基于6LoWPAN和模糊控制的實時輸液監護系統

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(西安工程大學 電子信息學院，西安 710048)

引 言

圖1 基于6LoWPAN的醫療監護系統架構

隨著人們經濟水平的不斷提高以及我國醫療體系的不斷完善，人們治病意識不斷提高，不再是以往簡單的吃藥或打肌肉針治療，取而代之的是采取靜脈輸液進行更深層次的治療，因此以往呼叫方式的局限性就暴露出來。本文提出基于6LoWPAN和模糊控制決策的實時輸液監護系統設計方案，首先通過病人病房內或患者臥室的無線傳感器節點，收集病人周圍傳感器的數據，再通過布設在醫院內患者家中的中繼節點將采集的數據傳送到網關節點，醫護人員或患者家屬可在本地查看病人的輸液和生命體征情況，也可通過Internet遠程訪問網關節點上的Web服務，獲取病人數據信息，對病人的各類情況及時做出分析診斷[1]。

1 基于6LoWPAN的醫療監護系統架構

基于6LoWPAN的醫療監護系統架構如圖1所示，其中1表示患者、2表示相關傳感器、3表示射頻鏈路、4表示邊緣路由器、5表示萬維網、6表示醫院監護服務器、7表示醫生[2]。

每個患者周圍的節點可以構建一個分散的網絡或構建一個數據傳輸通道，可以將采集的數據傳送到醫院的數據監控服務器，以供醫護人員參考分析。同理，患者即使在家中也可以實時采集生命體征情況，醫生便可以遠程對患者的基本情況進行實時觀測和診斷，同時家屬可在手機端及時了解患者情況[3]。

2 系統硬件的設計

該系統的CPU模塊使用STM32F407ZET6芯片，該系統可使用智能手機、平板電腦或醫院終端電腦作為客戶端，方便多途徑及時了解患者情況；系統網關的處理器之間可采用UART接口進行連接，可利用DP83848作為該系統的物理層芯片；WSN節點使用的處理器型號系列為STM32W108[4]。

2.1 無線傳感器網絡

在眾多無線傳感器網絡協議中，6LowPAN和ZigBee二者相似之處很多，它們在一般的無線自組網項目中差別不太明顯，主要差別在于ZigBee使用的是串口網關，6LowPAN使用的是以太網網關。如果將6LowPAN應用在物聯網系統中做為互聯網的服務器，6LowPAN優勢明顯，原因是6LowPAN的架構是基于TCP/IP的，該系統的每一個IP地址的節點均可以在服務器上獲取。不同于ZigBee，6LowPAN的協議類型為公有協議，方便醫院與居民區進行遠程連接，這正是該系統應用所需要的。各無線組網方案比較如表1所列[5]。

表1 無線組網方案比較

多個傳感器節點構成了該系統的無線傳感器網絡，且各傳感器節點的IP地址都是獨一無二的，使用互聯網傳輸，便于醫生對病人進行點對點診斷；該無線傳感器網絡的網關節點進行WSN和互聯網連接時，能完成數據包的路由傳送，由于使用了精簡的協議棧能夠有效降低傳輸能耗；醫生和病人家屬可使用上位機管理軟件查詢患者情況，便于實時對患者進行診斷和監護。無線傳感器網絡的網關硬件結構由無線收發器、微處理器和有線網絡接口構成，如圖2所示。

圖2 無線傳感器網絡的網關硬件結構

2.2 數據采集模塊

2.2.1 液滴檢測模塊

為獲取輸液的速率和吊瓶內藥液余量，該采集模塊使用紅外線脈沖計數設備采集，在已知瓶內已有藥量和已滴數量時，推出然后獲取瓶內余量。可以實現實時測量液滴滴速、監控端實時顯示終端輸液的基本信息、輸液異常自動報警等功能，系統可同時監測多個輸液滴速，通過發送模塊送至終端，在PC機上顯示。

紅外光電對管由水滴上下邊緣遮擋可以產生相應的脈沖信號，經比較放大處理產生主控芯片處理的較規則脈沖，可計算滴數，對兩滴之間的時間計算可得實時滴速，藥液滴速可由終控端進行控制。該模塊利用三組光發射接收對管并聯排成一列，同時監測液滴，產生各自的信號，確保沒有漏測的液滴。

2.2.2 生命體征傳感器選擇

在該系統中，采用體溫和心率這兩種直觀且重要的生命體征，以監測患者的實時病情。采用HK-2000G作為脈搏傳感器，該傳感器的驅動方式為電壓驅動或電流驅動，輸出信號的毫伏級電壓和輸入壓力成正比。HK-2000G的輸出信號并不單一，脈搏波信號和靜態壓力信號均可輸出。該傳感器性能良好，穩定性極高。

SMTIR9902可作為溫度傳感器，用以檢測患者體溫和輸液溫度，可根據輸液溫度的不同和患者心率的變化，利用模糊控制決策制定出合理的輸液速度，這樣不僅有利于患者獲得相對舒適的輸液體驗，而且合理的輸液溫度和輸液速度更有利于藥物的吸收[7]。

2.2.3 輸液加熱模塊

該模塊采用PTC加熱器作為輸液的加熱模塊，在該模塊中以繼電器來管理模塊的開閉。該模塊的控制方式是閉環控制，其原理是系統先檢測人體溫度，再根據人體溫度提供合適的加熱溫度。PTC加熱器是否加熱，可根據患者體溫輸液溫度的差值、患者的身體狀況以及藥物的藥性等情況，由主治醫師決定，為提高舒適度一般差值低于1 ℃時開始加熱[8]。

3 模糊控制器設計

3.1 模糊控制器結構和控制原理

該控制器是一個二維模糊控制器，輸入端變量是患者的脈搏次數和輸液溫度，輸出端是患者的輸液速度，控制方法是在輸液調速處加一電動設備，從而自動控制輸液速度。使用分段模糊控制策略作為該控制器的控制規則，輸入端控制器按設定的間隔時間獲得患者的心率情況，如果患者的心率情況有明顯浮動，就調低輸液速度，直到患者心率回歸正常；如果患者心率高于或低于正常范圍就停止輸液，并及時報警；如果患者心率在正常水平，便可以使用模糊控制規則，得到合理的輸液速度。控制器結構如圖3所示[9]。

圖3 控制器結構

3.2 控制器的輸入量

據研究表明，若因藥物的副作用引起身體不適，最先改變的就是心率，這與藥物直接作用在靜脈流經心臟有關，其他變化則是在一定程度上，基于心率和身體機能的改變而變化的，心律的直觀變化性和心律的便于測量性，給該控制器的設置提供了許多便利[10]。研究表明，適宜的輸液溫度能有效提高藥物的活性，更利于身體的吸收，在不改變藥物作用環境的情況下，給身體減輕不必要的負擔，不適宜的環境不僅會影響藥物的吸收利用率，且長時間處于不適的輸液溫度反而會有可能加重病情。因此，該控制器會選取患者心率和輸液溫度作為該控制器的輸入量[11]。

3.3 控制器的輸出設計

該控制器將患者心率、輸液溫度以及輸液速度的語言變量均分為5個，即模糊量從小到大為：最小(VL)、小(LO)、正常(ZC)、大(HI)、最大(VH)[12]，根據患者心率、輸液溫度和適宜的輸液速度的具體情況，選擇合適的隸屬函數，圖4是患者心率(次/分鐘)、輸液溫度(℃)的隸屬函數。

圖4 患者心率、輸液溫度的隸屬函數

該二維控制器的輸入劃分已定，該控制器的推理規則如表2所列。質量中心法適合該控制器的去模糊化，以此法獲取的輸出控制量就是適宜的輸液速度，患者的輸液速度(滴/分鐘)如圖5所示，輸出特性曲線如圖6所示。

表2 患者輸液速度推理規則

圖5 患者輸液速度的隸屬度函數

圖6 患者的輸液速度特性曲面

結 語

該系統利用了基于IPv6的低功耗無線傳感技術，對患者心率、患者體溫、輸液溫度、輸液速度和輸液余量等信息進行實時監控，可在非自動調速情況下，出現輸液速度波動時自動警報，方便醫護人員及時處理。通過多次仿真實驗，在不同狀況下檢測了該系統的模擬性能，結果顯示該系統可以滿足輸液時的有效監護，節約了患者家屬的時間，減輕了醫護人員的工作壓力，同時為患者 提供了舒適高效的治療環境，避免了一些醫療隱患。

參考文獻

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