智慧醫療

周正陽+王聰聰+王一欽+李可+鄭琦琪

摘 要：智能輸液系統由上位機（微機）、下位控制機、滴速測定和滴速控制系統、液體保溫裝置、意外報警裝置構成。該裝置主要通過單片機、光電傳感器、ZigBee短距離無線通信等技術搭建而成，使用該裝置進行輸液，可大大減輕護理人員的工作負擔，為患者的輸液安全保駕護航。

關鍵詞：智能輸液；液位監測；滴速控制；ZigBee

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-00-03

0 引 言

隨著人口劇增以及社會的發展，醫院的醫患比大大減小，醫護工作者的工作量與日俱增。由于患者數量過多，導致部分患者輸液時的安全無法得到保障，護士的工作效率有待提高。近年來，大醫院已開始借助智慧醫療系統來提高工作效率，《以信息化為載體的智能輸液監視器應用》一文的系統是將輸液是否完成的信息傳送至護士站，免去患者自己按鈴的麻煩，但其仍未能解決滴速異常、輸液處針位移動等問題。據此，我們通過實地調研、網絡查閱文獻、請教導師等，運用C51單片機、傳感器、ZigBee短距離通信技術開發了新型智能輸液系統，可以測定滴速、異常自動報警，大大提高醫護人員的工作效率。

1 智能輸液系統總體介紹

智能輸液系統由上位機（微機）、下位控制機、滴速測定和滴速控制系統、液體保溫裝置、意外報警裝置構成。

2 基于ZigBee技術的無線數據傳輸系統

2.1 ZigBee技術簡介

ZigBee（IEEE802.15.4）技術是一種短距離無線通訊技術，在2.4 GHz波段工作。其巨大的網絡容量允許其與254個節點聯網，適用于工業監控、傳感器網絡、安全系統的無線傳輸工作等。此外，ZigBee技術功耗較低，限制了其較低的極限數據吞吐量。但該技術具有功耗低、成本低、時延短、網絡容量大、可靠、安全等特點，非常適合用作本項目的無線傳輸方式[1， 2]。

2.2 傳輸系統數據發送端的設計

本系統的無線數據傳輸模塊由若干個液位傳感器節點與一個網絡協調器模塊構成。各傳感器節點采集數據后，每隔一段時間數據發送模塊便通過ZigBee將數據發送到網絡協調器，再由協調器將收集到的數據傳輸至監控室PC或其他監控設備上，更可以通過互聯網將再次處理過的數據上傳到任意聯網的終端進行展示與存檔[3，4]。傳輸系統總體設計如圖1所示，無線收發模塊流程設計如圖2所示。

2.3 傳輸系統數據接收端的設計

數據接收端負責數據的接收、處理與展示工作，由監控室PC及附屬軟件組成，可實現對全部監控節點的可視化管理，包括節點是否入網、滴速顯示、輸液余量及其他異常情況顯示和報警功能。軟件可使用C++、Java開發，日后或可研發更多配套軟件，使護士及其他管理人員能在手機、平板等移動平臺上監控患者的輸液情況[5，6]。

3 基于光電傳感器的輸液滴速測定及其驅動控制

該項目輸液滴速實時監測系統以單片機為核心，再輔以光電傳感器、運算放大器等相關功能電路的硬件結構。具有結構微型化、操作方便靈活等特點[7]。

3.1 紅外光電檢測技術判定液滴的有無

因輸液需要在嚴格控制衛生的情況下進行，所有監測設備都不應接觸藥液，因此采用非接觸式紅外光電檢測技術。在發射管和接收管之間留適當距離，當無液滴通過時，接收管受光導通，輸出為零。當有液滴通過的瞬間，使光線折射，接收管的光通量不足，輸出為1。為避免較大誤差，我們在液滴管上套半透明的罩子，以減少太陽光、日光燈的干擾[7，8]。液滴光電檢測原理圖如圖3所示。

3.2 通過軟件計算藥液滴速

可通過相鄰兩次液體滴落的時間差計算。文中采用 STC90型51單片機。由于臨床滴速范圍為20～180滴/min，即最大滴速為3滴/s，采用的精度為1 ms定時中斷。當計數溢出時，進入定時中斷進行處理。為避免液滴信號出現漏判、誤判的情況，本軟件嵌入兩個中斷子程序，一旦發現有液滴信號溢出，則進入外部中斷，定時器溢出，則進入定時器中斷，然后對液滴信號及時間參數進行處理，得到所求數據[9]。

3.3 信號處理

點滴速度信號的變化范圍大致為每分鐘20～180滴，屬于低速信號檢測。按照實際采樣滴速時間，一旦采樣時間偏長，采樣時間內的滴速變化便難以檢測，在對點滴速度進行改變或調整時會出現調整精度差、系統響應時間長等問題，該項目通過鎖相環倍頻技術[10]對其進行處理。鎖相環倍頻技術指通過鎖相環集成電路和相位比較器引入反饋，隨時監控信號的情況并對信號頻率進行修正和放大。此舉縮短了采樣時間，提高了系統的采樣速度。鎖相環倍頻技術如圖4所示。

3.4 滴速傳輸和控制

滴速測量完成后單片機利用ZigBee將數據傳送至控制中心進行分析判斷，并在液晶電視上顯示實時結果。

滴速控制需快速、穩定，我們通過以下兩種方式調節滴速：

（1）利用下位機的步進電動機帶動儲液瓶上下移動從而調整滴速，偏快則下移，偏慢則上移。

（2）考慮到儲液瓶液位到零刻度時應確保完全關閉輸液器，以防止空氣進入血管或回流，因而采用控制輸液軟管夾頭松緊即軟管夾頭平行移動的方法來實現滴速的控制。在輸液軟管上安裝一夾頭，該夾頭由微型步進電機的正、反轉帶動傳動機構前進或后退，從而通過控制夾頭松緊實現對滴速的調控[8，9，11]。

護士可以針對每位患者的情況在系統中設置滴速的上下限值。為保證滴速控制的快速和穩定，該系統采用模糊控制技術，當上位機檢測到的輸液實時速度與設定值存在偏差時，執行相應的控制算法，通過單片機控制步進電機調節輸液軟管的松緊來調節輸液速度，當輸液速度低于下限值時，電機反向轉動以放松對輸液軟管的壓力從而增加滴速；當輸液的速度高于上限值時，電機正向轉動以壓緊輸液軟管從而降低滴速，使之保持在預設范圍內。

若調整后仍未達到預設范圍，則啟動報警裝置并將滴速異常的信息傳送至護士站液晶顯示器及護士的手持終端。

4 液位檢測裝置

4.1 液位檢測電路設計

出于安裝方便的考慮，可采用TFK414-CNY70紅外線反射接收式傳感器，其發射和接收端是一體的。為使用方便，將光電傳感器固定在夾子上。為最大限度屏蔽外部干擾信號，在夾子外部貼上黑色的遮光膠帶并留下一部分用于紅外線的接收和發射[12，13]。接收端接收的紅外光信號強度因介質（透明液體或空氣） 的變化而產生與流速相對應的脈沖信號。傳感器輸出信號通過一階低通濾波、運放器放大傳送給報警電路。

4.2 液位檢測程序

液體檢測的軟件部分與點滴速度檢測程序類似。當滴瓶內液位下降到傳感器的檢測位以下時（相當于滴斗內液滴經過傳感器的情況），傳感器輸出端會產生高低電平的變化，此信號會通過電路傳到 P1.2口，單片機經過對 P1.2口的連續查詢確認信號準確后，向報警裝置發送報警信號并通過傳輸系統傳送至護士站顯示器及護士手持終端[14，15]。

5 報警裝置

5.1 報警裝置原理

報警系統采用基于ZigBee（IEEE802.15.4）協議的無線網絡覆蓋，實現病房輸液監護的無線化[16]，采用聲光報警方式報警。報警電路位于患者病床一側，接入發光二極管。控制部分產生階躍電壓信號，串入報警電路。當邏輯“1”出現時，電路工作，二極管變色閃爍[17]。系統中添加了病人手動報警功能，如果病人對于輸液感到不適（有可能是滴速的原因，也可能是藥物反應）可以手動報警，會在檢測站及護士客戶端上顯示。嵌入式輸液滴速監護系統在檢測站PC端發出蜂鳴并報床位號的同時閃爍。本系統由一個位于護士值班室的監護中心和若干個位于不同病房的監護儀組成，如圖5所示。

護士辦公室系統運行在 PC 上，是整個系統的監護中心，它具有滴速數據的接收、處理、顯示、報警和數據庫服務器等多重功能。報警包括聲音報警和圖像閃爍報警，它們互不干擾。聲音報警時，若有多個病床報警，則輪流播放報警的病床號。圖像閃爍報警時，若有多個病床報警，則在主界面上各個病床位同時出現圖像閃爍。

5.2 報警裝置啟動

出現下列情況，則報警裝置啟動：

（1）如果儲液瓶液位高度降到了警戒值（離瓶口2～3cm） 時，下位機接收液位檢測電路發來的中斷請求信號[18]，立即發出聲光報警，并發送報警信號；

（2）在超過設定時間內檢測不到液滴時，則發出針頭堵塞或藥液滴完的報警信號；

（3）滴速經調整后仍然異常，則啟動報警裝置。

6 結 語

智能輸液系統可以實時監測每個病床病人的輸液情況，并對輸液中的異常情況（如針頭堵塞、藥液滴完、速度過快等） 發出報警，還可以根據護士設定參數，自動精確調節和監測輸液速度。輸液速度借助ZigBee無線通信技術傳輸至護士站和護士手持客戶端，安全省心，可一定程度上把醫護人員從繁瑣的勞動中解放出來，提高工作效率，緩解醫患比低的問題。今后，患者可以無人陪護輸液，無需擔心睡著，尤其可以解決老年患者就醫護理難、護理貴，且護理人員短缺等現實問題，增強了輸液的安全性，具有較高的實用價值和經濟效益。

本系統輸液速度的調節在設定誤差的范圍內響應快，儲液瓶的液位監視報警輸出信號可靠、準確，系統性能穩定、使用簡便，適合于大多數醫療場所，使用過程中無需任何附加投入。該系統的使用將大大提高醫院的醫療信息化水平，具有廣泛的市場前景和積極的社會意義，提高了醫院的患者滿意度，為醫院帶來較好的社會效應。但其復雜的結構決定了其具有一定的初期投入成本，造價比較昂貴。且步進電機雖然穩定，但仍然會產生一定的誤差。但我們相信，隨著技術的發展，成本會逐步降低，系統會更加經濟、實用。

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