基于IoT的醫(yī)院病區(qū)護理智能化監(jiān)控管理系統(tǒng)

戴舟堯，郭鶴魁，沈希龍，李志恒，江輝琪，陶 莎，薛 清

（江蘇海洋大學(xué)理學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

1 研究背景

智能化、自動化的病區(qū)護理管理方式是順應(yīng)時代和社會發(fā)展方向的，具有較好的發(fā)展趨勢。本課題為基于IoT的醫(yī)院病區(qū)護理智能化監(jiān)控管理系統(tǒng)，可適用于醫(yī)院門診系統(tǒng)和病房住院系統(tǒng)中的靜脈輸液監(jiān)控和管理。堅持“以病人為中心”的服務(wù)理念，來完善臨床服務(wù)系統(tǒng)，提高護理工作質(zhì)量，這不僅是新醫(yī)改的要求，更是深化護理改革的重要舉措[1]。靜脈輸液作為臨床上應(yīng)用最為廣泛的治療用藥方式，是護理工作內(nèi)容的重要組成部分。靜脈輸液的科學(xué)性和安全性，直接影響了護理工作質(zhì)量和患者滿意度[2]。

2 管理系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

2.1.1 病床智能輸液裝置設(shè)計思路

為了實現(xiàn)對病區(qū)患者的輸液情況進行實時監(jiān)控，需要設(shè)計一套病床智能輸液裝置，利用STM32微控制器配合應(yīng)變片重力傳感器、舵機、滴速控制裝置、DS18B20溫度傳感器等傳感器設(shè)備，實時監(jiān)測患者輸液剩余狀態(tài)和輸液速度，利用算法估算出本次輸液大概剩余時間。

2.1.2 病房總控制器設(shè)計思路

如果將每一個病床輸液裝置采集的數(shù)據(jù)分開各自發(fā)往護理中心計算機端，數(shù)據(jù)量將會非常之大，因此需要在每個病房設(shè)計一個以STM32F7微控制器為控制核心的病房總控制器作為一個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站[3]，收集當(dāng)前病房內(nèi)所有的輸液裝置采集的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)整合成一條JSON格式的數(shù)據(jù)，發(fā)送給護理中心計算機端的接收器，然后間接將JSON數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C解析并顯示。

2.1.3 護理中心計算機端的數(shù)據(jù)接收器設(shè)計思路

為了實現(xiàn)單片機和計算機端遠程數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計了一個數(shù)據(jù)接收器，采用Lora遠程數(shù)據(jù)傳輸方式接收醫(yī)院病區(qū)所有患者的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)[4]，然后通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C端，并且為了和家屬端小程序進行通信，數(shù)據(jù)接收器與esp8266連接并且與OneNet云平臺進行通信，通過MQTT協(xié)議與手機端的微信小程序進行通信。

2.1.4 護理中心計算機監(jiān)控軟件的設(shè)計思路

便于工作人員遠程監(jiān)控病人輸液數(shù)據(jù)，需要將接收到的全部數(shù)據(jù)進行解析并且進行可視化顯示。計算機顯示軟件采用Python語言編寫，使用PyQt5設(shè)計顯示GUI，最后將程序打包成一個可執(zhí)行軟件。

2.1.5 家屬用戶端微信小程序的設(shè)計思路

如果陪護家屬臨時有事需要外出，家屬需要及時了解病人的輸液狀態(tài)，避免輸液完成無人告知，需要設(shè)計用戶手機端的監(jiān)控器，可實時監(jiān)測病人輸液的滴速是否合理，剩余時間是否充足。

2.2 系統(tǒng)組成

基于IoT的醫(yī)院病區(qū)護理智能化監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由四個部分組成：上位機護理中心計算機端監(jiān)控軟件；家屬端護理監(jiān)控小程序；智能輸液監(jiān)控控制裝置；系統(tǒng)的互聯(lián)機制。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2.3 交互設(shè)計

（1）輸液監(jiān)控裝置上的OLED顯示屏：當(dāng)這個輸液裝置未使用時，屏幕將顯示“等待輸液”提示信息，當(dāng)該裝置正在進行輸液工作時，屏幕將顯示當(dāng)前輸液預(yù)計剩余時間，便于和患者本人之間簡單交互。

（2）病房總控制器上的LCD屏幕：該屏幕將顯示該病房所有患者的輸液狀態(tài)信息，并且可進行交互進行一鍵呼叫護士。

（3）護理中心計算機端的監(jiān)控軟件顯示器：該交互方式用于工作人員遠程監(jiān)控醫(yī)院病區(qū)所有病人的輸液狀態(tài)，當(dāng)病人出現(xiàn)突發(fā)情況或者是輸液即將完成時，將發(fā)出提示告警信號。

（4）家屬端微信小程序：只需在微信搜索“護理監(jiān)控”即可打開小程序并與系統(tǒng)連接，查看患者的輸液狀態(tài)。

3 管理系統(tǒng)的下位機設(shè)計

3.1 病床輸液監(jiān)控控制裝置

病床輸液監(jiān)控控制裝置技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 病床輸液監(jiān)控控制裝置技術(shù)架構(gòu)

該部分的作用是測量輸液過程中的剩余余量、輸液狀態(tài)、告警信息、環(huán)境溫度、輸液速度、心率信息等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)壓縮成JSON格式的數(shù)據(jù)，并通過NRF24L01無線傳輸技術(shù)發(fā)送給該裝置所在病房的總控制器，匯總數(shù)據(jù)被用于數(shù)據(jù)可視化管理。

病床輸液監(jiān)控控制裝置軟件流程圖如圖3所示。

圖3 病床輸液監(jiān)控控制裝置軟件流程圖

3.2 病床輸液監(jiān)控控制裝置

病房總控制器的技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 病房總控制器技術(shù)架構(gòu)圖

該部分可以實現(xiàn)通過LCD液晶觸摸顯示屏的GUI界面實時查看當(dāng)前病房每個輸液裝置的靜脈輸液相關(guān)數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)藥物的識別、一鍵呼叫功能、語音告警提示等功能。

病房總控制器軟件流程圖如圖5所示。

圖5 病房總控制器軟件流程圖

3.3 護理中心專用數(shù)據(jù)接收器

護理中心專用數(shù)據(jù)接收器技術(shù)架構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 護理中心專用數(shù)據(jù)接收器技術(shù)架構(gòu)圖

利用Wi-Fi、LoRa無線傳輸技術(shù)與TTL串口進行組網(wǎng)傳輸，LoRa無線技術(shù)與病房總控制器進行數(shù)據(jù)交換，Wi-Fi無線技術(shù)與OneNET平臺進行數(shù)據(jù)交互，TTL串口通信與計算機端進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)手機端、計算機端實時查看靜脈輸液相關(guān)數(shù)據(jù)，以及對各部分的控制指令進行推送等功能，并且實現(xiàn)手機一鍵呼叫護士功能。

護理中心專用數(shù)據(jù)接收器軟件流程圖如圖7所示。

圖7 護理中心專用數(shù)據(jù)接收器軟件流程圖

4 管理系統(tǒng)的上位機設(shè)計

4.1 護理中心監(jiān)控軟件

護理中心監(jiān)控軟件實現(xiàn)流程圖如圖8所示。

圖8 護理中心監(jiān)控軟件實現(xiàn)流程圖

該程序使用Python+PyQT5進行開發(fā)，利用串口接收處理護理中心專用數(shù)據(jù)接收器推送的消息。當(dāng)程序運行時，用戶選擇串口打開后即可開始處理護理中心專用數(shù)據(jù)接收器推送的消息，完成處理后保存相關(guān)變量，如果接收到的是傳感器相關(guān)的變量數(shù)據(jù)，通過定時器將新變量刷新顯示到可視化界面；如果接收到的是請求更新網(wǎng)絡(luò)時間的命令數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)時間到護理中心專用數(shù)據(jù)接收器然后轉(zhuǎn)發(fā)到命令請求端；如果接收到的是二維碼內(nèi)容讀取命令，將訪問本地二維碼數(shù)據(jù)庫讀取相關(guān)二維碼種類及其規(guī)格，按照錄入時間順序，將最新錄入的結(jié)果發(fā)送到命令請求端；如果接收到的是告警提示命令，軟件將開啟線程，通過TTS轉(zhuǎn)換，播放語音提醒。

4.2 微信小程序

微信小程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖9所示。

圖9 微信小程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

當(dāng)用戶打開小程序時，顯示的第一個界面就是選擇病人所在床位的界面，當(dāng)家屬選擇好病床號點擊下一步時，小程序就會把用戶選擇的病床號上傳到MQTT對應(yīng)的主題上，然后單片機訂閱相應(yīng)的主題就可以獲取用戶選擇的病床號，單片機就可以將此病床的輸液信息上傳到用戶的手機端。當(dāng)用戶下發(fā)一鍵呼叫指令時，按照同樣的思路將指令發(fā)送給護理中心數(shù)據(jù)接收器，然后通過串口將指令發(fā)送到計算機軟件解析，開啟線程，通過TTS轉(zhuǎn)換，播放語音提醒。

4.3 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

計算機端的藥瓶信息數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程圖如圖10所示。

圖10 藥瓶信息數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程圖

該程序采用Python、PyQT5和OpenCV2三種技術(shù)進行設(shè)計。當(dāng)醫(yī)院需要將新藥瓶錄入數(shù)據(jù)庫時，打開該軟件，將藥瓶放置于攝像頭下。當(dāng)程序運行時，系統(tǒng)將攝像頭獲取的圖像信息進行灰度、二值化處理之后識別藥瓶下的條形碼數(shù)據(jù)，識別成功之后將條形碼數(shù)據(jù)顯示在軟件界面上，核對條形碼數(shù)據(jù)無誤后，將藥瓶信息填寫到對應(yīng)的數(shù)據(jù)框中，點擊錄入按鍵即可將藥瓶信息保存到本地數(shù)據(jù)庫。

5 系統(tǒng)的調(diào)試與測試

5.1 無線傳輸性能分析

在本系統(tǒng)的運行測試過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在無線數(shù)據(jù)交互過程中，當(dāng)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的時間間隔較短的時，無線通信模塊發(fā)送端出現(xiàn)緩存溢出和接收端接收緩存溢出等問題時會導(dǎo)致堵塞現(xiàn)象。經(jīng)過修改軟件定時發(fā)送時間并加入自定義協(xié)議后解決了發(fā)送接收堵塞問題，真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

經(jīng)過反復(fù)測試和調(diào)整后，系統(tǒng)能進行長時間無堵塞、無丟包地收發(fā)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的無線通信功能正常。

5.2 滴速控制統(tǒng)計

通過滴速控制統(tǒng)計測試得到表1數(shù)據(jù)，對該滴速控制機械裝置測試可達10級不同滴速。該系統(tǒng)所實現(xiàn)的滴速完全滿足兒童或成年人健康輸液滴速標(biāo)準(zhǔn)，該功能測試結(jié)果正常。

表1 多級滴速對應(yīng)的點滴滴速表

5.3 系統(tǒng)實物圖

圖11 系統(tǒng)實物圖

6 結(jié)束語

該系統(tǒng)能夠提供較為完整的功能，可以較好地完善輸液工作。對于輸液患者而言，他們可以得到更好的照顧，增加了輸液的安全性，提高了他們的輸液滿意度；對于護士而言，可以降低他們的工作壓力，高效率地利用工作時間投入護理工作。