基于移動微網(wǎng)的智能輸液監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計

劉啟航 周曉莊 李超 趙一凡

摘 要：人工輸液是現(xiàn)代醫(yī)療治療主要手段之一，但是存在效率低下，無法及時預(yù)警等缺點。本文設(shè)計并實現(xiàn)基于移動微網(wǎng)的智能輸液監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸液異常檢測部件、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、云服務(wù)器和APP四部分構(gòu)成，實現(xiàn)了滴液測速、滴液速度控制、異常報警的功能。通過搭建測試環(huán)境，結(jié)果表明，該系統(tǒng)測速誤差率僅為0.2%，異常檢測及報警率達到100%，并具有功耗低、使用方便等優(yōu)點，可以極大提高輸液監(jiān)護過程的安全性和醫(yī)護人員的工作效率。

關(guān)鍵詞：智能輸液；移動微網(wǎng)；Zigbee技術(shù)；云數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP274+2 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

靜脈輸液是臨床醫(yī)學中的一種重要的治療手段和醫(yī)學監(jiān)護的一項重要內(nèi)容[1]，其在各個醫(yī)院的醫(yī)療工作中被廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計每年住院輸液率高達98%[2]。但是大部分醫(yī)院的輸液方式都是采用人工監(jiān)控，效率低下，易引發(fā)醫(yī)療事故，因此，智能輸液監(jiān)控技術(shù)成為近年來的研究熱點，僅在美國，輸液控制的安全軟件使用率也從2006年的33%上升到現(xiàn)在的98%[3]。目前國內(nèi)外也有不少智能輸液系統(tǒng)，也可以實現(xiàn)預(yù)警功能。日本JMSOT701輸液泵[4]，聲光報警背光彩屏顯示，具有獨特的高達30%可調(diào)整度的滴速控制而且獨特的蠕動式泵箱，便于裝拆、清洗。但功耗太大，成本高昂，只能應(yīng)用于重癥患者監(jiān)護而難以推廣。國內(nèi)智能輸液設(shè)計以壓電橋式傳感器獲取輸液信息[5]，成本低功耗小數(shù)據(jù)采集方便，但穩(wěn)定性差，光線、溫濕度會影響獲取的輸液數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計的智能輸液系統(tǒng)采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，其多種的休眠模式使得傳統(tǒng)鉛蓄電池可使整個系統(tǒng)工作兩個月以上，而且Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)迅速，健壯性強。紅外光電傳感技術(shù)徹底克服了指狀蠕動泵依賴輸液軟管彈性的缺陷[6]，利用液滴對紅外光的有效反射，使另一端的探頭無法接收到紅外光來觸發(fā)傳感器，另外智能手機的APP讓預(yù)警更加及時有效。

2 Zigbee及相關(guān)技術(shù)（Zigbee and correlative technique）

Zigbee傳輸技術(shù)是最近提出的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)[7]。主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，是為了滿足小型廉價設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。本文主要采用了TI公司推出的以CC2530為核心的開發(fā)板。其以51單片機為內(nèi)核，共有18個中斷源，對應(yīng)著不同的中斷向量，在使用中斷源時要申請各自的中斷向量，其主要的流程為：系統(tǒng)初始化、中斷使能、中斷寄存器的配置、中斷觸發(fā)和清除中斷標志。上述流程結(jié)束后即可采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，此系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)量僅僅為一串字符串，所以采用RFD（Reduced-Function Device）來實現(xiàn)低功耗充分利用資源。CC2530芯片工作時具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。它的工作模式分為主動模式、空閑模式、PM1、PM2和PM3，當中斷標志清除后進入PM3休眠模式，等待下一次的中斷觸發(fā)再喚醒。并且運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。在業(yè)界內(nèi)，CC2530結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。

3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計（The structure design of system）

該智能輸液系統(tǒng)主要由四部分組成：輸液監(jiān)控終端、手機端、網(wǎng)關(guān)、護士站，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

monitoring system

（1）輸液監(jiān)控終端：終端的紅外光耦模塊主要是采集液滴的數(shù)目和計算液滴的速率。當液滴滴下的時候遮住光耦，觸發(fā)一次中斷并計數(shù)一次，內(nèi)部定時器啟動并計數(shù)5秒，保存液滴數(shù)n，計算速率v，如式（1）所示。

（1）

再通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將5秒內(nèi)的液滴數(shù)和速率發(fā)送給路由。

（2）手機端：病人可以下載相應(yīng)的安卓端的APP，接入網(wǎng)關(guān)提供的Wifi，便可以獲取自己的輸液信息，APP可以對輸液結(jié)束和輸液異常等情況進行報警。

（3）網(wǎng)關(guān)：Zigbee模塊接收傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，通過串口透傳將數(shù)據(jù)包再發(fā)送給Wifi模塊，從而連接外網(wǎng)。

（4）護士站：主要是一臺PC機，它可以接收網(wǎng)關(guān)通過Wifi發(fā)來的數(shù)據(jù)包，記錄并監(jiān)控每個病人的輸液狀態(tài)。護士站實時將數(shù)據(jù)傳輸至本地醫(yī)療數(shù)據(jù)中心，中心將數(shù)據(jù)錄入個人醫(yī)療記錄中。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計及實現(xiàn)（System function design and

realization）

4.1 智能輸液監(jiān)控終端

智能輸液終端包含數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)傳輸裝置，它負責數(shù)據(jù)采集，并向上一層傳輸數(shù)據(jù)。智能輸液終端的核心是滴液測速準確及穩(wěn)定，為此我們采用10mm凹槽式紅外光耦，把光發(fā)射器和接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)。發(fā)光器能發(fā)出紅外光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當液滴從槽中通過時，紅外光被反射，接收器無法接收到紅外光，光電開關(guān)便動作。輸出一個開關(guān)控制信號，切斷負載電流，從而完成一次控制動作，產(chǎn)生一次中斷。

傳感器連接的是Zigbee通信模塊，當中斷觸發(fā)時，執(zhí)行中斷函數(shù)，將液滴數(shù)量增加1，并每經(jīng)過五秒則向Zigbee路由器進行點播，告知該節(jié)點輸液情況。輸液結(jié)束后可手動關(guān)閉傳感器上的Zigbee模塊，若未關(guān)閉，傳感器超過10秒未接收到數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過休眠定時器進入PM3休眠狀態(tài)等待下一次的中斷喚醒。

4.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)及路由規(guī)劃

Zigbee模塊有增強型8051微控制器和RF收發(fā)器，看門狗和中斷事件可喚醒休眠[8]，其余時間處在休眠狀態(tài)降低功耗。在使用Zstack協(xié)議棧編程的時候，所走的流程圖如圖2所示[9]。數(shù)據(jù)包包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度和傳播方式，數(shù)據(jù)為間歇性數(shù)據(jù)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用星形形式，由終端節(jié)點、路由節(jié)點、網(wǎng)關(guān)組成，通信協(xié)議格式如表1所示。

終端節(jié)點內(nèi)部P1.1腳連接LED指示燈D1，上電燈亮表明組網(wǎng)成功，采集數(shù)據(jù)完成，向路由發(fā)送請求，路由接收數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)解析。網(wǎng)關(guān)是實現(xiàn)節(jié)點通信關(guān)鍵，它由Zigbee和Wifi模塊拼接而成，部分核心偽代碼如下：

Transmit

if serial port

then get port number

configure Kbps Date Check Stop

if port open

convert character string into bit stream

while buff

transmit

exit

Receive：

if serial port

then get port number

configure Kbps Date Check Stop

if port open

while true

receive

Wifi模塊采用的是RF5350芯片，它具有一般家用路由器的功能，內(nèi)部燒入固件openwrt。Wifi和Zigbee之間通過串口透傳傳遞數(shù)據(jù)，整個模塊作為房間內(nèi)每個路由節(jié)點的網(wǎng)關(guān)，Zigbee模塊建立起網(wǎng)關(guān)和終端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸距離有限[10]，因而由Wifi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳給護士站。

4.3 云服務(wù)器設(shè)計及編程

我們將服務(wù)器端架設(shè)在云端，它具有很多傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫不具有的優(yōu)勢，如錄入方便快捷、數(shù)據(jù)的管理維護由第三方完成、信息安全可靠等，本地各級醫(yī)院將數(shù)據(jù)傳輸至醫(yī)療數(shù)據(jù)中心，可實時監(jiān)控各醫(yī)院的醫(yī)療情況，及時處理突發(fā)事件，并將各患者信息錄入并更新，支持多種類型和格式的數(shù)據(jù)錄入、導(dǎo)出，當數(shù)據(jù)項需要計算時，數(shù)據(jù)庫向云計算服務(wù)器發(fā)送計算請求，患者來醫(yī)院再次治療時，各級醫(yī)院可以通過姓名或其他身份信息查詢該患者過往的就診記錄，在選擇輸液藥物時，避免有較大反應(yīng)的藥物。

我們使用NoSQL類型的數(shù)據(jù)庫mongodb，它在許多場景下可用于替代傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或鍵/值存儲方式，它是一個面向集合的，模式自由的文檔型數(shù)據(jù)庫。云服務(wù)器數(shù)據(jù)表格式如表2所示。

當醫(yī)療科研工作者需要數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)庫可以隨時自動生成統(tǒng)計報表，并進行統(tǒng)計學分析處理。在數(shù)據(jù)導(dǎo)出時，數(shù)據(jù)庫建立索引后，可以對數(shù)據(jù)進行進一步整合、處理，最后將數(shù)據(jù)可視化，用于科學研究。

4.4 安卓端APP的設(shè)計

在輸液室中，用戶連接醫(yī)院的Wifi，并下載該APP即可得到自己的實時輸液情況，該APP經(jīng)過UI設(shè)計，實現(xiàn)了友好的交互界面，與室內(nèi)路由器進行http協(xié)議數(shù)據(jù)傳遞，并通過頁面中進度條顏色指示輸液狀態(tài)。當用戶輸液即將完畢時，手機將發(fā)出鈴聲提醒患者，當輸液特殊藥水時，APP將告知患者注意事項。該APP具有天氣預(yù)報的功能，向中國氣象網(wǎng)服務(wù)器發(fā)起http請求，患者可以得知輸液室具體的溫濕度情況，當接入掌上醫(yī)院后，可植入醫(yī)院導(dǎo)航、智能導(dǎo)醫(yī)、預(yù)約取號、化驗取單、就醫(yī)記錄等服務(wù)。

5 系統(tǒng)測試（System testing）

（1）測試環(huán)境搭建

本系統(tǒng)以250ML的輸液袋進行了實驗，輸液裝置采用莫非氏滴管。Zigbee網(wǎng)絡(luò)由TI公司提供的若干塊CC2530開發(fā)板構(gòu)建而成。以操作系統(tǒng)為Windows 7系統(tǒng)的PC作為護士站，整個網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

（2）測試結(jié)果

設(shè)置三種不同的滴速，進行六次實驗，記錄護士站和手機APP的實驗數(shù)據(jù)，獲得如表3所示的數(shù)據(jù)，通過逐差法獲得實際滴速。實驗結(jié)果表明，測速的誤差率約為0.2%，異常報警率為100%。

6 結(jié)論（Conclusion）

本文介紹了一個以Zigbee通信技術(shù)為核心，結(jié)合安卓開發(fā)的一套智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。由拓撲結(jié)構(gòu)到相關(guān)的硬件、軟件設(shè)計給出了相應(yīng)的解決方案。經(jīng)過測試結(jié)果評估，方案能

有效解決輸液監(jiān)控系統(tǒng)功耗高、成本高、穩(wěn)定性差三個技術(shù)難點。云端服務(wù)器保證了信息錄入快捷且用戶安全性得到了保障。整個系統(tǒng)提高了醫(yī)護人員的工作效率，減輕了醫(yī)護人員的負擔。

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作者簡介：

劉啟航（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：通信工程.

周曉莊（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：計算機應(yīng)用.

李 超（1975-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：信息安全，

嵌入式.