基于視覺測量的靜脈輸液液位和滴速監(jiān)測方法研究

朱春麗，雷秀軍，郭 杰，張澤楷，申 遠

（1.合肥師范學院 電子信息系統(tǒng)仿真設(shè)計安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；2.合肥富煌君達高科信息技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230031；3.中國科學技術(shù)大學 工程學院，安徽 合肥 230027）

1 引言

2019年12 月起，新型冠狀病毒感染的肺炎疫情在全國多地和世界各國蔓延擴散，在這場抗疫戰(zhàn)爭中，奮戰(zhàn)在最危險的一線醫(yī)護工作人員超負荷工作，身體和心理都異常疲憊[1-3]。為了緩解醫(yī)護人員無比繁重的工作強度，本文針對靜脈輸液時的頻繁巡視和檢測這一問題，設(shè)計了一種基于視覺測量的監(jiān)測系統(tǒng)。

靜脈輸液是指在一段時間內(nèi)將藥物直接緩慢地注入患者靜脈中，以實現(xiàn)各種疾病的治療。為了確保輸液過程的安全有效，醫(yī)護人員需要根據(jù)患者病情、年齡及所用藥物性質(zhì)來確定輸液滴速，并及時監(jiān)測液面的位置、更換或停止藥液的輸入。輸液泵可實現(xiàn)輸液滴速和輸液持續(xù)時間的精確控制[4,5]。但是，輸液泵價格昂貴，成本之高可能會阻礙其在某些情況下的使用，只針對少數(shù)特殊患者或特殊藥品才具有實際意義。另外，當不能立即檢測到輸液泵故障時，還需要使用輔助測量工具來避免藥物過量的風險。目前，國內(nèi)外大多數(shù)醫(yī)療機構(gòu)都使用重力滴注裝置進行常規(guī)的靜脈輸液。在沒有輔助監(jiān)測系統(tǒng)的情況下，醫(yī)護人員必須利用數(shù)算求出輸液滴速，并通過頻繁巡視和臨床經(jīng)驗來監(jiān)測液面位置。確定靜脈輸液滴速的通常方法如下：對經(jīng)過靜脈滴注室的藥劑計數(shù)15秒，然后將其乘以四，即為平均滴速。若滴速不滿足要求，則需調(diào)整后再次計算，該過程繁瑣且不準確。數(shù)算求滴速和頻繁巡視均增加了醫(yī)護人員的工作強度，若不能及時發(fā)現(xiàn)并處理輸液問題，甚至可能會造成嚴重的醫(yī)療事故[6,7]。

近幾年，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)不斷發(fā)展，促進了輸液過程無線監(jiān)測方法的提出。目前，國內(nèi)外報道的輸液監(jiān)測裝置主要分為三類：一是單個輸液監(jiān)測報警裝置，如王學建設(shè)計的雙位紅外感應輸液及報警裝置[8]，此類裝置是單獨監(jiān)測報警的，無法實現(xiàn)護理人員同時對多名輸液患者進行統(tǒng)一輸液監(jiān)測管理；二是輸液監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺，如Cui等設(shè)計的基于無線通信技術(shù)的靜脈輸液監(jiān)測報警系統(tǒng)[9]，姜濤等設(shè)計的基于Wifi的嵌入式多功能病房呼叫系統(tǒng)[10]，此類監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺多安裝至護士站計算機上，護士無法隨身攜帶，無法滿足在野外、突發(fā)公共事件、應急救援等情況下輸液管理工作的需求；三是具有可遠程攜帶的手持終端的輸液監(jiān)測系統(tǒng)，如王亞楠等人設(shè)計的遠程靜脈輸液監(jiān)測裝置[11]，Rao等人設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的靜脈輸液系統(tǒng)[12]等，此類輸液監(jiān)測裝置便于醫(yī)護人員在移動的過程中監(jiān)測病人的輸液情況，保證患者輸液過程的安全有效。以上三類靜脈輸液監(jiān)測裝置大都基于紅外感應原理來計算滴速的大小，監(jiān)測系統(tǒng)基本都包含可嵌設(shè)紅外感應元件、各種管型墨菲管等結(jié)構(gòu)的盒體[13]，每次輸液監(jiān)測均需要一次安裝和拆卸盒體的過程。

隨著攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，視覺測量技術(shù)引起了人們的關(guān)注，它具有非接觸式、遠距離測量、測量范圍大、測量精度高和價格便宜等優(yōu)點，且無附加質(zhì)量，不會對測量物體的動態(tài)特性產(chǎn)生影響[14,15]。本文將視覺測量技術(shù)和上述可遠程攜帶手持終端的輸液監(jiān)測方法的優(yōu)勢相結(jié)合，設(shè)計一種基于視覺測量的靜脈輸液監(jiān)測系統(tǒng)，以安全有效地監(jiān)測輸液過程，減輕醫(yī)護人員的工作強度。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理

基于視覺測量的靜脈輸液監(jiān)測系統(tǒng)主要由攝像設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和手持終端組成，系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 靜脈輸液視覺監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

2.1 攝像設(shè)備的選擇

靜脈輸液時，滴速調(diào)節(jié)應遵循一定的原則，需根據(jù)病人年齡、病情及藥物性質(zhì)調(diào)節(jié)輸液速度，如對患有心、肺、腎疾病的病人、老年患者、幼兒，以及輸入高滲鹽水、含鉀和升壓藥的病人務必謹慎，輸液速度宜慢。而對于嚴重脫水、心肺功能良好的病人，輸液速度可適當加快。對于正常的輸液滴速，攝像設(shè)備的幀率大于4Hz即可滿足采樣定理。可以根據(jù)醫(yī)院當前的物資水平，選擇常見且平價的數(shù)碼相機、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、智能手機等作為攝像設(shè)備，以采集靜脈輸液過程中輸液瓶和滴注室處的圖像。本實驗所采用的攝像設(shè)備為華為nova 5 Pro智能手機，幀率為30Hz，分辨率為1080p。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸和存儲

可以根據(jù)醫(yī)院當前的物資條件，使用任何適當?shù)慕橘|(zhì)來傳輸視頻圖像以及在計算機上可讀的程序代碼，如無線、有線、光纜、射頻等，或者它們的任何合適的組合形式。并可以根據(jù)醫(yī)院當前的物資條件，將視頻圖像以及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果等自動存儲在計算機設(shè)備的內(nèi)部存儲器或基于網(wǎng)絡(luò)的存儲服務器中。本實驗采用無線網(wǎng)絡(luò)和計算機傳輸和存儲視頻圖像、程序代碼及數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是該基于視覺測量的靜脈輸液監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，流程圖如圖2所示。數(shù)據(jù)處理的輸出結(jié)果包含病患床位號、液面位置、滴速、報警信息等，這些計算結(jié)果的準確性會直接影響醫(yī)護人員接收信息的準確性以及后續(xù)行為決策的正確性，從而影響病患輸液的安全性。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

病患開始輸液時，醫(yī)護人員利用手持終端啟動監(jiān)測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理程序開始處理視頻圖片。首先，識別首幀圖像中的床位號，匹配與該床位號對應的錄入系統(tǒng)的病患信息，并將匹配的病患信息包括姓名、年齡、床位號、病因、用藥等傳輸至手持終端。同時，數(shù)據(jù)處理程序計算液面位置，并判斷液面是否到達瓶口附近。如果液面沒有到達瓶口附近，輸出當前的液面位置，以便工作人員隨時了解輸液進度；如果到達，發(fā)出警報，提醒工作人員結(jié)束輸液或者更換輸液瓶。此外，數(shù)據(jù)處理程序同時也在實時地計算輸液滴速，并判斷滴速是否在設(shè)定范圍之內(nèi)。若滴速正常，輸出實時滴速，供醫(yī)護人員了解當前的輸液情況；若滴速不正常，發(fā)出警報，提醒醫(yī)護人員及時處理。

2.4 手持終端的選擇

手持終端的體積和質(zhì)量不宜過大，以方便工作人員攜帶和操作。可以做成手機軟件或小程序，也可以做成與智能手機大小相當?shù)膶Ｓ檬殖纸K端。手持終端的顯示屏上可以顯示病患姓名、年齡、床位號、病因、用藥等基本信息，還可以顯示當前液面位置、實時滴速、報警提示等。

3 實驗結(jié)果與分析

提取所拍攝靜脈輸液視頻中的圖像幀，圖中包含了數(shù)據(jù)處理時所需的所有要素，如病患床位號、液面位置和滴注室中經(jīng)過的液滴。

3.1 液面位置計算

考慮到實際輸液過程中光照噪聲的影響，很難通過邊緣檢測等方法直接識別液面位置。由圖1可以很清楚地看到，沿著輸液瓶的高度方向由上而下，有、無液體時圖像的亮度是不同的。無液體時較亮，灰度值較大，有液體時較暗，灰度值較小。在液面位置處，灰度值由較大值突變?yōu)檩^小值。基于上述特點，在輸液瓶的高度方向標記一條線，如圖1中的藍色線條，該線條從瓶底延至輸液瓶直徑突降位置處，即瓶口附近。定義藍色線條最上端位置為第1個像素，最下端位置為第71個像素，線條位置處由上而下的灰度值分布如圖3（a）所示。由分布曲線可以看出，在上方，灰度值以較大值波動，而后由較大值突降至較小值，然后以較小灰度值波動。由以上分析可知，較大灰度值對應上方無液體的瓶體位置，較小灰度值對應下方有液體的瓶體位置，而灰度值突降位置即為液面位置。

圖3 液面位置計算結(jié)果（a）首幀靜脈輸液圖中藍色線條處的灰度值分布（b）液面位置隨輸液時間的變化

對每幀圖像中藍色線條處的灰度值分布進行差分計算，求出灰度值突變位置，即為當前的液面位置。對于130秒的監(jiān)測視頻，計算出的液面位置隨輸液時間的變化如圖3（b）所示。由圖3（b）可以看出，隨著輸液時間的增加，即隨著藥液一滴一滴地滴落，液面位置對應的像素值近似呈間距為1個像素的階梯狀增大，說明液面近似呈階梯狀下降。中間出現(xiàn)的微小波動可能是由液面晃動引起的，波動范圍小于1像素，可以忽略不計。當液面位置降至第71個像素時，即到達輸液瓶瓶口附近時，發(fā)出警報，提醒醫(yī)護人員及時配藥并更換輸液瓶或停止輸液。

3.2 滴速計算

在沒有輔助監(jiān)測系統(tǒng)的情況下，醫(yī)護人員必須利用數(shù)算求出輸液滴速。對經(jīng)過靜脈滴注室的藥劑計數(shù)15秒，然后將其乘以四，即為平均滴速。對于本文所設(shè)計的靜脈輸液視覺監(jiān)測系統(tǒng)，計算滴速時所用到的監(jiān)測位置為圖1中滴注室上的藍色矩形框區(qū)域。

當?shù)巫⑹矣兴巹┎粩嗟亟?jīng)過時，藍色矩形框內(nèi)的對比度不斷變化，其標準差也在不斷變化。因而，可以通過計算矩形框內(nèi)標準差變化的頻譜分布求得基頻，該頻率則為藥劑經(jīng)過滴注室的頻率，進而可計算出靜脈輸液的滴速。這里，將此計算方法簡稱為標準差-頻譜法。圖4（a）給出了15秒監(jiān)測視頻中藍色矩形框內(nèi)標準差的變化情況，可以看出標準差呈近似等時間間隔的突變波動，說明藥劑近似等時間間隔地從滴注室滴過。標準差變化的頻譜分布如圖4（b）所示，可以看出基頻為1.469Hz，則滴速為1.469*15*4=88.14（滴/分鐘），取整為88滴/分鐘。計算出滴速后，判斷該滴速是否在設(shè)定的安全滴速范圍內(nèi)，如果不在，則報警，提醒醫(yī)護人員調(diào)整滴速。這里，為了驗證計算結(jié)果的有效性，同時采用傳統(tǒng)方法數(shù)算滴速。數(shù)出15秒內(nèi)經(jīng)過滴注室的藥劑為22滴，則滴速為22*4=88（滴/分鐘），考慮到數(shù)算、讀秒時的人為誤差，可以認為與采用標準差-頻譜法計算出的結(jié)果一致。

圖4 滴速計算結(jié)果

實驗過程中，改變輸液滴速，分別用傳統(tǒng)數(shù)算和標準差-頻譜法計算滴速，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，兩種方法的計算結(jié)果一致，說明該靜脈輸液視覺監(jiān)測系統(tǒng)所采用的滴速計算方法是有效的。

表1 采用數(shù)算和標準差-頻譜法計算滴速的結(jié)果對比

3.3 兩組輸液過程的同時監(jiān)測

相比于基于紅外感應原理的盒體靜脈輸液監(jiān)測裝置，基于視覺測量的靜脈輸液監(jiān)測裝置的其中一個特點便是其攝像設(shè)備可固定于醫(yī)院病房某處，無須每次輸液監(jiān)測時的拆裝過程，且攝像設(shè)備可同時拍攝病房中臨近的多組輸液過程。這里，為了驗證該監(jiān)測系統(tǒng)對多組輸液過程及不同輸液容器的監(jiān)測效果，同時監(jiān)測了利用輸液瓶和輸液袋進行的兩組輸液過程。

首先，識別床位號，然后計算床位號中心位置與輸液裝置頂端的距離，距離較近的即為同一組輸液過程對應的床位號和輸液裝置。對于115秒的監(jiān)測視頻，兩組輸液過程的液面位置監(jiān)測結(jié)果如圖5所示，其中圖5（a）為輸液瓶液面位置隨輸液時間的變化，圖5（b）為輸液袋液面位置隨輸液時間的變化。可以看出，隨著輸液時間的增加，兩組液面位置對應的像素值均近似呈間距為1個像素的階梯狀增大，即液面近似呈階梯狀下降。

圖5 兩組輸液過程的液面位置計算結(jié)果（a）輸液瓶液面位置隨輸液時間的變化（b）輸液袋液面位置隨輸液時間的變化

圖6為兩組輸液過程的滴速計算結(jié)果，其中圖6（a）和（b）為15秒內(nèi)輸液瓶滴注室處標準差變化和頻譜分布，可以看出基頻為1.149Hz，則滴速為1.149*15*4=68.94（滴/分鐘），取整為69滴/分鐘。利用數(shù)算法數(shù)出15秒內(nèi)的滴數(shù)為17滴，計算出滴速為17*4=68（滴/分鐘），與標準差-頻譜法計算的結(jié)果之差小于1滴/分鐘。考慮到數(shù)算、讀秒時的人為誤差，可以認為兩種方法的計算結(jié)果基本一致。圖6（c）和（d）為15秒內(nèi)輸液袋滴注室處標準差變化和頻譜分布，可以看出基頻亦為1.149Hz，滴速約為69滴/分鐘，與數(shù)算滴速68滴/分鐘基本一致。

圖6 兩組輸液過程的滴速計算結(jié)果：（a）輸液瓶滴注室處的標準差變化，（b）與（a）對應的頻譜分布，（c）輸液袋滴注室處的標準差變化，（d）與（c）對應的頻譜分布

由以上實驗結(jié)果可見，所設(shè)計的靜脈輸液監(jiān)測系統(tǒng)可以無接觸、遠距離、實時地監(jiān)測液面位置和滴速，并可以同時監(jiān)測多組輸液過程，能夠?qū)崿F(xiàn)對靜脈輸液患者的安全監(jiān)測并緩解醫(yī)護人員的工作強度。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的基于視覺測量的靜脈輸液監(jiān)測系統(tǒng)主要由攝像設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和手持終端組成，其中攝像設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲和手持終端部分與現(xiàn)今絕大多數(shù)醫(yī)院的現(xiàn)有設(shè)備（如攝像頭、網(wǎng)絡(luò)、計算機、手機等）兼容，通用性強，適用于各級醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)的門診輸液室和病房之中。對于該系統(tǒng)的核心部分，即數(shù)據(jù)處理部分，基于液面位置處圖像亮度突變的特性，利用差分計算求出液面位置，液面位置的波動范圍小于±1像素。同時，基于滴注室處藥劑經(jīng)過時圖像對比度變化的特性，采用標準差-頻譜法計算滴速，計算出的滴速值與數(shù)算結(jié)果之差小于1滴/分鐘。從計算結(jié)果可以看出，所提出的液面位置和滴速計算方法精度高且簡單有效。相比于基于紅外感應原理的盒體靜脈輸液監(jiān)測裝置，本文所設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點是可以實現(xiàn)遠距離、無接觸測量，無須每次輸液監(jiān)測時的拆裝過程，且可同時監(jiān)測多組輸液過程。另外，該系統(tǒng)與生理信號的無接觸視覺測量系統(tǒng)兼容[16,17]，若二者結(jié)合，則可實現(xiàn)生理信號與輸液過程的同時監(jiān)測，大大緩解醫(yī)護人員的工作強度，提高工作效率，對醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展具有一定的參考價值。