基于模糊PID的靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)

宋平，張浩鵬，范梅花

基于模糊PID的靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)

宋平1，張浩鵬1，范梅花2

（齊齊哈爾大學(xué) 1. 計算機(jī)與控制工程學(xué)院，2. 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

為了有效地解決靜脈輸液過程中滴速難掌控、輸液完畢無提示、手動更換儲液瓶、患者舒適度差等問題，結(jié)合紅外光電技術(shù)、嵌入式底層驅(qū)動技術(shù)、Android技術(shù)和模糊PID技術(shù)設(shè)計了一款監(jiān)控系統(tǒng)．該系統(tǒng)采用紅外光電傳感器對輸液過程進(jìn)行實時監(jiān)測，傳感器底層驅(qū)動采集滴速、藥液有無等信息．系統(tǒng)APK通過NDK獲取傳感器底層驅(qū)動的信息，且發(fā)送控制指令到執(zhí)行器底層驅(qū)動以控制執(zhí)行器更換儲液瓶和滴速調(diào)整．實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測滴速且發(fā)出報警信號，提高安全性和患者舒適度．

光電檢測；嵌入式系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)；靜脈輸液

目前，靜脈輸液已經(jīng)成為我國臨床醫(yī)學(xué)中經(jīng)常使用的治療手段．在輸液過程中，患者通常需要輸液若干瓶，且不同藥品對滴速的要求各不相同．大多數(shù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)仍然采用人工更換輸液瓶且手動調(diào)節(jié)滴速的方法，這需要長時間地監(jiān)測剩余藥量，加重了醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，同時易造成滴速設(shè)置不準(zhǔn)確的情況．同時，長時間的輸液導(dǎo)致患者舒適度很差．當(dāng)輸液完畢時，需要醫(yī)護(hù)人員及時地拔針，否則會出現(xiàn)空氣進(jìn)入血管形成空氣栓塞、凝血堵塞針頭等情況，輕則延誤治療，重則危及病人生命安全，導(dǎo)致醫(yī)療事故．

為了減輕醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，提高靜脈輸液的安全性和患者舒適度，本文設(shè)計了一種結(jié)合紅外光電技術(shù)、嵌入式底層驅(qū)動技術(shù)、Android技術(shù)和模糊PID技術(shù)的智能更換輸液瓶的多功能靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)．患者通過觸屏按輸液順序選擇藥品后，該系統(tǒng)在SQLite數(shù)據(jù)庫中自動查詢該藥品的理想滴速[1-4]；然后利用紅外光電傳感器對輸液過程進(jìn)行實時監(jiān)測[5-11]，嵌入式Linux底層驅(qū)動程序?qū)鞲衅鞑杉男畔⑥D(zhuǎn)化為滴速和藥液有無等信息；該系統(tǒng)運(yùn)行于Android系統(tǒng)[12-14]，APK應(yīng)用程序利用NDK獲取到驅(qū)動程序的滴速和藥液有無等信息，發(fā)送控制指令到驅(qū)動程序以控制執(zhí)行器更換輸液瓶和滴速調(diào)整．同時，該系統(tǒng)還提供音視頻播放、游戲、網(wǎng)頁瀏覽、USB充電等多種功能．當(dāng)輸液完畢時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號以提醒醫(yī)護(hù)人員及時地處理，提高安全性以減少醫(yī)療事故．該系統(tǒng)具有方案簡單、操作方便、功能多樣、舒適性好的特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景．

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖1．每個儲液瓶都配有藥液有無傳感器和換液執(zhí)行器．如果藥液有無傳感器監(jiān)測到滴管內(nèi)沒有藥液時，控制器會打開下一輸液瓶的換液執(zhí)行器以繼續(xù)輸液．如果最后一個輸液瓶的滴管內(nèi)沒有藥液時，控制器會關(guān)閉滴速執(zhí)行器以停止輸液，且發(fā)出報警信號．該系統(tǒng)主要由控制器、執(zhí)行器、傳感器、報警器和人機(jī)交互組成，其結(jié)構(gòu)見圖2．

圖1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 控制器

控制器由ARM Cortex A9處理器S5P4418及其外圍電路組成（見圖3）．S5P4418為4核處理器，CPU頻率為1.4 GHz，支持圖形加速器、視頻解碼、視頻編碼．該控制器運(yùn)行于Android系統(tǒng)，其應(yīng)用程序APK采用 Android Studio作為開發(fā)工具．APK使用Java語言進(jìn)行開發(fā)，而圖1中驅(qū)動電路的驅(qū)動程序使用C語言進(jìn)行開發(fā)．APK通過NDK調(diào)用驅(qū)動程序，APK位于應(yīng)用層，驅(qū)動程序位于內(nèi)核層．

圖3 控制器

該系統(tǒng)采用“平臺總線+雜項設(shè)備+中斷處理”的模式編寫驅(qū)動程序，驅(qū)動程序最終編譯成KO模塊，采用insmod安裝KO模塊進(jìn)內(nèi)核Kernel，在“/dev”目錄下面會創(chuàng)建相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)．APK利用NDK調(diào)用驅(qū)動程序的open()，close()，read()，write()，ioctl()等函數(shù)就可以與驅(qū)動程序進(jìn)行通信，只有驅(qū)動程序才能夠直接控制硬件．

APK的功能選擇頁面見圖4a，單擊“添加藥品”按鈕進(jìn)入添加藥品信息界面（見圖4b），它向SQLite數(shù)據(jù)庫添加藥品信息，信息包括藥品的名稱及其滴速．單擊圖4a的“刪除藥品”按鈕進(jìn)入刪除藥品信息界面（見圖4c），單擊藥品名稱從SQLite數(shù)據(jù)庫刪除藥品信息．單擊圖4a的“開始輸液”按鈕進(jìn)入按輸液順序選擇藥品信息界面（見圖4d），選擇藥品，單擊“開始輸液”按鈕進(jìn)入監(jiān)控界面（見圖4e），監(jiān)控畫面顯示藥品的名稱、理想滴速、實際滴速和當(dāng)前狀態(tài)．

同時，該系統(tǒng)利用Android系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)音視頻播放、游戲等功能，這些將極大地提高患者的舒適度．

圖4 系統(tǒng)應(yīng)用程序

1.2 傳感器

傳感器用于監(jiān)測滴速和藥液有無，它是該系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，對控制精度的影響很大．本文把紅外光電技術(shù)應(yīng)用于傳感器，該方案具有簡單方便、價格低廉的特點(diǎn)．傳感器通過排線與控制器相連（見圖5）．

1.2.1 監(jiān)測藥液有無的傳感器 紅外發(fā)射管和接收管分別固定于穿刺器下方滴管的兩側(cè)，保持水平對準(zhǔn)．當(dāng)?shù)喂軆?nèi)有藥液時，由于藥液對紅外光的反射、折射、吸收等作用，接收管接收到的紅外光減弱．當(dāng)?shù)喂軆?nèi)無藥液時，接收管接收到的紅外光變強(qiáng)，這導(dǎo)致該傳感器的輸入端電壓產(chǎn)生明顯地變化．利用LM339把輸入信號整形轉(zhuǎn)換為低電平為0 V且高電平為5 V的階梯信號INT1．驅(qū)動程序監(jiān)測到INT1的下降沿，并觸發(fā)中斷，執(zhí)行中斷處理程序，記錄藥液有無信息．APK利用NDK讀取該驅(qū)動程序的“當(dāng)前藥液有無信息”，并更新監(jiān)控界面．該傳感器電路的原理圖見圖6a，其中P6連接紅外發(fā)射管且P7紅外連接接收管．為了克服環(huán)境光的干擾，對紅外光電對管進(jìn)行隔光處理（見圖6b）．

圖5 傳感器通過排線連接控制器

圖6 監(jiān)測藥液有無傳感器

1.2.2 監(jiān)測滴速的傳感器 紅外發(fā)射管和接收管分別固定于漏斗的兩側(cè)，保持水平對準(zhǔn)．當(dāng)紅外光線分別照射在液滴的上、中、下端時，由于藥液對紅外光的反射、折射、吸收等作用，接收管接收到的光強(qiáng)會發(fā)生變化，這導(dǎo)致該傳感器的輸入端電壓產(chǎn)生一個雙波峰信號．利用LM339把輸入信號整形轉(zhuǎn)換為低電平為0 V且高電平為5 V的雙脈沖信號．利用NE555的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器濾除第２個脈沖的干擾，這樣每個液滴便產(chǎn)生一個脈沖信號．連續(xù)的液滴導(dǎo)致連續(xù)的脈沖信號INT0．驅(qū)動程序監(jiān)測到INT0的下降沿，并觸發(fā)中斷，執(zhí)行中斷處理程序．中斷處理程序記錄相鄰２次液滴之間的時間間隔且計算出當(dāng)前滴速．APK利用NDK讀取該驅(qū)動程序的“當(dāng)前滴速信息”，并更新監(jiān)控界面．該傳感器電路的原理見圖7，其中P8連接紅外發(fā)射管且P9紅外連接接收管．為了克服環(huán)境光的干擾，對紅外光電對管進(jìn)行類似于圖6b的隔光處理．

圖7 監(jiān)測滴速傳感器原理

1.3 執(zhí)行器

執(zhí)行器由更換輸液瓶的執(zhí)行器和控制滴速的執(zhí)行器組成．它們結(jié)構(gòu)相同，都是由驅(qū)動電路、步進(jìn)電機(jī)和夾持器組成．控制器按照規(guī)定的時序發(fā)送信號給ULN2003芯片（見圖8a），它是7路達(dá)林頓驅(qū)動器陣列組成的集電極開路輸出反向器，最大驅(qū)動電流可以達(dá)到500 mA，滿足步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動要求．步進(jìn)電機(jī)拖動夾持器夾緊或放松滴管（見圖8b），進(jìn)而改變滴管的橫截面積以調(diào)整滴速．更換“輸液瓶的執(zhí)行器”的驅(qū)動程序記錄藥液有無信息，“控制滴速的執(zhí)行器”的驅(qū)動程序記錄步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，轉(zhuǎn)動圈數(shù)不可大于設(shè)定閾值（完全夾緊狀態(tài)）或小于設(shè)定閾值（完全放開狀態(tài)）．APK利用NDK讀取該驅(qū)動程序的當(dāng)前圈數(shù)信息，并與滴速信息構(gòu)成一個反饋系統(tǒng)，發(fā)送調(diào)整信號給執(zhí)行器．

圖8 執(zhí)行器理

1.4 報警器

報警器用于靜脈輸液結(jié)束時發(fā)出報警信號．控制器通過I2C總線向驅(qū)動電路發(fā)送信號，驅(qū)動電路主要由音頻芯片ALC5621（WM8976）和音頻功率放大器AW8010AFCR組成（見圖9），驅(qū)動電路控制揚(yáng)聲器發(fā)出聲音．

圖9 報警器的驅(qū)動電路

1.5 人機(jī)交互

S5P4418內(nèi)部包含了觸摸屏的驅(qū)動電路，只需把S5P4418相應(yīng)引腳引出到外設(shè)接口（見圖10），然后把外設(shè)接口連接到觸摸屏，那么控制系統(tǒng)就可以直接與觸摸屏進(jìn)行通信．

圖10 觸摸屏的外設(shè)接口理

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計思路

該系統(tǒng)的APK負(fù)責(zé)對系統(tǒng)進(jìn)行可視化管理，其軟件流程見圖11．通過“添加藥品”和“刪除藥品”向藥品信息數(shù)據(jù)庫增加和刪除信息．當(dāng)“開始輸液”時，該系統(tǒng)通過SQLite數(shù)據(jù)庫查詢第1瓶藥品的理想滴速，打開“更換輸液瓶的執(zhí)行器”．通過NDK獲取“監(jiān)測藥液有無的傳感器”驅(qū)動程序的當(dāng)前藥液有無信息．如果有藥液，那么通過NDK獲取“監(jiān)測滴速的傳感器”驅(qū)動程序的當(dāng)前滴速信息，更新監(jiān)控頁面，計算“調(diào)整量”，且通過NDK發(fā)送調(diào)整信號給“控制滴速的執(zhí)行器”驅(qū)動程序以調(diào)整滴速．如果沒有藥液，那么判斷是否還需要輸液．如果是，從數(shù)據(jù)庫中獲取下一瓶藥品的理想滴速，打開“更換輸液瓶的執(zhí)行器”，重復(fù)第1瓶的監(jiān)控過程．如果否，那么通過NDK發(fā)送調(diào)整信號給“控制滴速的執(zhí)行器”驅(qū)動程序，完全夾緊夾持器，發(fā)出報警信號，返回到功能選擇頁面．

圖11 軟件流程理

2.2 計算調(diào)整量

該系統(tǒng)改進(jìn)了模糊PID控制算法以提高對滴速誤差的響應(yīng)速度．

式

2.2.2 模糊控制算法 模糊控制首先根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)出一系列控制規(guī)則，然后通過模糊推理和查表使用這些規(guī)則．典型的模糊控制器結(jié)構(gòu)見圖12．

圖12 模糊控制器結(jié)構(gòu)

其處理過程：

2.2.3 自適應(yīng)調(diào)整論域 控制器根據(jù)誤差及誤差變化率實時地調(diào)整論域，對調(diào)整后的論域重新計算輸入量化因子和輸出比例因子．在不增加模糊等級數(shù)量的前提下，使同一模糊等級對應(yīng)的范圍根據(jù)實際情況自適應(yīng)地擴(kuò)大或者縮小，進(jìn)而提高模糊控制器的控制精度[15-16]．

（8）計算真實輸出量

（9）執(zhí)行．

表1 控制量U模糊規(guī)則控制

3 實驗與分析

通過實驗對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試．改變滴速的給定值，測量范圍為25~100滴/min，每增加25滴進(jìn)行一組測試，每組測試測量20組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，實際滴速和響應(yīng)速度見表2．測試結(jié)果表明，采用該監(jiān)控系統(tǒng)的滴速誤差最多為±2滴/min，調(diào)節(jié)時間小于20 s，調(diào)節(jié)時間短，穩(wěn)態(tài)誤差下，取得了良好的控制效果，滿足實際使用需求．同時系統(tǒng)成功地更換了輸液瓶，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)．

改進(jìn)的模糊PID控制算法和傳統(tǒng)PID控制算法的監(jiān)測曲線見圖13．由圖13可見，改進(jìn)的模糊PID控制算法啟動速度快，雖引入了超調(diào)量，但很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；傳統(tǒng)PID控制算法雖然沒有超調(diào)量，但需要較長時間進(jìn)入穩(wěn)態(tài)狀態(tài)．

表2 測試結(jié)果

圖13 改進(jìn)的模糊PID控制算法和傳統(tǒng)PID控制算法的比較

4 結(jié)語

本文將紅外光電技術(shù)、嵌入式底層驅(qū)動技術(shù)、Android技術(shù)和模糊PID技術(shù)應(yīng)用于靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)．該系統(tǒng)的控制器采用ARM Cortex A9處理器S5P4418，運(yùn)行Android系統(tǒng)，采用可視化管理，同時提供音視頻播放、游戲、USB充電等功能，人機(jī)交互性好，提高患者的舒適度．該系統(tǒng)的傳感器采用紅外光電技術(shù)，其驅(qū)動程序由C語言編寫且運(yùn)行于內(nèi)核層，APK通過NDK獲取驅(qū)動程序的信息，簡單方便，價格低廉．該系統(tǒng)的執(zhí)行器采用步進(jìn)電機(jī)拖動夾持器以調(diào)整滴速．控制器、傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成一個反饋系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的控制精度滿足實際使用需求，提高了醫(yī)護(hù)人員的工作效率，提高安全性以減少醫(yī)療事故，具有方案簡單、操作簡便、功能多樣、舒適性好的特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景．

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Intravenous infusion monitoring system based on fuzzy PID

SONG Ping1，ZHANG Haopeng1，F(xiàn)AN Meihua2

（1. School of Computer and Control Engineering，2. School of Mechanical and Electrical Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

In order to effectively solve the problem of dripping speed control in the process of intravenous infusion，no prompt after intravenous infusion，replace the liquid storage bottle manually and poor patient comfort，a monitoring system is designed based on optoelectronic technology，embedded underlying driver technology，Android technology and fuzzy PID technology. The system uses infrared photoelectric sensors to monitor the infusion process in real time. The driver of the sensor collects information such as the drip rate and the presence or absence of the drug. APK uses NDK to obtains information from the driver of the sensor，and send control commands to the driver of the actuator，replace the liquid storage bottle and adjust the drip speed with the actuator. Experimental results show that the system is able to accurately monitor the drip rate and send an alarm signal，improve safety and patient comfort.

photoelectric monitor；embedded system；monitoring system；intravenous infusion

TP274

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.03.008

1007-9831（2020）03-0043-08

2019-09-24

2019年黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目（201910232146, 201910232194）

宋平（1996-），男，黑龍江齊齊哈爾人，在讀本科生．

張浩鵬（1983-），男，黑龍江哈爾濱人，講師，博士，從事嵌入式方面研究．E-mail：haopeng1983@163.com