信息管理系統(tǒng)應(yīng)用于靜脈輸液監(jiān)護(hù)的研究與實(shí)現(xiàn)

摘 要：在臨床醫(yī)療監(jiān)護(hù)中，靜脈輸液是一個(gè)重要治療手段。在不同的治療方案中，靜脈輸液的進(jìn)度和滴液速度都需要嚴(yán)格的監(jiān)控，否則將導(dǎo)致嚴(yán)重的醫(yī)療事故?，F(xiàn)有的人工監(jiān)護(hù)方法增加了患者、家屬和醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)，且容易因疲勞、疏忽出錯(cuò)。本文研究基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)，利用無(wú)線(xiàn)傳感器進(jìn)行輸液數(shù)據(jù)的采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)了一種低成本、易于部署、應(yīng)用靈活的靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療監(jiān)護(hù)；靜脈輸液；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；Zigbee；耦合式紅外對(duì)管

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Intravenous infusion is an important method in real clinic medical care.During different medical treatments，the process of intravenous infusion and the speed of drops should be strictly guarded，for it could cause serious medical accidents.Current artificial monitoring method made burdens for patients， their relatives，and medical staff， which would also make mistakes due to body strain and fatigue of negligence.The WSN enabled intravenous infusion monitoring and information management system presented in the paper enjoys the following characteristics：convenient for reuse，as it adopts non-contact droplet monitoring method； accurate and reliable， as it takes multiple protection measures；scalable，as it is able to integrate with HIS in providing extensive reliable information via web service；low-cost，as it facilitates global scale market under the large-scale integrated technology.

Keywords：intravenous infusion monitoring；wireless sensor network；Zigbee；fork-type light barrier

1 引言（Introduction）

靜脈輸液是臨床醫(yī)學(xué)中的一個(gè)重要治療手段，這種醫(yī)療方式主要通過(guò)靜脈注射，將治療的藥物或人體需要的營(yíng)養(yǎng)滴注輸入體內(nèi)，從而達(dá)到診治的目的。其快捷、高效的治療效果，已被廣大患者驗(yàn)證。在臨床醫(yī)學(xué)中，靜脈輸液法作為最重要的治療和搶救措施，已被廣泛應(yīng)用，并日益深入。

然而，這種方法的局限性也非常明顯。首先，在輸液過(guò)程中，如果使用人工來(lái)觀察和監(jiān)控滴速，仍然有較高的不可靠性，要達(dá)到精確的要求，必須采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理，并結(jié)合護(hù)理人員的具體操作，使安全隱患降到最低，充分保證輸液的可靠性和安全性。其次，輸液一旦完成，必須要及時(shí)處置，否則會(huì)導(dǎo)致血液回流，使皮膚腫脹，給輸液安全造成巨大的隱患，極易帶來(lái)醫(yī)患糾紛，造成一系列的后續(xù)問(wèn)題。此外，在輸液的整個(gè)過(guò)程中，護(hù)理人員需要全程陪同，這消耗了護(hù)理人員大量的精力，增加了護(hù)理工作的難度和強(qiáng)度，容易因疲勞、疏忽出錯(cuò)，種種的因素使得靜脈輸液的管理難度增加[1]。

隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的日益發(fā)展，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)既能精確控制滴液速度，避免醫(yī)患糾紛；又能提升醫(yī)院輸液科的工作效率，降低護(hù)理人員的工作強(qiáng)度，防止交叉感染，減輕醫(yī)院管理壓力；還能對(duì)眾多分散的輸液設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理，并能納入到醫(yī)院管理系統(tǒng)中的輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有極大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)（Design of the overall systemframework）

2.1 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示，主要由四部分組成：（1）數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分；（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸部分；（3）數(shù)據(jù)匯集部分；（4）護(hù)士站監(jiān)控中心部分。

本系統(tǒng)整體框架中，數(shù)據(jù)采集部分負(fù)責(zé)采集輸液滴管中的滴液數(shù)據(jù)，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)傳輸部分負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，同時(shí)還轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控端數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)匯集部分負(fù)責(zé)接收無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)和發(fā)送護(hù)士站監(jiān)控中心的命令；護(hù)士站監(jiān)控中心負(fù)責(zé)呈現(xiàn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中各病患所用的滴液管中的情況，并給予智能提示和異常報(bào)警。

2.2 系統(tǒng)方案描述

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一個(gè)軟件與硬件相結(jié)合的系統(tǒng)，涉及用于采集輸液滴管實(shí)時(shí)狀態(tài)的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)和用于收集傳感器網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的匯集節(jié)點(diǎn)。因此，該系統(tǒng)所使用的滴液數(shù)據(jù)采集方案、節(jié)點(diǎn)控制方案和網(wǎng)絡(luò)傳輸方案需要有統(tǒng)一合理的設(shè)計(jì)，必須滿(mǎn)足低成本、低功耗、可靠性、靈活性和擴(kuò)展性的要求。

2.2.1 滴液監(jiān)測(cè)方案

經(jīng)調(diào)查，市場(chǎng)上可用的液滴或者液位監(jiān)測(cè)器件主要可分為：壓力傳感器、激光傳感器、分離式光電對(duì)管、耦合式光電對(duì)管等。從傳感器件的精度、抗干擾能力、監(jiān)測(cè)距離、功耗、尺寸、是否便于安裝以及成本角度考慮，本系統(tǒng)最終采用耦合式紅外對(duì)管。

用紅外傳感器來(lái)檢測(cè)，在茂菲式滴管處對(duì)輸液進(jìn)程進(jìn)行測(cè)量。紅外光光線(xiàn)照射到接收端后，如果試管中沒(méi)有液滴滴下，則紅外光纖沒(méi)有被阻擋，光電三極管接受到的電流就會(huì)比較強(qiáng)，而且電流信號(hào)基本處于恒定狀態(tài)；當(dāng)藥液滴落時(shí)，紅外線(xiàn)被液滴遮擋，此時(shí)，接收管只能接受到較弱的光信號(hào)，從而電信號(hào)也會(huì)被影響。因此可以通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出端電壓信號(hào)的變化來(lái)監(jiān)測(cè)出是否有藥液滴下。光電三極管的接收端被連接到NE555器件上，從而接受信號(hào)會(huì)在整形放大之后輸入ATMEGA128L單片機(jī)處理，從而能夠計(jì)算出滴液的速度。而紅外對(duì)管又分為耦合式和分離式。分離式能夠監(jiān)測(cè)較遠(yuǎn)距離，但精度和抗干擾程度不如耦合式紅外對(duì)管。endprint

2.2.2 剩余藥量監(jiān)測(cè)方案

本系統(tǒng)采用計(jì)算點(diǎn)滴數(shù)量和輸液總量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@種方式既能夠保障輸液精度，又能夠監(jiān)測(cè)到靜脈輸液時(shí)滴液的速度。醫(yī)院現(xiàn)有常用的輸液管分別為10滴/毫升、15滴/毫升、20滴/毫升三種。目前輸液瓶的容量有100毫升、250毫升、500毫升三種。根據(jù)輸液瓶的容量、點(diǎn)滴計(jì)數(shù)值、點(diǎn)滴系數(shù)，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種能夠計(jì)算剩余液量的算法。并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定當(dāng)前藥液的剩余量為藥液總量的5%時(shí)為輸液警戒線(xiàn)，這個(gè)時(shí)候需要輸出報(bào)警信號(hào)。

2.2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)控制器選型

由于考慮到下位機(jī)軟件編程的簡(jiǎn)易性，本設(shè)計(jì)采用ATMEGA128L芯片作為下位機(jī)的控制器。用ATMEGA128L芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。Atmega128L是一款高性能、低功耗的8位處理器，基于增強(qiáng)型RISC體系架構(gòu)，內(nèi)部集成了128kB閃存、4kBEEPROM以及SKBSRAM、2路8比特Timer、4路、8通道10比特ADC、54路可編程I/O口、看門(mén)狗等。使用該款單片機(jī)可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法和控制、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)通信外，還可以同時(shí)連接幾個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)輸液完成時(shí)的自動(dòng)切換功能[2]。

2.2.4 無(wú)線(xiàn)通信方式選擇

傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感器匯集節(jié)點(diǎn)的通信采用無(wú)線(xiàn)通信。由于本論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其應(yīng)用場(chǎng)景是醫(yī)院環(huán)境。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)院環(huán)境進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，必須遵循特定的協(xié)議規(guī)范。Zigbee協(xié)議主要應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制的多種硬件設(shè)備之中，它的主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功耗較低、短距傳輸、網(wǎng)絡(luò)自組織、成本較低、實(shí)現(xiàn)距離近等，一般應(yīng)用在嵌入式設(shè)備當(dāng)中?？傊琙igbee協(xié)議以短小、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、通訊距離近、能耗小等特點(diǎn)，在無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通訊技術(shù)方面獲得了大量的應(yīng)用[3]。

3 下位機(jī)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（Design and implementation of the slave computer hardware）

3.1 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)原則

下位機(jī)負(fù)責(zé)信息的采集和發(fā)送，該系統(tǒng)下位機(jī)包括軟硬件兩個(gè)部分，兩者相輔相成，不可分割。硬件設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，軟件設(shè)計(jì)是硬件功能實(shí)現(xiàn)的保障，要使系統(tǒng)達(dá)到最佳的實(shí)現(xiàn)效果，必須在硬件和軟件之間做好權(quán)衡。

下位機(jī)的硬件在保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠性方面發(fā)揮著積極的作用，是靜脈輸液監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容。故本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須遵循可靠、經(jīng)濟(jì)、易用，有一定抗干擾能力的原則。

3.2 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)框架

下位機(jī)硬件框架如圖2所示。ATMEGA128L單片機(jī)是下位機(jī)的主控芯片。光電傳感器對(duì)耦合式紅外滴管中的滴速信號(hào)進(jìn)行采集，采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列的整形放大后，被送到ATMEGA128L單片機(jī)。然后單片機(jī)將要發(fā)送的內(nèi)容傳送給CC2420 Zigbee傳輸芯片，該芯片負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳送到匯集節(jié)點(diǎn)中。另外該下位機(jī)附帶電路有硬件復(fù)位電路和異常報(bào)警電路用于異常處理。電源電路負(fù)責(zé)為整個(gè)下位機(jī)供電。SPI通信電路負(fù)責(zé)兩部分任務(wù)，一是負(fù)責(zé)與Zigbee通信電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，二是負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。SPI通信電路與上位機(jī)數(shù)據(jù)交互時(shí)又可以設(shè)置為兩種模式：（1）下載模式，能夠通過(guò)PC機(jī)更新控制芯片中的控制邏輯；（2）通信模式，能夠通過(guò)串口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（主要用于與PC相連的匯集節(jié)點(diǎn)）[4]。

4 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（Design and realization of the host software system）

為實(shí)現(xiàn)醫(yī)院輸液科管理的智能化，提高輸液的精度，降低護(hù)理人員工作的強(qiáng)度，同時(shí)從市場(chǎng)推廣的角度考慮，上位機(jī)良好的界面設(shè)計(jì)顯得非常重要，為此開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了基于Microsoft WPF的動(dòng)態(tài)應(yīng)用界面，使得其有友好的用戶(hù)界面、易于操作、方便使用。

4.1 上位機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu)

上位機(jī)軟件運(yùn)行在護(hù)理工作站PC上，負(fù)責(zé)提供人機(jī)操作界面、輸液進(jìn)度和速度自動(dòng)監(jiān)測(cè)及可視化告警功能，并提供與其它信息管理系統(tǒng)的接口。該軟件記錄所有藥液在不同液滴速度下的液滴大小，作為調(diào)節(jié)參數(shù)，估算輸液進(jìn)度和速度。在新增輸液操作中通過(guò)患者標(biāo)識(shí)從現(xiàn)有的醫(yī)療信息管理系統(tǒng)中導(dǎo)入。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的輸液進(jìn)度、速度和異常情況，上位機(jī)軟件提供可視化的輸液監(jiān)控界面。

上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)采用MVP框架模式。MVP框架模式與MVC模式有著非常密切的聯(lián)系，它是MVC模式的繼承和發(fā)展，所以?xún)烧呋镜乃枷敕浅Ｏ嗨疲貏e是在體系結(jié)構(gòu)當(dāng)中，部分層的功能作用也很相似。同時(shí)，它們也有明顯的不同之處，主要表現(xiàn)在MVP框架中數(shù)據(jù)的請(qǐng)求和傳遞方式等都必須通過(guò)Controlle中轉(zhuǎn)，這樣做的目的是實(shí)現(xiàn)Model和View之間的隔離，從而能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)上位機(jī)軟件的界面設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)邏輯代碼的隔離開(kāi)，使工作效率顯著提升。也就是說(shuō)，藥液滴下以后，匯集節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)包之后，通過(guò)串口向PC端上傳數(shù)據(jù)，PC端分析數(shù)據(jù)包更改MODEL層內(nèi)容，然后通過(guò)PRESENTER將數(shù)據(jù)傳遞給VIEW，VIEW一秒鐘刷新一次。另外，系統(tǒng)結(jié)合了工廠(chǎng)模式、單件模式等思想，使得系統(tǒng)具有高內(nèi)聚、松耦合的特征，極大的便于維護(hù)與二次開(kāi)發(fā)。

4.2 系統(tǒng)可靠性保障機(jī)制

4.2.1 精度保障

為保證系統(tǒng)的可用性，本文對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度和可靠性做了大量實(shí)驗(yàn)。

首先本文分析了藥液性質(zhì)對(duì)液滴大小的影響。本文設(shè)定滴液速度、輸液管型號(hào)等參數(shù)，對(duì)每種不同的藥液反復(fù)測(cè)試相同容量藥液的液滴數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1數(shù)據(jù)表明不同的藥液種類(lèi)對(duì)每毫升藥液的滴數(shù)是不同的，所以系統(tǒng)通過(guò)微調(diào)算法，將藥液種類(lèi)也作為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)加以考慮。

其次，本文分析了滴速對(duì)每毫升藥液滴數(shù)的影響，如表2所示。

表2表明滴速與每毫升的滴液數(shù)之間的關(guān)系。通常情況下，速度大將導(dǎo)致較大的液滴，從而每毫升的滴液數(shù)會(huì)變小，該結(jié)果滿(mǎn)足Poiseuille等式Q=（p1-p2）/R。其中，Q表示流量，p1-p2表示輸液管兩端的壓強(qiáng)差，R代表流阻。上位機(jī)軟件的監(jiān)測(cè)模塊會(huì)自動(dòng)設(shè)置微調(diào)參數(shù)來(lái)匹配實(shí)時(shí)的滴液速度，從而保障系統(tǒng)精度。

4.2.2 外部故障

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中會(huì)發(fā)生各式各樣的意外故障，例如節(jié)點(diǎn)電池沒(méi)電或意外復(fù)位；上位機(jī)死機(jī)；通信干擾丟包；病人移動(dòng)導(dǎo)致漏測(cè)；由于用的是紅外線(xiàn)機(jī)制監(jiān)測(cè)滴液滴落，當(dāng)紅外對(duì)管接收端被強(qiáng)烈戶(hù)外光干擾的時(shí)候，紅外對(duì)管失效，針對(duì)不同的情況，本文分別考慮并在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取了對(duì)應(yīng)的解決措施，如表3所示。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文主要設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，主要使用ATMEGA128L與CC2420芯片的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)醫(yī)療監(jiān)護(hù)中靜脈輸液的監(jiān)測(cè)和管理。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液過(guò)程的自動(dòng)化監(jiān)控，醫(yī)務(wù)人員可以通過(guò)PC機(jī)對(duì)整個(gè)輸液過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。減輕了醫(yī)務(wù)人員的工作量，能有效避免輸液過(guò)程中出現(xiàn)的醫(yī)療事故，提高醫(yī)院的自動(dòng)化水平，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 劉寶.ZigBee網(wǎng)絡(luò)及其在醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D]：[碩士學(xué)位論文].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

[2] 蹇強(qiáng)，龔正虎，朱培棟.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報(bào)，2008，19（2）：389-403.

[3] 嚴(yán)君.基于ZIGBEE的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究[D]：[碩士學(xué)位論文].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

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作者簡(jiǎn)介：

沈勤豐（1979-），男，碩士，講師.研究領(lǐng)域：軟件開(kāi)發(fā)，計(jì)算機(jī)軟件教學(xué).endprint

2.2.2 剩余藥量監(jiān)測(cè)方案

本系統(tǒng)采用計(jì)算點(diǎn)滴數(shù)量和輸液總量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@種方式既能夠保障輸液精度，又能夠監(jiān)測(cè)到靜脈輸液時(shí)滴液的速度。醫(yī)院現(xiàn)有常用的輸液管分別為10滴/毫升、15滴/毫升、20滴/毫升三種。目前輸液瓶的容量有100毫升、250毫升、500毫升三種。根據(jù)輸液瓶的容量、點(diǎn)滴計(jì)數(shù)值、點(diǎn)滴系數(shù)，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種能夠計(jì)算剩余液量的算法。并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定當(dāng)前藥液的剩余量為藥液總量的5%時(shí)為輸液警戒線(xiàn)，這個(gè)時(shí)候需要輸出報(bào)警信號(hào)。

2.2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)控制器選型

由于考慮到下位機(jī)軟件編程的簡(jiǎn)易性，本設(shè)計(jì)采用ATMEGA128L芯片作為下位機(jī)的控制器。用ATMEGA128L芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。Atmega128L是一款高性能、低功耗的8位處理器，基于增強(qiáng)型RISC體系架構(gòu)，內(nèi)部集成了128kB閃存、4kBEEPROM以及SKBSRAM、2路8比特Timer、4路、8通道10比特ADC、54路可編程I/O口、看門(mén)狗等。使用該款單片機(jī)可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法和控制、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)通信外，還可以同時(shí)連接幾個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)輸液完成時(shí)的自動(dòng)切換功能[2]。

2.2.4 無(wú)線(xiàn)通信方式選擇

傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感器匯集節(jié)點(diǎn)的通信采用無(wú)線(xiàn)通信。由于本論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其應(yīng)用場(chǎng)景是醫(yī)院環(huán)境。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)院環(huán)境進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，必須遵循特定的協(xié)議規(guī)范。Zigbee協(xié)議主要應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制的多種硬件設(shè)備之中，它的主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功耗較低、短距傳輸、網(wǎng)絡(luò)自組織、成本較低、實(shí)現(xiàn)距離近等，一般應(yīng)用在嵌入式設(shè)備當(dāng)中?？傊?，Zigbee協(xié)議以短小、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、通訊距離近、能耗小等特點(diǎn)，在無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通訊技術(shù)方面獲得了大量的應(yīng)用[3]。

3 下位機(jī)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（Design and implementation of the slave computer hardware）

3.1 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)原則

下位機(jī)負(fù)責(zé)信息的采集和發(fā)送，該系統(tǒng)下位機(jī)包括軟硬件兩個(gè)部分，兩者相輔相成，不可分割。硬件設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，軟件設(shè)計(jì)是硬件功能實(shí)現(xiàn)的保障，要使系統(tǒng)達(dá)到最佳的實(shí)現(xiàn)效果，必須在硬件和軟件之間做好權(quán)衡。

下位機(jī)的硬件在保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠性方面發(fā)揮著積極的作用，是靜脈輸液監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容。故本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須遵循可靠、經(jīng)濟(jì)、易用，有一定抗干擾能力的原則。

3.2 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)框架

下位機(jī)硬件框架如圖2所示。ATMEGA128L單片機(jī)是下位機(jī)的主控芯片。光電傳感器對(duì)耦合式紅外滴管中的滴速信號(hào)進(jìn)行采集，采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列的整形放大后，被送到ATMEGA128L單片機(jī)。然后單片機(jī)將要發(fā)送的內(nèi)容傳送給CC2420 Zigbee傳輸芯片，該芯片負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳送到匯集節(jié)點(diǎn)中。另外該下位機(jī)附帶電路有硬件復(fù)位電路和異常報(bào)警電路用于異常處理。電源電路負(fù)責(zé)為整個(gè)下位機(jī)供電。SPI通信電路負(fù)責(zé)兩部分任務(wù)，一是負(fù)責(zé)與Zigbee通信電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，二是負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。SPI通信電路與上位機(jī)數(shù)據(jù)交互時(shí)又可以設(shè)置為兩種模式：（1）下載模式，能夠通過(guò)PC機(jī)更新控制芯片中的控制邏輯；（2）通信模式，能夠通過(guò)串口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（主要用于與PC相連的匯集節(jié)點(diǎn)）[4]。

4 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（Design and realization of the host software system）

為實(shí)現(xiàn)醫(yī)院輸液科管理的智能化，提高輸液的精度，降低護(hù)理人員工作的強(qiáng)度，同時(shí)從市場(chǎng)推廣的角度考慮，上位機(jī)良好的界面設(shè)計(jì)顯得非常重要，為此開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了基于Microsoft WPF的動(dòng)態(tài)應(yīng)用界面，使得其有友好的用戶(hù)界面、易于操作、方便使用。

4.1 上位機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu)

上位機(jī)軟件運(yùn)行在護(hù)理工作站PC上，負(fù)責(zé)提供人機(jī)操作界面、輸液進(jìn)度和速度自動(dòng)監(jiān)測(cè)及可視化告警功能，并提供與其它信息管理系統(tǒng)的接口。該軟件記錄所有藥液在不同液滴速度下的液滴大小，作為調(diào)節(jié)參數(shù)，估算輸液進(jìn)度和速度。在新增輸液操作中通過(guò)患者標(biāo)識(shí)從現(xiàn)有的醫(yī)療信息管理系統(tǒng)中導(dǎo)入。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的輸液進(jìn)度、速度和異常情況，上位機(jī)軟件提供可視化的輸液監(jiān)控界面。

上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)采用MVP框架模式。MVP框架模式與MVC模式有著非常密切的聯(lián)系，它是MVC模式的繼承和發(fā)展，所以?xún)烧呋镜乃枷敕浅Ｏ嗨?，特別是在體系結(jié)構(gòu)當(dāng)中，部分層的功能作用也很相似。同時(shí)，它們也有明顯的不同之處，主要表現(xiàn)在MVP框架中數(shù)據(jù)的請(qǐng)求和傳遞方式等都必須通過(guò)Controlle中轉(zhuǎn)，這樣做的目的是實(shí)現(xiàn)Model和View之間的隔離，從而能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)上位機(jī)軟件的界面設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)邏輯代碼的隔離開(kāi)，使工作效率顯著提升。也就是說(shuō)，藥液滴下以后，匯集節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)包之后，通過(guò)串口向PC端上傳數(shù)據(jù)，PC端分析數(shù)據(jù)包更改MODEL層內(nèi)容，然后通過(guò)PRESENTER將數(shù)據(jù)傳遞給VIEW，VIEW一秒鐘刷新一次。另外，系統(tǒng)結(jié)合了工廠(chǎng)模式、單件模式等思想，使得系統(tǒng)具有高內(nèi)聚、松耦合的特征，極大的便于維護(hù)與二次開(kāi)發(fā)。

4.2 系統(tǒng)可靠性保障機(jī)制

4.2.1 精度保障

為保證系統(tǒng)的可用性，本文對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度和可靠性做了大量實(shí)驗(yàn)。

首先本文分析了藥液性質(zhì)對(duì)液滴大小的影響。本文設(shè)定滴液速度、輸液管型號(hào)等參數(shù)，對(duì)每種不同的藥液反復(fù)測(cè)試相同容量藥液的液滴數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1數(shù)據(jù)表明不同的藥液種類(lèi)對(duì)每毫升藥液的滴數(shù)是不同的，所以系統(tǒng)通過(guò)微調(diào)算法，將藥液種類(lèi)也作為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)加以考慮。

其次，本文分析了滴速對(duì)每毫升藥液滴數(shù)的影響，如表2所示。

表2表明滴速與每毫升的滴液數(shù)之間的關(guān)系。通常情況下，速度大將導(dǎo)致較大的液滴，從而每毫升的滴液數(shù)會(huì)變小，該結(jié)果滿(mǎn)足Poiseuille等式Q=（p1-p2）/R。其中，Q表示流量，p1-p2表示輸液管兩端的壓強(qiáng)差，R代表流阻。上位機(jī)軟件的監(jiān)測(cè)模塊會(huì)自動(dòng)設(shè)置微調(diào)參數(shù)來(lái)匹配實(shí)時(shí)的滴液速度，從而保障系統(tǒng)精度。

4.2.2 外部故障

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中會(huì)發(fā)生各式各樣的意外故障，例如節(jié)點(diǎn)電池沒(méi)電或意外復(fù)位；上位機(jī)死機(jī)；通信干擾丟包；病人移動(dòng)導(dǎo)致漏測(cè)；由于用的是紅外線(xiàn)機(jī)制監(jiān)測(cè)滴液滴落，當(dāng)紅外對(duì)管接收端被強(qiáng)烈戶(hù)外光干擾的時(shí)候，紅外對(duì)管失效，針對(duì)不同的情況，本文分別考慮并在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取了對(duì)應(yīng)的解決措施，如表3所示。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文主要設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，主要使用ATMEGA128L與CC2420芯片的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)醫(yī)療監(jiān)護(hù)中靜脈輸液的監(jiān)測(cè)和管理。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液過(guò)程的自動(dòng)化監(jiān)控，醫(yī)務(wù)人員可以通過(guò)PC機(jī)對(duì)整個(gè)輸液過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。減輕了醫(yī)務(wù)人員的工作量，能有效避免輸液過(guò)程中出現(xiàn)的醫(yī)療事故，提高醫(yī)院的自動(dòng)化水平，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 劉寶.ZigBee網(wǎng)絡(luò)及其在醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D]：[碩士學(xué)位論文].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

[2] 蹇強(qiáng)，龔正虎，朱培棟.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報(bào)，2008，19（2）：389-403.

[3] 嚴(yán)君.基于ZIGBEE的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究[D]：[碩士學(xué)位論文].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

[4] 鄭學(xué)梅，鄔春明，曲朝陽(yáng).基于ZIGBEE無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的病患監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].科學(xué)創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009，33（2）：11-16.

作者簡(jiǎn)介：

沈勤豐（1979-），男，碩士，講師.研究領(lǐng)域：軟件開(kāi)發(fā)，計(jì)算機(jī)軟件教學(xué).endprint

2.2.2 剩余藥量監(jiān)測(cè)方案

本系統(tǒng)采用計(jì)算點(diǎn)滴數(shù)量和輸液總量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@種方式既能夠保障輸液精度，又能夠監(jiān)測(cè)到靜脈輸液時(shí)滴液的速度。醫(yī)院現(xiàn)有常用的輸液管分別為10滴/毫升、15滴/毫升、20滴/毫升三種。目前輸液瓶的容量有100毫升、250毫升、500毫升三種。根據(jù)輸液瓶的容量、點(diǎn)滴計(jì)數(shù)值、點(diǎn)滴系數(shù)，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種能夠計(jì)算剩余液量的算法。并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定當(dāng)前藥液的剩余量為藥液總量的5%時(shí)為輸液警戒線(xiàn)，這個(gè)時(shí)候需要輸出報(bào)警信號(hào)。

2.2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)控制器選型

由于考慮到下位機(jī)軟件編程的簡(jiǎn)易性，本設(shè)計(jì)采用ATMEGA128L芯片作為下位機(jī)的控制器。用ATMEGA128L芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。Atmega128L是一款高性能、低功耗的8位處理器，基于增強(qiáng)型RISC體系架構(gòu)，內(nèi)部集成了128kB閃存、4kBEEPROM以及SKBSRAM、2路8比特Timer、4路、8通道10比特ADC、54路可編程I/O口、看門(mén)狗等。使用該款單片機(jī)可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法和控制、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)通信外，還可以同時(shí)連接幾個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)輸液完成時(shí)的自動(dòng)切換功能[2]。

2.2.4 無(wú)線(xiàn)通信方式選擇

傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感器匯集節(jié)點(diǎn)的通信采用無(wú)線(xiàn)通信。由于本論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其應(yīng)用場(chǎng)景是醫(yī)院環(huán)境。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)院環(huán)境進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，必須遵循特定的協(xié)議規(guī)范。Zigbee協(xié)議主要應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制的多種硬件設(shè)備之中，它的主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功耗較低、短距傳輸、網(wǎng)絡(luò)自組織、成本較低、實(shí)現(xiàn)距離近等，一般應(yīng)用在嵌入式設(shè)備當(dāng)中?？傊琙igbee協(xié)議以短小、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、通訊距離近、能耗小等特點(diǎn)，在無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通訊技術(shù)方面獲得了大量的應(yīng)用[3]。

3 下位機(jī)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（Design and implementation of the slave computer hardware）

3.1 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)原則

下位機(jī)負(fù)責(zé)信息的采集和發(fā)送，該系統(tǒng)下位機(jī)包括軟硬件兩個(gè)部分，兩者相輔相成，不可分割。硬件設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，軟件設(shè)計(jì)是硬件功能實(shí)現(xiàn)的保障，要使系統(tǒng)達(dá)到最佳的實(shí)現(xiàn)效果，必須在硬件和軟件之間做好權(quán)衡。

下位機(jī)的硬件在保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠性方面發(fā)揮著積極的作用，是靜脈輸液監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容。故本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須遵循可靠、經(jīng)濟(jì)、易用，有一定抗干擾能力的原則。

3.2 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)框架

下位機(jī)硬件框架如圖2所示。ATMEGA128L單片機(jī)是下位機(jī)的主控芯片。光電傳感器對(duì)耦合式紅外滴管中的滴速信號(hào)進(jìn)行采集，采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列的整形放大后，被送到ATMEGA128L單片機(jī)。然后單片機(jī)將要發(fā)送的內(nèi)容傳送給CC2420 Zigbee傳輸芯片，該芯片負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳送到匯集節(jié)點(diǎn)中。另外該下位機(jī)附帶電路有硬件復(fù)位電路和異常報(bào)警電路用于異常處理。電源電路負(fù)責(zé)為整個(gè)下位機(jī)供電。SPI通信電路負(fù)責(zé)兩部分任務(wù)，一是負(fù)責(zé)與Zigbee通信電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，二是負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。SPI通信電路與上位機(jī)數(shù)據(jù)交互時(shí)又可以設(shè)置為兩種模式：（1）下載模式，能夠通過(guò)PC機(jī)更新控制芯片中的控制邏輯；（2）通信模式，能夠通過(guò)串口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（主要用于與PC相連的匯集節(jié)點(diǎn)）[4]。

4 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（Design and realization of the host software system）

為實(shí)現(xiàn)醫(yī)院輸液科管理的智能化，提高輸液的精度，降低護(hù)理人員工作的強(qiáng)度，同時(shí)從市場(chǎng)推廣的角度考慮，上位機(jī)良好的界面設(shè)計(jì)顯得非常重要，為此開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了基于Microsoft WPF的動(dòng)態(tài)應(yīng)用界面，使得其有友好的用戶(hù)界面、易于操作、方便使用。

4.1 上位機(jī)軟件體系結(jié)構(gòu)

上位機(jī)軟件運(yùn)行在護(hù)理工作站PC上，負(fù)責(zé)提供人機(jī)操作界面、輸液進(jìn)度和速度自動(dòng)監(jiān)測(cè)及可視化告警功能，并提供與其它信息管理系統(tǒng)的接口。該軟件記錄所有藥液在不同液滴速度下的液滴大小，作為調(diào)節(jié)參數(shù)，估算輸液進(jìn)度和速度。在新增輸液操作中通過(guò)患者標(biāo)識(shí)從現(xiàn)有的醫(yī)療信息管理系統(tǒng)中導(dǎo)入。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的輸液進(jìn)度、速度和異常情況，上位機(jī)軟件提供可視化的輸液監(jiān)控界面。

上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)采用MVP框架模式。MVP框架模式與MVC模式有著非常密切的聯(lián)系，它是MVC模式的繼承和發(fā)展，所以?xún)烧呋镜乃枷敕浅Ｏ嗨疲貏e是在體系結(jié)構(gòu)當(dāng)中，部分層的功能作用也很相似。同時(shí)，它們也有明顯的不同之處，主要表現(xiàn)在MVP框架中數(shù)據(jù)的請(qǐng)求和傳遞方式等都必須通過(guò)Controlle中轉(zhuǎn)，這樣做的目的是實(shí)現(xiàn)Model和View之間的隔離，從而能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)上位機(jī)軟件的界面設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)邏輯代碼的隔離開(kāi)，使工作效率顯著提升。也就是說(shuō)，藥液滴下以后，匯集節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)包之后，通過(guò)串口向PC端上傳數(shù)據(jù)，PC端分析數(shù)據(jù)包更改MODEL層內(nèi)容，然后通過(guò)PRESENTER將數(shù)據(jù)傳遞給VIEW，VIEW一秒鐘刷新一次。另外，系統(tǒng)結(jié)合了工廠(chǎng)模式、單件模式等思想，使得系統(tǒng)具有高內(nèi)聚、松耦合的特征，極大的便于維護(hù)與二次開(kāi)發(fā)。

4.2 系統(tǒng)可靠性保障機(jī)制

4.2.1 精度保障

為保證系統(tǒng)的可用性，本文對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度和可靠性做了大量實(shí)驗(yàn)。

首先本文分析了藥液性質(zhì)對(duì)液滴大小的影響。本文設(shè)定滴液速度、輸液管型號(hào)等參數(shù)，對(duì)每種不同的藥液反復(fù)測(cè)試相同容量藥液的液滴數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1數(shù)據(jù)表明不同的藥液種類(lèi)對(duì)每毫升藥液的滴數(shù)是不同的，所以系統(tǒng)通過(guò)微調(diào)算法，將藥液種類(lèi)也作為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)加以考慮。

其次，本文分析了滴速對(duì)每毫升藥液滴數(shù)的影響，如表2所示。

表2表明滴速與每毫升的滴液數(shù)之間的關(guān)系。通常情況下，速度大將導(dǎo)致較大的液滴，從而每毫升的滴液數(shù)會(huì)變小，該結(jié)果滿(mǎn)足Poiseuille等式Q=（p1-p2）/R。其中，Q表示流量，p1-p2表示輸液管兩端的壓強(qiáng)差，R代表流阻。上位機(jī)軟件的監(jiān)測(cè)模塊會(huì)自動(dòng)設(shè)置微調(diào)參數(shù)來(lái)匹配實(shí)時(shí)的滴液速度，從而保障系統(tǒng)精度。

4.2.2 外部故障

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中會(huì)發(fā)生各式各樣的意外故障，例如節(jié)點(diǎn)電池沒(méi)電或意外復(fù)位；上位機(jī)死機(jī)；通信干擾丟包；病人移動(dòng)導(dǎo)致漏測(cè)；由于用的是紅外線(xiàn)機(jī)制監(jiān)測(cè)滴液滴落，當(dāng)紅外對(duì)管接收端被強(qiáng)烈戶(hù)外光干擾的時(shí)候，紅外對(duì)管失效，針對(duì)不同的情況，本文分別考慮并在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取了對(duì)應(yīng)的解決措施，如表3所示。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文主要設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，主要使用ATMEGA128L與CC2420芯片的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)醫(yī)療監(jiān)護(hù)中靜脈輸液的監(jiān)測(cè)和管理。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液過(guò)程的自動(dòng)化監(jiān)控，醫(yī)務(wù)人員可以通過(guò)PC機(jī)對(duì)整個(gè)輸液過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。減輕了醫(yī)務(wù)人員的工作量，能有效避免輸液過(guò)程中出現(xiàn)的醫(yī)療事故，提高醫(yī)院的自動(dòng)化水平，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 劉寶.ZigBee網(wǎng)絡(luò)及其在醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D]：[碩士學(xué)位論文].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

[2] 蹇強(qiáng)，龔正虎，朱培棟.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報(bào)，2008，19（2）：389-403.

[3] 嚴(yán)君.基于ZIGBEE的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究[D]：[碩士學(xué)位論文].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

[4] 鄭學(xué)梅，鄔春明，曲朝陽(yáng).基于ZIGBEE無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的病患監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].科學(xué)創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009，33（2）：11-16.

作者簡(jiǎn)介：

沈勤豐（1979-），男，碩士，講師.研究領(lǐng)域：軟件開(kāi)發(fā)，計(jì)算機(jī)軟件教學(xué).endprint