基于小波分析的輸液監(jiān)控研究

王海旭，康 成

（1.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628000；2.捷克理工大學(xué)，捷克 布拉格 02101–02117）

0 引言

靜脈輸液中，輸液過程的不合理不但會(huì)影響療效，還會(huì)引起患者的不適甚至危及生命，若輸液終了沒有及時(shí)處理，會(huì)引起病人血液倒流到輸液管，引起血栓等并發(fā)癥。在各級(jí)醫(yī)院中對(duì)于自動(dòng)監(jiān)控功能的輸液系統(tǒng)有相當(dāng)大的需求。目前的相關(guān)研究主要集中在以單片機(jī)作為控制器，紅外二級(jí)對(duì)管作為傳感器，ZigBee 無線網(wǎng)技術(shù)為系統(tǒng)的主要組成部分[1]，此類輸液方式對(duì)于移動(dòng)輸液時(shí)的輸液袋擺動(dòng)、背景光線變化、藥液黏稠度等情況下的誤判率較高[2]，所以出現(xiàn)了文獻(xiàn)[2]這樣的并聯(lián)多個(gè)二級(jí)對(duì)管的發(fā)明專利。本研究通過將壓阻傳感器做隔水處理，鋪設(shè)于輸液袋靠近輸液口的內(nèi)部，通過靜態(tài)壓力檢測和輸液瓶擺動(dòng)時(shí)藥液對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)壓力變化，采用小波分析技術(shù)對(duì)震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行變換，將細(xì)節(jié)系數(shù)作為特征值，同時(shí)設(shè)定合理的閾值判斷有無產(chǎn)生輸液瓶擺動(dòng)。

1 傳感器的選擇

1.1 壓阻傳感器

圖1 壓阻傳感器輸入信號(hào)連接方式Fig.1.Piezoresistive sensor input signal connection mode

輸液袋藥液余量的壓力檢測是基本檢測環(huán)節(jié)，而輸液袋擺動(dòng)時(shí)藥液的動(dòng)態(tài)壓力檢測是分析的關(guān)鍵。目前常用的此類傳感器有壓電式、壓阻式等，也有將PVDF 壓電式與光電原理結(jié)合起來的傳感器[3]。實(shí)驗(yàn)中考慮到PVDF 壓電傳感器的靜態(tài)信號(hào)和動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)比較難以分離，故選用FSR-402 壓阻傳感器，該傳感器可以對(duì)接觸物表面進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力測量，可以較好地區(qū)分藥液靜態(tài)壓力信號(hào)和動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)，同時(shí)其工作溫度在-25℃～70℃，對(duì)環(huán)境抗干擾能力強(qiáng)。如圖1 所示。

1.2 USB 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）是從傳感器或變送器等設(shè)備收集數(shù)字量或模擬量信號(hào)的器件，如果說傳感器相當(dāng)于人的諸如皮膚等感知層，那么采集卡就相當(dāng)于人的傳輸中樞——脊椎，而上位機(jī)就類似于人的大腦。本研究所采用的采集卡通過USB 數(shù)據(jù)線接入上位機(jī)，有16/8 路模擬輸入通道，2 路模擬輸出通道，6 路數(shù)字輸入/輸出通道，PWM 輸入頻率范圍在1～1MHz，輸出頻率范圍在1～1MHz，占空比為1%～99%，工作的溫度范圍在-20℃～70℃。如圖2 所示。

圖2 信號(hào)檢測與處理工作原理圖Fig.2.Signal detection and processing working principle diagram

信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)。將采集卡通過USB 數(shù)據(jù)線連接至上位機(jī)，由上位機(jī)供應(yīng)5V 的直流電源，同時(shí)從采集卡引出5V 線給FSR-402 供電。由于采集卡簡化了增益編程的功能，模擬量的輸入信號(hào)需先調(diào)整到0～3.3V 內(nèi)，為了滿足要求我們通過信號(hào)調(diào)理電路把較大的電壓信號(hào)經(jīng)過降壓變換到0～3.3V 范圍內(nèi)，將FSR-402 串聯(lián)一個(gè)10kΩ 的電阻，接入采集卡和傳感器間的信號(hào)線用來向AD 輸入變化的電壓。如圖3 所示將傳感器隔水密封后鋪設(shè)在輸液口附近，由處理器對(duì)處理后的信號(hào)變化進(jìn)行報(bào)警等工作[4]。

圖3 輸液袋報(bào)警系統(tǒng)線路實(shí)物圖Fig.3.Physical map of infusion bag alarm system circuit

2 信號(hào)的小波變換與LabVIEW 處理

2.1 基于小波變換的信號(hào)處理

對(duì)比傅里葉變換要用大量的級(jí)數(shù)去擬合突變信號(hào)，經(jīng)過小波變換，可以在處理震動(dòng)這種瞬時(shí)變化的信號(hào)中提取出所需要的信息，在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，首先要離散化連續(xù)的小波信號(hào)。經(jīng)過小波變換后可以分解得到信號(hào)的細(xì)節(jié)分量。下面是通過LabVIEW 實(shí)現(xiàn)小波變換所用到的濾波器[5]：

x[n]：離散的輸入信號(hào)

g[n]：低通濾波器

h[n]：高通濾波器

↓Q：降采樣濾波器

通過小波分解架構(gòu)，如圖4 所示，可以看到怎么進(jìn)行小波變換：

圖4 離散小波分解三層的階層架構(gòu)Fig.4.Discrete wavelet decomposition of three-layer hierarchy

架構(gòu)中的第α 層：

通過LabVIEW 用到來自低通濾波器和高通濾波器，分別代表近似分量和細(xì)節(jié)分量，而細(xì)節(jié)分量代表信息的細(xì)節(jié)和差別[6-7]，在輸液袋震動(dòng)過程中，一旦藥液波動(dòng)對(duì)傳感器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓力，細(xì)節(jié)分量會(huì)出現(xiàn)明顯的頻譜信息，本研究用小波變換的細(xì)節(jié)分量作為特征值并設(shè)定合理的閾值來判斷有無震動(dòng)。

2.2 LabVIEW 軟件采集與處理實(shí)驗(yàn)

通過設(shè)置把LabVIEW 提供的動(dòng)態(tài)連接庫函數(shù)將數(shù)據(jù)采集卡附有的.dll 庫函數(shù)形式文件連接起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集卡的控制和信號(hào)采集[8]。

分別設(shè)置高通濾波器序列值為-0.707 和0.707，低通濾波器的序列值設(shè)為0.707 和0.707，將輸入信號(hào)分別與高低通濾波器卷積后再進(jìn)行抽樣分別得到細(xì)節(jié)分量和近似分量，若小波分解2 層，就將近似分量繼續(xù)分解為高頻細(xì)節(jié)分量和低頻近似分量，如要繼續(xù)分解以此類推[9]。如圖5 所示。

圖5 分別為給輸液袋罐裝水時(shí)傳感器的電壓幅值、小波分解圖譜和細(xì)節(jié)分量變化Fig.5.They are the voltage amplitude,wavelet decomposition map and detail component changes of the sensor when filling water in the infusion bag

本文通過給輸液袋緩慢罐裝水來逆向模擬輸液過程，并略微加快此過程，通過一系列實(shí)驗(yàn)可以看到，隨著水量的增加，傳感器電壓幅值逐漸增大，細(xì)節(jié)分量為較小波動(dòng)的負(fù)值，而水量減少時(shí)，細(xì)節(jié)分量為較小波動(dòng)的正值。通過Matlab 進(jìn)行小波分解后，可見低頻段有較大的波動(dòng)值，而高頻段很少，可見在低頻段的抗擾動(dòng)能力不高。如圖6所示。

圖6 分別為晃動(dòng)輸液袋時(shí)傳感器的電壓幅值、小波分解圖譜和細(xì)節(jié)分量變化Fig.6.They are the voltage amplitude,wavelet decomposition map and detail component changes of the sensor when the infusion bag is shaken

當(dāng)晃動(dòng)輸液袋時(shí)，細(xì)節(jié)分量有較大幅值變化，并且有正負(fù)范圍的波動(dòng)。可以看到藥液規(guī)律加減和晃動(dòng)輸液袋兩類細(xì)節(jié)分量的較大差別，通過設(shè)定合理的閾值可以判斷輸液終了和輸液袋的擺動(dòng)。通過Matlab 進(jìn)行小波分解后，可見低頻段有一定的波動(dòng)值，但相比罐裝水時(shí)，低頻段的波動(dòng)值更小，可見近似分量更明顯的存在于罐裝水時(shí)。但高頻部分沒有出現(xiàn)明顯變化，可能和軟件選取的傳感器采樣頻率有一定關(guān)系。總之，晃動(dòng)輸液袋相比于罐裝水時(shí)，細(xì)節(jié)分量的明顯變化有利于判斷震動(dòng)的產(chǎn)生。

3 研究總結(jié)

1）實(shí)驗(yàn)過程需要注意兩個(gè)較大的影響因素，傳感器設(shè)置的位置和水流的方向或落點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)一定的差異，所以需多方位多角度的實(shí)驗(yàn)求均值會(huì)大大降低誤差。罐裝水時(shí)需避免有較大的波動(dòng)，否則較大的突變會(huì)引起較大的細(xì)節(jié)分量的變化，會(huì)影響對(duì)震動(dòng)的判斷。

2）通過細(xì)節(jié)分量可以判斷藥液是在增加還是減少，當(dāng)細(xì)節(jié)分量為較小波動(dòng)的負(fù)值時(shí)，是不斷增加藥液狀態(tài)，當(dāng)細(xì)節(jié)分量為較小波動(dòng)的正值時(shí)，是藥液逐漸減少狀態(tài)，而實(shí)際應(yīng)用中，只可能是輸液袋的藥液不斷減少，當(dāng)電壓幅值低于設(shè)定值進(jìn)行輸液終了報(bào)警并進(jìn)一步阻斷輸液進(jìn)程。如果作為特征值的細(xì)節(jié)分量超過我們設(shè)定的閾值，并且有較大的正負(fù)波動(dòng)時(shí)，判斷為有震動(dòng)產(chǎn)生，此時(shí)產(chǎn)生報(bào)警提示病人不要?jiǎng)×乙苿?dòng)；如果細(xì)節(jié)分量小于設(shè)定的閾值，則認(rèn)為沒有震動(dòng)產(chǎn)生。