基于藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)的智能醫(yī)療輸液平臺(tái)的設(shè)計(jì)

張閃銘++李陽(yáng)陽(yáng)++沈晨++閆天賜++陳賢素++沈艷霞

摘 要：目前輸液監(jiān)控普遍采用人工控制方式，為解決醫(yī)用輸液監(jiān)控存在低效、不人性化的缺點(diǎn)，文中設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括智能輸液監(jiān)控器（硬件）和遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控平臺(tái)（軟件）兩部分，以STC89C52單片機(jī)為控制核心，采用紅外傳感器對(duì)液滴進(jìn)行檢測(cè)，利用步進(jìn)電機(jī)結(jié)合調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)液滴滴速的調(diào)節(jié)。利用無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或遠(yuǎn)程操作輸液過(guò)程的速度控制和自動(dòng)切斷，以及對(duì)多臺(tái)輸液監(jiān)控器裝置的監(jiān)控與預(yù)警管理。該設(shè)計(jì)很好地響應(yīng)了智慧醫(yī)療，對(duì)提高醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)高效運(yùn)行具有較好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能輸液；監(jiān)控平臺(tái)；藍(lán)牙技術(shù)；智慧醫(yī)療

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）10-0-04

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)啟了萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，并且隨著智慧城市建設(shè)的加速推進(jìn)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)各行業(yè)的逐步滲透，“智慧+”概念應(yīng)運(yùn)而生，諸如智慧能源、智慧交通、智慧醫(yī)療等“遍地開(kāi)花”，可以說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給各行業(yè)帶來(lái)了產(chǎn)業(yè)模式上的“新革命”。智慧醫(yī)療作為智慧城市的重要組成部分，更受到重要影響。作為醫(yī)療系統(tǒng)中平常卻至關(guān)重要的一環(huán)，輸液系統(tǒng)的智能化程度還不夠高，如今大多數(shù)醫(yī)院靜脈輸液控制主要采用人工方式，由病房端發(fā)出警報(bào)信號(hào)，人工監(jiān)控藥液的輸入情況，這種人為監(jiān)控模式很有可能因?yàn)榛颊叩氖韬鲈斐舍t(yī)療事故，存在安全隱患[1，2]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙通信的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)，采用紅外檢測(cè)、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液滴速的控制、顯示、自動(dòng)關(guān)斷以及聲光報(bào)警，并通過(guò)連接上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控人員通過(guò)上位機(jī)在監(jiān)控室內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)病房的輸液控制，大大節(jié)省人力，減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作壓力。此外，本系統(tǒng)還具有短信提醒功能，且整體安裝方便、監(jiān)控精準(zhǔn)、成本低廉。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括智能輸液監(jiān)控部分和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊。其中智能輸液監(jiān)控部分采用STC89C52型單片機(jī)，最小系統(tǒng)為控制器，附以液滴滴速信號(hào)采集、按鍵輸入、顯示輸出、控制器件輸出和無(wú)線通信電路[3，4]。

設(shè)計(jì)出一種能夠控制輸液速度的控速閥，配合步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)輸液速度控制，通過(guò)紅外檢測(cè)系統(tǒng)以及人機(jī)交互模塊形成下位機(jī)[5]。

系統(tǒng)采用CC2541低功率藍(lán)牙模塊4.0、GSM模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信傳輸功能。系統(tǒng)實(shí)物具有一體化便攜等特點(diǎn)。

系統(tǒng)利用紅外傳感模塊實(shí)時(shí)采集液滴滴速，反饋到控制器由控制器程序進(jìn)行計(jì)算，并與預(yù)設(shè)的數(shù)值進(jìn)行比較，從而由控制器發(fā)出相應(yīng)的命令，指揮相應(yīng)的硬件單元做出相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)控制器也將采集所得的數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控平臺(tái)，在上位機(jī)進(jìn)行顯示監(jiān)控，同時(shí)給護(hù)士手機(jī)發(fā)送信息，進(jìn)行更換藥液的操作，實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)運(yùn)行。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成整體框圖

根據(jù)輸液檢測(cè)控制器的功能要求，設(shè)計(jì)了圖2所示的系統(tǒng)硬件框圖。

輸液檢測(cè)部分采用STC89C52作為微處理器，蜂鳴器和二極管用于聲光報(bào)警，LCD1602顯示屏作為硬件顯示模塊，GSM模塊作為通信模塊，通過(guò)按鍵進(jìn)行信號(hào)的輸入，用DM542驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)作為液滴控速器。

2.2 滴速檢測(cè)模塊

液滴速度的檢測(cè)采用紅外傳感器。紅外對(duì)管傳感器由紅外發(fā)射管和受光管組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)電—紅外線—電的轉(zhuǎn)換。由于紅外光波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)，受環(huán)境中的可見(jiàn)光影響較小，其紅外系統(tǒng)具有尺寸小、重量輕、安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)。因此可作為檢測(cè)液滴滴速的首選傳感器。

液滴檢測(cè)采用紅外對(duì)管發(fā)射接收，對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，測(cè)量誤差小于±2滴。其具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)比較器電路處理，綠色指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字低電平信號(hào)[6]。低電平信號(hào)由單片機(jī)中斷收集。計(jì)數(shù)檢測(cè)電路如圖3所示。可通過(guò)電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，根據(jù)接收到的光強(qiáng)強(qiáng)弱判斷是否有液滴滴下[7]。檢測(cè)電路如圖4所示。

在液滴落下時(shí)會(huì)阻擋接收管接收紅外線，模塊便產(chǎn)生一組脈沖。當(dāng)微處理器檢測(cè)到中斷口由1到0的邏輯跳變時(shí)，表明有一滴液體滴下。

每5 s刷新一次，采集5 s內(nèi)的液滴滴數(shù)，得到速度，剩余時(shí)間通過(guò)總體積計(jì)算。

設(shè)液滴總滴數(shù)為M，計(jì)時(shí)器每5 s刷新一次，在5 s內(nèi)記錄的液滴滴數(shù)為N，則在這5 s內(nèi)的平均速度=N/5。在液滴開(kāi)始滴落時(shí)，記錄該次測(cè)量之前的液滴總滴數(shù)P和刷新次數(shù)f。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量以及實(shí)驗(yàn)，標(biāo)定液滴的體積約為1/21 mL，顯示剩余時(shí)間為：

2.3 液滴控速模塊

控速是以擠壓輸液管控制液滴速度為依據(jù)，采用橢圓形樹(shù)脂片，與電機(jī)輸出軸同軸嵌套。電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度不同，樹(shù)脂片對(duì)輸液管的擠壓程度不同，從而使得液滴滴速亦不同。

其中樹(shù)脂片為橢圓形，且模型擠壓側(cè)布有均勻的凹凸齒，可增大動(dòng)摩擦因數(shù)，減少兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度與橢圓形模型轉(zhuǎn)過(guò)的角度相等。

輸液管也被固定在執(zhí)行單元，即固定于圖5所示的“凸”字形模型中，模型內(nèi)壁對(duì)輸液管的支撐使得橢圓形模型能夠按一定角度擠壓到輸液管，不隨橢圓形模型的轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由工作原理可知，液滴滴速與橢圓形模型的旋轉(zhuǎn)角度，即電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度成一定關(guān)系，但在調(diào)節(jié)過(guò)程中，由于橡膠粘度與液滴粘度，以及橢圓形模型的彈性模量等因素均為非線性控制量，且移動(dòng)距離、移動(dòng)阻力、對(duì)輸液管的壓力等參數(shù)也難以計(jì)算，只可通過(guò)對(duì)多個(gè)角度采樣得到相應(yīng)的液滴滴速來(lái)分析兩者之間的關(guān)系。

因此，液滴滴速調(diào)節(jié)范圍被設(shè)置為4個(gè)檔位。據(jù)了解，不同的年齡、疾病、病程和藥物，以及病人個(gè)體差異和靜脈狀況對(duì)靜脈輸液的適宜速度有著不同的要求。endprint

但由于影響因素過(guò)多，因此只從年齡因素入手，忽略特殊體質(zhì)患者，設(shè)置四個(gè)檔位，分別是青年檔、中年檔、老年檔以及復(fù)位檔，檔位可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，從上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。具體檔位參數(shù)見(jiàn)表1所列。

2.4 人機(jī)接口模塊

調(diào)節(jié)液滴滴速的方法主要有兩種：上位機(jī)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)。手動(dòng)調(diào)速是通過(guò)對(duì)按鈕動(dòng)作，形成信號(hào)，輸入控制器得以執(zhí)行。按鈕面板一共設(shè)置了8個(gè)按鈕，其功能見(jiàn)表2所列。

液滴的滴速也可以通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制。護(hù)士可以在上位機(jī)界面直接修改速度、毫升量等參數(shù)，這些被修改的數(shù)據(jù)信息將會(huì)作為命令通過(guò)藍(lán)牙傳送至下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制電機(jī)設(shè)備。

此外，當(dāng)傳感器檢測(cè)到液滴滴速為零時(shí)，電機(jī)會(huì)控制橢圓形齒輪壓緊輸液管使其關(guān)斷，以避免輸液完畢，病人、護(hù)士均未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致血液回流的危險(xiǎn)狀況發(fā)生。

2.5 下位機(jī)顯示模塊

本系統(tǒng)采用LCD1602顯示屏對(duì)輸液系統(tǒng)的滴速以及剩余時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示[8]。其與單片機(jī)的硬件連接如圖6所示。

LCD1602的并行數(shù)據(jù)接口與單片機(jī)的P0口相連，進(jìn)行并行數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)的P1.2口作為使能端口，P1.0作為命令/數(shù)據(jù)選擇引腳，P1.1作為讀/寫(xiě)選擇引腳。

顯示模塊可實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）對(duì)患者靜脈輸液過(guò)程中點(diǎn)滴滴速進(jìn)行檢測(cè)并通過(guò)LCD1602顯示屏顯示；

（2）通過(guò)單片機(jī)計(jì)算點(diǎn)滴滴速及點(diǎn)滴剩余時(shí)間，通過(guò)LCD1602顯示屏顯示；

（3）通過(guò)單片機(jī)計(jì)算，在點(diǎn)滴即將結(jié)束時(shí)發(fā)出點(diǎn)滴結(jié)束提醒信號(hào)；

（4）利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定傳輸患者的地址、點(diǎn)滴結(jié)束提醒、患者當(dāng)前點(diǎn)滴滴速、點(diǎn)滴剩余時(shí)間等信號(hào)至監(jiān)控平臺(tái)。

2.6 通信傳輸模塊

藍(lán)牙部分利用一對(duì)藍(lán)牙進(jìn)行主從通訊，一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備以主模式發(fā)起呼叫時(shí)，藍(lán)牙主端設(shè)備發(fā)起呼叫，查找周圍處于可被查找的藍(lán)牙設(shè)備。主端設(shè)備找到從端藍(lán)牙設(shè)備后，與從端藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行配對(duì)，配對(duì)完成后，從端藍(lán)牙設(shè)備會(huì)記錄主端設(shè)備的信息。已配對(duì)的設(shè)備，作為從端的藍(lán)牙耳機(jī)也可以發(fā)起建鏈請(qǐng)求，但作為數(shù)據(jù)通訊的藍(lán)牙模塊一般不發(fā)起呼叫。鏈路建立成功后，主從兩端之間即可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信[9]。

在通信狀態(tài)下，從端藍(lán)牙設(shè)備將下位機(jī)檢測(cè)的滴速、5 s內(nèi)液滴數(shù)以及剩余時(shí)間發(fā)送至上位機(jī)，主端藍(lán)牙設(shè)備可發(fā)送調(diào)速信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)速結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)速控制在限定范圍內(nèi)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括控制器軟件及上位機(jī)監(jiān)控軟件?？刂破鬈浖O(shè)計(jì)基于STC89C52主控芯片的單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)按鍵命令的讀取、LCD1602顯示屏的顯示，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的檢測(cè)以及步進(jìn)電機(jī)控制、通信模塊的傳輸?shù)雀黜?xiàng)功能，上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程監(jiān)控室內(nèi)顯示屏實(shí)時(shí)顯示輸液器液滴滴速和輸液剩余時(shí)間、控制滴速及根據(jù)液滴滴速及時(shí)報(bào)警的功能。

3.1 控制器軟件

控制器軟件的設(shè)計(jì)是在完成硬件調(diào)試的基礎(chǔ)上，采用C語(yǔ)言在Keil5的開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行程序的編寫(xiě)調(diào)試。程序主要由鍵盤(pán)輸入模塊、顯示模塊、機(jī)械控制模塊、通信短信模塊以及檢測(cè)判斷模塊構(gòu)成。

通過(guò)控制，智能輸液器可以在輸液過(guò)程中遠(yuǎn)程對(duì)輸液情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括輸液狀態(tài)和輸液進(jìn)度等參量的管控以及緊急狀態(tài)下的輸液終止操作等[10]，并實(shí)時(shí)與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)控制功能。其流程如圖7所示。

3.2 上位機(jī)軟件功能及流程

上位機(jī)程序主要包括應(yīng)用界面，串口通信與數(shù)據(jù)處理、發(fā)送，報(bào)警系統(tǒng)等主要模塊。

護(hù)士在護(hù)士站可以通過(guò)上位機(jī)程序?qū)颊咻斠呵闆r進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，了解輸液剩余時(shí)間和實(shí)時(shí)滴速。還可以根據(jù)患者的不同情況通過(guò)上位機(jī)對(duì)輸液器液滴滴速進(jìn)行調(diào)整。

上位機(jī)可實(shí)時(shí)顯示輸液器液滴滴速和輸液剩余時(shí)間、控制滴速，并根據(jù)液滴滴速及時(shí)報(bào)警。

上位機(jī)軟件流程如圖8所示。

輸液監(jiān)測(cè)是上位機(jī)程序的核心部分。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)護(hù)士對(duì)患者輸液情況的把控，保證了患者的輸液安全。輸液監(jiān)測(cè)包括顯示剩余時(shí)間，顯示速度，調(diào)控速度和報(bào)警信息。剩余時(shí)間是通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)求平均值后計(jì)算液滴總數(shù)與當(dāng)前滴速積分之差得到的數(shù)值[11]。

調(diào)速功能可以直接通過(guò)上位機(jī)發(fā)出信號(hào)影響下位機(jī)進(jìn)而控制滴速，此功能可以預(yù)防突發(fā)情況，第一時(shí)間保護(hù)患者安全。在特定情況下，報(bào)警模塊通過(guò)速度數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，即指示燈變紅并發(fā)出警報(bào)聲。

3.3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用Qt——跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架搭配Qt Creator進(jìn)行開(kāi)發(fā)，Qt中信號(hào)和槽的機(jī)制滿足需求，較MFC更簡(jiǎn)單，高效。其次利用Qt可視化的UI設(shè)計(jì)使得應(yīng)用界面更簡(jiǎn)潔，實(shí)用。上位機(jī)程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

3.4 上位機(jī)結(jié)果顯示

上位機(jī)界面如圖10所示。可正常顯示剩余時(shí)間、當(dāng)前滴速、速度檔位、報(bào)警燈以及數(shù)據(jù)發(fā)送窗口。

4 結(jié) 語(yǔ)

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，智慧醫(yī)療的理念逐漸深入人心。本文通過(guò)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于輸液的智能監(jiān)控，測(cè)試結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)后液滴滴速精度更高、響應(yīng)速度更快、功能更人性化和便捷化。此系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的典型例證，具有廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用推廣價(jià)值。

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