基于小波分析的輸液監控研究

王海旭，康 成

（1.四川信息職業技術學院，四川 廣元 628000；2.捷克理工大學，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影響療效，還會引起患者的不適甚至危及生命，若輸液終了沒有及時處理，會引起病人血液倒流到輸液管，引起血栓等并發癥。在各級醫院中對于自動監控功能的輸液系統有相當大的需求。目前的相關研究主要集中在以單片機作為控制器，紅外二級對管作為傳感器，ZigBee 無線網技術為系統的主要組成部分[1]，此類輸液方式對于移動輸液時的輸液袋擺動、背景光線變化、藥液黏稠度等情況下的誤判率較高[2]，所以出現了文獻[2]這樣的并聯多個二級對管的發明專利。本研究通過將壓阻傳感器做隔水處理，鋪設于輸液袋靠近輸液口的內部，通過靜態壓力檢測和輸液瓶擺動時藥液對傳感器的動態壓力變化，采用小波分析技術對震動信號進行變換，將細節系數作為特征值，同時設定合理的閾值判斷有無產生輸液瓶擺動。

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節，而輸液袋擺動時藥液的動態壓力檢測是分析的關鍵。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合起來的傳感器[3]。實驗中考慮到PVDF 壓電傳感器的靜態信號和動態壓力信號比較難以分離，故選用FSR-402 壓阻傳感器，該傳感器可以對接觸物表面進行靜態和動態壓力測量，可以較好地區分藥液靜態壓力信號和動態壓力信號，同時其工作溫度在-25℃～70℃，對環境抗干擾能力強。如圖1 所示。

1.2 USB 數據采集

數據采集卡（DAQ）是從傳感器或變送器等設備收集數字量或模擬量信號的器件，如果說傳感器相當于人的諸如皮膚等感知層，那么采集卡就相當于人的傳輸中樞——脊椎，而上位機就類似于人的大腦。本研究所采用的采集卡通過USB 數據線接入上位機，有16/8 路模擬輸入通道，2 路模擬輸出通道，6 路數字輸入/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 信號檢測與處理工作原理圖Fig.2.Signal detection and processing working principle diagram

信號采集實驗。將采集卡通過USB 數據線連接至上位機，由上位機供應5V 的直流電源，同時從采集卡引出5V 線給FSR-402 供電。由于采集卡簡化了增益編程的功能，模擬量的輸入信號需先調整到0～3.3V 內，為了滿足要求我們通過信號調理電路把較大的電壓信號經過降壓變換到0～3.3V 范圍內，將FSR-402 串聯一個10kΩ 的電阻，接入采集卡和傳感器間的信號線用來向AD 輸入變化的電壓。如圖3 所示將傳感器隔水密封后鋪設在輸液口附近，由處理器對處理后的信號變化進行報警等工作[4]。

圖3 輸液袋報警系統線路實物圖Fig.3.Physical map of infusion bag alarm system circuit

2 信號的小波變換與LabVIEW 處理

2.1 基于小波變換的信號處理

對比傅里葉變換要用大量的級數去擬合突變信號，經過小波變換，可以在處理震動這種瞬時變化的信號中提取出所需要的信息，在進行信號處理時，首先要離散化連續的小波信號。經過小波變換后可以分解得到信號的細節分量。下面是通過LabVIEW 實現小波變換所用到的濾波器[5]：

x[n]：離散的輸入信號

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，如圖4 所示，可以看到怎么進行小波變換：

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

架構中的第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節分量，而細節分量代表信息的細節和差別[6-7]，在輸液袋震動過程中，一旦藥液波動對傳感器產生動態壓力，細節分量會出現明顯的頻譜信息，本研究用小波變換的細節分量作為特征值并設定合理的閾值來判斷有無震動。

2.2 LabVIEW 軟件采集與處理實驗

通過設置把LabVIEW 提供的動態連接庫函數將數據采集卡附有的.dll 庫函數形式文件連接起來，實現對采集卡的控制和信號采集[8]。

分別設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為0.707 和0.707，將輸入信號分別與高低通濾波器卷積后再進行抽樣分別得到細節分量和近似分量，若小波分解2 層，就將近似分量繼續分解為高頻細節分量和低頻近似分量，如要繼續分解以此類推[9]。如圖5 所示。

圖5 分別為給輸液袋罐裝水時傳感器的電壓幅值、小波分解圖譜和細節分量變化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，通過一系列實驗可以看到，隨著水量的增加，傳感器電壓幅值逐漸增大，細節分量為較小波動的負值，而水量減少時，細節分量為較小波動的正值。通過Matlab 進行小波分解后，可見低頻段有較大的波動值，而高頻段很少，可見在低頻段的抗擾動能力不高。如圖6所示。

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

當晃動輸液袋時，細節分量有較大幅值變化，并且有正負范圍的波動。可以看到藥液規律加減和晃動輸液袋兩類細節分量的較大差別，通過設定合理的閾值可以判斷輸液終了和輸液袋的擺動。通過Matlab 進行小波分解后，可見低頻段有一定的波動值，但相比罐裝水時，低頻段的波動值更小，可見近似分量更明顯的存在于罐裝水時。但高頻部分沒有出現明顯變化，可能和軟件選取的傳感器采樣頻率有一定關系。總之，晃動輸液袋相比于罐裝水時，細節分量的明顯變化有利于判斷震動的產生。

3 研究總結

1）實驗過程需要注意兩個較大的影響因素，傳感器設置的位置和水流的方向或落點可能會出現一定的差異，所以需多方位多角度的實驗求均值會大大降低誤差。罐裝水時需避免有較大的波動，否則較大的突變會引起較大的細節分量的變化，會影響對震動的判斷。

2）通過細節分量可以判斷藥液是在增加還是減少，當細節分量為較小波動的負值時，是不斷增加藥液狀態，當細節分量為較小波動的正值時，是藥液逐漸減少狀態，而實際應用中，只可能是輸液袋的藥液不斷減少，當電壓幅值低于設定值進行輸液終了報警并進一步阻斷輸液進程。如果作為特征值的細節分量超過我們設定的閾值，并且有較大的正負波動時，判斷為有震動產生，此時產生報警提示病人不要劇烈移動；如果細節分量小于設定的閾值，則認為沒有震動產生。