基于6LoWPAN和模糊控制的實時輸液監(jiān)護系統(tǒng)

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(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048)

引 言

圖1 基于6LoWPAN的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)架構(gòu)

隨著人們經(jīng)濟水平的不斷提高以及我國醫(yī)療體系的不斷完善，人們治病意識不斷提高，不再是以往簡單的吃藥或打肌肉針治療，取而代之的是采取靜脈輸液進行更深層次的治療，因此以往呼叫方式的局限性就暴露出來。本文提出基于6LoWPAN和模糊控制決策的實時輸液監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計方案，首先通過病人病房內(nèi)或患者臥室的無線傳感器節(jié)點，收集病人周圍傳感器的數(shù)據(jù)，再通過布設(shè)在醫(yī)院內(nèi)患者家中的中繼節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，醫(yī)護人員或患者家屬可在本地查看病人的輸液和生命體征情況，也可通過Internet遠程訪問網(wǎng)關(guān)節(jié)點上的Web服務(wù)，獲取病人數(shù)據(jù)信息，對病人的各類情況及時做出分析診斷[1]。

1 基于6LoWPAN的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)架構(gòu)

基于6LoWPAN的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其中1表示患者、2表示相關(guān)傳感器、3表示射頻鏈路、4表示邊緣路由器、5表示萬維網(wǎng)、6表示醫(yī)院監(jiān)護服務(wù)器、7表示醫(yī)生[2]。

每個患者周圍的節(jié)點可以構(gòu)建一個分散的網(wǎng)絡(luò)或構(gòu)建一個數(shù)據(jù)傳輸通道，可以將采集的數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)院的數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器，以供醫(yī)護人員參考分析。同理，患者即使在家中也可以實時采集生命體征情況，醫(yī)生便可以遠程對患者的基本情況進行實時觀測和診斷，同時家屬可在手機端及時了解患者情況[3]。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

該系統(tǒng)的CPU模塊使用STM32F407ZET6芯片，該系統(tǒng)可使用智能手機、平板電腦或醫(yī)院終端電腦作為客戶端，方便多途徑及時了解患者情況；系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的處理器之間可采用UART接口進行連接，可利用DP83848作為該系統(tǒng)的物理層芯片；WSN節(jié)點使用的處理器型號系列為STM32W108[4]。

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

在眾多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，6LowPAN和ZigBee二者相似之處很多，它們在一般的無線自組網(wǎng)項目中差別不太明顯，主要差別在于ZigBee使用的是串口網(wǎng)關(guān)，6LowPAN使用的是以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。如果將6LowPAN應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中做為互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器，6LowPAN優(yōu)勢明顯，原因是6LowPAN的架構(gòu)是基于TCP/IP的，該系統(tǒng)的每一個IP地址的節(jié)點均可以在服務(wù)器上獲取。不同于ZigBee，6LowPAN的協(xié)議類型為公有協(xié)議，方便醫(yī)院與居民區(qū)進行遠程連接，這正是該系統(tǒng)應(yīng)用所需要的。各無線組網(wǎng)方案比較如表1所列[5]。

表1 無線組網(wǎng)方案比較

多個傳感器節(jié)點構(gòu)成了該系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，且各傳感器節(jié)點的IP地址都是獨一無二的，使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸，便于醫(yī)生對病人進行點對點診斷；該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行WSN和互聯(lián)網(wǎng)連接時，能完成數(shù)據(jù)包的路由傳送，由于使用了精簡的協(xié)議棧能夠有效降低傳輸能耗；醫(yī)生和病人家屬可使用上位機管理軟件查詢患者情況，便于實時對患者進行診斷和監(jiān)護。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)由無線收發(fā)器、微處理器和有線網(wǎng)絡(luò)接口構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

2.2.1 液滴檢測模塊

為獲取輸液的速率和吊瓶內(nèi)藥液余量，該采集模塊使用紅外線脈沖計數(shù)設(shè)備采集，在已知瓶內(nèi)已有藥量和已滴數(shù)量時，推出然后獲取瓶內(nèi)余量。可以實現(xiàn)實時測量液滴滴速、監(jiān)控端實時顯示終端輸液的基本信息、輸液異常自動報警等功能，系統(tǒng)可同時監(jiān)測多個輸液滴速，通過發(fā)送模塊送至終端，在PC機上顯示。

紅外光電對管由水滴上下邊緣遮擋可以產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號，經(jīng)比較放大處理產(chǎn)生主控芯片處理的較規(guī)則脈沖，可計算滴數(shù)，對兩滴之間的時間計算可得實時滴速，藥液滴速可由終控端進行控制。該模塊利用三組光發(fā)射接收對管并聯(lián)排成一列，同時監(jiān)測液滴，產(chǎn)生各自的信號，確保沒有漏測的液滴。

2.2.2 生命體征傳感器選擇

在該系統(tǒng)中，采用體溫和心率這兩種直觀且重要的生命體征，以監(jiān)測患者的實時病情。采用HK-2000G作為脈搏傳感器，該傳感器的驅(qū)動方式為電壓驅(qū)動或電流驅(qū)動，輸出信號的毫伏級電壓和輸入壓力成正比。HK-2000G的輸出信號并不單一，脈搏波信號和靜態(tài)壓力信號均可輸出。該傳感器性能良好，穩(wěn)定性極高。

SMTIR9902可作為溫度傳感器，用以檢測患者體溫和輸液溫度，可根據(jù)輸液溫度的不同和患者心率的變化，利用模糊控制決策制定出合理的輸液速度，這樣不僅有利于患者獲得相對舒適的輸液體驗，而且合理的輸液溫度和輸液速度更有利于藥物的吸收[7]。

2.2.3 輸液加熱模塊

該模塊采用PTC加熱器作為輸液的加熱模塊，在該模塊中以繼電器來管理模塊的開閉。該模塊的控制方式是閉環(huán)控制，其原理是系統(tǒng)先檢測人體溫度，再根據(jù)人體溫度提供合適的加熱溫度。PTC加熱器是否加熱，可根據(jù)患者體溫輸液溫度的差值、患者的身體狀況以及藥物的藥性等情況，由主治醫(yī)師決定，為提高舒適度一般差值低于1 ℃時開始加熱[8]。

3 模糊控制器設(shè)計

3.1 模糊控制器結(jié)構(gòu)和控制原理

該控制器是一個二維模糊控制器，輸入端變量是患者的脈搏次數(shù)和輸液溫度，輸出端是患者的輸液速度，控制方法是在輸液調(diào)速處加一電動設(shè)備，從而自動控制輸液速度。使用分段模糊控制策略作為該控制器的控制規(guī)則，輸入端控制器按設(shè)定的間隔時間獲得患者的心率情況，如果患者的心率情況有明顯浮動，就調(diào)低輸液速度，直到患者心率回歸正常；如果患者心率高于或低于正常范圍就停止輸液，并及時報警；如果患者心率在正常水平，便可以使用模糊控制規(guī)則，得到合理的輸液速度?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖3所示[9]。

圖3 控制器結(jié)構(gòu)

3.2 控制器的輸入量

據(jù)研究表明，若因藥物的副作用引起身體不適，最先改變的就是心率，這與藥物直接作用在靜脈流經(jīng)心臟有關(guān)，其他變化則是在一定程度上，基于心率和身體機能的改變而變化的，心律的直觀變化性和心律的便于測量性，給該控制器的設(shè)置提供了許多便利[10]。研究表明，適宜的輸液溫度能有效提高藥物的活性，更利于身體的吸收，在不改變藥物作用環(huán)境的情況下，給身體減輕不必要的負擔，不適宜的環(huán)境不僅會影響藥物的吸收利用率，且長時間處于不適的輸液溫度反而會有可能加重病情。因此，該控制器會選取患者心率和輸液溫度作為該控制器的輸入量[11]。

3.3 控制器的輸出設(shè)計

該控制器將患者心率、輸液溫度以及輸液速度的語言變量均分為5個，即模糊量從小到大為：最小(VL)、小(LO)、正常(ZC)、大(HI)、最大(VH)[12]，根據(jù)患者心率、輸液溫度和適宜的輸液速度的具體情況，選擇合適的隸屬函數(shù)，圖4是患者心率(次/分鐘)、輸液溫度(℃)的隸屬函數(shù)。

圖4 患者心率、輸液溫度的隸屬函數(shù)

該二維控制器的輸入劃分已定，該控制器的推理規(guī)則如表2所列。質(zhì)量中心法適合該控制器的去模糊化，以此法獲取的輸出控制量就是適宜的輸液速度，患者的輸液速度(滴/分鐘)如圖5所示，輸出特性曲線如圖6所示。

表2 患者輸液速度推理規(guī)則

圖5 患者輸液速度的隸屬度函數(shù)

圖6 患者的輸液速度特性曲面

結(jié) 語

該系統(tǒng)利用了基于IPv6的低功耗無線傳感技術(shù)，對患者心率、患者體溫、輸液溫度、輸液速度和輸液余量等信息進行實時監(jiān)控，可在非自動調(diào)速情況下，出現(xiàn)輸液速度波動時自動警報，方便醫(yī)護人員及時處理。通過多次仿真實驗，在不同狀況下檢測了該系統(tǒng)的模擬性能，結(jié)果顯示該系統(tǒng)可以滿足輸液時的有效監(jiān)護，節(jié)約了患者家屬的時間，減輕了醫(yī)護人員的工作壓力，同時為患者 提供了舒適高效的治療環(huán)境，避免了一些醫(yī)療隱患。

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