基于物聯網的便攜式腸內營養泵的設計*

蔡雨，王慧泉△，王康寧，趙文俊

(1.天津工業大學 生命科學學院，天津 300387；2.天津工業大學 電子與信息工程學院，天津 300387;3.南京法邁特科技發展有限公司，南京 210032)

1 引 言

營養不良直接影響患者的治愈率、病死率及并發癥的發生率[1]。在我國，有30%～50%住院患者存在營養不良，需要臨床營養支持。歐洲腸外腸內營養學會(ESPEN)和美國腸外腸內營養學會(ASPEN)在臨床營養指南中，推薦對于營養需求不能經口滿足的患者使用腸內營養(enteral nutrition，EN)[2-3]。EN可以更好地維持胃腸粘膜的結構和功能，維持腸道完整性，促進腸道蠕動，滿足了患者的生理需求，阻斷了營養不良與免疫功能低下的惡性循環，更有利于患者的恢復[4]。然而，EN使用不當可能引起腹瀉、胃潴留、誤吸等并發癥，腸內營養泵( enteral feeding pump, EFP)在一定程度可降低EN患者并發癥的病發率[5-6]。ESPEN和ASPEN也在臨床營養指南中推薦對于長期(2～3 weeks)接受EN患者使用EFP[7]。

EFP的大量使用以及其功能的局限性給護士的操作和管理增加了工作量。同時，隨著病情的恢復，需要數月或長期營養支持的患者選擇進行家庭腸內營養，這使他們可以進行戶外活動，提高患者生活質量[8-9]。然而我國的家庭腸內營養正處于初級階段[10]，國內家庭腸內營養患者正在使用的EFP大多來自于國外(見表1)，價格較高，同時配套的輸液管為一次性的，更增加了患者的經濟負擔。國內的營養液泵比較笨重，不方便患者攜帶，限制了患者的活動，不利于恢復。

堵塞和氣泡檢測是腸內營養泵研究的熱點之一，毛靖寧等[11]用一種測力部件檢測堵塞，該部件由測力部件外殼、彈性薄膜以及傳感器組成，通過測力部件檢測壓力來確定是否有堵塞。劉穎[12]利用超聲波經過不同介質時傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化不同的原理，設計了超聲波換能器進行氣泡檢測。以上兩種檢測堵塞和氣泡的方法均制作工藝復雜，體積大且成本高。本研究利用光電檢測技術，通過陣列式排列的3個光耦傳感器，減小體積、降低成本的同時實現了入口、出口堵塞以及氣泡檢測。

針對目前腸內營養泵使用數量多，不便于管理和體積大不便于攜帶這兩大問題，本研究設計了一款方便操作和管理以及便于家庭腸內營養患者攜帶的營養泵。該腸內營養泵可同時滿足醫院和家庭腸內營養患者的需求，減少了護士的工作量并保證患者的安全，同時使家庭腸內營養患者享受正常的活動，提高患者的生活質量，符合構建以物聯網為基礎的智慧醫療系統的發展趨勢[13]。

表1 國內腸內營養患者使用的EFP

2 系統物聯網架構

基于物聯網的便攜式腸內營養泵系統包括便攜式腸內營養泵設備和移動監護端軟件，其物聯網架構見圖1。感知層由營養泵設備傳感器節點、無線路由器網關、無線傳感器網絡構成，主要完成腸內營養泵與無線路由器構成局域網絡，完成營養泵泵液、堵塞、氣泡等信息的傳輸與控制。網絡層由互聯網、云服務器構成，主要完成感知層獲取的信息通過互聯網上傳到云服務器進行處理。應用層實現營養泵參數設置和運行狀態查看，護士通過移動監護端軟件隨時遠程管理和查看患者的營養泵參數設置、運行狀態，及時處理報警信息。

圖1 物聯網架構圖

3 便攜式腸內營養泵系統設計

3.1 便攜式腸內營養泵設備硬件設計

為實現基于物聯網便攜式腸內營養泵設備硬件設計，本研究采用模塊化設計將腸內營養泵設備分為主控芯片、供電模塊、泵液模塊、堵塞氣泡檢測模塊、無線模塊、人機交互模塊，其中人機交互模塊包括顯示模塊、報警模塊和按鍵模塊。設備硬件結構框圖見圖2。

圖2 設備硬件結構框圖

3.1.1供電模塊 供電模塊主要保障營養泵設備各模塊的正常工作，考慮到設備的便攜性需求，本研究采用一節3 400 mAh的18650鋰電池作為設備的電源，以減少設備的重量和體積，采用BQ24070作為設備的電源管理芯片為系統提供4 V的穩定電壓，該芯片具有動態電源路徑管理功能，在充電同時可以為系統供電。當用戶外出使用出現電量不足，可以使用充電寶為設備供電。而各模塊由于功能的不同，需要不同電壓進行供電，根據各模塊所需的工作電壓和電流，本研究選取TPS61025DRCR、LM2735Y、TPS61040DBV分別提供3.3、8、12 V電壓。為降低功耗，本研究采用獨立模塊電源控制設計，即通過主控芯片對每個模塊的供電電源獨立控制。供電模塊結構圖見圖3。

圖3供電模塊結構圖

Fig.3Power supply module block diagram

3.1.2泵液模塊 泵液模塊由電機、蠕動泵頭和蠕動軟管組成。本研究采用低功耗的空心杯電機HS-1630，該電機體積小、功耗低，負載電流僅為100 mA。為達到設備所需的泵液速度范圍，本研究設計了減速電機盒。已知該電機的轉速為5 000 rpm，該設備所需最大流速為600 mL/h，設該蠕動泵頭和蠕動軟管下每轉蠕動的液體體積為xmL，則：

(1)

為測得泵液模塊的轉速，本研究加入了霍爾傳感器作為測速裝置，霍爾測速裝置見圖4。通過霍爾傳感器對減速齒輪上設計的12個磁鐵檢測進行計速，設兩個磁鐵檢測時間為ts，則此時的轉速為：

(2)

圖4 霍爾測速裝置

3.1.3堵塞氣泡檢測模塊 堵塞和氣泡是營養泵在使用的過程中經常出現的問題，堵管的發生率為8.7%～25.6%。堵管將可能延誤營養的輸送，嚴重將引起管道爆裂，更換鼻胃管道將增加患者的痛苦和經濟負擔，還有可能延誤和加重病情[14-15]，空氣也會引起患者脹氣等不適癥狀。準確的堵塞和氣泡檢測并及時地干預可以降低以上問題的風險。為此，本研究利用光電檢測技術，將光耦的紅外接收晶體管固定在放大區工作，通過讀取晶體管的輸出電壓來判斷光耦傳感器中介質的情況，槽型光耦傳輸特性檢測電路見圖5。設k為不同介質的變化系數，β為電流放大系數，可得到：

U0=VCC-kβIbR0

(3)

圖5 槽型光耦傳輸特性檢測電路圖

基于此，本研究提出一種基于光耦傳感器的檢測堵塞和氣泡的裝置和方法，該裝置見圖6，3個傳感器陣列式排布，傳感器1和傳感器3位于營養泵的入口端，用于檢測入口是否發生堵塞以及是否有氣泡進入管道。傳感器2位于營養泵的出口端，用于檢測人體端是否發生堵塞。當營養泵入口或出口處發生堵塞時，傳感器1和傳感器2處的檢測軟管會發生收縮或膨脹的細微形變，導致流經管道的體積也會發生變化，管道收縮和膨脹形變見圖7。此時，系統根據讀取到的傳感器1和傳感器2的AD值判斷是否發生堵塞。此外，系統會根據讀取到傳感器3的液體和空氣對應的不同AD值判斷是否有氣泡進入。

圖6 光耦傳感器檢測堵塞和氣泡的裝置

圖7 堵塞時檢測軟管細微形變

3.1.4無線模塊 無線模塊用于構建物聯網架構的局域網絡。本研究采用ESP8266無線傳感器作為設備的感知節點，用于完成營養泵泵液、堵塞、氣泡等信息的傳輸與控制。ESP8266是一款性能穩定、低功耗、高集成的Wi-Fi芯片，內置超低功耗Tensilica 32位處理器，支持Wi-Fi協議棧，滿足設計要求。營養泵中的ESP8266通過串口方式與主控芯片通信，可將獲取到營養泵的參數信息通過Wi-Fi形式轉發出去，傳輸到云服務器，移動監護端可通過服務器發送和接收營養泵的數據信息。護士可以通過移動監護端遠程對其管轄的患者的營養泵進行監控和設置相關參數，同時泵在運行過程中如果出現報警也能及時傳遞給護士。該設計很大程度地減少了護士的工作量并降低了患者危險的發生。

3.1.5人機交互模塊 人機交互模塊包括顯示模塊、按鍵模塊和報警模塊，用于顯示和設置營養泵運行的模式、速度等參數以及堵塞、氣泡報警等提示。為降低功耗，顯示模塊采用的是2.42寸的OLED屏，通過IIC接口與主控芯片進行通信，界面采用分級菜單設計，顯示營養泵的參數設置、運行狀態等信息。在符合人機工程的前提下，將按鍵模塊設計到最簡，通過6個按鍵的長按和短按實現開機和關機、模式切換、選擇確認、上調、下調、清除、返回、運行、停止、全速運行等功能的控制。報警模塊采用蜂鳴器用于堵塞檢測、氣泡檢測、泵飼完成、電量低等情況的聲音提示，保障了故障的及時干預。

設備以STM32單片機作為主控芯片，通過讀取按鍵和控制OLED顯示模塊進行人機交互，根據用戶所設定的模式、速度、總量、間隔時間等參數控制直流電機和霍爾元件構成的泵液模塊進行泵液。在運行過程中，以陣列式排列的3個槽型光電傳感器構成的檢測模塊讀取到的信息來判讀是否有入口堵塞、出口堵塞或氣泡產生，當檢測到有堵塞或氣泡產生時，便通過蜂鳴器構成的報警模塊及顯示模塊進行報警提示。同時，多個營養液泵通過無線模塊可以組成局域網，護士只需使用一個APP軟件即可查看和管理多個營養泵設備。便攜式腸內營養泵的整體設計圖見圖8。

圖8 便攜式腸內營養泵的整體設計圖

3.2 便攜式腸內營養泵設備程序設計

營養泵設備程序主要完成局域組網、讀取按鍵和控制OLED顯示進行人機交互。根據用戶所設定的參數控制泵液模塊進行泵液，在運行的過程中，判讀是否有堵塞或氣泡產生，并發出報警提示或運行完成提示。程序流程見圖9。

圖9 程序流程圖

3.3 移動監護端軟件設計

移動監護端軟件主要實現組網、營養泵參數設置和運行狀態查看，護士通過移動監護端軟件隨時遠程管理和查看病人的營養泵參數設置、運行狀態，及時處理報警信息。移動監護端軟件流程見圖10。當多臺設備連接到移動監護端軟件后，護士可以對多臺營養泵設備進行監控。

圖10 移動監護端軟件流程圖

4 結束語

本研究的基于物聯網的便攜式腸內營養泵，通過選型、電路設計、器件布局、PCB走線、算法設計使其具有成本低、體積小、功耗低、喂飼精度高、檢測靈敏度高、便于攜帶和長時間室外使用等優點。系統可以在醫院內組成局域網，減少護士的工作量，便于管理與查看，非常符合新型遠程醫療概念。同時由于其便攜性和低功耗，也適用于家庭腸內營養患者使用，解決了一些患者因為無法經口營養而被固定在病床上的困擾，提高了腸內營養患者的生活質量。便攜式腸內營養泵與物聯網的結合符合智慧醫療的趨勢，顯著提高了臨床照護質量與效率以及患者恢復正常生活的幾率。