遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

【作 者】吳紹聰，高常青，余超，曲愛濤，楊波

濟(jì)南大學(xué)，濟(jì)南市，250022

0 引言

靜脈輸液作為醫(yī)院治療中最為常用的方式之一[1]，保證輸液安全是一項重要的工作。在傳統(tǒng)靜脈輸液過程中，往往需要家屬或者醫(yī)護(hù)人員定時巡查病人輸液情況，這不僅增加了醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)，同時存在工作效率低、耗時長、輸液異常以及結(jié)束沒有及時發(fā)現(xiàn)等問題[2-4]。隨著我國醫(yī)療消費(fèi)人群的增長，發(fā)展智能化醫(yī)療技術(shù)，提高醫(yī)療過程中的效率顯得尤為重要。近年來，相關(guān)的醫(yī)療設(shè)備得到了發(fā)展改進(jìn)，但是集可視化實(shí)時顯示輸液狀態(tài)與報警的輸液監(jiān)測系統(tǒng)仍相對較少。

針對當(dāng)前醫(yī)療輸液的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于Visual Basic.NET(VB.NET)開發(fā)圖形化界面的遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以Arduino Nano微控制器作為核心，采用紅外光電傳感器檢測藥液流動，具有良好美觀的界面，能夠?qū)崿F(xiàn)對多個輸液監(jiān)測終端的輸液過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。當(dāng)輸液結(jié)束或出現(xiàn)異常情況時，護(hù)士站端的上位機(jī)軟件平臺將進(jìn)行警報提示。監(jiān)測醫(yī)護(hù)人員不再需要定時觀察病患的輸液狀態(tài)，節(jié)省了人力消耗，改善了醫(yī)院的智能化水平和管理效率。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個系統(tǒng)主要由3個部分組成，分別為病房輸液監(jiān)測模塊、Zigbee無線傳輸模塊以及VB.NET輸液監(jiān)測軟件。

結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，首先輸液監(jiān)測模塊中通過紅外傳感器檢測出輸液過程中藥滴，利用Arduino微控制器進(jìn)行處理獲取計數(shù)、速度等信息，然后使用Zigbee無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)輸液自組網(wǎng)無線通信，將信息發(fā)送到PC主機(jī)，最終在VB.NET上位機(jī)軟件中結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫以圖形化方式顯示并進(jìn)行報警，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測病人輸液狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架Fig.1 Overall system architecture diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 Arduino Nano主板

Arduino是一款來自意大利團(tuán)隊開發(fā)制作的開源電子原型平臺，包括一系列的硬件部分以及軟件程序代碼部分（Arduino集成的開發(fā)環(huán)境）[5]。相比傳統(tǒng)的單片機(jī)，其提供豐富的外圍接口，可以直接通過USB接口上傳程序。在軟件層Arduino會進(jìn)行封裝部分底層參數(shù)，提供了U8G2、Wire、EEPROM等常用庫[6]，有利于提高項目的開發(fā)效率，因此得到廣泛的應(yīng)用。

本研究中選用的是主板為Arduino Nano控制板，相比較同類型開發(fā)板尺寸更加小巧。其最大的特點(diǎn)是USB接口為Mini-B型插座而且沒有直流電流插口。Arduino Nano采用ATmega328P為處理器核心，具有較大的FLASH和RAM存儲容量，工作電壓為5 V，而輸入電壓為7～12 V電壓。同時開發(fā)板包含8個模擬輸入端口，6個PWM端口，14個數(shù)字輸入/輸出端口[7-8]，可以方便傳感器數(shù)據(jù)接收與信息處理。

2.2 輸液監(jiān)測終端

在實(shí)際輸液過程中，病房中的輸液監(jiān)測終端由多個輸液監(jiān)測模塊和Zigbee無線組網(wǎng)通信模塊一起共同工作。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輸液終端結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of infusion terminal

輸液監(jiān)測模塊主要由Arduino Nano主控板、軟串口連接的紅外傳感器、蜂鳴器以及OLED顯示屏組成。其中，系統(tǒng)采用的紅外傳感器為紅外發(fā)射以及光敏二極管模塊，準(zhǔn)確地對茂菲管中的藥液進(jìn)行檢測；Arduino Nano主控板對檢測的藥液間隔時間和滴數(shù)進(jìn)行處理，獲取藥液的速度以及剩余容量，并通過IIC接口協(xié)議將信息顯示在OLED顯示屏上。當(dāng)出現(xiàn)輸液異?；蛘叩陀谟嗔繒r，OLED顯示屏以及蜂鳴器進(jìn)行報警提示。

無線組網(wǎng)通信模塊采用TI 公司開發(fā)的CC2530芯片進(jìn)行傳輸，本設(shè)計中病房之間的ZigBee無線模塊采用網(wǎng)狀拓樸結(jié)構(gòu)，主要有終端節(jié)點(diǎn)，路由器以及協(xié)調(diào)器。Zigbee模塊中的CC2530芯片通過串口與輸液檢測模塊連接組成終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對輸液信號的采集，路由器主要負(fù)責(zé)信息的中轉(zhuǎn)，通過多跳延長傳輸距離，PC機(jī)與Zigbee模塊通過USB連接組成協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)對病房的多個終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并顯示在上位機(jī)中。系統(tǒng)的輸液檢測終端效果如圖3所示。

圖3 輸液檢測終端Fig.3 Infusion detection terminal

3 輸液監(jiān)測軟件設(shè)計

輸液系統(tǒng)的監(jiān)測終端部分采用C語言進(jìn)行開發(fā)，而輸液監(jiān)測上位機(jī)軟件在Visual Studio平臺上采用Visual Basic.NET語言進(jìn)行開發(fā)，VB.NET是微軟推出的基于.NET Framework之上的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，與之前的VB語言相比，提高了在面向?qū)ο蠓矫娴闹С郑蔀榱送耆嫦驅(qū)ο蟮撵`活高效、穩(wěn)定的編程語言[9-10]。

3.1 下位機(jī)主流程設(shè)計

輸液監(jiān)測終端的功能主要是實(shí)現(xiàn)輸液數(shù)據(jù)采集以及報警提示。首先，系統(tǒng)在初始化以后，開始在單位時間內(nèi)判斷藥液是否滴落并實(shí)現(xiàn)輸液過程中數(shù)據(jù)的采集；微控制器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果滴速超過設(shè)定范圍，則通過顯示器和蜂鳴器進(jìn)行報警提示；如果輸液余量低于預(yù)警值，則傳送至上位機(jī)軟件提醒工作人員進(jìn)行處理。下位機(jī)主流程，如圖4所示。

圖4 下位機(jī)主流程Fig.4 Main flow chart of lower machine

3.2 組網(wǎng)與傳輸協(xié)議

輸液監(jiān)測系統(tǒng)的Zigbee組網(wǎng)通信流程，如圖5所示。傳輸節(jié)點(diǎn)在建網(wǎng)開始時，先判斷設(shè)備類型。終端節(jié)點(diǎn)或路由器在初始化后，向協(xié)調(diào)器申請加入網(wǎng)絡(luò)并配置ID；協(xié)調(diào)器在初始化后配置信道和建立網(wǎng)絡(luò)，并接收傳輸節(jié)點(diǎn)申請，組建網(wǎng)絡(luò)通信，利用串口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 Zigbee組網(wǎng)流程Fig.5 ZigBee networking flow chart

3.3 VB.NET監(jiān)測軟件開發(fā)

3.3.1 VB.NET監(jiān)測軟件功能設(shè)計

輸液監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要包括用戶管理模塊、輸液監(jiān)控模塊、病人檔案模塊和系統(tǒng)配置模塊四大模塊，軟件功能結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件功能結(jié)構(gòu)Fig.6 Upper computer software function structure diagram

用戶管理模塊主要為進(jìn)行用戶登陸、用戶密碼修改等操作。輸液監(jiān)控模塊是上位機(jī)軟件的主要部分，主要分為數(shù)據(jù)顯示以及預(yù)警提示兩個部分。病人信息模塊主要實(shí)現(xiàn)連接數(shù)據(jù)庫獲取新增病患以及管理病患檔案的功能。系統(tǒng)配置模塊主要實(shí)現(xiàn)串口端口、波特率等參數(shù)配置以及串口開關(guān)的功能。

3.3.2 軟件流程設(shè)計及方法實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)輸液監(jiān)測的功能，本系統(tǒng)中在監(jiān)測軟件端工作流程設(shè)計分為串口配置、數(shù)據(jù)讀取與處理以及數(shù)據(jù)庫連接與信息顯示三個步驟。

（1）串口信息配置

微軟從.NET Framework 2.0開始在Visual Studio中提供了用于控制串行端口的類System.IO.Ports.SerialPort。SerialPort類的使用開發(fā)，具有通信快、實(shí)時性強(qiáng)、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，為開發(fā)者提供了多種串口操作的簡單方法[11-12]。

在軟件串口通信中，首先需要在工程中添加system.IO.ports名稱空間，為了與協(xié)調(diào)器端口一致，利用SerialPort.GetPortNames從軟件端獲取連接端口值。在對串口初始化后，通過open函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)串口通信的連接，進(jìn)一步針對串口對象可以配置串口端口、波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位等參數(shù)實(shí)現(xiàn)與協(xié)調(diào)器的連接。

（2）數(shù)據(jù)的讀取與處理

①數(shù)據(jù)讀取

針對實(shí)際檢測中，如果終端數(shù)量很多，軟件串口端需要同時接收多個數(shù)據(jù)。因此，軟件通過調(diào)用DataReceived事件來讀取窗口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動觸發(fā)DataReceived事件處理程序函數(shù)。

在串口接收數(shù)據(jù)時，為了解決串口接收事件屬于單獨(dú)線程，控件無法在main主線程中調(diào)用數(shù)據(jù)的問題，采用invoke委托方式訪問main主線程中的數(shù)據(jù)。

Me.Invoke(New EventHandler(AddressOf Sp_Receiving))

②數(shù)據(jù)處理

在本軟件端接收來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)以字節(jié)型數(shù)組形式讀取，因此需要將其轉(zhuǎn)換為字符型。同時由于String類無法允許內(nèi)容變動，所以需要使用StringBuilder字符串構(gòu)造類型對字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

（3）數(shù)據(jù)庫連接與信息顯示

系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后需要與數(shù)據(jù)庫建立連接進(jìn)行信息存儲，本設(shè)計中上位機(jī)軟件采用ADO.NET（Active Data Objects）方式連接SQL Server數(shù)據(jù)庫。實(shí)現(xiàn)與SQL Server數(shù)據(jù)庫的連接，需要經(jīng)過三步：即首先獲取連接字符串，通過SqlConnection類處理數(shù)據(jù)庫連接；其次為創(chuàng)建連接命令，利用SqlCommmand向數(shù)據(jù)庫發(fā)送操作命令；最后為數(shù)據(jù)集的處理操作，使用數(shù)據(jù)集DataSet進(jìn)行內(nèi)存中數(shù)據(jù)的分布，通過數(shù)據(jù)適配對象SqlDataAdapter的Fill方法對數(shù)據(jù)集DataSet中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改來更新數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)。

醫(yī)護(hù)人員可以通過LINQ方式對本地數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢以及存儲[13-14]，同時在界面的DataGirdView控件中顯示。

軟件監(jiān)測系統(tǒng)需要同時顯示多個病房的信息，其中包括每個病人的基本信息、輸液速度以及輸液進(jìn)度等信息。為了解決在顯示界面中將來自各個監(jiān)測終端的輸液信息有效地顯示在相應(yīng)控件，在VB.NET中提供了基于鍵值的快速查找元素的泛類，本軟件中利用dictionary類對同類型控件和信息進(jìn)行對應(yīng)分類，通過調(diào)用相應(yīng)的dictionary就可以將對應(yīng)病人床號的輸液信息顯示出來。

4 系統(tǒng)測試與主要界面

4.1 實(shí)驗設(shè)計

為了有效驗證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，選取了單個終端設(shè)備，配合路由器和協(xié)調(diào)器進(jìn)行工作。輸液監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗測試有兩部分，分別為滴速檢測準(zhǔn)確性測試和傳輸距離測試。

4.2 實(shí)驗結(jié)果與討論

輸液滴速檢測準(zhǔn)確性測試在實(shí)驗過程中，選用250 mL容量的0.9%氯化鈉，手動調(diào)控多組不同的輸液速度，以人眼觀察計算的實(shí)際滴速為實(shí)驗參照，與監(jiān)測系統(tǒng)OLED顯示屏上顯示的輸液速度進(jìn)行對比。為了減少偶然誤差，每個滴速進(jìn)行了5次測量，間隔 1 min，見表1。

表1 滴速檢測準(zhǔn)確性測試Tab.1 Measurement of drop rate detection

結(jié)果表明，兩者的最大誤差相差±1滴/min，能夠有效準(zhǔn)確地反應(yīng)輸液狀態(tài)。而且每次剩余藥液余量低過設(shè)定值5%時，系統(tǒng)能夠進(jìn)行報警，達(dá)到系統(tǒng)的基本要求，整體性能可靠穩(wěn)定。

在無線傳輸距離測試方面，采用CC2530通信模塊，其單個模塊之間理論傳輸距離可達(dá)70 m。經(jīng)過測試，在空曠空間下75 m范圍內(nèi)信號良好，在75 m到240 m之間信號較差，超過240 m以后將無法進(jìn)行信號傳輸。在醫(yī)院環(huán)境中測試，單個模塊之間的通信距離可以相隔5個病房。在走廊處加上路由器進(jìn)行多跳后，可以在同樓層9個病房之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，滿足醫(yī)院中病房之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

4.3 主要界面

本設(shè)計軟件主界面包括實(shí)時監(jiān)測、系統(tǒng)配置、病人檔案處理以及新增病患等功能按鍵，如圖7所示。監(jiān)護(hù)病人信息界面提供了病人檔案存儲以及管理的功能，工作人員可以在本界面中訪問數(shù)據(jù)庫，查詢數(shù)據(jù)庫中監(jiān)護(hù)病人的信息，進(jìn)一步對病人信息進(jìn)行修改和保存，監(jiān)護(hù)病人信息界面，如圖8所示。

圖7 上位機(jī)主界面Fig.7 Host computer main interface

圖8 監(jiān)護(hù)病人信息界面Fig.8 Monitoring patient information interface

上位機(jī)軟件在工作過程中連接數(shù)據(jù)庫，獲取病人基本信息，采用圖形界面直觀地反應(yīng)病人的輸液狀態(tài)，其中包括病號、輸液速度、進(jìn)度等信息。同時，當(dāng)病人的輸液余量低于總?cè)萘康?%時，病人對應(yīng)的狀態(tài)界面也會轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色用于實(shí)時報警，提示醫(yī)護(hù)人員，上位機(jī)輸液監(jiān)測軟件應(yīng)用界面，如圖9所示。

圖9 上位機(jī)輸液監(jiān)測軟件Fig.9 Host computer infusion monitoring software diagram

5 結(jié)語

設(shè)計了一套遠(yuǎn)程靜脈輸液監(jiān)測系統(tǒng)，通過Arduino控制板和紅外光電傳感器構(gòu)成監(jiān)測裝置檢測相關(guān)信息，同時通過Zigbee無線傳感技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并上傳至VB.NET設(shè)計的上位機(jī)監(jiān)測軟件。整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測輸液的狀態(tài)，具有良好的人機(jī)交互界面以及圖形化報警提示功能，從而減輕醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)，提高醫(yī)療工作效率。