Ming-he　TANG Li-hui

　　（Institute of Life Science and Biomedical Engineering，Zhejiang University）

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

　　Key Words：Bed-side monitoring；Central monitoring；　Network；　TCP/IP▲

　　中心监护系统是目前应用较广、功能较强、使用方便的辅助诊断设备，为大中型医院危重病房所普遍采用，目前监护系统一般采用专用器件，形成一个独立系统。这种系统往往造价昂贵，功能单一，不能进行远程监护，且不提供与外部系统的接口。随着计算机网络在医院的普及，医院各科室之间共享数据的要求将会越来越强烈。因此，在通用的微机系统上开发一套监护系统，不仅可以满足数据共享的要求，而且可以降低开发成本，或利用医院现有的微机、网络设备，根据实际需要灵活配置，使大部分中、小型医院也可以拥有自己的监护系统。

　　1　系统简介

　　1.1　设计原则：

　　●　充分利用先进的网络技术和可靠的工作平台，降低成本。

　　●　各床边监护仪既可独立工作，又可连成网络，构成医院的中心监护网。

　　●　通过现有的通讯手段，可以很方便地实现远程监护，无须修改程序，即远程监护站同本地监护站的地位是平等的。

　　●　不同的医院通过高速数据专线可以互相联网，构成更大的监护网。

　　基于以上设计原则，我们选择Windows NT为工作平台，选取TCP/IP协议为网络通讯协议，构成医院内部的Intranet监护网络。

　　我们的中心监护系统中有三种相对独立的工作站：床边监护站、中心监护站和中心诊断站。三种工作站用局域网相连，如果网络的拓扑结构为总线型，则系统结构如图1所示。

　　床边监护站一般位于病人床边，负责采集病人的生理参数。如果某种参数出现异常，则以各种形式报警(如发声、字体闪轹)，提醒医务人员采取相应措施。同时保存各种数据。床边监护站可以单独使用，本地将保存24小时的数据，同时，通过ODBC接口，数据还可以保存到系统数据库上(如果有的话)，用于查询及归档等。回放时，可显示任意时间段的波形。各类报警事件也将保存，医务人员可指定查看任意类的事件。床边监护站既可单独使用，也可加入监护系统中，作为网上的工作站，床边监护站还提供“它床观测”功能，该功能可以实现将别床的数据在本床显示。

　　中心监护站主要功能是便利于医生同时观察多个床边的情况。中心监护站根据医生设置，将各床边数据收集显示，如果有报警事件，通知值班人员。中心监护站可配置一台或多台。医务人员可根据需要选择观察多个床边的部分波形和参数，也可选择观察一个床边的所有数据。中心监护站可监护网上的任何床边监护站，但由于屏幕大小的限制，目前每个中心监护站最多同时显示8个床边的数据。

　　中心诊断站负责管理系统数据库，作一些后期的辅助诊断，同时提供病历生成等功能。医生还可以用软盘将数据拷贝出来，或打印病历等。

　　2　医用中心监护协议—HCMP

　　用TCP/IP协议传输实时监护数据是一次新的尝试，TCP/IP协议本不是为实时通信设计的，有些数据，尤其是波形类的数据如ECG，BP，PULSE等不仅要求有一定的实时性，而且对传输过程中的抖动(即相邻两个数据报之间的时间间隔不固定)要求较高，因此必须采取相应措施加以解决。

　　目前为止，尚无基于TCP/IP协议的标准应用层协议用于传输诸如ECG、BP、PULSE等数据，因此我们只能根据自己开发的中心监护系统定义一个协议——HCMP(Hospital Central Monitor Protocol)，即医用中心监护协议。

　　在设计该协议时，我们既要考虑医用中心监护系统的特点，即中心监护站与床边监护与床边监护站须实时传输，但允许有一定的延时；又要考虑网络的负载与效率，因此采用定长数据报格式，并且采取“简洁至上”的原则来设计，使网络上尽可能地传输有用数据，同时考虑到系统的开放性，即将来很有可能增加数据种类，应该很容易地把新种类的数据加进HCMP中。

　　在中心监护系统中，要求数据实时显示，但中心监护站与床边监护站是在不同的地方，有3-4秒的延迟，医生感觉不出来，而且是可以忍受的；因此床边没有必要每采样一次就向中心发送一个数据，这样只能降低效率，增加网络负担，床边每隔1秒钟发送一次数据已经足够满足监护需要。

　　目前，我们的中心监护系统可以监护如下生理参数，见表1。

表1　监护系统中的主要检测单元

编号 检测单元 数据长度 采样速率

编号 检测单元 数据长度 采样速率
1 单道ECG(ECG) 1 250sps
2 双道ECG(ECG1/2) 2 500sps
3 三道ECG(ECG1/2/3) 3 750sps
4 Pulse(Pir，Pred) 1 25ps
5 Temp(Temp) 1 单次
6 NIBP((pd，ps) 2 单次
7 BP 2 单次
8 Resp(Resp) 1 10sps
　　根据表1可以计算出最多的数据是心电，每秒250个字节，其他数据加起来不到100个字节，可以用一个报文传输，因此数据报文定义如下：

　　2.1　数据报文：

　　数据报文长度固定为256字节，包括心电报文、复合报文两种，心电报文用于传递心电数据，包括ECG1，ECG2，ECG3.格式如下：

　　心电报文：

　　Type：T_ECG1，T_ECG2，T_ECG3

　　Length：数据长度，小于253。

　　复合报文：

　　复合报文主要用于传输数据量比较小的波形数据及参数，如RESP，PULSE，BP等，前半部分用于传输其余的波形数据：RESP，PULSE，BP。

　　复合报文从第128个字节开始，用于传输参数数据，数据类型占一字节，数据值占4字节。

　　2.2　控制报文

　　网络中除传输数据报文以外，还需要传输一些控制报文，以实现双方信息的交流。控制报文长度固定为256字节，控制报文有如下几种：

　　●　ALL_DATA：中心发此报文，询问床边能提供的所有数据，格式如下：

　　床边对此报文的响应报文格式如下：

　　byDataKind是一个预先定义的BYTE型数组，标志各类参数和波形是否存在，如果存在，则byDataKind［i］为1，否则为0。

　　Len为数组长度，Len=Sizeof(byDataKind)

　　●　DISP_DATA：用于他床观测，发送者发出此报文，询问床边正在显示的数据，

　　格式如下：

　　接收者对此报文的响应报文格式如下：

　　PatientID：病人ID，4字节整数。

　　WaitTime：中心收到第一个数据报以后，等待多长时间开始显示。

　　收者发出此报文后，即开始发送本床正在显示的所有数据。

　　●　NEED_DATA：中心发此报文，告知床边中心所需要的数据，

　　格式如下：

　　床边对此报文的响应如下：

　　WaitTime：中心收到第一个数据报以后，等待多长时间开始显示。

　　同样以byDataKind的值来标注某种数据是否存在。

　　从上面的HCMP协议的数据报文格式可以看出，第一个字节用于标识数据类型，因此共可标识255种不同的数据类型(本来应该是256种，但被控制报文占去一种)。如果数据量比较小，还可以采用复合报文来传输，控制报文也是占单独一个字节，共可以有256种控制报文。因此可以容纳足够多的参数及控制消息，适应将来的监护需求。

　　2.3　传输层协议选择：TCP还是UDP

　　我们所定义的HCMP协议位于应用层，与FTP、SMTP、TELNET等协议处于同一层，因此，在传输层有两种协议供选择：TCP及UDP协议［1］。

　　TCP传送控制协议(Transmission Control Protocol)，这是一种提供给用户进程的可靠的全双工字节流面向连接的协议。它要为用户进程提供虚电路服务，并为数据可靠传输建立检查。大多数网络用户程序使用TCP。

　　UDP用户数据报协议(User Datagram Protocol)，这是提供给用户进程的无连接协议，用于传送数据而不执行正确性检查。

　　如果只考虑在某个医院内部建立一个监护网，那么UDP协议已经足够满足监护数据传输的需要，因为现在的局域网的传输介质已经非常好，即使不对数据执行正确性检查，其出错的概率也很小，而且，基于UDP协议的网络程序设计要相对简单些。但是如果考虑到远程监护以及将来不同医院的监护网的互联，UDP协议则不太合适，因为：

　　●　远程监护时通信线路较长，易受干扰而引起数据错误或丢失。

　　●　不同医院的监护网互联后，两个医院的监护网之间可能有许多条路由供选择，可能引起相邻数据报沿不同路由传输，从而导致接受方收到的数据与发送方发出的数据先后顺序不一致，这对诸如心电等波形数据来说是不能容忍的，容易引起误报警、误诊等事故。

　　因此，我们选择TCP协议作为HCMP协议在传输层的协议，它通过检错纠错、超时重发、滑动窗口等措施保证提供给用户进程可靠的全双工字节流，不会出现数据出错、丢失、收发顺序不一致等现象。

　　2.4　网络负载估算：

　　控制报文只是在通讯开始时发送一次，不会对网络负荷造成很大的影响，因此可以忽略不计。

　　从上面的数据报文格式可以看出：床边监护站所采集的所有数据共计4个256字节长的数据报。数据在网络中传递时，会经过层层打包，如图2所示：其中：TCP报头：20字节［2］：IP报头：20字节［2］。这样，一个床边监护站的全部数据都在网上传输时，每秒实际的最大数据量为：

4×(256+20+20)=1184字节

　　1184×8比特=9472比特

　　即每个床边监护站约占用10kbps的网络带宽，对于如果采用10Mbps的以太网，即使考虑50%的效率和余量，每个网段可容纳5M/10K=500个床边监护站。

　　以太网上500个站点同时工作，每秒传输1184字节的数据，其效率还是很高的，约在0.85左右，即使传输256字节，其效率仍可达0.6左右［2］，实际上没有哪家医院会有500台床边监护站同时工作，而且，每个床并非把所有的数据都传到中心站，即使若干年后超过500台，也可以通过中间加网关增加网段，或采用如100M快速以太网，ATM等高速传输网加以扩充，程序不需要作任何改动，而现阶段10M以太网已经足够满足需要。

　　3　波形连续性的保证

　　要保证波形数据的连续性就是要克服TCP/IP协议的抖动性，在局域网上，抖动问题不是很明显，但对于远程监护，就必须加以认真考虑。TCP提供了面向连接的流式服务，连接建立后，发送端发送数据，接收端以同样顺序接收数据，但TCP协议并不对数据的实时性提供保证，这表现在它网络数据传输速率的波动，即TCP协议并不以恒定速率来传输数据，当网络繁忙时，传输速率会下降。表现在中心监护站上，波形显示将出现短暂的停顿，这是不允许的。为了避免这一问题的出现，我们在中心监护站中开辟出一定缓冲区，缓冲区设计成一个队列，采用先进先出机制，当数据到达时，并不是立即显示，而是先进入缓冲区。从床边来的数据源源不断的由一端进入，而中心监护站则以恒定速率从另一端取出。由于开始显示前一定时间的延迟，缓冲区内已经积累了一定量的数据，所以即使某一时刻的数据不能按时到达，也不会影响中心波形显示的平滑。

　　缓冲区大小不能随便开，大了医生会感到有明显的延迟，小了起不到缓冲作用。由于中心监护站与床边监护站允许有3-4秒左右的延迟，我们将缓冲区大小定为2秒，可以满足需要。

　　4　系统可靠性

　　对于一个医用系统来说可靠性是很重要的，虽然TCP/IP协议在低层提供了可靠的数据传输，但当网络出现突发性故障时，尚不能完全保证数据接收的正确性及系统的正常工作。比如：床边与中心建立连接后，在正常情况下，一方退出时，另一方将收到对方发送的关闭消息，从而关闭该连接，释放所占用的资源。如果由于某种原因(如：HUB故障或网线断开)，一方断开而另一方却没有收到消息而依然保持连接状态。如果断开的是发送数据方，那么接收方将在原来的端口上继续等待，却无法收到数据，除非强行终止原来的连接并建立新的连接。如果断开的是接收方，其结果将导致发送方企图在一条并不存在的链路上发送数据，引发未知的系统错误。

　　这种故障的发生是随机的、不可预测的，当故障发生时，任何设计完美的软件及协议都无法保证正常的通讯过程。我们所能做的只能是：故障发生后，床边监护站及中心监护站必须在短时间内检测到故障，及时终止收发过程，并作好日志，通知网络管理员排除故障；故障排除后，能够迅速恢复到故障前的状态，进行正常的数据传递，无须人工干预。

　　无论什么原因引起的通讯异常，在发送方，表现为数据不能发送出去；在接受方，表现为收不到数据或收到无效数据，利用这一特点，我们很容易检测到通讯异常的发生，为此，在软件设计时借鉴了硬件电路设计中常用的“看门狗”技术，增加一监控函数，监视网络通讯。具体作法如下：

　　在接收方增加两个计数器count1，count2，分别统计收到的数据报数和无效的数据报数，每收到一个报文，如果是HCMP协议规定的报文，则count1加1，否则count2加1，监视函数每隔几秒钟(我们的程序中是8秒)检查count1及count2的值，检查后将它们清零。正常情况下count1的值应该是8，count2为零，如果count1小于5或count2大于5，则认为发生了网络故障，系统作好日志，并报警，同时断开连接，并尝试建立新的连接；这样，一旦网络恢复正常，中断了的通信可以在十几秒之内恢复，无须人工干预。

　　对于发送端，当发生网络异常时，其突出表现是发送不出数据，因此，当发送端在3秒内无法发送数据时，将关闭当前连接，但继续监听原端口，以接受新的连接请求。

　　采取以上措施后，经运行测试，系统运行良好、可靠，波形显示连续稳定，达到设计要求。

　　5　未来与展望—远程监护

　　远程监护作为远程医疗的一个重要组成部分之一，必将随着远程通信技术的不断发展而发展。我们所讨论的每一步，都为实现远程监护作了考虑，因此，只要远程通信网能保证每个站点至少10kbps的传输速率，实现远程监护是水到渠成的事。图1所示的结构图为一种简单可行的模式，远程中心或床边监护站通过电话线和MODEM连到拨号服务器上，进入监护网，现在的56kMODEM上行传输速率在42-56kbps之间，下行速率为33.6kbps［3］，远大于10kbps，可以满足要求。

　　对于医院间的互联，可以参考Internet模型，用ISDN(综合业务数字网)或DDN(数字数据服务)专线，建立专门的远程监护网，只是价格要贵一些。另一个可以考虑的远程通信网是中国金卫医疗网以及Internet，但目前为止拥挤繁忙的Internet尚无法保证10kbps的传输速率和较小的时延抖动(小于1秒钟)，既不能保证远程监护所需要的服务质量(QOS)。金卫医疗网尚在建设中，其带宽及时延要好于Internet，但在网络负载较重时也不能保证监护所需要的QOS，其原因是传统的TCP/IP协议(IPv4)根本不提供对QOS的保证。为使Internet能够更好地满足这些应用的需求，人们提出了许多新的协议，如RSVP(资源预约与保留协议)、RTP(实时传输协议)等［4］［5］，通过这些新的协议，建立连接前首先预约一定的资源如带宽、时延等，并由所经过的路由器得以保证，这样就可以满足远程监护的通信需求。TCP/IP协议的下一代——IPv6也提供了对QOS的支持，但要真正得到普及，还须得到广大网络硬件制造商及电信部门的支持。■

　　作者简介：廉世俊，赵明鹤，唐李卉，硕士研究生。

　　胡大可,副教授.

　　参考文献：

　　［1］蒋东兴、林鄂华.Windows Sockets网络程序设计指南.第1版.北京：清华大学出版社，1995.5～6

　　［2］Andrew S.Tanenbaum.Computer Networks.Third Edition.北京：清华大学出版社，1997.413，526，285

　　［3］陈小平、史烈.几种宽带接入网技术介绍.计算机与通信.1998.9∶1～4

　　［4］潘建平、顾冠群、沈苏彬.高速集成服务分组网络支持多媒体应用的通信服务和协议.电信科学.1997.13(7)∶10～15

　　［5］虞勇超.IP技术——未来通信网络基础.计算机与通信.1998.7∶1～4