陳依燁,雷 斌,蘇 江,李奕瑩,嚴家龍,陳泳立
(廣東科學技術職業學院機器人學院,廣東珠海 519090)
伴隨人工智能的不斷發展,基于人工智能的智慧醫療也逐步成為醫療技術發展的趨勢,而在醫療救治措施中,靜脈輸液治療作為一種高度專業技術,廣泛地用于腸道外輸液、營養支持、用藥與輸液的治療。通過調研分析,臨床上多數醫療機構均以人工操作為主,靜脈輸液雖作為一種有效的醫療救治手段,但其在臨床應用上也具有較多痛點,歸納如下[1]:藥液種類繁多,人工易出錯;藥液數量繁多,手動換液工序多;流速、高度需監測,人工查看耗時多;輸液架高度固定,醫護更換麻煩多。
隨著疫情防控的常態化,傳統的人工操作會增加靜脈輸液的出錯風險并耗費大量醫護資源,智能輸液系統的出現,可大大緩解我國醫護“一對多”的情況,減少醫護人員與患者的密切接觸,對病毒防控起到積極作用。由于智慧醫療和疫情防控的不斷發展,智慧醫療輸液系統的設計與應用研究具有十分重要的實際意義。
基于上述痛點,為降低患者與醫護人員的接觸頻率、減輕醫護人員的工作強度,緩解醫護人員緊缺問題,本文設計研究一種基于物聯網技術的智慧醫療輸液裝置,實現藥液溯源對比確認、智能換液、流速控制、液位監測、自適應高度等功能[2],將人工操作的靜脈輸液變成智慧靜脈輸液,以實現醫療輸液的智慧化。
新型醫療點滴輸液架裝置主要由高度升降模塊、通訊模塊、針頭旋轉模塊、傳感器模塊、點滴升降模塊、酒精消毒模塊以及控制柜七大部分組成[3]。其結構組成如圖1所示。
圖1 新型輸液架結構
(1)高度升降模塊
本模塊的主要功能是實現輸液架垂直方向的上升與下降,通過與通訊模塊的相互配合,完成輸液架高度的自由調節,從而配合操作者實現輸液瓶的輕松放置與取回。
(2)通訊模塊
其主要功能是實現操作者與設備的交互,通過觸摸屏的各類按鈕及指示燈實現點滴工作站操作與和實時監視。
(3)針頭旋轉模塊
針頭旋轉模塊的主要功能是實現輸液針頭4個方向旋轉,通過與液位檢測模塊、輸液瓶升降模塊的相互配合,當第一瓶液體完成退針后,旋轉模塊工作,使輸液針頭旋轉至下一瓶輸液瓶口下方,完成輸液過程的換液動作,從而代替醫護人員自動換液。
(4)液體檢測模塊
液體檢測模塊的功能主要是智能檢測輸液瓶中的液位高度,利用水的感應電容來檢測是否有液體存在,在沒有液體接近感應器時,感應器上由于分布電容的存在,因此感應器對地存在一定的靜態電容,當輸液管內存在液體時,液體的寄生電容將耦合到這個靜態電容上,使感應器的電容值變大,該變化的電容信號再輸入到控制IC進行信號轉換,將變化的電容量轉換成某種電信號的變化量進行信號輸出,通過程序控制指示輸液瓶升降模塊與旋轉模塊配合完成換藥動作,并更換藥液和輸液信息實時上傳至人機交互模塊,從而代替醫護人員對液體液面實時監視[4]。
(5)輸液瓶升降模塊
本模塊的主要功能是實現輸液瓶垂直方向的上升與下降,通過與針頭旋轉模塊的相互配合,完成輸液過程中的插針與退針動作。
(6)酒精消毒模塊
本模塊主要由消毒器和酒精瓶組成,通過與針頭旋轉模塊的配合,實現輸液瓶口與針頭的消毒。通過針頭旋轉模塊帶動針頭運動,同時消毒器做同步轉速運動。當針頭到達輸液瓶口下方位置時,消毒器從酒精瓶中吸取酒精,在出口以氣霧形態噴出,對針頭和瓶口進行酒精消毒。
(7)控制柜
控制柜主要功能是實現智能點滴工作站的整體電器控制,接收處理通訊模塊下發的各類指令,將其下發到各個執行元件,并將各類信息上傳至通訊模塊。
(1)導軌式針頭卡槽
如圖2所示,該部位設置有磁鐵塊,限位擋板,針頭滑軌等。放置輸液針頭時,將上述部分整體拉出,由于存在限位擋板,滑軌將受到行進限制。將輸液針頭安放到指定位置后,由于存在磁鐵塊,滑塊將自動復位到縮進的工作狀態。
圖2 導軌式針頭卡槽工作狀態對比
(2)藥物盤
藥物盤上設計了可安放4個輸液瓶的卡位,在卡位下方分別裝有4個用于輸液瓶瓶口固定的U型環扣(如圖3示),使在輸液插針與退針時,輸液瓶內液體能夠保存穩定狀態。
圖3 藥物盤結構
(3)旋轉平臺
通過與針頭旋轉模塊的配合,實現輸液瓶口與針頭的消毒。通過針頭旋轉模塊帶動針頭運動,同時消毒器做同步轉速運動。當針頭到達輸液瓶口下方位置時,消毒器從酒精瓶中吸取酒精,在出口以氣霧形態噴出,對針頭和瓶口進行酒精消毒。
(4)輸液系統
通過輸液瓶的上下位移來實現輸液效果,運用了絲桿滑臺的原理,通過下方電機帶動絲桿轉動來使滑塊上下移動(滑塊與點滴瓶放置架連接同步運動),實現插針與退針。
(5)電氣柜的放置
將電氣柜放置在底盤面上,可以讓裝置的重心往下偏移,使得裝置更加穩定。
(6)消毒裝置
消毒模塊的主要功能是對瓶口與針頭進行酒精消毒。其工作原理是當輸液瓶液體到達臨界值,液位傳感器接收到信號從0值變為1值,消毒器從酒精儲存箱中吸取,形成氣霧,然后通過針頭旋轉模塊帶動針頭運動,同時消毒器做同步轉速運動。消毒器與針頭形成制定角度,在針頭到達輸液瓶口下方位置時,使得消毒器氣霧正對瓶口,給針頭進行酒精消毒。
(7)液體監測
由于直接監測瓶內液體存在誤差性,選用了用于監測輸液管內部液體的非接觸式液體傳感器,在針頭滑軌下方設置有用于液體監測的傳感器卡槽,便于直接監測輸液管內部的液體狀態[5]。液體傳感器安放位置如圖4所示。
圖4 針頭模塊布局
(8)線路擺布
為使裝置外觀更簡介,采用了內部走線的方法,將裝置上部分的電線通過中空管連接到下面的電氣柜。
本裝置總體由針頭旋轉電機、輸液瓶升降電機、噴霧消毒器、電動推拉桿、傳感器、觸摸屏、控制柜組成。
輸液開始前,設備先通電,待上電初始化完成后,醫護人員首先根據觸摸屏所顯示的患者信息核對輸液藥物是否正確,然后將輸液瓶分別按順序放置于承載輸液瓶的4個固定板卡槽內,并將輸液針頭嵌入在針頭卡槽位。
輸液瓶放置完成后,由醫護人員確認無誤后按下觸摸屏上的啟動按鈕,工作站開始輸液準備工作,首先工作站上升至指定高度,其次旋轉電機將針頭旋轉至輸液瓶口下方,消毒器產生氣霧對針頭和瓶口進行消毒,輸液瓶升降電機下降運行,開始插針動作,檢測傳感器信號后,插針完成,觸摸屏顯示醫護人員輸液前期工作已完成,提示醫護人員可以開始將針頭插入人體,調節輸液流速,至此完成全部輸液準備工作,患者開始正常輸液。
當該輸液瓶內藥液輸出完畢,液位傳感器預警后,輸液瓶升降模塊上升,使針頭與輸液瓶脫離,完成退針動作,針頭旋轉電機開始轉動至第2卡位,進行酒精噴霧消毒,完成下一輸液瓶插針動作,重復上述步驟,直至4瓶藥液全部輸液完畢。最后,當所有全部輸液完成后,輸液架通訊系統將實時反饋輸液信息至醫護工作站的中央處理器,提示醫護人員可以進行人體拔針動作,點滴輸液架裝置自動下降高度,人工回收輸液瓶及輸液管路,完成整個自動輸液過程[6]。
為保證系統的政策運行,有如下控制要求。
(1)異常報警:在系統運行過程中,如果出現打點滴時長超過PLC內部程序設定的最長時間,液位檢測器監測異常后,傳遞信號給PLC,PLC檢測到信號后控制機構自動退針,并控制觸摸屏進行報警,人工排除異常后,先點擊護士界面里的初始化按鍵,后點擊啟動按鍵即可使系統重新開始正常運行。
(2)急停處理:為保證人員安全,當設備出現緊急情況時,需要立即點擊護士界面里的緊急停止按鈕實現緊急停止運行,確保相關設備工作區域內人員安全,當緊急情況處理完畢后,可點擊復位初始化按鈕使各執行機構回歸原位,重新開始正常運行[7]。
本控制系統的主要任務是根據醫護人員所放置點滴瓶的數量檢測數量并控制各個機構的運行,從而達到自動規順序以及消毒。其主要包括自動換液、液位檢測、高度調節、信息監控等,根據以上控制要求,本控制系統主要由PLC、兩個帶碟剎的兩相四線制步進電機及其兩個步進電機驅動器、DC24V開關電源、雙輸出DC24V/DC5V開關電源、24V直流電機推拉桿、DC24V轉DC5V變壓整流器、DC5V消毒水泵、空氣開關、觸摸屏人機界面、6個NPN四線制U型24V光電開關和24V液位檢測器等部分構成[8],其控制原理如圖5所示。
圖5 系統控制原理
通過分析整個插針、拔針以及消毒的流程可知,要旋轉到下一個點滴瓶之前需要消毒,既要求中空旋轉臺旋轉角度的精度非常高,又要配合插針頭所扎的最大深度同時還要防止兩個步進電機由于丟步而導致插針位置錯位甚至是與下面的插針機構碰撞,由于可編程邏輯控制器(PLC)是專門為工業自動化生產行業配備,其具有很強的邏輯運算、順序控制、定時、技術等指令(插入文獻),并可以通過傳感器、光電開關、機械開關以及繼電器等作為輸入信號,以電機、電磁閥、線圈等作為輸出信號,進行自動化生產過程的控制。且觸摸屏人機界面系列產品根據環境特點,具備堅固、防震、防潮、防塵、耐高溫多插槽和易于擴充等特點。不僅可以作為輸入設備,也可以作為輸出設備,是各種工業控制、交通控制、環??刂啤⒆詣踊I域等其他各種應用的最佳平臺。因此,本系統控制器采用三菱公司生產的FX3U-32MT系列PLC實現對整個插針、拔針以及消毒過程的自動化控制,通過對于工作過程需求分析,該系列共有32個輸入/輸出點數[9]。且系統觸摸屏人機界面采用威綸通科技有限公司生產的威綸通觸摸屏EB8000系列—TK6100i(800×480像素)來實現對點滴管流速的實時監控以及對醫護人員對患者信息的便捷查詢,完全滿足減輕醫護人員工作強度以及減少疫情防控期間醫患之間交叉感染的概率的需求[10]。
根據智能醫療點滴工作站的控制要求,確定控制系統需要配置7個輸入端口、7個輸出端口和10個觸摸屏人機界面按鈕及指示燈分配的地址,輸入、輸出地址和人機界面按鈕及指示燈的分配表如表1和表2所示。
表1 輸入、輸出地址分配表
表2 人機界面按鈕/指示燈分配地址表
根據系統控制要求,設計本系統控制軟件流程如圖6所示(以點滴瓶數為4作例子),從而采用順序控制設計法進行直觀梯形圖編程,設備可根據其內部狀態,在輸入信號執行時[11],使各個執行機構按動作執行的先后次序自動依次進行工作。
圖6 系統控制程序流程
本裝置的PLC軟件設計采用三菱公司的GX Works 2編程軟件,在分配好各個輸入/輸出地址后進行PLC程序編程。根據插針、拔針以及消毒流程,在設計本裝置程序時,將主控程序分為初始化程序、判斷程序和主程序3部分進行編程,程序設計需考慮插針、退針、針頭旋轉到下一個點滴瓶下方后先消毒后插針等各個步驟之間的銜接[12]。
本裝置的觸摸屏人機界面組態軟件設計采用威綸通科技有限公司的EB8000 Project Manager編程軟件,在分配好各個按鈕以及指示燈地址后進行觸摸屏編程以及顯示畫面設計,在設計方面,觸摸屏顯示界面主要分為登錄界面、護士界面和管理員界面。
登錄界面上設置對應不同人員的權限密碼,主要是為了防止醫護人員對裝置進行誤操作以及非法人員惡意篡改觸摸屏人機界面數據,從而導致機械損壞或觸摸屏人機界面數據混亂[13]。
護士界面主要由啟動按鈕、急停按鈕、初始化按鈕、整體高度上升按鈕、整體高度下降按鈕、1~4號輸液位指示燈和消毒噴霧指示燈組成,其界面上設有患者的信息、點滴瓶數以及流速的速度。而管理者界面主要是兩個步進電機的脈沖數及方向數、復位按鈕、初始化完成指示燈、整體高度上升按鈕、整體高度下降按鈕1~4號輸液位指示燈和消毒噴霧指示燈組成[14]。以便技術人員進行檢修以及醫護人員的簡便操作。
根據控制要求,主程序設定當一瓶輸液瓶所花時長超過PLC內部設定的最長點滴時間,系統會自動退針,并發出超時報警,醫護人員上前查看情況;若檢查無誤后,醫護人員根據提示進行人工復位操作,按下啟動后即可重新開始工作。初始化程序設定中要以上限位U型光電開關和“1號位”U型光電開關為插針電機和旋轉電機的起始點,使各模塊機構移動到相對應的位置上。
判斷程序設定中點滴瓶數量需要根據觸摸屏人機界面上點滴瓶數的數字進行判斷并自動規劃出打點滴瓶的順序,來解決因為PLC盲目規劃順序而導致繞管和損壞設備電線的問題。而在輸液過程中,若設備檢測到目前所打的點滴瓶不是本次患者打點滴流程的最后一瓶,則繼續進行下一輪的扎針、退針以及消毒等流程;反之,若現在所打的點滴瓶是本次患者打點滴流程的最后一瓶,則在目前所打的輸液瓶輸液完成后,輸液架通訊系統將實時反饋輸液信息至醫護工作站的中央處理器[15],提示醫護人員可以進行人體拔針動作,點滴輸液架裝置先是進行退針動作,7 s后自動下降高度,最后兩個電機帶動各自的機構回到各自的初始位置上,醫護人員上前人工回收輸液瓶及輸液管路,完成整個自動輸液過程。
由于本設備屬于醫療器械,在實際投入使用之前需大量驗證其安全性,通過對設備運行環境進行調研,利用實驗樣機進行模擬運行以驗證其可靠性,模擬測試運行環境如圖7所示。
圖7 設備模擬運行
通過在實驗室環境對樣機主要功能模塊進行多環節大批次模擬測試,總結得出測試運行數據如圖8所示。如圖所示,本設備在實驗室環境下共計進行3輪的模擬運行測試,總計完成自動化輸液次數300次,成功次數294次,統計得出自動化輸液成功率98%,并且由實驗數據可知,每一輪輸液成功率均在97%以上,模擬運行數據比較理想,能夠滿足設備設計要求(要求成功率大于95%)。從圖示模擬運行數據分析可知,本設備總體運行安全、穩定,可靠性較好,能夠較好地完成患者自動化輸液[17]。
圖8 設備運行測試數據
通過對本設備與人工輸液架進行比較分析可知,采用自動輸液裝置替代原有人工輸液操作,平均每個輸液工位能夠有效地節省1個醫護資源并能將醫患的接觸頻率在原有基礎上有效降低80%,成功實現了自動化輸液的功能,有效地節省了醫護資源。
該裝置目前輸液點滴架大都是手動無法自由移動,而本設計的新型醫療點滴輸液架裝置可以自動打針、退針、自由移動以及自動消毒來實現自動化打點滴,減少了醫患接觸次數和醫護人員的勞動強度。節省了醫護人員所花時間,實現了患者打點滴的自動化。限于目前的技術水平,該裝置設計時未考慮到多名患者同時打點滴的自動化設計,目前以一個患者一臺裝置為主,后期若采用多名患者同時打點滴的自動化設計,可通過實際情況對各個機構進行自定義增加,并調整各個機構的關鍵部件尺寸,即可實現多名患者同時自動打點滴的控制要求,這也是該裝置將來需要改進的地方,并進一步降低了醫患接觸次數和醫護人員的勞動強度。