基于聲音識別的靜脈輸液結束自主報警小助手

◆上海市世界外國語中學高二 許雯祺

當前醫院里一個普遍的現象是，病人輸液結束后需要看護人員及時按呼叫按鈕通知護士來病房處理。目前市場上有一種便攜式輸液報警器，可以夾掛在輸液管上，陪護人員聽到報警音后能立即通知護士，但還是離不開人員的陪護。

通過查閱文獻，我發現輸液報警系統是一個研究熱點，比如，有專利公開了一種智能病房輸液監控系統，可通過藍牙傳輸等技術，遠程監測病床的輸液結束信號并在前臺提醒護士，前提是需要對醫院的現有硬件設備進行大規模改造，因改造成本太高，醫院并未采用。我想利用醫院的現有條件，通過設計一個小裝置來實現靜脈輸液時無需人員看護。

為了實現這種想法，我設計了一個基于聲音識別的靜脈輸液結束自主報警小助手，并與輸液報警器、呼叫按鈕一起構成一個輸液結束自主呼叫系統。它能通過對報警音的即時識別，控制執行器實現對護士臺的自動呼叫。

一、設計原理

自主呼叫系統由一個基于聲音識別的輸液報警助手、輸液報警器、呼叫按鈕三部分組成。輸液報警助手主要由控制器、聲音采集預處理模塊、驅動模塊、執行模塊組成，并由可充電電池供電。該系統工作原理如圖1 所示。

當輸液將要結束時，輸液報警器觸發蜂鳴器發出“滴滴滴”的報警音，聲音采集預處理模塊采集報警音并經過預處理后將結果傳至控制器，信號識別軟件將分析收到的聲音信號，當識別到報警音的特定聲波信號時觸發驅動和執行模塊，執行器按動呼叫按鈕，呼叫護士臺。

二、設計方案

1.聲音信號的采集

聲音信號的采集和預處理可采用聽筒和簡單的信號處理電路來完成，該模塊將采集到的一定強度的聲音轉變成控制器能接收的電平信號，并通過圖2 中的IN 口送出。該模塊成本低，可作為標準件購買。

2.報警音信號的識別

蜂鳴器發出的聲音是有間隔的連續聲，因此，可通過提取報警音的時間間隔特征，與設定的間隔特征或聲音密碼進行比較。如果相符，則判定為蜂鳴器報警；如果不符，則判定為外界雜音干擾，并通過軟件過濾掉噪聲，保證對輸液報警音的正確識別。

圖1 自主呼叫系統工作原理框圖

圖2 聲音信號的采集和預處理原理圖

圖3 報警音信號的識別流程

通過試驗發現，蜂鳴器兩聲之間的間隔約為650 毫秒，采集4 聲3 個間隔的識別效果較優，考慮到測量精度和容錯性要求，我設置了100 毫秒的密碼容錯范圍。工作中，連續采集4 聲聲音信號，判斷兩兩之間的聲音時間差，如果3 個時間差均符合設立的聲音密碼，通過控制器的輸出口輸出呼叫執行信號，并準備下一次的報警音識別。

3.驅動和執行

當識別到報警音后，控制器輸出高電平信號，如圖4 所示，繼電器的輸入引腳連接在控制器的輸出口上也將變為高電平，從而觸發繼電器，繼電器的常開觸點閉合，電磁鐵線圈通電，電磁鐵鐵芯在電磁力作用下按動呼叫按鈕，完成自主呼叫的任務。

4.報警助手結構的人機工學設計

我將輸液報警助手設計為固定式與便攜式。固定式輸液報警助手與固定呼叫按鈕配合，可安裝在墻上，如圖5 所示。便攜式報警助手與便攜式呼叫面板配合使用，工作中將呼叫面板置于報警助手的預留空間，即電磁鐵的下方。報警助手本體采用分層設計，有機布置各功能單元，使結構更緊湊。

圖4 報警小助手的驅動和執行原理圖

圖5 固定式輸液報警助手的裝置結構

三、樣機制作和測試

固定式輸液報警助手樣機模型如圖6 所示。殼體采用亞克力板，輸液報警助手和輸液報警器、呼叫按鈕面板一起構成輸液結束自動呼叫系統，并采用一個面板開關模擬前臺接收和復位報警信號。

將呼叫按鈕置于電磁鐵下方，當按動輸液報警器時，輸液報警器發出規律的“滴滴”報警音，同時人為加入語音等噪聲信號，輸液報警助手能即時識別報警音，并觸發電磁鐵按動呼叫按鈕，前臺模擬面板指示燈亮，通知護士及時處理。

圖6 固定式輸液報警助手樣機和測試平臺

經過多次調試，輸液報警助手執行準確，滿足了使用要求，下一步將在醫院實際環境中測試完善。

四、創新點

1.利用醫院病房的現有條件，只需添加一個輸液報警輔助小裝置與便攜式輸液報警器巧妙配合，就能實現病人輸液結束自動呼叫前臺護士。

2.利用聲音采集和報警音特征信號的快速提取方法，有效濾除噪聲干擾，實現對輸液報警音的實時準確識別。

專家點評

許雯祺同學《基于聲音識別的靜脈輸液結束自主報警小助手》項目，屬于“老題新做”的發明作品。

青少年涉及輸液自動報警技術約有40 年了，讓我印象深刻的作品有兩件，第一件是獲第四屆全國青少年科技創新大賽一等獎的“醫用輸液報警器”，由上海市第三女子中學裘苑同學發明，該作品的獨到之處在于液位探測器的發明。這種液位探測器巧妙運用了電路的分布電容原理，用兩塊銅片作為極板，以輸液瓶中的藥液為介質，構成一個特殊的電容器。由于水的介電常數遠大于空氣的介電常數，藥液輸完，該電容器的介質變成空氣，其容量顯著減小。將電容變化量引入到電子振蕩電路便可以控制電路的起振與否，從而進一步控制輸出電路的導通或斷開，達到報警的目的。第二件是獲第十屆全國青少年科技創新大賽二等獎的“滴注完了自動呼叫器”，由江西省萍礦礦業集團公司機關小學曾賽同學發明。

當然，許雯祺同學該項作品的技術成熟度、先進性、實用性比上述兩款都有實質性的超越，這正是“老題新做”的意義所在。