基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的智能輸液系統(tǒng)開發(fā)

鄭 健

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 莆田 351254）

0 引 言

靜脈輸液是臨床醫(yī)學(xué)常用的一種經(jīng)靜脈注入大量無菌溶液或藥物的治療手段[1].它作為一種非常重要的給藥途徑廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)，但近年來由于種種原因，在輸液過程中導(dǎo)致諸多問題，引發(fā)一些不必要的事故，給患者帶來一些安全隱患.經(jīng)過筆者深入我市2 家三甲醫(yī)院及多家民營醫(yī)院，做了近五百份調(diào)查問卷，發(fā)現(xiàn)了一些輸液方面的主要問題：所調(diào)研醫(yī)院未能提供輸液計(jì)時(shí)服務(wù)；其使用的輸液泵只具備手動(dòng)滴速控制功能，醫(yī)護(hù)人員無法遠(yuǎn)程監(jiān)控輸液情況；患者自行調(diào)快滴速引發(fā)事故無法較好杜絕；輸液結(jié)束時(shí)血液回流甚至空氣栓塞等不良的后果無法得到警示或監(jiān)控預(yù)警.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

根據(jù)上述調(diào)研情況，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微信公眾號、云平臺的智能輸液實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該系統(tǒng)在輸液終端實(shí)現(xiàn)輸液計(jì)時(shí)、滴速監(jiān)控、滴速控制、余量報(bào)警、回流監(jiān)控等功能，并通過ESP8266 無線傳輸模塊把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器，實(shí)現(xiàn)微信公眾號查詢、服務(wù)端監(jiān)控、數(shù)據(jù)溯源等功能，為醫(yī)護(hù)人員提供詳細(xì)的輸液相關(guān)信息，解決輸液過程出現(xiàn)的滴速設(shè)置不當(dāng)、換藥不及時(shí)、血液回流等問題，極大提高輸液的安全性和可靠性，同時(shí)數(shù)據(jù)為醫(yī)療管理部門監(jiān)管提供基礎(chǔ)，這也為患者提供一個(gè)更安全可靠的醫(yī)療環(huán)境，實(shí)現(xiàn)安全、可靠、智能的輸液.

圖1 智能輸液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 終端設(shè)備設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件基本組成及計(jì)數(shù)算法的概念設(shè)計(jì)在早期的論文中有涉及[2]，系統(tǒng)的主要特征有：滴速，輸液量，輸液時(shí)間和結(jié)束預(yù)警等，主要通過檢測點(diǎn)滴速率來計(jì)算.部分論文[3]有涉及到使用一些機(jī)器學(xué)習(xí)的算法進(jìn)行較為精確的計(jì)算方式，但在硬件的成本及對時(shí)間的精度上的綜合考慮還是采用點(diǎn)滴參數(shù)設(shè)定的計(jì)算方式.

2.1 算法設(shè)計(jì)

本文使用Dr來代表滴速（gtt/min），V 代表點(diǎn)滴總?cè)萘浚╩l），T 代表已經(jīng)注射時(shí)間（min），Df代表在系統(tǒng)初始根據(jù)輸液設(shè)備的滴管形狀及大小情況由醫(yī)護(hù)人員設(shè)定的點(diǎn)滴參數(shù)（gtt/ml，臨床上，一般系統(tǒng)預(yù)置為10，15，20，30），其中g(shù)tt 為滴的縮寫.因此，gtt/ml 表示每ml 的點(diǎn)滴數(shù)，gtt/min 表示每分鐘滴數(shù).滴速用如公式（1）表示：

已經(jīng)注射的容積用Vi代表，用公式（2）進(jìn)行計(jì)算

因此，在輸液開始時(shí)，點(diǎn)滴參數(shù)Df、所需的滴注速率Dr和所需的輸注體積參數(shù)V是存儲在系統(tǒng)中.系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，當(dāng)檢測值超出閾值時(shí)進(jìn)行警報(bào).

2.2 硬件設(shè)計(jì)

該終端硬件設(shè)計(jì)外觀如圖2所示，外形為水滴流線造型，液晶屏顯示輸液速度、結(jié)束時(shí)間及相關(guān)狀態(tài)，外置有警報(bào)蜂鳴器，鍵盤供醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行初始設(shè)定.

圖2 輸液監(jiān)控終端外觀設(shè)計(jì)

其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括滴速檢測模塊、液位檢測模塊、滴速控制模塊、血液回流檢測模塊、預(yù)警模塊、通信模塊.

圖3 輸液終端結(jié)構(gòu)

其中滴速檢測模塊主要用紅外對射裝置進(jìn)行檢測；液位檢測設(shè)置其液位閾值，利用紅外發(fā)送接收方式判定液位是否低于警戒線，并通知預(yù)警模塊響應(yīng)；預(yù)警模塊主要用于接收預(yù)警信號并發(fā)出輸液現(xiàn)場的警示及通知醫(yī)護(hù)人員控制室內(nèi)的蜂鳴器、LED 燈、數(shù)碼管顯示器等做出響應(yīng)；滴速控制模塊主要通過利用點(diǎn)滴瓶與輸液位置的高度差可控制滴速的原理，使用電機(jī)拉動(dòng)點(diǎn)滴瓶進(jìn)行調(diào)速，以確保滴速在設(shè)定的閾值內(nèi)；血液回流檢測模塊主要采用顏色識別傳感器TCS3200D，該傳感器可以靜態(tài)識別物體顏色，不同顏色輸出不同頻率[4]，通過頻率檢測以識別回流的紅色血液，并通知預(yù)警模塊做出響應(yīng)；通信模塊主要使用MCU 中的ESP8266 模塊，ESP8266 模塊擁有高性能無線SOC；ESP8266 模塊內(nèi)部集成了 10 bit 高精度 ADC，TCP/IP 協(xié)議棧[5]，GPIO、UART、SPI、I2C 等接口，用戶只需在軟件開發(fā)工具包（SDK）基礎(chǔ)上進(jìn)行芯片編程，即可利用內(nèi)置功能單元控制外部電路，采集外部信號，經(jīng)過邏輯運(yùn)算后發(fā)送至服務(wù)器[6].由于篇幅有限重點(diǎn)介紹滴速檢測模塊的硬件設(shè)計(jì).

滴速檢測電路設(shè)計(jì)如圖4所示，該模塊包含一個(gè)紅外發(fā)射管、一個(gè)三線紅外接收器和分壓電路，對射裝置分別安裝在滴管的兩側(cè).紅外發(fā)射管輸出38 kHz 紅外線作為載波.一個(gè)紅色可見顏色的發(fā)光二極管（LED）用作燈源和光敏電阻（LDR）用作光探測器.LED 由控制器和LDR 供電與標(biāo)準(zhǔn)電阻一起形成分壓器電路.當(dāng)信號由紅外線輸出時(shí)發(fā)射管不被液滴阻擋，它將被處理由接收器產(chǎn)生高壓信號到MCU.相反，如果光線被一個(gè)點(diǎn)滴阻止，LDR 的阻抗增加，接收器會(huì)產(chǎn)生低壓信號，產(chǎn)生了一個(gè)高電壓到低電壓的脈沖信號，最后，MCU 使用其中斷機(jī)制和過濾算法計(jì)算落下的液滴數(shù)量.

圖4 滴速檢測電路

分壓電路由一個(gè)光敏電阻LDR 和一個(gè)2K 電阻組成.這個(gè)設(shè)計(jì)確保了到運(yùn)算放大器的輸入電壓信號在光敏電阻LDR 的阻值范圍內(nèi).比較器電路包括一個(gè)低通濾波器，其截止頻率為1 Hz.當(dāng)水滴滴落到管內(nèi)，有可能落差反彈回來向上，導(dǎo)致錯(cuò)誤的丟棄計(jì)數(shù).低通濾波器將其視為噪聲并消除相同的噪聲，使用LM358 運(yùn)算放大器作為該電路中的電壓比較器.

2.3 軟件設(shè)計(jì)

輸液終端數(shù)據(jù)流程如圖5所示，系統(tǒng)初始化主要進(jìn)行設(shè)備ID 設(shè)置、顏色識別傳感器TCS3200D 白平衡測試、清除歷史配置數(shù)據(jù)等操作，后進(jìn)行SmartConfig 配置入網(wǎng).系統(tǒng)通過SmartConfig 技術(shù)將Esp8266 模塊快速通過WIFI 進(jìn)行入網(wǎng)配置，其過程是將預(yù)置配置進(jìn)行嘗試連網(wǎng).如果預(yù)置為空則需要進(jìn)行手動(dòng)配置模式，手機(jī)APP 或微信公眾號發(fā)送包含WIFI 用戶名和WIFI 密碼的UDP 廣播包或者組播包，智能終端的WIFI 芯片可以接收到該UDP 包，只需檢測到UDP 的組織形式，系統(tǒng)通過接收到的UDP 包解密出現(xiàn)場環(huán)境的WIFI 用戶名及密碼，然后智能硬件配置收到的WIFI 用戶名密碼到指定WIFI 的AP 上.如果配置不成功超過2 次則在用戶界面上進(jìn)行提示，避免無效的死循環(huán).

圖5 數(shù)據(jù)傳輸流程

2.4 通信機(jī)制設(shè)計(jì)

通信機(jī)制設(shè)計(jì)，采用消息隊(duì)列系統(tǒng).當(dāng)傳感器采集到相關(guān)數(shù)據(jù)后，終端通過ESP8266 模塊嘗試發(fā)送消息到云端服務(wù)器.終端成功連網(wǎng)后將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)以HTTP 協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行終端設(shè)備的安全校驗(yàn)，無誤后寫入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器.

設(shè)備終端根據(jù)設(shè)定的查詢頻率（或稱心跳）向服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)狀態(tài)查詢，其數(shù)據(jù)包括該設(shè)備的ID、數(shù)據(jù)類型、有效性、相關(guān)返回信息及心跳包數(shù)據(jù)等，具體數(shù)據(jù)傳輸如下：

1）Id:xxx 代表其終端設(shè)備號，用于識別設(shè)備重要標(biāo)識，避免丟包而進(jìn)行2 次發(fā)送.ID 號用8 位表示，可通過服務(wù)系統(tǒng)配置軟件對其進(jìn)行初始設(shè)置，并進(jìn)行患者關(guān)聯(lián)及輸液藥品匹配；

2）Enabled 用于判斷終端是否可用，是否結(jié)束輸液處于注銷狀態(tài)；

3）Command=RequestData，用于標(biāo)識是請求數(shù)據(jù)響應(yīng)，而非采集數(shù)據(jù)；

4）ALT=*；BLOOD=*……用于查詢?nèi)缬蓄A(yù)警信息或血液回流警示響應(yīng)等，及預(yù)留醫(yī)護(hù)人員下發(fā)信息等；

5）-＋-=-＋-心跳包數(shù)據(jù).為保持終端的永久在線，在應(yīng)用系統(tǒng)中過濾此數(shù)據(jù)包.

在接收端通過上傳處理程序主要進(jìn)行設(shè)備的ID 登記、Token 合法性的驗(yàn)證，并連接MySQL 數(shù)據(jù)庫，將傳感器的數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中.在查詢的狀態(tài)下，它還負(fù)責(zé)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的有效查詢，并返回相應(yīng)的狀態(tài)值，如果既不是在接收或查詢數(shù)據(jù)的狀態(tài)，或所登記的ID、Token 不合法則關(guān)閉通訊.同時(shí)該程序這一個(gè)請求只能由設(shè)備終端發(fā)起，還杜絕直接訪問，避免一些非法的入侵，確保數(shù)據(jù)的安全性.

如果數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，終端會(huì)再次檢測網(wǎng)絡(luò)的有效性，并再次采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送.發(fā)送數(shù)據(jù)包括內(nèi)容和來源的標(biāo)識，消息還包含生成內(nèi)容時(shí)的時(shí)間戳，考慮到一定的延時(shí)性，這一個(gè)時(shí)間戳在寫入數(shù)據(jù)服務(wù)器時(shí)產(chǎn)生.如因網(wǎng)絡(luò)故障無法完成數(shù)據(jù)的傳送則在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行設(shè)置警報(bào)，提示及時(shí)聯(lián)系醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行人工操作.

3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺開發(fā)

終端通過ESP8266 模塊將數(shù)據(jù)及開關(guān)信息及時(shí)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，進(jìn)行寫入MySQL 數(shù)據(jù)庫.微信公眾號作為與用戶的交互進(jìn)行查詢MySQL 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并與醫(yī)護(hù)人員之間進(jìn)行開關(guān)量的互動(dòng)，將狀態(tài)寫入數(shù)據(jù)庫，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的控制.

3.1 微信公眾號API開發(fā)

在線服務(wù)器處理程序負(fù)責(zé)從微信平臺接收用戶消息中的HTTP 請求，并驗(yàn)證該請求是否來自微信平臺.消息以指定的格式進(jìn)行解析以獲取參數(shù)值.最后，消息被封裝為XML，并在指定的邏輯處理程序執(zhí)行數(shù)據(jù)后返回.在線服務(wù)器處理程序需要獲取并響應(yīng)由提交的控制請求.WEB 應(yīng)用程序接口中的用戶請求數(shù)據(jù)根據(jù)指定的協(xié)議進(jìn)行分解，控制指令由邏輯代碼生成[3].

圖6 微信數(shù)據(jù)處理流程圖

在線服務(wù)器的主要功能框圖處理程序如圖6所示：在線服務(wù)器處理器需要維護(hù)Socket 通信連接池，用于在微信公眾號客戶端顯示傳感器數(shù)據(jù)和在輸液系統(tǒng)中對滴速傳輸控制、預(yù)警信號響應(yīng)等指令.在線服務(wù)器通過Socket 連接將傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端接口用于顯示和轉(zhuǎn)發(fā)來自客戶端的控制消息指令.數(shù)據(jù)通過Socket 連接發(fā)送到該環(huán)境的WIFI 接收，然后通過接口轉(zhuǎn)發(fā)到控制芯片或ESP8266 網(wǎng)關(guān).

3.2 服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)

服務(wù)系統(tǒng)以C#、MySQL 開發(fā)，主要在應(yīng)用層提供患者信息管理、輸液過程的滴速、余量、結(jié)束時(shí)間，血液回流預(yù)警等服務(wù)，醫(yī)護(hù)人員可以借助于平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控與查詢，并保障患者的安全.管理人員可有效進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合應(yīng)用，提高效率及增強(qiáng)服務(wù)質(zhì)量.

3.3 平臺安全性設(shè)計(jì)

根據(jù)普遍認(rèn)同的物聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)當(dāng)遵守的一些重要的安全原則，及2018年中國信通院提出的《2018年物聯(lián)網(wǎng)安全白皮書》，課題組在“引入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的身份認(rèn)證機(jī)制”、“強(qiáng)化終端數(shù)據(jù)完整性保護(hù)”及“加強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸加密操作”[8]方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的身份認(rèn)證機(jī)制：設(shè)計(jì)了終端設(shè)備與服務(wù)器的TOKEN 認(rèn)證，此外加強(qiáng)了ESP8266 接入的管理，對其MAC 地址進(jìn)行采集比較，增加接入安全；

終端數(shù)據(jù)完整性保護(hù)：在查詢和采集兩個(gè)數(shù)據(jù)流中嚴(yán)格根據(jù)相關(guān)格式報(bào)文進(jìn)行傳輸，格式錯(cuò)誤或無序?qū)⒁匀罩拘问接涗洠?/p>

數(shù)據(jù)傳輸加密操作：數(shù)據(jù)采用HmacMD5 進(jìn)行數(shù)據(jù)的加密操作，HmacMD5 是從MD5 哈希函數(shù)構(gòu)造的一種鍵控哈希算法，其較MD5 的優(yōu)勢在于可以得到32 位的加密密文及加密密鑰.

4 運(yùn)行實(shí)例

測試在常溫（22 ℃）下進(jìn)行，主要有滴速檢測測試、剩余時(shí)間估算測試、回血測試、調(diào)速測試等.以下測試過程均選用生理鹽水進(jìn)行.

4.1 滴速檢測測試

滴速 Df分別使用 4 種常見輸液速度，10、15、20、30（gtt/min）.測試開始后，每 5 分鐘進(jìn)行滴數(shù)計(jì)數(shù)，每個(gè)速度觀察8 次.用實(shí)際觀察到的每分鐘滴數(shù)與設(shè)置滴數(shù)、滴速檢測讀取的作比較.輸液速度實(shí)測及讀數(shù)測試結(jié)果，見表1.

表1 滴速測試及剩余時(shí)間估算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì) （gtt/min）

4.2 剩余時(shí)間估算測試

測試使用輸液裝置參數(shù)1 ml 為15 滴，按100、200、300 ml 三種不同容量，按10、15、20、30（gtt/min）速度進(jìn)行測試，測量實(shí)際輸液時(shí)間與系統(tǒng)讀數(shù)時(shí)間進(jìn)行比較，測試結(jié)果，見表2.

表2 剩余時(shí)間統(tǒng)計(jì)表 （min）

4.3 回血測試

本文采用的是顏色識別傳感器TCS3200D，其主要根據(jù)檢測物體的RGB 值進(jìn)行顏色的識別，對于紅色的檢測，測試前在設(shè)備初始時(shí)進(jìn)行了白平衡的校用，并在普通節(jié)能光下采用 RBG 取值：R（5-9），G（15-36），B（14-30）[7]下認(rèn)定檢測到的顏色為紅色，認(rèn)為是輸液時(shí)的回血現(xiàn)象，實(shí)測結(jié)果符合要求.

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的智能輸液系統(tǒng)的開發(fā)，采用自主設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)展性可以無縫接入相關(guān)醫(yī)療系統(tǒng)，在后續(xù)可為病人提供大數(shù)據(jù)的信息服務(wù).

在后期系統(tǒng)的改進(jìn)提高上將在滴速檢測上引入閉環(huán)反饋控制器，當(dāng)流速在偏離預(yù)設(shè)的期望速率時(shí)可以自動(dòng)進(jìn)行以重新調(diào)整，使系統(tǒng)更智能化，進(jìn)一步減少人為的干預(yù)，可以用于更嚴(yán)格臨床環(huán)境當(dāng)中.同時(shí)可以考慮增加RFID 進(jìn)行點(diǎn)滴藥品的二次校驗(yàn)確保藥品的準(zhǔn)確性.在回流檢測精度方面可以考慮采用集成UV-IR 遮光濾光片可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的環(huán)境光傳感器，減少現(xiàn)場環(huán)境帶來的一些干擾；在數(shù)據(jù)傳輸方面在NB-ITO 的模塊及使用成本降低的情況下可以采用.