多節(jié)點無線輸液監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計與應用

李永乾，張永健

（河北工程大學 信息與電氣工程學院，邯鄲 056038）

目前國內(nèi)輸液監(jiān)護系統(tǒng)并不完善，對醫(yī)院輸液患者的監(jiān)護，多采用護士不間斷巡視觀察以及家屬陪床。在醫(yī)院日常診療過程中，有些情況下需要采用靜脈輸液治療，而針對門診醫(yī)療的自動化監(jiān)護設(shè)備更是一個空缺。

在儀器儀表及測控系統(tǒng)中，無線通信因其節(jié)省傳輸線、安裝使用方便等優(yōu)點被廣泛使用于中距離（500 m）的無線通信系統(tǒng)中[1]。在臨床醫(yī)療中，各種信息可通過醫(yī)用監(jiān)護儀進行檢測，本系統(tǒng)是基于無線通信技術(shù)的多節(jié)點無線輸液監(jiān)護系統(tǒng)，可同時覆蓋多個病房進行在線實時監(jiān)護，降低了醫(yī)護人員的勞動強度，解決了家屬輸液陪床難的問題。產(chǎn)品樣機在邯鄲市中醫(yī)院及河北工程大學附屬醫(yī)院進行了測試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)由下位機采集節(jié)點、通信基站、手持移動終端、PC機監(jiān)護主站4部分組成。醫(yī)護人員先將患者的信息錄入PC機監(jiān)護主站的監(jiān)護軟件數(shù)據(jù)庫，再將具有唯一地址碼的下位機采集節(jié)點懸掛于輸液器茂菲氏管上，節(jié)點開機將處于采集與發(fā)送狀態(tài)，新加入的節(jié)點通過載波偵聽的方式監(jiān)聽空中是否有其它節(jié)點在與通信基站進行數(shù)交換的載波信號，若其它節(jié)點都處于空閑狀態(tài)，則新節(jié)點將首次發(fā)送本機地址，此時，通信基站將接收到此節(jié)點傳輸?shù)牡刂反a，并自動判斷是否有新節(jié)點申請加入地址列表，節(jié)點被識別成功后，通信基站繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，通信基站通過RS-232與PC機進行通信，PC機以其強大的數(shù)據(jù)處理能力負責對數(shù)據(jù)進行綜合分析、處理，一旦某節(jié)點出現(xiàn)異常，PC機將語音播報異常信息類別（報警類別：滴速異常、液量異常、節(jié)點丟失），同時將異常信息反饋回通信基站，通信基站再將數(shù)據(jù)通過無線模塊nRF905發(fā)送到護士手中的手持移動終端進行異常報警提示，顯示相應床位信息。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the system

為避免通信沖突，各下位機采集節(jié)點采用競爭機制訪問主機，當某節(jié)點在與通信基站進行數(shù)據(jù)交換時，其余節(jié)點均處于載波偵聽狀態(tài)等待發(fā)送數(shù)據(jù)，從而可實現(xiàn)一點對多點無線分布式監(jiān)護。

2 算法分析

系統(tǒng)主要功能是對滴速、液量進行精確檢測。正常輸液時，滴速下限為10滴/min，滴速上限為180滴/min，不同的藥品對滴速的要求在上下限區(qū)間內(nèi)有所不同，若超出提前設(shè)置的滴速門限值，則進行滴速異常報警。其次，通過對滴數(shù)、滴速和滴下液滴體積的關(guān)系，計算出剩余液量值，若剩余液量低于10 ml時，則進行液量異常報警提示。滴速、液量監(jiān)測的準確與否至關(guān)重要。

2.1 滴速計算方法

實驗中，首先采用的是采樣2滴的時間間隔的方法來計算滴速，但實際調(diào)試發(fā)現(xiàn)滴速值容易跳變，此算法不可靠。接著實驗了采樣第1滴與第N滴的時間間隔進行計算，雖然此算法可得到相對穩(wěn)定的滴速，但對應不同的滴速趨于穩(wěn)定的時間不等，故此算法被舍棄。最后選擇了一種最優(yōu)算法，即液滴滴落觸發(fā)計時器開始計時，3 s后第1個液滴落下停止計時，并記錄這段時間內(nèi)的滴數(shù)，根據(jù)這2個值可得到精確的滴速，并且這種算法趨于穩(wěn)定的時間較短，不易受到滴速跳變的干擾。

2.2 液量計算方法

實驗階段，測試了在某一滴速下10 ml，20 ml，30 ml…70 ml對應的液滴數(shù)，計算出每滴的體積和滴下的總液量，但實際測試發(fā)現(xiàn)，只有滴速恒定不變時才會計算準確，對于其它滴速則存在一定的誤差，故猜測每滴液體體積與滴速相關(guān)聯(lián)。試驗繼續(xù)測試了不同滴速下 10 ml，20 ml，30 ml…70 ml對應的滴數(shù)，最后確定液滴體積與滴速確實存在線性關(guān)系，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

在對數(shù)據(jù)進行分析擬合后，得到了滴數(shù)、滴速和滴下液滴體積的關(guān)系式：

式中：Volume為滴下的體積；DTimes為滴數(shù)值；DSpeed為滴速值；-0.018461和18.644均為常數(shù)因子。

因此計算滴下液體體積變得相當容易，只需要記錄液滴數(shù)代入公式即可，最后通過這個函數(shù)得到了滴下的液量。對于500 ml的液體根據(jù)得到的公式計算出的體積在實際測試過程中誤差不超過0.1%，可以滿足在實際使用時的精確要求。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 下位機采集節(jié)點設(shè)計

3.1.1 硬件設(shè)計

下位機采集節(jié)點通過傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并通過MSP430F149單片機和無線模塊nRF905將數(shù)據(jù)發(fā)送至通信基站。下位機采集節(jié)點要求結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，經(jīng)過試驗測試，選用光電開關(guān)作為滴數(shù)檢測傳感器。由于光電開關(guān)的靜態(tài)工作電流在8 mA～10 mA，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計，創(chuàng)新性的采用了脈沖調(diào)制發(fā)射的方法，即由單片機產(chǎn)生一個100 kHz的脈沖信號控制光電開關(guān)通斷，使其處于間歇性工作模式，調(diào)制后的平均靜態(tài)工作電流下降至1 mA～2 mA，節(jié)點在調(diào)制前的常開模式工作時間為45 min，調(diào)制后的間歇性工作模式可使節(jié)點工作時間提升至7 h左右。而且經(jīng)過調(diào)制的光電對管發(fā)射距離更長，檢測更加精準，屏蔽了漏滴現(xiàn)象。

3.1.2 軟件設(shè)計

下位機采集節(jié)點通過光電開關(guān)傳感器采集數(shù)據(jù)，每采集到一個液滴輸出一個脈沖，MSP430F149單片機以外部中斷方式記錄脈沖個數(shù)，以及采用前面所述滴速算法計算出滴速值，通過SPI串口通信將滴速值寫入到無線模塊nRF905寄存器中等待發(fā)送[2]。為確保發(fā)送的數(shù)據(jù)準確性，發(fā)送后節(jié)點將再次接收到通信基站回傳的數(shù)據(jù)進行校驗，錯誤則重新發(fā)送。下位機采集節(jié)點程序流程圖如圖2所示。

傳感器檢測到一個液滴滴落時，產(chǎn)生一個脈沖信號，在實驗過程中，出現(xiàn)了一滴雙脈沖現(xiàn)象，經(jīng)檢測傳感器電路脈沖信號輸出端，發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象穩(wěn)定且時間間隔相等，所以在軟件設(shè)計中，采用定時器精確延時的方法進行軟件濾波，反復測試，此方法行之有效。為保證時效性，采集數(shù)據(jù)過程需要在外部中斷程序中執(zhí)行。

圖 2 下位機采集節(jié)點程序流程圖Fig.2 Flow chart of slave controlling node

3.2 通信基站的設(shè)計

3.2.1 硬件設(shè)計

通信基站選擇MSP430F149單片機作為主控芯片，在整個系統(tǒng)中，它的作用相當于中繼站，接收各下位機采集節(jié)點發(fā)送來的監(jiān)護數(shù)據(jù)，并通過RS-232傳輸?shù)絇C機系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)庫。通信基站還配有按鍵輸入模塊、LCD數(shù)顯模塊、報警裝置及電源模塊。通過按鍵輸入，醫(yī)護人員可選擇對下位機采集節(jié)點進行輪詢監(jiān)護或單獨監(jiān)護，并且可以在通信基站上設(shè)置滴速上下限，一旦某節(jié)點滴速出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，通信基站、PC機、手持移動終端將同時語音報警提示。通信基站實現(xiàn)了與各下位機采集節(jié)點、手持移動終端、PC機監(jiān)護主站進行數(shù)據(jù)交換的功能。

3.2.2 軟件設(shè)計

通信基站主要負責接收、傳輸數(shù)據(jù)，并顯示各節(jié)點的信息，顯示方式可選擇輪詢或單獨監(jiān)護。通信基站程序流程圖如圖3所示。

3.3 手持移動終端設(shè)計

圖3 通信基站程序流程圖Fig.3 Flow chart of communication base station

手持移動終端的設(shè)計降低了醫(yī)護人員的巡檢頻率，減輕工作強度。手持移動終端可實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、液晶顯示、異常報警的功能。通過無線模塊nRF905可接收下位機采集節(jié)點及通信基站發(fā)送來的數(shù)據(jù)，終端接收到數(shù)據(jù)后進行存儲，并采用對地址列表逐個輪詢的方式顯示節(jié)點信息，若某個采集節(jié)點出現(xiàn)異常，手持移動終端將接收到通信基站反饋的異常信息類別，由于報警信息的優(yōu)先級高于其它信息優(yōu)先級，所以輪詢中斷進行報警，通過液晶顯示屏顯示異常節(jié)點信息。手持移動終端可兼做通信基站的備份機或分機，在不同地點的醫(yī)護人員可以隨時獲知患者輸液情況。手持移動終端的工作原理與本章3.2小節(jié)中通信基站的工作原理相同，此處不再做詳細闡述。

3.4 PC機監(jiān)護系統(tǒng)軟件的設(shè)計

PC機監(jiān)護系統(tǒng)軟件由C#編寫完成，監(jiān)護系統(tǒng)軟件通過人機交互界面，為監(jiān)護主站的醫(yī)護人員直觀地顯示出所有正在使用的節(jié)點信息。其次，軟件還具有強大的后臺數(shù)據(jù)庫支持，可以對病人信息進行添加、修改、查詢、刪除操作[3]。由于PC機對數(shù)據(jù)的高效處理能力，承擔了對通信基站傳輸過來的所有數(shù)據(jù)進行分析和處理的任務，并將處理結(jié)果反饋回通信基站和手持移動終端使用。監(jiān)護系統(tǒng)軟件的設(shè)計還包括對滴速和體積的設(shè)置，若超出設(shè)置門限值，PC機將進行語音報警提示并通過RS-232回傳給通信基站。

由于需要PC機與通信主機之間建立通信并實時處理數(shù)據(jù)，用到C#的IO命名空間下的封裝類，PC機根據(jù)收到的數(shù)據(jù)處理各種事件，數(shù)據(jù)查詢使用SQL數(shù)據(jù)庫對其進行操作，運用Windows窗體設(shè)計，這就要有：（1）無線智能輸液監(jiān)護系統(tǒng)窗體；（2）XXX號點滴速度設(shè)置窗體；（3）數(shù)據(jù)記錄查詢窗體；（4）關(guān)于本軟件介紹窗體。

4 通信協(xié)議的構(gòu)建原則

4.1 通信協(xié)議

本系統(tǒng)采用的是遠程無線分布式控制，實現(xiàn)了一點對多點的通信功能，以往的一對多通信協(xié)議中采用主機對每個節(jié)點逐一輪詢方式來與節(jié)點交換信息，節(jié)點向主機發(fā)送數(shù)據(jù)存在時間窗口，采用時間分片發(fā)送數(shù)據(jù)的協(xié)議有一定的缺陷，當節(jié)點數(shù)很多時，主機訪問所有節(jié)點的時間會很長，對系統(tǒng)的時效性影響很大。

考慮到下位機采集節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時功耗是平時待機狀態(tài)的10倍左右，所以減少協(xié)議開銷成為主要問題，編寫精簡、高效的通信協(xié)議成為軟件設(shè)計的關(guān)鍵。

4.2 通信協(xié)議編寫原則

系統(tǒng)中通信協(xié)議的編寫遵循以下幾點：

（1）各節(jié)點地址和通信基站地址預先在程序中設(shè)定且不得更改，若有新節(jié)點要求加入時，該節(jié)點將主動與通信基站聯(lián)系，在節(jié)點獲取訪問權(quán)限后自動加入通信基站的地址列表，若節(jié)點要求退出通信網(wǎng)絡時，醫(yī)護人員需要在PC機監(jiān)護系統(tǒng)軟件中申請注銷。

（2）為避免通信沖突，各下位機節(jié)點采用競爭機制訪問主機。

（3）通信基站忙時，下位機采集節(jié)點等待隨機時間重新發(fā)送，為保證數(shù)據(jù)的正確發(fā)送，通信基站將接收到的信息重新發(fā)送回對應節(jié)點，確認信息正確接收。

（4）為解決通信協(xié)議的開銷問題，各節(jié)點只有在滴速和滴下液體體積突變時才發(fā)送數(shù)據(jù)，如果采集的滴速在一定時間內(nèi)不變，則節(jié)點發(fā)送功能將間歇性處于待機狀態(tài)，處于待機狀態(tài)的節(jié)點不進行任何通信。

（5）若節(jié)點超出程序中設(shè)定的時間上限沒有與基站通信，通信基站將主動聯(lián)系此節(jié)點，確認數(shù)據(jù)是否正確發(fā)送，否則將認為該節(jié)點出現(xiàn)異常并進行報警提示。

（6）程序設(shè)計中，報警信息的優(yōu)先級高于其它信息的優(yōu)先級。

5 結(jié)語

經(jīng)過反復試驗，完成了多節(jié)點無線輸液監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了對多個病床進行在線實時監(jiān)護。系統(tǒng)具有滴速監(jiān)測、異常報警、按鍵控制與信息顯示等功能。通過實驗，將獲取到的數(shù)據(jù)進行記錄、分析，得到了更加精確的滴速、液量計算方法。通信協(xié)議的合理構(gòu)建，實現(xiàn)了一點對多點的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)具有操作簡單、成本低等特點，根據(jù)需求可以增加節(jié)點數(shù)量，實現(xiàn)多節(jié)點監(jiān)護功能。

[1] 李欣，王耀賓，楊華.基于nRF401的無線通訊系統(tǒng)及應用[J].科技信息，2007（36）：334-335.

[2] 王冬毅.基于FPGA的智能挖掘機無線監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].成都：西南交通大學，2012.

[3] 周楠.高血壓輔助診療系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].天津：南開大學，2012. ■