新冠疫情下輸液泵遠程校準系統的研制

曲新亮，李達，杜洋

1.山東第一醫科大學第一附屬醫院 設備科，山東 濟南 250014；2.山東職業學院 電氣系，山東 濟南 250104

引言

2020年新型冠狀病毒疫情席卷全球[1]，疫情對全球各國人民的經濟、生活、生產秩序產生了深刻的影響。在抗疫、防疫的大環境下，如何減少非必要的接觸成為關注的熱點。目前，信息技術特別是網絡技術快速發展，網絡基礎設備不斷更新換代，特別是5G技術的發展和5G網絡的覆蓋使得遠程通信中數據量和帶寬不再是瓶頸[2]。將計量與信息技術相結合，計量+互聯網的遠程校準模式[3-6]成為近幾年研究的熱點。

所謂遠程校準[7]所指的仍然是一種校準過程，而且這一過程仍然離不開傳統校準的幾個要素：高等級計量標準、被校儀器、檢定規程或校準規范、數據采集和處理。與傳統校準不同的地方在于：遠程校準通過采用某種網絡技術，使被校儀器和校準人員可以處于不同的地理位置，即校準人員通過某種計算機技術實現遠程操作，控制標準器，最終實現對被校設備的校準操作。

很多學者針對多種計量器具的遠程校準展開研究。美國國家標準技術研究所針對電量多功能校準儀構建了遠程校準系統[8]；英國國家物理研究院基于網絡分析儀構建了高精度高頻阻抗校準服務的遠程校準系統[9]；意大利都靈理工大學Carullo等[10]提出了針對數據采集卡的校準系統；中國測試技術研究院方超等[11]提出了醫用核素活度計遠程檢定方法；申斌等[12]提出了X射線拍片機輸出劑量的遠程監測和校準方法。上述研究涉及電量、高頻阻抗、醫用活度計、X射線機等計量。目前比較典型的遠程校準系統或遠程測量系統[13]如圖1所示，在物理上通常有以下幾個部分組成：現場部分、網絡部分、遠端部分。現場部分通常包括待校準設備、標準器、采集器等，網絡部分包括上網設備、網絡傳輸設備等，遠端部分包括服務器、遠程操作軟件、遠程計量人員等。另外中國計量大學孫磊等[14]提出雙通道醫用輸液泵自動校準系統，該系統可同時實現2臺輸液泵的計量校準，但該系統還是基于傳統的校準模式，不具備遠程校準功能。截至目前，國內外還沒有關于輸液泵遠程校準系統的相關論文或研制的系統公開發表。

圖1 典型遠程校準系統

本論文在上述典型的遠程校準系統的基礎上，提出一種非接觸式醫用輸液泵遠程測量校準系統，該系統具有良好的適用性且使用簡單方便，人機界面友好，具有良好的實用效果。

1 輸液泵傳統校準方法

一般臨床上需要根據患者身體狀況和藥物的性質控制適當的靜脈輸液速度，輸液速度過快，可能會引發患者的不適、中毒，甚至水腫、心力衰竭；輸液速度過慢，則可能導致患者輸液藥量不足，影響治療效果[15]。因此，醫用輸液泵要求能夠準確控制液體流速，線性度良好，不產生流速脈沖，能夠均勻、準確地將液體泵入患者體內，并且能夠實時對氣泡、空針、阻塞等情況進行檢測以保證患者輸液安全。輸液泵的臨床應用風險引發人們的關注，美國醫療機構每年發布的“10大病人安全問題”中均有輸液泵相關的問題。因此加強輸液泵的計量校準成為輸液泵質量安全的重要保障[16]。

輸液泵傳統的校準方法量值傳遞方式是利用輸液泵檢測儀校準，計量人員攜帶標準器到達計量現場，按照國家校準規范要求，將量值從計量標準器傳遞到工作計量器具。按照輸液泵的校準規范要求[17]，在用輸液泵的校準項目包括：外觀及功能性檢查、流量相對示值誤差、流量示值重復性、阻塞報警誤差。其主要技術指標如表1所示。

表1 輸液泵校準主要技術指標

流量相對示值誤差按照公式(1)計算：

流量示值重復性按公式(2)計算：

式中：bi為被校儀器第i校準點的流量示值重復性；R為檢測儀在第i校準點3次測量值的極差，mL/h。取上述各校準點的最大示值重復性作為校準結果。

阻塞報警誤差按公式(3)或公式(4)計算：

式中：Δp為被校儀器阻塞報警絕對誤差，kPa；Δpt為被校儀器阻塞報警相對誤差；ps為被校儀器阻塞報警設定值，kPa；pc為檢測儀測得的阻塞報警閾值，kPa。

從長期的實踐過程來看，傳統的校準方式存在一些無法避免的弊端：① 計量人員需要到達計量現場，這不但增加了路途時間而且難以避免與相關人員發生接觸，在防疫的大環境下，顯然是不利于疫情防控； ② 受制于人員、時間等限制，計量校準工作有時間間隔，只能定期進行，無法滿足醫院對于醫用設備的質控需求；③ 現場計量人員只能“單線程”工作無法“多線程”工作，無法同時響應多點多地的計量操作和計量請求，難以提高工作效率，工作效率低下；④ 計量過程中流量示值的記錄需要計量人員現場手動記錄，工作量巨大，費時費力而且容易導致人為錯誤的發生。

由于傳統校準方式存在上述問題，為有效解決這些問題，本文提出一種遠程輸液泵校準系統，該系統有效克服了傳統校準方式存在的問題，取得了良好的效果。

2 醫用輸液泵遠程校準系統

2.1 遠程校準系統組成

遠程校準功能是通過遠程控制和遠程數據傳輸來實現的。本論文設計的整個輸液泵遠程校準系統包括：輸液泵標準器、實時傳輸系統、遠端服務器、計量人員等幾部分。系統結構框圖如圖2所示。

圖2 系統結構框圖

輸液泵標準器采用市場上常見廠家生產的標準器，在此基礎之上對該標準器按照本系統的具體要求進行相應的二次開發：對物理通信RJ45接口進行開發并增加通信相關的軟件功能，包括TCP/IP協議棧的支持、IP地址的分配及配置、應用層通信協議等內容。實時傳輸部分采用SIM卡/WiFi集成模塊，可同時支持移動通信網絡和WiFi網絡，可根據客觀條件對通信方式進行選擇。對于遠程服務器，考慮到本系統軟件的開發容量及運行條件以及本系統需要實現的功能等條件，服務器采用主流Windows操作系統Win7/Win10，CPU要求Intel i3及以上，內存4 G及以上，硬盤200 G及以上，具備網絡通信能力，服務器軟件使用easyUI開發Web程序，考慮到遠程校準中產生的數據量不是很大，選用SQLite小型數據庫完全可以滿足使用需求。遠程計量人員則是指具有輸液泵相應校準資質的人員。系統各部分功能組成說明如下：

（1）輸液泵標準器：經過量值溯源的用于校準輸液泵的標準器具。該輸液泵標準器由顯示屏、操作面板、測速傳感器、輸入輸出接口、主控板、電源模塊等硬件部分組成；內置操作軟件可支持流速實時顯示、數據存儲、與實時傳輸系統建立鏈接、接收控制指令并完成相應的操作、返回相應的應答信號等功能。輸液泵標準器將測得的流量、阻塞壓力等輸液泵參數通過實時傳輸系統傳送到遠端服務器，為遠程計量人員提供校準依據。

（2）實時傳輸系統：與標準器建立鏈接，將標準器的計量數值進行實時采集；與遠端服務器建立服務鏈接，并通過網絡進行實時傳輸；將遠程控制端指令下發輸液泵標準器，并將輸液泵標準器應答信號返回遠程控制端。

（3）遠端服務器：與實時傳輸系統建立鏈接，接收實時傳輸系統上傳的計量數據并以適當的方式存儲；以適當的方式顯示標準器的計量數值供計量人員觀察；按要求產生對標準器的控制指令并下發，接收應答信號；按照校準規程要求可自動完成校準數值的計算；完成數據存儲、數據分類、數據檢索等數據管理功能。

（4）遠程計量人員：發出控制指令，完成人機交互操作；作出校準結果合格與否的判斷。

2.2 具體實施方案

具體實施方案如圖3所示。

圖3 具體實施方案

輸液泵標準器通過PCI接口與指令交互/數據采集模塊相連，標準器通過該接口輸出測量數據、接收操作指令并返回指令應答等。數據采集模塊將標準器的數據進行模擬到數字的轉換并進行編解碼、封裝等處理，最后將打包好的數據通過標準器輸出。指令交互模塊負責指令的上傳和下達：接收來自上一級模塊的控制指令，將指令傳送到標準器；接收標準器的應答指令，傳送到上一級的模塊。網絡模塊負責整個系統的通訊功能，是整個系統的通信核心。通過公共或者私有網絡與上級服務器進行通信。該模塊的網絡功能包括廣域網WLAN、WiFi、移動通信網（2G/3G/4G/5G）等，可根據實際應用場景進行選擇。服務器、數據采集/指令交互模塊可以調用該模塊的功能，通過該模塊實現網絡的鏈接、數據的傳輸、指令的傳遞等功能。指令解釋模塊負責解釋來自人機接口的指令并將指令傳送至服務器，解釋來自下一級模塊的指令并傳送到服務器。服務器是整個系統的核心，相當于整個系統的“大腦”，是人機交互的媒介和窗口。接收來自計量人員的操作控制指令，通過指令解釋模塊解釋指令，然后將指令通過網絡模塊、指令交互模塊下傳到輸液泵標準器。接收來自下級模塊的應答指令，通過指令解釋模塊解釋，然后根據解釋結果做進一步處理；輸液泵標準器輸出測量數值經數據采集模塊、網絡模塊到服務器進行接收并按照預先要求對數據進行存儲、分類、累計、計算、檢索、管理等處理，然后將最終數值輸出到數值顯示部分進行顯示處理。人機接口是計量人員與整個系統進行交互和控制的接口，起到橋梁和紐帶的作用。數據處理部分負責測量數值的處理功能，一般通過嵌入數據庫功能實現。可實現數據的存儲、分類、累計、計算、按字段檢索、管理等處理功能。數據顯示部分負責整個測量數值的顯示，可按照計量人員的要求顯示相應的數值，界面友好，數值易讀易懂；負責人機操作界面的顯示，控制指令以人機友好的形式顯示。

2.3 Web系統設計

系統需要實現對標準器輸出數值的采集存儲、網絡連接、遠程設備的 TCP 實時監聽，并解析數據，將解析數據存入位于服務器的數據庫內且對其進行數據分析。系統采用前臺技術實現數據的查詢、管理及其 Excel導出，以圖表形式展示數據。

前端采用easyUI進行框架設計和編程。easyUI是一種基于jQuery的用戶界面插件集合，easyUI為創建現代化、互動、JavaScript應用程序，提供必要的功能[18]。使用easyUI不需要編寫很多代碼，就可以定義用戶界面[19]。后臺數據庫選擇輕型數據庫SQLite[20]，它占用資源非常低，支持Windows/Linux/Unix等主流的操作系統[21]，比起Mysql、PostgreSQL等數據庫來講，它的處理速度比他們都快，SQLite完全能滿足本系統的設計需求。

2.4 輸液泵遠程校準系統的研制

本論文在上述結構框架和工作原理的基礎上，研制了輸液泵遠程校準系統。圖4為本文研制系統服務器軟件界面，界面左側為6個功能模塊，按照使用需求分別點擊相應的功能模塊進行操作。當點擊某一功能模塊時，軟件會自動進入功能模塊界面，使用者按照界面提示操作即可。同時軟件提供系統設置和幫助菜單，以便使用者更好地使用軟件。目前，該軟件為1.0版本，后期會在該版本基礎上進一步更新升級。

圖4 系統服務器軟件界面

圖5為本文研制系統的數據采集/指令交互模塊，該模塊用來完成對標準器的數據采集、數據輸出，標準器與服務器之間的指令傳遞等功能。該模塊內置于標準器內部，通過內部PCI插槽與標準器主板通信，這樣設計的好處是通信速度快，性能穩定，符合主流系統結構，降低開發難度。

圖5 數據采集/指令交互模塊

圖6為本文的網絡通信路由器。該路由器支持WiFi和SIM兩種方式，并設有3根天線，其中2根WiFi天線，1根移動網絡天線。該路由器通過RJ45接口與輸液泵標準器連接，起到標準器與服務器之間數據通信的功能。

圖6 網絡通信模塊

圖7為本文研制的輸液泵遠程校準系統現場工作圖，包括輸液袋及輸液管路、輸液泵、輸液泵標準器、網絡模塊、服務器等部分。實際上遠程服務器位于遠端，本文為拍照片方便將服務器擺放到現場。其工作的大致流程如下：輸液管路連接好之后，輸液泵設置流速點擊開始輸液，在遠程服務器上點擊開始校準，標準器將測量的數值通過網絡模塊上傳到服務器；點擊結束校準，服務器不再接收測量數值；點擊數據處理，服務器開始計算校準相關數值，并給出計算結果作為校準合格與否的判斷依據。

圖7 輸液泵遠程校準系統現場演示圖

3 本系統使用流程及應用效果

3.1 系統工作流程

該流程圖描述了遠程校準系統的使用流程，同時在測量過程中，任何人無法對數據進行任何的修改，數據直接上傳并保存在服務器上，見圖8。

圖8 系統工作流程圖

3.2 使用效果

本文系統校準一臺輸液泵時間取決于并發數即同時進行校準的臺數，本系統最多可支持并發數為4。采用SPSS 17.0數據處理軟件進行綜合處理，進行t或卡方檢驗，以P＞0.05為差異有統計學意義。設定參照組和觀察組，每組各50臺輸液泵。參照組采用傳統校準方法對輸液泵進行校準，觀察組采用本文方法對輸液泵進行校準。觀察組分別取并發數=2、并發數=3、并發數=4等幾種情況，差異有統計學意義，具體數值如表2所示。本文提出的遠程校準系統相比于傳統校準方法大大節約了校準時間、提高了工作效率。

表2 兩組校準時間比較（±s，min）

表2 兩組校準時間比較（±s，min）

組別 例數 第一次校準時間第二次校準時間第三次校準時間參照組 50 20.3±2.4 21±3.1 20.5±2.1觀察組 50 10.2±1.1(并發數=2)6.8±0.8(并發數=3)5.1±1.3(并發數=4)χ2值 4.046 4.236 4.326 P值 0.030 0.024 0.040

同時為了驗證本系統相比于傳統方法有更高的準確性，避免人為錯誤，本論文特別做了如下的對比實驗：選取200臺輸液泵的現場手動校準原始數據，輸入本論文系統進行流量相對示值誤差的計算，將本系統的計算結果與手動計算結果進行一一對比。若結果一致則認為計算無誤；若結果不一致則選取三位有資質的校準人員分別計算，然后將三人的計算結果與本系統計算結果、手動計算結果進行對比，判定計算錯誤一方。由該對比實驗，將200組數據一一對比判定，最后計算手動校準方法與本系統方法的正確率。該實驗共進行三次，設參照組和觀察組。手動校準結果作為參照組：手動校準結果中分別有3次、4次、3次計算錯誤，計算正確率分別為98.5%、98%、98.5%；本文系統計算結果作為觀察組：本文系統計算結果正確率分別為100%、100%、100%，差異均有統計學意義（P＜0.05）（表3）。本文提出的遠程校準系統相比于傳統手動校準方法能夠避免人為錯誤、具有更高的準確性。

表3 兩組計算結果比較（%）

4 討論與總結

隨著5G等網絡技術的快速發展和廣泛覆蓋，伴隨著疫情對全球各國生產、生活方式產生深刻而深遠的影響，越來越多的基于網絡技術的遠程校準方法被研究者關注，醫學器具的遠程計量已成為研究的熱點和未來醫學計量發展的趨勢之一。本文在一般的醫學器具遠程計量模型基礎之上，針對輸液泵的特點提出了一種適用于輸液泵的遠程校準系統。本文系統由標準器、網絡模塊、遠程服務器、遠程計量人員等幾部分組成。輸液泵標準器在主流品牌廠家標準器基礎上，根據本文系統需要進行相應的二次開發，使之能夠支持多路并發的校準需求。網絡模塊采用可以支持WiFi和移動通信網絡的網絡模塊，可以根據實際需求靈活選擇。根據本系統軟件的容量和運行環境等的需求，服務器選擇市場上主流的Windows操作系統，主流配置的工作站以及SQLite數據庫，采用EasyUI進行Web程序開發。與傳統校準模式相比，本系統可以實現遠程校準并實現多路并發校準。與孫磊等[14]提出的方法相比，本文并發通路數是其研究結果的2倍，意味著本文系統的效率是倍加的，同時實現了其沒有的遠程校準功能，證明了本文研制系統的先進性。

由于實際應用中的網絡條件千差萬別，而網絡條件又是系統能否穩定工作的基石。因此，下一步應盡量優化本系統的程序和信令流程，使系統對網絡帶寬、延遲、丟包、鏈路利用率[22]等獲得最優的魯棒性[23]。下一步還可在本系統的框架基礎上進一步研究注射泵的遠程校準系統。

遠程校準實現的方式方法多種多樣，不管是從硬件結構還是從軟件編程方式看，都沒有唯一或者統一的解決方案。只有根據不同的校準過程和校準目的，綜合考慮校準過程中的實際情況，對各種方案反復衡量才能設計出具有良好性價比的遠程校準系統。