基于物聯(lián)網(wǎng)的便攜式腸內(nèi)營養(yǎng)泵的設(shè)計*

蔡雨，王慧泉△，王康寧，趙文俊

(1.天津工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387;3.南京法邁特科技發(fā)展有限公司，南京 210032)

1 引 言

營養(yǎng)不良直接影響患者的治愈率、病死率及并發(fā)癥的發(fā)生率[1]。在我國，有30%～50%住院患者存在營養(yǎng)不良，需要臨床營養(yǎng)支持。歐洲腸外腸內(nèi)營養(yǎng)學(xué)會(ESPEN)和美國腸外腸內(nèi)營養(yǎng)學(xué)會(ASPEN)在臨床營養(yǎng)指南中，推薦對于營養(yǎng)需求不能經(jīng)口滿足的患者使用腸內(nèi)營養(yǎng)(enteral nutrition，EN)[2-3]。EN可以更好地維持胃腸粘膜的結(jié)構(gòu)和功能，維持腸道完整性，促進(jìn)腸道蠕動，滿足了患者的生理需求，阻斷了營養(yǎng)不良與免疫功能低下的惡性循環(huán)，更有利于患者的恢復(fù)[4]。然而，EN使用不當(dāng)可能引起腹瀉、胃潴留、誤吸等并發(fā)癥，腸內(nèi)營養(yǎng)泵( enteral feeding pump, EFP)在一定程度可降低EN患者并發(fā)癥的病發(fā)率[5-6]。ESPEN和ASPEN也在臨床營養(yǎng)指南中推薦對于長期(2～3 weeks)接受EN患者使用EFP[7]。

EFP的大量使用以及其功能的局限性給護(hù)士的操作和管理增加了工作量。同時，隨著病情的恢復(fù)，需要數(shù)月或長期營養(yǎng)支持的患者選擇進(jìn)行家庭腸內(nèi)營養(yǎng)，這使他們可以進(jìn)行戶外活動，提高患者生活質(zhì)量[8-9]。然而我國的家庭腸內(nèi)營養(yǎng)正處于初級階段[10]，國內(nèi)家庭腸內(nèi)營養(yǎng)患者正在使用的EFP大多來自于國外(見表1)，價格較高，同時配套的輸液管為一次性的，更增加了患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。國內(nèi)的營養(yǎng)液泵比較笨重，不方便患者攜帶，限制了患者的活動，不利于恢復(fù)。

堵塞和氣泡檢測是腸內(nèi)營養(yǎng)泵研究的熱點之一，毛靖寧等[11]用一種測力部件檢測堵塞，該部件由測力部件外殼、彈性薄膜以及傳感器組成，通過測力部件檢測壓力來確定是否有堵塞。劉穎[12]利用超聲波經(jīng)過不同介質(zhì)時傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化不同的原理，設(shè)計了超聲波換能器進(jìn)行氣泡檢測。以上兩種檢測堵塞和氣泡的方法均制作工藝復(fù)雜，體積大且成本高。本研究利用光電檢測技術(shù)，通過陣列式排列的3個光耦傳感器，減小體積、降低成本的同時實現(xiàn)了入口、出口堵塞以及氣泡檢測。

針對目前腸內(nèi)營養(yǎng)泵使用數(shù)量多，不便于管理和體積大不便于攜帶這兩大問題，本研究設(shè)計了一款方便操作和管理以及便于家庭腸內(nèi)營養(yǎng)患者攜帶的營養(yǎng)泵。該腸內(nèi)營養(yǎng)泵可同時滿足醫(yī)院和家庭腸內(nèi)營養(yǎng)患者的需求，減少了護(hù)士的工作量并保證患者的安全，同時使家庭腸內(nèi)營養(yǎng)患者享受正常的活動，提高患者的生活質(zhì)量，符合構(gòu)建以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[13]。

表1 國內(nèi)腸內(nèi)營養(yǎng)患者使用的EFP

2 系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的便攜式腸內(nèi)營養(yǎng)泵系統(tǒng)包括便攜式腸內(nèi)營養(yǎng)泵設(shè)備和移動監(jiān)護(hù)端軟件，其物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)見圖1。感知層由營養(yǎng)泵設(shè)備傳感器節(jié)點、無線路由器網(wǎng)關(guān)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，主要完成腸內(nèi)營養(yǎng)泵與無線路由器構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，完成營養(yǎng)泵泵液、堵塞、氣泡等信息的傳輸與控制。網(wǎng)絡(luò)層由互聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)器構(gòu)成，主要完成感知層獲取的信息通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到云服務(wù)器進(jìn)行處理。應(yīng)用層實現(xiàn)營養(yǎng)泵參數(shù)設(shè)置和運行狀態(tài)查看，護(hù)士通過移動監(jiān)護(hù)端軟件隨時遠(yuǎn)程管理和查看患者的營養(yǎng)泵參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)，及時處理報警信息。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖

3 便攜式腸內(nèi)營養(yǎng)泵系統(tǒng)設(shè)計

3.1 便攜式腸內(nèi)營養(yǎng)泵設(shè)備硬件設(shè)計

為實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)便攜式腸內(nèi)營養(yǎng)泵設(shè)備硬件設(shè)計，本研究采用模塊化設(shè)計將腸內(nèi)營養(yǎng)泵設(shè)備分為主控芯片、供電模塊、泵液模塊、堵塞氣泡檢測模塊、無線模塊、人機(jī)交互模塊，其中人機(jī)交互模塊包括顯示模塊、報警模塊和按鍵模塊。設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1.1供電模塊 供電模塊主要保障營養(yǎng)泵設(shè)備各模塊的正常工作，考慮到設(shè)備的便攜性需求，本研究采用一節(jié)3 400 mAh的18650鋰電池作為設(shè)備的電源，以減少設(shè)備的重量和體積，采用BQ24070作為設(shè)備的電源管理芯片為系統(tǒng)提供4 V的穩(wěn)定電壓，該芯片具有動態(tài)電源路徑管理功能，在充電同時可以為系統(tǒng)供電。當(dāng)用戶外出使用出現(xiàn)電量不足，可以使用充電寶為設(shè)備供電。而各模塊由于功能的不同，需要不同電壓進(jìn)行供電，根據(jù)各模塊所需的工作電壓和電流，本研究選取TPS61025DRCR、LM2735Y、TPS61040DBV分別提供3.3、8、12 V電壓。為降低功耗，本研究采用獨立模塊電源控制設(shè)計，即通過主控芯片對每個模塊的供電電源獨立控制。供電模塊結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3供電模塊結(jié)構(gòu)圖

Fig.3Power supply module block diagram

3.1.2泵液模塊 泵液模塊由電機(jī)、蠕動泵頭和蠕動軟管組成。本研究采用低功耗的空心杯電機(jī)HS-1630，該電機(jī)體積小、功耗低，負(fù)載電流僅為100 mA。為達(dá)到設(shè)備所需的泵液速度范圍，本研究設(shè)計了減速電機(jī)盒。已知該電機(jī)的轉(zhuǎn)速為5 000 rpm，該設(shè)備所需最大流速為600 mL/h，設(shè)該蠕動泵頭和蠕動軟管下每轉(zhuǎn)蠕動的液體體積為xmL，則：

(1)

為測得泵液模塊的轉(zhuǎn)速，本研究加入了霍爾傳感器作為測速裝置，霍爾測速裝置見圖4。通過霍爾傳感器對減速齒輪上設(shè)計的12個磁鐵檢測進(jìn)行計速，設(shè)兩個磁鐵檢測時間為ts，則此時的轉(zhuǎn)速為：

(2)

圖4 霍爾測速裝置

3.1.3堵塞氣泡檢測模塊 堵塞和氣泡是營養(yǎng)泵在使用的過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，堵管的發(fā)生率為8.7%～25.6%。堵管將可能延誤營養(yǎng)的輸送，嚴(yán)重將引起管道爆裂，更換鼻胃管道將增加患者的痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還有可能延誤和加重病情[14-15]，空氣也會引起患者脹氣等不適癥狀。準(zhǔn)確的堵塞和氣泡檢測并及時地干預(yù)可以降低以上問題的風(fēng)險。為此，本研究利用光電檢測技術(shù)，將光耦的紅外接收晶體管固定在放大區(qū)工作，通過讀取晶體管的輸出電壓來判斷光耦傳感器中介質(zhì)的情況，槽型光耦傳輸特性檢測電路見圖5。設(shè)k為不同介質(zhì)的變化系數(shù)，β為電流放大系數(shù)，可得到：

U0=VCC-kβIbR0

(3)

圖5 槽型光耦傳輸特性檢測電路圖

基于此，本研究提出一種基于光耦傳感器的檢測堵塞和氣泡的裝置和方法，該裝置見圖6，3個傳感器陣列式排布，傳感器1和傳感器3位于營養(yǎng)泵的入口端，用于檢測入口是否發(fā)生堵塞以及是否有氣泡進(jìn)入管道。傳感器2位于營養(yǎng)泵的出口端，用于檢測人體端是否發(fā)生堵塞。當(dāng)營養(yǎng)泵入口或出口處發(fā)生堵塞時，傳感器1和傳感器2處的檢測軟管會發(fā)生收縮或膨脹的細(xì)微形變，導(dǎo)致流經(jīng)管道的體積也會發(fā)生變化，管道收縮和膨脹形變見圖7。此時，系統(tǒng)根據(jù)讀取到的傳感器1和傳感器2的AD值判斷是否發(fā)生堵塞。此外，系統(tǒng)會根據(jù)讀取到傳感器3的液體和空氣對應(yīng)的不同AD值判斷是否有氣泡進(jìn)入。

圖6 光耦傳感器檢測堵塞和氣泡的裝置

圖7 堵塞時檢測軟管細(xì)微形變

3.1.4無線模塊 無線模塊用于構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的局域網(wǎng)絡(luò)。本研究采用ESP8266無線傳感器作為設(shè)備的感知節(jié)點，用于完成營養(yǎng)泵泵液、堵塞、氣泡等信息的傳輸與控制。ESP8266是一款性能穩(wěn)定、低功耗、高集成的Wi-Fi芯片，內(nèi)置超低功耗Tensilica 32位處理器，支持Wi-Fi協(xié)議棧，滿足設(shè)計要求。營養(yǎng)泵中的ESP8266通過串口方式與主控芯片通信，可將獲取到營養(yǎng)泵的參數(shù)信息通過Wi-Fi形式轉(zhuǎn)發(fā)出去，傳輸?shù)皆品?wù)器，移動監(jiān)護(hù)端可通過服務(wù)器發(fā)送和接收營養(yǎng)泵的數(shù)據(jù)信息。護(hù)士可以通過移動監(jiān)護(hù)端遠(yuǎn)程對其管轄的患者的營養(yǎng)泵進(jìn)行監(jiān)控和設(shè)置相關(guān)參數(shù)，同時泵在運行過程中如果出現(xiàn)報警也能及時傳遞給護(hù)士。該設(shè)計很大程度地減少了護(hù)士的工作量并降低了患者危險的發(fā)生。

3.1.5人機(jī)交互模塊 人機(jī)交互模塊包括顯示模塊、按鍵模塊和報警模塊，用于顯示和設(shè)置營養(yǎng)泵運行的模式、速度等參數(shù)以及堵塞、氣泡報警等提示。為降低功耗，顯示模塊采用的是2.42寸的OLED屏，通過IIC接口與主控芯片進(jìn)行通信，界面采用分級菜單設(shè)計，顯示營養(yǎng)泵的參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)等信息。在符合人機(jī)工程的前提下，將按鍵模塊設(shè)計到最簡，通過6個按鍵的長按和短按實現(xiàn)開機(jī)和關(guān)機(jī)、模式切換、選擇確認(rèn)、上調(diào)、下調(diào)、清除、返回、運行、停止、全速運行等功能的控制。報警模塊采用蜂鳴器用于堵塞檢測、氣泡檢測、泵飼完成、電量低等情況的聲音提示，保障了故障的及時干預(yù)。

設(shè)備以STM32單片機(jī)作為主控芯片，通過讀取按鍵和控制OLED顯示模塊進(jìn)行人機(jī)交互，根據(jù)用戶所設(shè)定的模式、速度、總量、間隔時間等參數(shù)控制直流電機(jī)和霍爾元件構(gòu)成的泵液模塊進(jìn)行泵液。在運行過程中，以陣列式排列的3個槽型光電傳感器構(gòu)成的檢測模塊讀取到的信息來判讀是否有入口堵塞、出口堵塞或氣泡產(chǎn)生，當(dāng)檢測到有堵塞或氣泡產(chǎn)生時，便通過蜂鳴器構(gòu)成的報警模塊及顯示模塊進(jìn)行報警提示。同時，多個營養(yǎng)液泵通過無線模塊可以組成局域網(wǎng)，護(hù)士只需使用一個APP軟件即可查看和管理多個營養(yǎng)泵設(shè)備。便攜式腸內(nèi)營養(yǎng)泵的整體設(shè)計圖見圖8。

圖8 便攜式腸內(nèi)營養(yǎng)泵的整體設(shè)計圖

3.2 便攜式腸內(nèi)營養(yǎng)泵設(shè)備程序設(shè)計

營養(yǎng)泵設(shè)備程序主要完成局域組網(wǎng)、讀取按鍵和控制OLED顯示進(jìn)行人機(jī)交互。根據(jù)用戶所設(shè)定的參數(shù)控制泵液模塊進(jìn)行泵液，在運行的過程中，判讀是否有堵塞或氣泡產(chǎn)生，并發(fā)出報警提示或運行完成提示。程序流程見圖9。

圖9 程序流程圖

3.3 移動監(jiān)護(hù)端軟件設(shè)計

移動監(jiān)護(hù)端軟件主要實現(xiàn)組網(wǎng)、營養(yǎng)泵參數(shù)設(shè)置和運行狀態(tài)查看，護(hù)士通過移動監(jiān)護(hù)端軟件隨時遠(yuǎn)程管理和查看病人的營養(yǎng)泵參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)，及時處理報警信息。移動監(jiān)護(hù)端軟件流程見圖10。當(dāng)多臺設(shè)備連接到移動監(jiān)護(hù)端軟件后，護(hù)士可以對多臺營養(yǎng)泵設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

圖10 移動監(jiān)護(hù)端軟件流程圖

4 結(jié)束語

本研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的便攜式腸內(nèi)營養(yǎng)泵，通過選型、電路設(shè)計、器件布局、PCB走線、算法設(shè)計使其具有成本低、體積小、功耗低、喂飼精度高、檢測靈敏度高、便于攜帶和長時間室外使用等優(yōu)點。系統(tǒng)可以在醫(yī)院內(nèi)組成局域網(wǎng)，減少護(hù)士的工作量，便于管理與查看，非常符合新型遠(yuǎn)程醫(yī)療概念。同時由于其便攜性和低功耗，也適用于家庭腸內(nèi)營養(yǎng)患者使用，解決了一些患者因為無法經(jīng)口營養(yǎng)而被固定在病床上的困擾，提高了腸內(nèi)營養(yǎng)患者的生活質(zhì)量。便攜式腸內(nèi)營養(yǎng)泵與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合符合智慧醫(yī)療的趨勢，顯著提高了臨床照護(hù)質(zhì)量與效率以及患者恢復(fù)正常生活的幾率。