基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能輸液及體征實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

廣東技術(shù)師范學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院 蔡谷奇 莊鑫財(cái) 曾奕秋 周 釗 周文波 吳培延 朱德海

1 引言

我國(guó)是人口大國(guó)，醫(yī)療問(wèn)題一直是社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)。在現(xiàn)在醫(yī)院的住院模式中，護(hù)士需要用不同的測(cè)量工具分別定時(shí)測(cè)量患者的體溫、心率、血氧等體征數(shù)據(jù)并手動(dòng)記錄這些體征數(shù)據(jù)，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，工作量大。同時(shí)，醫(yī)生查閱患者歷史體征數(shù)據(jù)的過(guò)程也較為繁雜。在病患輸液過(guò)程中，由于不同的藥物要求不同的藥液注入速率，護(hù)士憑借自己的經(jīng)驗(yàn)去調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器，而手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器偶然誤差較大。另外在輸液結(jié)束時(shí)，監(jiān)護(hù)人員需要及時(shí)通知醫(yī)護(hù)人員拔針或換瓶，容易造成醫(yī)療事故。尤其在輸液高峰期，護(hù)士因工作量大，而容易輸錯(cuò)藥液。

針對(duì)傳統(tǒng)人工輸液系統(tǒng)和傳統(tǒng)人工體征檢測(cè)系統(tǒng)人力物力耗費(fèi)大、安全度較低、輸液結(jié)束處理不及時(shí)等缺點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能輸液及體征實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。在今日這個(gè)科技高速發(fā)展的時(shí)代，無(wú)論是醫(yī)院建設(shè)的現(xiàn)代化還是細(xì)及醫(yī)療設(shè)備的智能化及網(wǎng)絡(luò)化都應(yīng)對(duì)現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)的進(jìn)步起到帶動(dòng)作用。但就目前而言，功能較完整，性價(jià)比又比較高的智能輸液及體征實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)卻仍未出現(xiàn)。

2 智能輸液及體征實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 智能輸液及體征實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能輸液及體征實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)由智能輸液設(shè)備、多功能體征檢測(cè)設(shè)備、和終端監(jiān)控系統(tǒng)3部分組成，其中，智能輸液設(shè)備和多功能體征檢測(cè)設(shè)備通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳給NB-IoT模塊NB73，NB-IoT模塊再通過(guò)基站的遠(yuǎn)程通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端監(jiān)控系統(tǒng)。智能輸液及體征實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能輸液及體征實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的整體框圖Fig.1 The overall block diagram of intelligent infusion and sign real-time monitoring system based on narrow-band Internet of things

2.2 智能輸液設(shè)備的設(shè)計(jì)

智能輸液設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

（1）每個(gè)輸液瓶上都附帶有相對(duì)應(yīng)二維碼，記錄著藥品的具體信息，包括名稱、體積密度等，通過(guò)掃碼與患者藥方進(jìn)行匹配，防止輸錯(cuò)藥液造成安全事故。

（2）輸液過(guò)程中，應(yīng)變片電橋與AD轉(zhuǎn)換芯片AH711構(gòu)成的重量傳感器可實(shí)時(shí)檢測(cè)出藥瓶的重量并結(jié)合二維碼的信息換算出藥液的剩余量；在輸液即將結(jié)束時(shí)，通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程通訊方式通知終端的監(jiān)控系統(tǒng)的護(hù)士前來(lái)處理。

（3）另外，置于茂菲氏滴管兩側(cè)的紅外線對(duì)管時(shí)刻監(jiān)控著滴液速度，并自帶滴速異常識(shí)別功能，而且可將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程通訊方式傳輸至終端監(jiān)控系統(tǒng)處理與存儲(chǔ)，并且護(hù)士可遠(yuǎn)程控制患者的輸液速度。

（4）自主設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用了精度高且穩(wěn)定可靠的數(shù)字舵機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪，碾壓輸液管改變輸液管截面積以達(dá)到精準(zhǔn)控制滴液速度的目的；同時(shí)，在輸液結(jié)束的時(shí)候可自動(dòng)并且及時(shí)地緊壓輸液管，防止病患血液倒流。

（5）滴速控制器公式：

其中，

output：控制器輸出量

ds：設(shè)定滴速

dt：當(dāng)前滴速

angle：舵機(jī)角度

s1、s2：狀態(tài)量，快速啟動(dòng)時(shí)：s1=1、s2=0；細(xì)調(diào)時(shí)：s1=0、s2=1。

圖2 智能輸液設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Frame diagram of intelligent infusion equipment

圖3 多功能體征檢測(cè)設(shè)備的框圖Fig 3 Block diagram of functional physical sign testing equipment

2.3 多功能體征檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)

多功能體征檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和界面分別如圖3和如圖4所示，多功能體征檢測(cè)設(shè)備首先能對(duì)患者進(jìn)行選擇，以便將檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳到終端存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)患者的數(shù)據(jù)庫(kù)中；選擇對(duì)應(yīng)的患者之后，在輸液之前可以用掃碼攝像頭掃描藥瓶的二維碼進(jìn)行藥液匹配；輸液過(guò)程也可以通過(guò)圖4的第三個(gè)界面對(duì)對(duì)應(yīng)患者的輸液目標(biāo)滴速進(jìn)行設(shè)定。在體征檢測(cè)過(guò)程則可通過(guò)體溫傳感器、心率血氧傳感器分別檢測(cè)患者的額頭的體表體溫和指尖的心率血氧，并將檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信傳到終端數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖4 多功能體征檢測(cè)設(shè)備的界面圖Fig 4 Interface diagram of functional physical sign detection equipment

體溫檢測(cè)方面，采用紅外熱電堆探測(cè)器MLX90615，信號(hào)處理器計(jì)算出的高精度溫度可通過(guò)串行兩線SMBus兼容協(xié)議獲得或是器件的10位PWM格式獲得，采用MLX90615熱電堆測(cè)量額心表面溫度，臨床數(shù)據(jù)表示，環(huán)境溫度在23℃時(shí)，額部正常溫度為33～34℃，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)，得出正常體溫與額溫?fù)Q算如下：

額溫（℃） 33.0 33.2 33.4 33.6 33.8 34

圖5 正常人一天體溫折線圖Fig 5 Normal person’s temperature fold line for one day

圖6 正常人一天心率折線圖Fig 6 One day heart rate line chart for normal people

使用多功能體征檢測(cè)設(shè)備測(cè)得正常人一天內(nèi)體溫折線圖如圖5所示。

心率檢測(cè)部分采用MAX30102，MAX30102是一個(gè)集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)儀生物傳感器的模塊。它集成了一個(gè)紅光LED、一個(gè)紅外光LED、光電檢測(cè)器、光器件和帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。通過(guò)物理方法固定在手指上后，體內(nèi)由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血引起的容積變化會(huì)導(dǎo)致光束透光率變化，此時(shí)，由光電變換器接受經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大輸出，由此計(jì)算得出的電信號(hào)變化周期即為脈搏率。實(shí)驗(yàn)得出心率曲線圖如圖6所示。

血氧傳感器由兩個(gè)分別發(fā)出660納米和940納米的發(fā)光二極管組成，根據(jù)不同含氧量的血紅蛋白對(duì)這兩種波長(zhǎng)的吸收率差別很大，通過(guò)比爾蘭伯特定律，R/RI與血氧飽和度成線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)得出血氧折線圖如圖7所示。

圖7 正常人一天血氧折線圖Fig 7 One day oxygen folding map of normal people

2.4 終端監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)監(jiān)控著患者輸液時(shí)滴速和剩余量的變化，在輸液結(jié)束的提醒護(hù)士輸液結(jié)束并及時(shí)處理；同時(shí)，可以查詢患者的歷史體溫、心率、血氧的體征信息。

圖8 終端監(jiān)控系統(tǒng)的界面圖Fig 8 interface diagram of terminal monitoring system

3 窄帶物聯(lián)網(wǎng)

3.1 NB-IoT技術(shù)概述

作為一項(xiàng)新興的低速率傳輸技術(shù)，NB-IoT構(gòu)建于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的蜂窩結(jié)構(gòu)，只消耗約180KHz的帶寬，可直接部署在GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或者LTE網(wǎng)絡(luò)上，擁有RS232和RS485接口、5路I/O接口，支持透明數(shù)據(jù)傳輸，并且內(nèi)嵌有標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧，可根據(jù)域名和IP地址訪問(wèn)中心，同時(shí)也支持TCP心跳鏈路檢測(cè)，保持設(shè)備永遠(yuǎn)在線。在低速率物聯(lián)領(lǐng)域中具有以下優(yōu)勢(shì)：

a.高覆蓋范圍：為了進(jìn)一步利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號(hào)覆蓋能力，NB-IoT引入PTW（尋呼傳輸窗），允許網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)PTW內(nèi)多次尋呼UE，并根據(jù)覆蓋等級(jí)調(diào)整尋呼次數(shù)。正常覆蓋等級(jí)的覆蓋范圍與GPRS相似，但GPRS的通信需要鋪設(shè)天線等設(shè)備維持發(fā)射強(qiáng)度，而NB-IoT只要部署得當(dāng)，就可以正常工作。

b.低功耗：低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一項(xiàng)重要指標(biāo)，與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中其他常用手段相比，本項(xiàng)目應(yīng)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)線聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

c.低成本：與LoRa相比，NB-IoT無(wú)需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的。以中國(guó)移動(dòng)為例，900MHZ里面有一個(gè)比較寬的頻帶，只需要清出來(lái)一部分2G的頻段，就可以直接進(jìn)行LTE和NBIoT的同時(shí)部署。單個(gè)通訊模塊成本為30塊左右。

d.鏈接能力強(qiáng)：NB-IoT可以比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)，一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3.2 輸液系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

在該系統(tǒng)中，終端、便攜端分別配有紅外傳感器、應(yīng)變片、心率血氧傳感器、攝像頭等傳感器，可以檢測(cè)輸液情況、測(cè)量病患體征以及識(shí)別藥液種類，通過(guò)采用STM32F103ZET6作為各個(gè)終端端處理器作系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)籌處理。然后，終端處理器分別配備NB-IoT設(shè)備，由輕量級(jí)云透?jìng)髌脚_(tái)完成LPWA鏈接，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳到云上的服務(wù)器。在單套輸液系統(tǒng)中，以監(jiān)控平臺(tái)為中心，采用1：N透?jìng)骷醇⒛Ｊ酵ㄐ?，方便系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)保密和數(shù)據(jù)處理打包。而在系統(tǒng)與系統(tǒng)間，使用N：N的群聊模式透?jìng)鳎捎妙愃朴贖TTP的應(yīng)用層協(xié)議CoAP協(xié)議通信，構(gòu)成“多跳型網(wǎng)狀網(wǎng)（multi-hop mesh）”，實(shí)現(xiàn)無(wú)邊緣的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

圖9 智能輸液設(shè)備實(shí)物圖Fig 9 The physical drawings of the intelligent infusion equipment

圖10 多功能體征檢測(cè)設(shè)備的界面圖Fig 10 Interface diagram of functional physical sign detection equipment

圖11 智能輸液設(shè)備實(shí)物圖Fig 11 The physical drawings of the intelligent infusion equipment

4 結(jié)論

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能輸液及體征實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)物如圖8-11，其中智能輸液設(shè)備實(shí)物圖如圖9和圖11所示，多功能體征檢測(cè)設(shè)備如圖10所示，而終端監(jiān)控系統(tǒng)如圖8所示。

智能輸液系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)和窄帶無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制輸液速度、集中監(jiān)控患者輸液情況、輸液完成自動(dòng)停止并提醒等實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。應(yīng)用該系統(tǒng)能減輕醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度、緩解患者及家屬輸液過(guò)程中的焦慮，是輸液管理及臨床護(hù)理模式上的一次變革。對(duì)比同類型產(chǎn)品的結(jié)果表明：本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境要求低、功能更加齊全等優(yōu)點(diǎn)，滿足實(shí)際臨床上的大部分需求。

同時(shí)對(duì)智能化發(fā)展趨勢(shì)而言，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代正在到來(lái)。物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)領(lǐng)導(dǎo)各行各業(yè)的商業(yè)模式、改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ罘绞?。移?dòng)物聯(lián)網(wǎng)將是將來(lái)5G的一大重要組成部分。輸液系統(tǒng)使用基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)，在滿足本身對(duì)鏈接個(gè)數(shù)、通訊范圍等的要求時(shí)，更是契合了LTE窄帶移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在可預(yù)期的“窄帶5G（Narrowband 5G）”等技術(shù)上能更快地進(jìn)行更新升級(jí)。