一種智能輸液監控管理系統的應用研究

劉云龍 王翠玉 王子杰 程怡航 易明麗

（武昌工學院，湖北 武漢430065）

隨著電子信息技術的迅速發展與應用，智慧醫療應用越來越多。在火神山、雷神山醫院里智能機器人，解決了眾多醫療物資送達問題，診療室中有遠程醫療設備，通過互聯網來實現遠程觀察會診等等，這都是智慧醫療的產品。所以在公共衛生事業中，相比較龐大的人口，醫療資源還是顯得不足。當前我國大部分的輸液還是通過人工觀察來控制輸液的速度，并不能準確控制輸液的流速，實時監控輸液情況，確定輸液結束時間，偶爾患者和護士忘記了輸液情況，就會導致血液回流，引起醫療事故，對病人的身體造成損害。因此設計一個智能輸液監控管理系統來監控輸液情況，實時監測流量情況，控制輸液流速，判斷是否回血，及時中斷輸液，發出報警聲，并通知醫護人員，這樣能夠極大的減少醫療事故的發生，減輕醫護人員的工作壓力，提高醫療效率，充分利用醫院的人力資源。

1 設計整體思路

本系統的硬件采用STM32 單片機控制器，由超聲波發射接收傳感器、LoRa 模塊、蜂鳴器、呼叫按鍵、步進電機、LED 指示燈、電池組成，如圖1。

圖1 整體結構

2 輸液檢測系統硬件設計

2.1 主控制模塊

主控制器采用STM32 單片機，STM32 是32 位的基于ARM Cortex-M內核的微控制器，相比51 單片機具有實時性強，高性能，低功耗，接口資源豐富等優點，易于開發。

2.2 超聲波流量計

超聲波流量計采用超聲波發射模塊和超聲波接收模塊，利用傳播時間差方式，向輸液管內的液體流動方向發送相反方向和相同方向的超聲波，輸液管內液體流速越快，相同方向的到達時間越短，相反方向到達時間越長，來判斷輸液流向是否正常還是倒流回血，并通過時間計算出輸液管內液體流動的速度，轉化成體積單位即可估算出瓶內藥液的剩余量。利用聲波在不同介質中傳播速度不同，當有氣泡進入輸液管內，檢測到的信號時間更長。再通過測量相反、相同之差，同時可以抵消掉環境變化的影響，實現對流量的穩定測量。

圖2 超聲波流量計

2.3 LoRa 網絡

LoRa 是基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。LoRA 通訊協議，其接收電流僅10mA，睡眠電流＜200nA，極大程度上降低了電池供電設備的功耗。所使用的傳輸頻率低433mhz 或868mhz, 空曠距離傳輸5000 米，同時穿墻能力強。LoRa 采用的是點對點的星型通信方式，實現遠距離傳輸，無需網絡中繼器擴大傳輸距離，即智能配件直接可與智能中控主機互聯互能，不需要中間大量的節點來轉達，相比ZigBee，傳輸距離更遠，相比WIFI 組網可靠性更強，穿墻性能更高，功耗更低。與其他通信技術相比，LoRa 技術更加適合于低成本大規模的物聯網部署。獲取到的數據通過LoRa 無線模塊傳至LoRa 網關接收信息，到達主站，數據通過計算機，進行人機交互，利用計算機的互聯網進行云同步到服務器，從而推送到使用微信小程序來查看病人輸液信息，達到病人的親屬也可以監控輸液的目的。

2.4 光電報警器

光電報警器由LED 指示燈和蜂鳴器組成，在超聲波流量計監控流量出現異常時，如有氣泡柱在輸液管內，輸液管內液體倒流、滯流，回血，輸液快結束時光電報警器會啟動，會有燈亮起并發出蜂鳴聲，并通過LoRa 網絡傳至主機，方便醫護人員第一時間處理。同時LED 燈兼電源指示燈的作用，當充電截止時會發出綠光，缺電時會發出閃爍紅光。圖為聲光報警器模塊電路圖。

圖3 光電報警器

2.5 步進電機

當STM32 單片機通過獲取超聲波流量計模塊的數據計算出輸液快結束時，驅動步進電機擠壓輸液管，達到減緩輸液速度。同時具有遠程操控步進電機功能，當主機收到異常輸液情況時，可通過主機進行遠程操控，驅動步進電機中斷輸液，以保護輸液安全。

圖4 步進電機控制流速

2.6 呼叫按鍵

呼叫按鍵電路如圖所示，在輸液中需要呼叫護士站時通過長按下這枚按鍵即可經過LoRa 網絡進行呼叫護士站來解決病人的相關問題，相比醫院布局的床頭呼叫系統成本更低效率更高，在中小型診所中沒有床頭呼叫系統，利用此按鍵便形成了中小型醫院的呼叫系統。更利于存在身體缺陷人群使用。同時在輸液結束時長按按鍵即可取消蜂鳴器報警的聲音。

2.7 電源模塊

采用易定制的鋰電池材料作為供電單元，根據應用場景，大范圍應用，如大型醫院輸液部門時采用無線充電方式，可帶來便捷，個體診所應用采取觸點磁吸式充電方式，可降低使用成本。

3 輸液檢測系統軟件設計

本產品由兩部分組成分別是主站和從站。從站的軟件設計采用Keil5，用于對STM32 單片機開發，可以一定程度上進行仿真操作。使用Proteus 進行模擬實物設計圖樣，還能夠調試程序，做到軟硬件協同仿真。從站的軟件編程需要完成以下功能：（1）輸液管內液體流速的采集；（2）輸液管內氣泡柱的采集；（3）具有回血信息的采集；（4）步進電機的控制；（5）具有光電報警功能；（6）具有按鍵控制和按鍵呼叫功能；（7）具有信息收發功能；（8）具有充電信息采集的功能。主站的軟件編程需要完成以下功能：（1）對從站發送的數據進行分析；（2）顯示出病人輸液信息；病人編號，姓名，性別，區域，床位，輸液剩余量，瓶數，剩余時間，狀態，從站剩余電量；（3）可以遠程發送指令到從站，進行輸液遠程控制。（4）對分析到的數據進行數據上傳至云服務器，同步數據到微信小程序。（5）輸液異常患者通知。

4 應用價值和轉化價值

相關數據顯示，中國每人每年平均輸液8 瓶，大約中國每年輸液100 億瓶。鑒于2019 年新型冠狀病毒的爆發，市場需求越來越大。此項目應用于臨床醫學中的靜脈輸液，檢測藥水剩余情況，測量點滴速度，能精準用藥，當輸液結束、輸液管堵塞時，此裝置能實現自動停藥，保障患者安全，降低患者輸液時的風險。隨著物聯網時代的到來，云服務與手機聯動，使患者家屬也能夠監控患者的輸液信息，減輕了患者需要自己監控輸液狀態，能夠在輸液時放心的做其他事情。基于云端大數據的集群監測，更大程度上減輕了醫護人員的壓力，實現一個醫護人員了解一個范圍內的患者狀態，不用醫護人員經常巡視提高了醫護人員的工作效率，充分利用醫院的人力資源。

5 結論

本智能輸液監控管理系統，能夠有效的減輕醫護人員的工作壓力，提高效率。智能醫療也是未來發展的方向，醫療器械行業屬于多學科交叉的高技術領域，擁有非常廣闊的市場前景。本研究與計算機技術、電子技術等緊密聯系。基于LoRa 網絡監控輸液狀態更加便捷組網，如果輸液有異常現象（如回血，進氣泡，輸液即將結束）通過網絡傳輸到主站，來通知醫務人員前來解決問題，以及在主站可以看到患者的輸液狀態及信息，還可以進行遠程操控流速及中斷。患者家屬可通過掃設備上的二維碼進入微信小程序來查看輸液信息。智能化，人性化是現代儀器設備的一個發展趨勢，讓患者體會到智慧醫療的便捷，減輕患者家屬的負擔，讓醫護人員更加高效，大大降低輸液過程中的空氣進入血液、鼓包、回血、未及時拔針的輸液風險，大大提高醫護人員的工作效率。