遠(yuǎn)程輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李宏恩，彭平冀，荊通，郝文延

1.長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西長(zhǎng)治046000；2.北京春草軟件科技有限責(zé)任公司，北京100089

前言

為解決城市發(fā)展難題，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)智慧城市已成為當(dāng)今世界城市發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的歷史潮流。智能醫(yī)療是智慧城市建設(shè)中不可或缺的部分，隨著信息和通信技術(shù)手段的不斷創(chuàng)新，醫(yī)療行業(yè)將融入更多人工智能、傳感技術(shù)等高科技，從而使醫(yī)療服務(wù)產(chǎn)業(yè)走向真正意義的智能化［1］。

靜脈輸液是臨床醫(yī)學(xué)最常用的醫(yī)療手段之一，它是利用大氣壓和液體靜壓形成的輸液系統(tǒng)內(nèi)壓高于人體靜脈壓的原理，將液體直接輸入到人體靜脈，能起到糾正水電解質(zhì)紊亂、改善微循環(huán)、控制感染、補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)等治療作用。目前許多醫(yī)院靜脈輸液仍沿用傳統(tǒng)人工方式，通過(guò)護(hù)士手動(dòng)調(diào)節(jié)滾輪來(lái)收緊或放松輸液管，采用讀秒滴數(shù)法等臨床經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)控滴速，輸液過(guò)程中有無(wú)輸液異常，是否需要更換輸液瓶，這些都需要醫(yī)護(hù)人員及陪護(hù)家屬的持續(xù)觀察。為使輸液工作更為智能、減少人工陪護(hù)，本研究設(shè)計(jì)了一款更適用于臨床醫(yī)護(hù)需求的遠(yuǎn)程輸液監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)護(hù)士在護(hù)理工作站內(nèi)對(duì)于整個(gè)病房的集中監(jiān)控［2］。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由主站（主控PC機(jī)）和從站（輸液終端）兩部分組成，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。第一部分是主站，由一個(gè)主站電腦PC和配套開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件構(gòu)成；第二部分是從站，主要由STC90C516RD單片機(jī)為核心的智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)、傳感器、輸液架等構(gòu)成。系統(tǒng)工作原理可以概括為：主控PC作為主機(jī)用于監(jiān)控輸液終端的輸液狀態(tài)，由輸液監(jiān)測(cè)終端監(jiān)測(cè)到的各種數(shù)據(jù)發(fā)送到主控PC以完成監(jiān)控功能；當(dāng)掛瓶中的液體低于設(shè)定值或滴速高于預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行及時(shí)處理。本系統(tǒng)選擇WIFI作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式，主要是因?yàn)樗谛畔鬏斨杏凶銐虻耐ㄐ啪嚯x，只要信號(hào)基站穩(wěn)定性好，就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，且安裝方便，克服了傳統(tǒng)串口連接和藍(lán)牙通信距離有限，只適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的缺點(diǎn)［3-6］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System structure diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，本研究的遠(yuǎn)程輸液監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分主要針對(duì)下位機(jī)進(jìn)行，軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。

2.1 下位機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成主要包括以下模塊：STC90C516RD 單片機(jī)是系統(tǒng)控制核心，監(jiān)測(cè)電路模塊采集到的數(shù)據(jù)都將通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行分析和處理；滴速監(jiān)測(cè)采用紅外對(duì)射脈沖傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)［7-8］，在滴管處對(duì)輸液速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)；液體余量監(jiān)測(cè)采用稱(chēng)重傳感器結(jié)合HX711 實(shí)現(xiàn)；報(bào)警模塊通過(guò)在軟件設(shè)計(jì)中設(shè)定一個(gè)專(zhuān)用延時(shí)子程序和時(shí)間閾值，以此來(lái)控制聲光報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)；數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸通過(guò)ESP8266低功耗WIFI 無(wú)線模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)［9-11］。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)圖2。

2.2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 首先對(duì)主程序定時(shí)器進(jìn)行初始化，接著分別調(diào)用液體滴速和液體余量監(jiān)測(cè)子程序，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，得到當(dāng)前液體滴速和液體余量，并通過(guò)計(jì)數(shù)子程序與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，如液體滴速大于或小于系統(tǒng)設(shè)定值，或者液體余量小于系統(tǒng)設(shè)定值，則系統(tǒng)會(huì)通過(guò)單片機(jī)向聲光報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警指令，液體當(dāng)前滴速和液體余量同時(shí)將通過(guò)顯示子程序顯示在LCD顯示屏，最后將結(jié)果經(jīng)串口WIFI輸出［12-14］。

2.2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)基于Windows7 32 位平臺(tái)操作系統(tǒng)，運(yùn)用Microsoft Visual Basic 6.0系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)工具。上位機(jī)軟件界面如圖3所示。

上位機(jī)輸液監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)如下功能［15-17］：（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)接收和實(shí)時(shí)顯示，包括輸液總滴數(shù)、輸液滴速（滴/min）、液體余量、液體滴完的剩余時(shí)間等參數(shù)；（2）報(bào)警參數(shù)設(shè)置，包括滴速的上下限值、液體余量上下限值；（3）系統(tǒng)環(huán)境配置，包括本地計(jì)算機(jī)通訊參數(shù)，以及設(shè)備（地址號(hào)）與實(shí)際病床號(hào)設(shè)置。

3 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

輸液滴速監(jiān)測(cè)和報(bào)警的準(zhǔn)確性對(duì)于系統(tǒng)正常使用至關(guān)重要，系統(tǒng)測(cè)試主要針對(duì)滴速監(jiān)測(cè)和報(bào)警裝置，并進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析［18］。

3.1 滴速監(jiān)測(cè)測(cè)試

本次測(cè)試一共測(cè)試5組輸液滴速，實(shí)際滴速分別是27、35、57、74、83 滴/min，每組數(shù)據(jù)分別測(cè)量10 次以保證監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性。其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以得到，使用本系統(tǒng)得到的實(shí)測(cè)滴速與實(shí)際滴速誤差僅為±1 滴，符合臨床輸液監(jiān)控的準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)要求。

3.2 余量報(bào)警測(cè)試

余量不足報(bào)警與結(jié)束報(bào)警功能是遠(yuǎn)程輸液監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。余量不足報(bào)警功能可以為護(hù)士提供充分的處理時(shí)間，結(jié)束報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)持續(xù)報(bào)警，提醒醫(yī)護(hù)人員為患者及時(shí)拔出針頭或更換藥液。

余量不足報(bào)警與結(jié)束報(bào)警功能測(cè)試方法：①將一瓶500 mL 生理鹽水以60 滴/min 進(jìn)行輸液余量監(jiān)測(cè)，測(cè)試當(dāng)液體剩余量分別低于20、30、50 mL 時(shí)，輸液終端監(jiān)控模塊是否進(jìn)行燈光（LED1點(diǎn)亮）報(bào)警，并同時(shí)利用蜂鳴器發(fā)出持續(xù)20 s 的聲音報(bào)警；②當(dāng)輸液結(jié)束時(shí)，提示燈（LED1、LED2 同時(shí)點(diǎn)亮）報(bào)警，主控PC機(jī)監(jiān)控界面是否實(shí)現(xiàn)發(fā)光報(bào)警提示，并持續(xù)發(fā)出聲音報(bào)警直至醫(yī)護(hù)人員做出相應(yīng)處理。經(jīng)幾次測(cè)試，輸液結(jié)束報(bào)警功能能夠正常工作，余量不足報(bào)警功能誤差在±2 mL內(nèi)，總體滿足系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計(jì)需求。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flow chart of system software design

圖3 上位機(jī)軟件界面圖Fig.3 Upper computer software interface

表1 輸液實(shí)際滴速與實(shí)測(cè)滴速對(duì)比分析表Tab.1 Comparative analysis of actual droplet velocity and measured droplet velocity

3.3 測(cè)試結(jié)果誤差分析

根據(jù)以上測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在誤差的原因主要是：（1）滴速監(jiān)測(cè)采用紅外對(duì)射監(jiān)測(cè)技術(shù)，在滴管處對(duì)輸液速度測(cè)量時(shí)，紅外發(fā)射管與接收管的對(duì)應(yīng)位置容易出現(xiàn)偏差，太高或太低可能造成不能準(zhǔn)確采集液滴數(shù)，導(dǎo)致讀數(shù)有一定的誤差。（2）液體余量監(jiān)測(cè)中由于不同藥液的密度不同，導(dǎo)致利用稱(chēng)重傳感器監(jiān)測(cè)液體余量時(shí)存在一定的誤差。

4 總結(jié)

本研究實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有低功耗、性能穩(wěn)定、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用紅外對(duì)射傳感器和稱(chēng)重傳感器相結(jié)合，基于STC90C516RD單片機(jī)分析和處理數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得準(zhǔn)確的臨床輸液參數(shù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI無(wú)線傳輸?shù)街骺豍C終端中的輸液實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件。經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，該系統(tǒng)在滴速監(jiān)測(cè)和余量監(jiān)測(cè)中誤差處于正常范圍，能很好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)輸液監(jiān)控，提升了護(hù)理工作的效率、降低了工作強(qiáng)度，同時(shí)提升了患者滿意度及舒適度，彌補(bǔ)了當(dāng)前醫(yī)院靜脈輸液過(guò)程中的不足，具有一定臨床應(yīng)用意義。