基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)輸液報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

文家雄，鄧杰

四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，四川 廣元 628040

引言

靜脈輸液作為一種常規(guī)的醫(yī)療手段，在臨床醫(yī)療中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。它主要通過(guò)液體直接將藥物輸入體內(nèi)，來(lái)達(dá)到治療疾病的目的[4-5]。目前大多數(shù)醫(yī)院普通科室采用的是傳統(tǒng)的輸液模式，這種模式下需要護(hù)士、病人甚至病人家屬對(duì)輸液液體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這種模式不僅效率低下，還會(huì)浪費(fèi)大量的醫(yī)護(hù)資源[6-7]。且目前使用醫(yī)療報(bào)警設(shè)備的大多集中在重癥監(jiān)護(hù)室，這些設(shè)備不僅價(jià)格昂貴，還存在著使用不便、造價(jià)昂貴等缺陷[8]。為有效解決上述問(wèn)題，眾多科研人員進(jìn)行了不斷地研究與改進(jìn)。以傳呼系統(tǒng)為例，它作為常用的傳統(tǒng)輸液模式之一，需要先在護(hù)士站和病床之間進(jìn)行大量的線路連接，然后在使用時(shí)手動(dòng)按下報(bào)警按鈕，向護(hù)士站發(fā)送輸液完成信息，最后護(hù)士根據(jù)接收到的信息再進(jìn)行處理。這套系統(tǒng)雖能提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率，給病人提供了較大的便利，但仍需要實(shí)時(shí)關(guān)注輸液瓶中的剩余量[9-10]。隨著微電子技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備逐漸進(jìn)入了信息化時(shí)代[11-12]。為了解決上述設(shè)備存在的問(wèn)題，張超平等[13]用51單片機(jī)和非接觸電容式液位傳感器等元器件，設(shè)計(jì)了一個(gè)便攜式輸液監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用LC12S串口，進(jìn)行無(wú)線傳輸，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集、統(tǒng)一管理和聲光報(bào)警等功能。但該系統(tǒng)存在著自身制造工藝和設(shè)備許可等問(wèn)題，難以向市場(chǎng)推廣。劉傳朋[14]采用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款基于CC2530單片機(jī)的無(wú)線輸液報(bào)警系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，CC2530單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理中心和路由發(fā)射端，通過(guò)組播的方式，將光敏傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)到的液滴變化情況發(fā)送給終端。在該系統(tǒng)下，雖能有效實(shí)現(xiàn)液體輸完時(shí)的聲光報(bào)警，但仍存在著光敏傳感器采集數(shù)據(jù)時(shí)易受干擾等缺陷。

為此，本文為有效解決傳統(tǒng)輸液報(bào)警系統(tǒng)布線繁瑣、無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸效率低等問(wèn)題，提出一種基于自由競(jìng)爭(zhēng)模式的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，并以此為模型研制出一種新型的無(wú)線輸液報(bào)警系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)近半年的臨床實(shí)踐，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性與普適性。

1 系統(tǒng)組成

根據(jù)醫(yī)院的應(yīng)用需求，系統(tǒng)以100張病床的某住院科室為臨床實(shí)驗(yàn)基地，工作于無(wú)線傳輸模式；無(wú)線信號(hào)的作用半徑≥1000 m，具有“穿墻”功能，信號(hào)傳輸延遲時(shí)間≤0.5 s；系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)病人的輸液信息，包括自動(dòng)檢測(cè)輸液是否正常、故障及完成，并在監(jiān)控機(jī)上實(shí)時(shí)顯示；當(dāng)發(fā)生輸液故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲、光報(bào)警，直到醫(yī)護(hù)人員處置完畢。據(jù)此，該系統(tǒng)基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)理論架構(gòu)和嵌入式控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，其原理框圖如圖1所示。

圖1 無(wú)線輸液報(bào)警系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)工作流程為：輸液傳感器通過(guò)夾具安裝在輸液管上實(shí)現(xiàn)液體流速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并控制STC15W201S單片機(jī)發(fā)送信息，單片機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)程序控制Wi-Fi模塊持續(xù)發(fā)射輸液狀態(tài)信號(hào)，護(hù)士站的STC8A8K64AS12單片機(jī)對(duì)接收的Wi-Fi數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且驅(qū)動(dòng)相應(yīng)模塊工作，如果發(fā)生輸液異常情況，則在VGUS監(jiān)控機(jī)上顯示故障的床位信息，并發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)警示醫(yī)護(hù)人員及時(shí)處理。

系統(tǒng)實(shí)物組成如圖2所示。包括無(wú)線傳感發(fā)射“云”、主控制器MCU、VGUS監(jiān)控機(jī)及PC上位機(jī)等部分。無(wú)線傳感發(fā)射“云”是系統(tǒng)關(guān)鍵部分，完成輸液信息的實(shí)時(shí)采集和傳輸；主控制器MCU負(fù)責(zé)“云”數(shù)據(jù)的接收和處理，并把處理信息送達(dá)監(jiān)控機(jī)和PC上位機(jī)；PC上位機(jī)主要用作調(diào)試和觀察數(shù)據(jù)的有效性，國(guó)產(chǎn)的VGUS液晶屏用作系統(tǒng)的監(jiān)控機(jī)，是醫(yī)護(hù)人員監(jiān)控病人輸液信息的終端。系統(tǒng)各功能模塊分述如下。

圖2 無(wú)線輸液報(bào)警系統(tǒng)實(shí)物組成圖

1.1 硬件系統(tǒng)組成

1.1.1 無(wú)線傳感發(fā)射“云”

根據(jù)我國(guó)國(guó)家三級(jí)醫(yī)院的實(shí)際情況，系統(tǒng)的無(wú)線傳感發(fā)射“云”由不小于100個(gè)無(wú)線發(fā)射機(jī)（對(duì)應(yīng)某三級(jí)醫(yī)院一個(gè)住院科室的100張病床）組成，是系統(tǒng)信息采集、處理和傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，各無(wú)線發(fā)射機(jī)工作在相同信道，采用“先到先得”的自由競(jìng)爭(zhēng)模式搶占接收機(jī)工作信道，從而組成類(lèi)似“云”的信息傳輸與存儲(chǔ)空間，其原理如圖3所示。

圖3 無(wú)線輸液報(bào)警系統(tǒng)之無(wú)線傳感發(fā)射“云”原理圖

定義r(t)為傳感器檢測(cè)到的報(bào)警信號(hào)，通過(guò)STC15W201S單片機(jī)生成監(jiān)測(cè)序列，見(jiàn)式(1)。

式中，u(t)為序列選擇器從無(wú)線傳感發(fā)射云中獲取的報(bào)警信號(hào)，y(t)為STC8A8K64AS12單片機(jī)處理之后的信號(hào)，g(t)為反饋信號(hào)。

由于網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，為獲取資源，各節(jié)點(diǎn)之間經(jīng)?；ハ喔?jìng)爭(zhēng)，這種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制使得信號(hào)在傳輸過(guò)程中容易出現(xiàn)丟包、時(shí)延等現(xiàn)象。在本系統(tǒng)中，報(bào)警信號(hào)無(wú)優(yōu)先級(jí)，故在這種模式下會(huì)形成一種特殊的自由競(jìng)爭(zhēng)模式。同時(shí)為保證發(fā)送的報(bào)警信號(hào)能被序列選擇器選取，設(shè)置Wi-Fi發(fā)射器發(fā)送報(bào)警信號(hào)到上位機(jī)時(shí)間為50 ms。報(bào)警序列選擇器每隔100 ms從中隨機(jī)選取報(bào)警信號(hào)。無(wú)線傳感發(fā)射“云”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無(wú)線輸液報(bào)警系統(tǒng)之無(wú)線傳感發(fā)射“云”拓?fù)鋱D

無(wú)線發(fā)射機(jī)由輸液傳感器、發(fā)射微控器MCU、無(wú)線Wi-Fi發(fā)射模塊及天線組成。輸液傳感器總重量＜50 g，通過(guò)彈簧卡槽卡在輸液管上實(shí)現(xiàn)輸液信息的采集；發(fā)射微控器MCU工作于低功耗模式，采用高性?xún)r(jià)比的STC15W芯片，完成輸液信息的處理；無(wú)線Wi-Fi發(fā)射器采用多通道嵌入式無(wú)線數(shù)傳模塊HC-12，各模塊工作在相同信道，發(fā)射信號(hào)在空間自自由傳輸，組建類(lèi)似無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射“云”空間，完成輸液信息的“云”傳輸功能；同時(shí)為增大信息的傳輸距離和無(wú)線信號(hào)的穿墻功能（＞1000 m），系統(tǒng)配置了輕質(zhì)彈簧天線。

1.1.2 無(wú)線接收機(jī)

系統(tǒng)的無(wú)線接收機(jī)由高增益天線和無(wú)線接收Wi-Fi模塊、接收MCU控制器和報(bào)警及顯示終端組成，其組成框圖如圖5所示，PC機(jī)用作系統(tǒng)調(diào)試。

圖5 輸液報(bào)警系統(tǒng)之無(wú)線接收機(jī)框圖

無(wú)線接收Wi-Fi與無(wú)線發(fā)射Wi-Fi模塊工作機(jī)理相似，工作信道完全相同，從而保證能夠準(zhǔn)確接收無(wú)線傳感發(fā)射“云”空間傳輸?shù)妮斠盒畔?，并濾除無(wú)關(guān)干擾；接收MCU控制器也采用高性?xún)r(jià)比的STC8A8K芯片，由于病人輸液信息的傳輸是隨機(jī)的，故信息接收工作于自由競(jìng)爭(zhēng)模式，即“先來(lái)先收，循環(huán)處理”，接收MCU把處理后的信息送監(jiān)控機(jī)便于實(shí)時(shí)監(jiān)控，也可送PC機(jī)進(jìn)行信息分析，通過(guò)虛擬仿真和系統(tǒng)的臨床實(shí)踐，完全保證了輸液信息的時(shí)效性及實(shí)用性；監(jiān)控機(jī)采用國(guó)產(chǎn)的武漢中顯科技有限公司的VGUS作為系統(tǒng)的上位機(jī)，完成住院科室輸液信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括各病床輸液正常、故障和完成等不同信息的顏色顯示、聲音報(bào)警及輸液信息記錄等功能。

1.2 軟件系統(tǒng)流程

1.2.1 無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)軟件流程圖

由前文硬件設(shè)計(jì)部分可以知道主機(jī)與各傳感器之間通過(guò)無(wú)線Wi-Fi產(chǎn)生信號(hào)交換，針對(duì)某一個(gè)無(wú)線傳感器，當(dāng)檢測(cè)到液體流動(dòng)時(shí)，發(fā)射輸液正常指令；當(dāng)傳感器檢測(cè)到液體流盡時(shí)，發(fā)出輸液故障指令。其工作流程如圖6所示。

圖6 無(wú)線輸液報(bào)警系統(tǒng)的無(wú)線發(fā)射機(jī)工作流程圖

1.2.2 無(wú)線接收系統(tǒng)軟件流程圖

在系統(tǒng)無(wú)線接收部分，當(dāng)接收到輸液正常指令時(shí)，系統(tǒng)顯示正常（綠色）；當(dāng)系統(tǒng)接收到液體流盡指令時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)（紅色），并顯示報(bào)警床位。本系統(tǒng)對(duì)每個(gè)床位進(jìn)行編號(hào)，以1號(hào)床舉例，正常狀態(tài)時(shí)向系統(tǒng)發(fā)射01H，此時(shí)顯示器上顯示綠色；當(dāng)發(fā)生報(bào)警之后，向系統(tǒng)發(fā)射81H，此時(shí)顯示器上顯示紅色，并發(fā)出報(bào)警。無(wú)線接收系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

圖7 無(wú)線接收系統(tǒng)軟件流程圖

2 臨床應(yīng)用

傳統(tǒng)的有線輸液報(bào)警裝置，需要人工干預(yù)才能建立病患與醫(yī)護(hù)人員的信息聯(lián)系，醫(yī)療機(jī)構(gòu)的管理者很難實(shí)時(shí)掌握病床的利用率，一旦發(fā)生醫(yī)患糾紛，沒(méi)有可用的后臺(tái)數(shù)據(jù)作為證據(jù)，倘若有幾個(gè)報(bào)警器同時(shí)報(bào)警，醫(yī)護(hù)人員需要排查設(shè)備的位置等一系列問(wèn)題[15-16]。

通過(guò)調(diào)研，適用于醫(yī)護(hù)人員臨床使用的輸液報(bào)警器既不能改變輸液器本體的結(jié)構(gòu)，還不能影響輸液液體成分，同時(shí)還具有重量輕、安裝和操作簡(jiǎn)單、成本低、電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，輸液完成的報(bào)警信息要及時(shí)準(zhǔn)確并且誤報(bào)率低，醫(yī)護(hù)人員和管理者從護(hù)士站通過(guò)下位機(jī)可實(shí)時(shí)了解所有病床的輸液狀態(tài)等特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，本文采用一種自由競(jìng)爭(zhēng)式主從機(jī)無(wú)線通信方式，從機(jī)由多個(gè)Wi-Fi無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)重量≤50 g，主機(jī)由無(wú)線Wi-Fi接收機(jī)和VGUS下位機(jī)組成，安裝在護(hù)士站。主機(jī)與從機(jī)通過(guò)Wi-Fi無(wú)線通信進(jìn)行輸液信息的實(shí)時(shí)傳輸與后臺(tái)記錄，無(wú)需布線和人工干預(yù)，病床信息記錄及時(shí)準(zhǔn)確，醫(yī)護(hù)人員通過(guò)護(hù)士站的下位機(jī)既可了解任一病床的輸液狀態(tài)，又可掌握全院病床的使用率及醫(yī)療質(zhì)量情況。系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示，無(wú)線Wi-Fi發(fā)射節(jié)點(diǎn)臨床工作情況如圖9所示。

圖8 項(xiàng)目產(chǎn)品實(shí)物圖

圖9 無(wú)線Wi-Fi發(fā)射節(jié)點(diǎn)工作圖

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性，在2020年1至6月，以國(guó)家三級(jí)乙等醫(yī)院—廣元市第二人民醫(yī)院五官科的100張住院病床為樣本，記錄病床每天輸液時(shí)使用本系統(tǒng)的次數(shù)和誤報(bào)次數(shù)，統(tǒng)計(jì)每月的使用總次數(shù)和誤報(bào)總次數(shù)，從而計(jì)算本系統(tǒng)的月誤報(bào)率：月誤報(bào)率 =（月誤報(bào)總次數(shù)÷月使用總次數(shù)）×1000‰。

本系統(tǒng)在四川省廣元市第二人民醫(yī)院臨床應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。該表以該醫(yī)院五官科100張住院病床為數(shù)據(jù)采集來(lái)源，記錄2020年1至6月的輸液信息，包括當(dāng)月使用本系統(tǒng)的總次數(shù)和發(fā)生輸液信息誤報(bào)（正常、空床、故障）的總次數(shù)。由于數(shù)據(jù)本身極值?。ㄕ`報(bào)次數(shù)為0和1），故而采用算術(shù)平均數(shù)方法對(duì)其進(jìn)行處理，根據(jù)式1計(jì)算當(dāng)月的月誤報(bào)率和半年平均誤報(bào)率。

對(duì)表1臨床應(yīng)用及統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，本系統(tǒng)在半年的臨床使用中，樣本總數(shù)達(dá)到6097次，而三種可能發(fā)生誤報(bào)的情況下發(fā)生誤報(bào)總次數(shù)僅為3次，平均誤報(bào)率低于0.5‰。

表1 臨床應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

傳統(tǒng)的有線輸液呼叫器需要患者有自主行為能力或者陪護(hù)人員，同時(shí)醫(yī)護(hù)人員需要時(shí)實(shí)巡查病房，這必將增加病患和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的人力、物力和財(cái)力負(fù)擔(dān)，也不便于管理者對(duì)醫(yī)護(hù)人員和醫(yī)療資源的時(shí)實(shí)掌控。從表1數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，在室內(nèi)通信距離超過(guò)200 m的范圍內(nèi)可準(zhǔn)確傳輸監(jiān)測(cè)信息，月誤報(bào)率和半年平均誤報(bào)率均小于醫(yī)護(hù)人員和患者的期望值（1‰），實(shí)現(xiàn)了無(wú)人看護(hù)的安全輸液功能，從而減輕患者的陪護(hù)負(fù)擔(dān)，節(jié)約醫(yī)護(hù)人員的查房時(shí)間，有利于醫(yī)護(hù)質(zhì)量的提高和醫(yī)患關(guān)系的改善。

3 總結(jié)

本文針對(duì)傳統(tǒng)輸液報(bào)警器布線困難和無(wú)法對(duì)液體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)顯示和及時(shí)預(yù)警等顯著缺陷，提出了一種新型的基于自由競(jìng)爭(zhēng)模式下的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，并以此研制出了一種新型的無(wú)線輸液報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在無(wú)人看護(hù)情況下，病人輸液信息的語(yǔ)音報(bào)警、病床號(hào)智能顯示、日志記錄、病人與醫(yī)護(hù)人員的信息同步等功能。并通過(guò)在本地三級(jí)乙等醫(yī)院近半年的臨床實(shí)踐，對(duì)本系統(tǒng)的有效性和普適性進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。結(jié)果表明，本系統(tǒng)能大大減輕醫(yī)護(hù)人員的病房巡查工作量，甚至不需要病人家屬的陪護(hù)，提高了醫(yī)護(hù)質(zhì)量和效率，節(jié)約了醫(yī)療成本和醫(yī)護(hù)資源，達(dá)到了前期調(diào)研預(yù)期的目標(biāo)，也說(shuō)明了本系統(tǒng)具有較高的推廣價(jià)值。目前，我們團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行該項(xiàng)目科研成果的轉(zhuǎn)化工作。

本文研究系統(tǒng)為本團(tuán)隊(duì)輸液報(bào)警器的初代產(chǎn)品。隨著MEMS應(yīng)用技術(shù)、控制理論和算法在“智慧醫(yī)護(hù)”領(lǐng)域的深入應(yīng)用，將預(yù)測(cè)控制、網(wǎng)絡(luò)化控制等先進(jìn)控制理論用于輸液故障的預(yù)判和液體的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉功能，開(kāi)展“AI+智慧醫(yī)護(hù)”技術(shù)的應(yīng)用研究，是本系統(tǒng)下一步研究的主要方向。