基于無線傳感網的自動腸內營養系統的設計

包秀珠，嚴紅燕，王健，李婷婷

江蘇省南通市第一人民醫院，江蘇南通 226001

0 前言

腸內營養（Enteral Nutrition，EN）是通過口服或管飼來提供代謝需要的營養物質及其他營養素的營養支持方式[1]。早期腸內營養對小腸有局部營養作用，能刺激腸蠕動，促進腸黏膜細胞生長和胃腸激素分泌，有利于保持小腸黏膜結構與功能的完整，維持腸黏膜的屏障功能，防止腸道菌群易位，降低腸源性感染[2]。胰十二指腸切除術后早期應用腸內營養，患者的術后平均住院時間、總并發癥發生率、腸蠕動恢復時間、住院營養費用均有明顯降低[3]。目前臨床上一般采用連續滴注的方法對患者進行腸內營養，實際操作中營養液的溫度與輸注速度需靠護士人工調節，準確性較差，存在著一定的盲目性、隨意性，且易導致并發癥，使患者病程延長。

鑒于以上原因，筆者自行設計了基于無線傳感網的自動腸內營養系統，可適時、動態地監控營養液的溫度及輸注速度。

1 自動腸內營養系統的設計過程

自動腸內營養系統的整體框架，見圖1。該系統主要由加熱/制冷裝置、光電傳感器、溫度傳感器、步進電機、計算機微處理器、觸控屏、無線節點模塊7部分構成。

1.1 加熱/制冷裝置

該裝置采用的材料是半導體制冷片。半導體制冷片是一種熱泵，其工作運轉采用直流電流，可通過改變直流電流的極性來決定在同一制冷片上是實現制冷還是加熱[4]，其原理是當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，從而可以實現制冷或加熱的目的。

圖1 床邊自動腸內營養系統框架圖

1.2 光電傳感器

光電傳感器的原理是把被測量的變化先轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號[5]。在該系統中，光電傳感器由一個紅外發射管和一個與之對應的接收管以及檢測電路組成，可將腸內營養液輸液管道中的滴速信號采集出來轉換成電信號再傳輸到計算機微處理器進行信號處理，最終換算成流量數值。

1.3 溫度傳感器

溫度傳感器的原理是將感受到的溫度轉換成可用的輸出信號。在該系統中，溫度傳感器通過測量腸內營養液輸液管道中的溫度，將其轉換成電信號再傳輸到計算機微處理器進行信號處理。

1.4 步進電機

步進電機的驅動信號由計算機微處理器控制，通過輸液滴速監測并反饋到計算機，計算機根據滴速控制滾輪加壓裝置運行，以保持腸內營養液滴速的穩定。

1.5 觸控屏

觸控屏其實就是一個人機對話窗口，護士在觸控屏上輸入病人姓名、年齡、性別、體重、身高、血壓、入院診斷等基本信息，然后傳輸到計算機微處理器進行數據處理。

1.6 計算機微處理器

微處理器根據觸控屏上病人的基本信息結合專家算法進行計算，得出腸道營養液輸液管道中的標準溫度和標準流量。微處理器接收溫度傳感器轉換的電信號并對其進行信號處理，最終換算成實際溫度數值，然后將實際溫度數值與標準溫度進行比較，溫度偏高時微處理器啟動加熱/制冷裝置進行制冷降溫，溫度偏低時則啟動加熱/制冷裝置進行加熱升溫；微處理器接收光電傳感器轉換的電信號并對其進行信號處理，最終換算成實際流量數值，然后將實際流量數值與標準流量進行比較，比較結果作為步進電機的驅動信號。

1.7 無線傳感器節點模塊

無線傳感器節點模塊主要由數據采集模塊（傳感器和A/D轉換器）、 數據處理和控制模塊（數據處理器和存儲器）、通信模塊（無線收發器）等組成。無線傳感器節點模塊的作用是將床邊觸控屏上的病人基本信息，計算機微處理器處理過的標準流量、實際流量、標準溫度和實際溫度等信息傳輸到護士站中央監護系統，便于護士統一監控。

2 無線傳感器網絡系統的設計過程

2.1 無線傳感器網絡的特點

由于醫院樓層寬、病房多，輸注中床邊無線傳感器節點的位置是隨病床移動且無序的，床邊無線傳感器節點之間的相鄰關系也是隨機的，這就要求床邊無線傳感器節點具有很強的自組織能力，因此本系統采用無線傳感網絡技術（Wireless Sensor Network，WSN）。無線傳感網絡是由大量傳感器節點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統，其傳感器節點具有較強的自組織能力，節點可以隨時移動，當一個節點因故障退出網絡運行時，附近的節點能自動補充進來，并實現網絡自組，從而保證網絡的暢通[6]。床邊無線節點不但可以傳輸本節點的數據，而且可以轉發其他節點的數據到中央站，從而解決了無線傳輸的距離問題。

無線傳感器網絡系統框架圖，見圖2。它由多個床邊無線傳感器節點模塊、路由器節點模塊、網絡協調器、護士站中央監護系統組成，能實時收集所有病人輸注過程中營養液的溫度及滴速信號，隨時進行監測、處理及調控。

圖2 無線傳感器網絡系統框架圖

2.2 無線傳感器網絡硬件設計

床邊無線節點可代替路由器的功能，所以床邊無線節點跟路由器的節點硬件設計是一樣的，采用CC2530片上系統芯片，其特點是高速低消耗，具有強大的存儲能力以及卓越的射頻性能[7]。硬件系統結構圖，見圖3。該結構的核心就是片上系統CC2530和射頻前端CC2591，通過CC2530和CC2591的組合應用來實現預期的性能指標。

圖3 節點硬件系統結構圖

2.3 無線傳感器網絡軟件設計

2.3.1 系統中央站軟件設計

中央監護站軟件設計是基于Microsoft Visual Studio 2010環境，采用C#程序開發完成的。

該系統溫度、滴速自動調節系統中央監護站的管理系統與協調器之間基于串口通信對數據進行處理后，將相應節點信息存入數據庫，本系統的數據庫為SQL Sever 2005。中央監護站軟件負責對系統中的全部節點進行管理。

2.3.2 串口通信的數據處理

串口通信是指外設和計算機間通過數據信號線、地線、控制線，按位進行數據傳輸的一種通訊方式[8]。

本系統采用的是微軟在.NET中推出的串口控件SerialPort，可方便地實現所需串口通信的各種功能。

SerialPort控件程序代碼如下：

根據接收到的串口數據即可進行數據解析，分解出各種信息以便進行處理。

3 臨床應用

3.1 一般資料

選取2013年1月～2014年6月在我院外科實施腸內營養的病人116例， 采用隨機數字法分為傳統腸內營養組（常規組）60例、自動腸內營養組（實驗組）56例。兩組均使用紐迪希亞公司生產的能全力營養液，常規組應用傳統的方法實施腸內營養，實驗組應用自行設計的自動腸內營養系統實施腸內營養，對兩組營養液的溫度、滴注速度、護士操作耗時以及并發癥等情況進行比較。

3.2 統計學方法

采用SPSS 13.0軟件進行統計學處理，計量資料用均值±標準差（±s）表示，比較采用t檢驗；計數資料比較采用χ2檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

3.3 結果

兩組相關指標比較結果，見表1～2。兩組營養液的溫度、滴注速度、護士操作耗時以及并發癥比較，差異均有統計學意義（P＜0.05），實驗組明顯優于常規組。

4 結語

經反復調試，基于無線傳感網的自動腸內營養系統能降低腸內營養過程中因溫度、滴速不均衡導致的并發癥，系統信息傳輸準確、靈敏，操作簡單，運行安全可靠，自動化程度高，可明顯減低護士工作量，符合現代護理理念，具有一定的臨床價值。

表1 兩組營養液的溫度、滴注速度、護士操作耗時的比較（±s）

表1 兩組營養液的溫度、滴注速度、護士操作耗時的比較（±s）

組別 例數（n） 溫度誤差（℃） 滴注速度（30 mL/h） 護士操作所耗的時間（min）常規組 60 10.41±1.30 55.40±1.74 6.6±2.5實驗組 56 2.97±0.70 24.30±1.04 2.8±1.3 t值 36.451 115.959 10.449 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

表2 兩組并發癥發生率的比較（%）

[1]肖方,甘欽.腸內營養的發展及臨床并發癥[J].中國藥房,2005, 16(3):230-231.

[2]Finck C.Enteral versus parenteral nutrition in the critically il1[J].Nutrition,2000,16(5):393-394.

[3]高峰畏,雷澤華,胡偉明,等.胰十二指腸切除術后早期應用腸內營養的系統評價[J].中國循證醫學雜志,201l,11(10): 1166-1171.

[4]唐春暉.半導體制冷-21世紀的綠色"冷源"[J].趨勢與展望, 2005,30(5):32-34.

[5]朱偉,韓服善.光電傳感器在自動化生產線上的應用[J].電子工程師,2004,30(8):72-73.

[6]張志臣.基于無線傳感網絡的多導聯心電監護系統的研究和設計[D].北京:北京郵電大學,2012.

[7]周學軍,丁愛明,曹胡玲,等.基于無線傳感網的持續膀胱沖洗系統[J].中國醫療設備,2013,28(10):34-36.

[8]田璀.人體次聲信號檢測及分析[D].重慶:重慶郵電大學, 2010.