CN107423779A - 基于射频标签的rfid手术器械管理系统 - Google Patents

基于射频标签的rfid手术器械管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明是基于射频标签的RFID手术器械管理系统，包括RFID阅读单元、RFID标签以及工控机，将ISO15693射频标签内置在手术器械中，三组读取天线分别位于登记录入处、回收桶以及扫描器，手术器械内嵌的RFID标签存有唯一标识符UID用来标识该器械的唯一身份和器械的对应类型的应用族识别符AFI，RFID阅读单元通过天线的电磁耦合读取器械内的标签信息，经RS232串口传递给工控机，工控机安装了由Qt开发的上位机程序，显示系统的操作界面和统计结果。有益效果：不仅可以大大降低手术中手术器械清点者的压力和工作量，准确、稳定的显示手术器械的使用和回收情况，确保手术器械无遗漏。

Description

基于射频标签的RFID手术器械管理系统
技术领域
本发明属于RFID射频领域，尤其涉及一种基于射频标签的RFID手术器械管理系统。
背景技术
数据显示，手术异物遗留给患者不仅带来了不必要的伤害和疼痛的折磨，甚至直接威胁到他的生命安全。手术异物遗留问题必须引起我们的重视。要解决手术异物遗留的问题，就在于对手术中手术器械的使用和回收进行科学、严格管理，杜绝任何手术器械遗漏的情况发生。通过调研发现,目前在国内的医院手术中，为防止手术器械(如纱布、手术剪刀、血管钳等)遗留在病人体内，采用严格的三人四次清点制度，完全依赖人工清点与回收，这不仅增加了手术的复杂度和管理成本，而且不能对手术中使用的所有器械进行统一规范的管理统计。
发明内容
本发明的主要目的是为了解决现有技术的不足，提供了一种基于射频标签的RFID手术器械管理系统，上述目的通过下述的技术方案来实现：
基于射频标签的RFID手术器械管理系统，包括RFID阅读单元、RFID标签、天线以及工控机，所述RFID标签内置在手术器械中，所述天线分别位于手术室内的登记录入处、回收桶以及扫描器，RFID标签存有用于标识该器械的唯一身份的唯一标识符UID和存有器械对应类型的应用族识别符AFI，RFID阅读单元通过天线的电磁耦合读取器械内的标签信息，经RS232串口传递给工控机，工控机安装了由Qt开发的上位机程序，显示系统的操作界面和统计结果。
所述基于射频标签的RFID手术器械管理系统的进一步设计在于，所述RFID 阅读单元包括
MCU逻辑控制模块，负责RFID阅读单元的工作逻辑控制和将采集的信息上传至上位机程序；
CPLD编解码模块，根据ISO15693协议实现MCU逻辑控制模块和射频前端电路之间通信的编码和解码；
射频前端电路，对发射信号进行调制和放大，对接收信号进行整形滤波和解调。
所述基于射频标签的RFID手术器械管理系统的进一步设计在于，所述 CPLD编解码电路通过VHDL硬件语言基于ALTER公司的MAXII芯片映射成实际硬件电路。
所述基于射频标签的RFID手术器械管理系统的进一步设计在于，射频前端电路分为发射电路和接收电路两个部分：
发射电路，采用分立元件搭建，将需要发送的编码信号调制到13.56MHz的载波上，并利用功率放大器进行功率放大，最后采用滤波电路对信号进行整形滤波；接收电路，为AD8616芯片外接滤波器构成的两级放大滤波电路，将13.56MHz的载波信号滤除，提取出副载波信号，再通过MAX9142双路比较器对提取的副载波信号进行规整和优化。
所述基于射频标签的RFID手术器械管理系统的进一步设计在于，所述MCU 逻辑控制电路主要由IAP15W4K61S4单片机和串口芯片MAX232组成， IAP15W4K61S4单片机通过MAX232串口芯片实现与工控机串口通信。
所述基于射频标签的RFID手术器械管理系统的进一步设计在于，所述天线分为三组，分别对应地设置于登记录入处、回收桶和扫描器。
所述基于射频标签的RFID手术器械管理系统的进一步设计在于，所述回收桶内的天线由三个独立的线圈与线路主板组成，所述每个线圈为矩形线圈且分别位于回收桶的两个侧面与底面，使得线圈相互垂直且不相交地连接到所述线路主板上。
所述基于射频标签的RFID手术器械管理系统的进一步设计在于，每组天线的匹配电路与天线制作到同一块线路主板上，所述线路主板通过一个磁环降低干扰，并通过传输线连接一个SMA头。
本发明的有益效果：
本发明的基于射频标签的RFID手术器械管理系统不仅可以大大降低手术中手术器械清点者的压力和工作量，准确、稳定的显示手术器械的使用和回收情况，确保手术器械无遗漏，为手术安全提供最后一道防线，而且还可以接入医院的数据库系统，为智能化医院提供支持比如：为医院手术器械耗材的大数据分析提供数据来源。另一方面该系统基于CPLD强大的实时和高速数据处理的优势，充分利用以分立元件设计硬件电路具有结构简单、成本低及性能稳定的特点，加上单片机构成的硬件结构简单、开发周期短、控制功能强、可靠性高的优点。
附图说明
图1是基于射频标签的RFID手术器械管理系统的结构图。
图2是MCU的电路图。
图3是CPLD内部模块电路图。
图4是射频前端电路中接收电路的电路图。
图5是回收桶的天线结构示意图。
图6是MCU程序流程图。
图7是上位机软件示意图。
图8是数据库关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，本实施例的基于射频标签的RFID手术器械管理系统，主要由 RFID阅读单元、RFID标签、三组天线以及工控机组成。将RFID标签内置在手术器械中，三组读取天线分别位于登记录入处、回收桶以及扫描器，手术器械内嵌的RFID标签存有唯一标识符UID用来标识该器械的唯一身份和器械的对应类型的应用族识别符AFI。RFID阅读单元通过天线的电磁耦合读取器械内的标签信息，经RS232串口传递给工控机，工控机安装了由Qt开发的上位机程序，显示系统的操作界面和统计结果。
RFID阅读单元主要由MCU逻辑控制模块、CPLD编解码模块以及射频前端电路组成。其中，如图2，MCU逻辑控制模块，负责RFID阅读单元的工作逻辑控制并将采集的信息上传至上位机程序。如图3，CPLD编解码模块依据ISO15693 协议实现MCU和射频前端电路之间通信的编码和解码。射频前端电路对发射信号进行调制和放大，对接收信号进行整形滤波和解调。
天线分为三组，分别对应地设置于登记录入处、回收桶和扫描器。图5中回收桶内的天线由三个独立的线圈与线路主板组成，参见图5。每个线圈为矩形线圈且分别位于回收桶的两个侧面与底面，使得线圈相互垂直且不相交地连接到线路主板上。进一步的，箭头表示电流的流向，由安培定律可知,通电导体中电流的方向与磁力线的方向满足右手螺旋法则。这样通电的天线线圈存在两种磁场产生方式。采用图中所示的电流流向方式，相邻两导线中的电流就变成了逆向，这样线圈之间区域的磁场方向就变为同向，如此组合的线圈不但不会减弱之间区域的磁场强度，反而还会增强，这样有助于读取回收桶角落里的纱布内的电子标签。
每组天线的匹配电路与天线制作到同一块线路主板上，线路主板通过一个磁环降低干扰，并通过传输线连接一个SMA头。
MCU逻辑控制电路主要由IAP15W4K61S4单片机和串口芯片MAX232组成，IAP15W4K61S4单片机通过MAX232串口芯片实现与工控机串口通信。MCU 中的软件对各个模块初始化和单片机IAP15W4K61S4引脚配置。主程序循环判断接收完成标志位，当检测到串口中断，进入串口中断服务程序，根据设定的通信协议识别到帧头后开始接收数据，通信协议如表1所示。接收完成后进行循环冗余检查(Cyclic Redundancy Check,CRC)校验，校验正确将接收完成标志位置为真。当主程序检测到接收完成标志位被置为真，对接收的数据进行解析判断，根据接收的命令字向CPLD中发送对应的命令帧。随后接收CPLD中返回的数据帧，进行CRC校验，验证通过后依据串口通信协议对接收数据进行打包，最后通过串口向上位机返回数据。一次通信完成后，程序回到循环判断接收完成标志的函数，等检测到下一次接收完成标志后，进行上面同样的步骤。MCU程序具体流程如图6所示。
表1.通信协议
CPLD编解码电路通过VHDL硬件语言基于ALTER公司的MAXII芯片映射成实际硬件电路。
射频前端电路分为发射电路和接收电路两个部分。发射电路，采用分立元件搭建，将需要发送的编码信号调制到13.56MHz的载波上，并利用功率放大器进行功率放大，最后采用滤波电路对信号进行整形滤波。接收电路，为AD8616芯片外接滤波器构成的两级放大滤波电路，将13.56MHz的载波信号滤除，提取出副载波信号，再通过MAX9142双路比较器对提取的副载波信号进行规整和优化。
上位机程序是整个系统的开始点和结束点，是系统与人的交互点，因此界面不仅要简洁明了，更要保证操作快捷方便。利用Qt特有的信号与槽的机制[9]使得系统操作者只需点击界面按钮，便可触发对应的操作，完成数据的获取。整个通信过程的数据可靠性很重要，因此在MCU端采用了多次CRC校验后，在上位机串口接收端再次进行CRC和长度校验，确保数据的绝对可靠。上位机软件的设计流程图如图7所示。
数据处理部分用Qt自带的SQLite轻量级数据库处理。数据库由2张表组成：⑴Device表。记录所有器械的使用和回收情况；⑵Type表。记录所有器械对应类型的使用和回收情况。Device表与Type表之间具有多对一的关联关系。数据库表关系图如图8所示。
数据库对接收的数据处理流程如下：①手术开始后系统自动创建一张与手术患者有关的Device表。②登记天线读取到手术器械内标签的UID，先在表中查询是否已存在此UID记录。如果没有则创建ID为此UID的一条行记录，并将登记天线值写为true，回收天线和扫描天线值写为false，器械类型根据读取到标签的AFI判别。如果存在此UID记录就忽略。③回收天线读取到UID，在表中查询是否表中有此UID记录，如果有就将回收天线的值改为true，状态的值也改为true，否则提示该标签未经登记进入使用。④扫描天线读取到UID，在表中查询是否表中有此UID记录以及回收天线的值是否为false，如果以上条件都满足就将扫描天线值改为true，否则忽略此UID。⑥手术结束，备份保存数据表以便日后查询手术中器械使用的记录，关闭数据库。
Type表每当Device表有数据操作就对其做一次数据统计并更新Type表的内容。界面根据Type表的内容，统计显示当前各种类型手术器械使用和回收的数量情况。
为了验证系统的准确性和可靠性，选取了8张ISO15693协议的射频标签，分别放置在40*40纱布、100*60纱布、100*100纱布和手术剪刀四种器械中，并将这8张标签的AFI写成对应型号的编码。然后模拟手术过程使用手术器械。
手术操作流程如下：手术开始打开手术管理系统，点击操作界面的登记录入(COUNT IN)按钮，将手术器械使用前在登记录入处扫描录入，器械使用完后扔进回收桶中。手术结束后点击回收(COUNT OUT)按钮，系统自动统计回收桶中的器械。根据显示结果判断，如果有未回收的遗漏器械，且不在可视范围内，点击扫描(SCAN)按钮用扫描器去病人身体部位探测寻找，快速定位遗漏器械的位置。最后点击详情(DETAIIED)按钮进入详细数据界面保存数据，以便日后查询手术记录查看手术器械使用情况。
实验过程中故意让1块100*60型号和1块100*100型号的纱布未放进回收桶模拟遗漏的情况，系统能够准确的显示这2种纱布各有1块未回收。然后用扫描器找到这2块纱布后，系统显示没有手术器械遗漏。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于射频标签的RFID手术器械管理系统，其特征在于包括RFID阅读单元、RFID标签、天线以及工控机，所述RFID标签内置在手术器械中，所述天线分别位于手术室内的登记录入处、回收桶以及扫描器， RFID标签存有用于标识该器械的唯一身份的唯一标识符UID和存有器械对应类型的应用族识别符AFI，RFID阅读单元通过天线的电磁耦合读取器械内的标签信息，经RS232串口传递给工控机，工控机安装了由Qt开发的上位机程序，显示系统的操作界面和统计结果。
2.根据权利要求1所述的基于射频标签的RFID手术器械管理系统，其特征在于所述RFID阅读单元包括
MCU逻辑控制模块，负责RFID阅读单元的工作逻辑控制和将采集的信息上传至上位机程序；
CPLD编解码模块，根据ISO15693协议实现MCU逻辑控制模块和射频前端电路之间通信的编码和解码；
射频前端电路，对发射信号进行调制和放大，对接收信号进行整形滤波和解调。
3.根据权利要求2所述的基于射频标签的RFID手术器械管理系统，其特征在于所述CPLD编解码电路通过VHDL硬件语言基于ALTER公司的MAXII芯片映射成实际硬件电路。
4.根据权利要求2所述的基于射频标签的RFID手术器械管理系统，其特征在于射频前端电路分为发射电路和接收电路两个部分：
发射电路，采用分立元件搭建，将需要发送的编码信号调制到13.56MHz的载波上，并利用功率放大器进行功率放大，最后采用滤波电路对信号进行整形滤波；
接收电路，为AD8616芯片外接滤波器构成的两级放大滤波电路，将13.56MHz的载波信号滤除，提取出副载波信号，再通过MAX9142双路比较器对提取的副载波信号进行规整和优化。
5.根据权利要求1所述的基于射频标签的RFID手术器械管理系统，其特征在于所述MCU逻辑控制电路主要由IAP15W4K61S4单片机和串口芯片MAX232组成，IAP15W4K61S4单片机通过MAX232串口芯片实现与工控机串口通信。
6.根据权利要求1所述的基于射频标签的RFID手术器械管理系统，其特征在于所述天线分为三组，分别对应地设置于登记录入处、回收桶和扫描器。
7.根据权利要求6所述的基于射频标签的RFID手术器械管理系统，其特征在于所述回收桶内的天线由三个独立的线圈与线路主板组成，所述每个线圈为矩形线圈且分别位于回收桶的两个侧面与底面，使得线圈相互垂直且不相交地连接到所述线路主板上。
8.根据权利要求1所述的基于射频标签的RFID手术器械管理系统，其特征在于每组天线的匹配电路与天线制作到同一块线路主板上，所述线路主板通过一个磁环降低干扰，并通过传输线连接一个SMA头。
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