面向血透機(jī)水路滲漏的物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

陳星勇，樓亮亮，章逸愷

1.臺州市第一人民醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備科，浙江 臺州 318020；2.臺州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，浙江 臺州 318020

引言

血液透析機(jī)是一種基于先進(jìn)光電傳感和計(jì)算機(jī)技術(shù)的醫(yī)療設(shè)備，利用超濾和滲透原理，通過透析器彌散、對流、吸附等方式清除患者血液中的代謝廢物，如尿素氮、肌酐等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)患者體內(nèi)電解質(zhì)與酸堿平衡調(diào)節(jié)，在臨床上主要用來替代患者腎臟[1-3]。隨著城市環(huán)境污染加劇和市民生活習(xí)慣的改變，以及老齡化趨勢下的高血壓、糖尿病、肥胖等代謝性疾病發(fā)病率的不斷升高，我國的慢性腎病發(fā)病率呈現(xiàn)上升趨勢[4-6]。而作為現(xiàn)代化慢性腎衰竭患者和慢性腎病治療的關(guān)鍵急救設(shè)備和醫(yī)療手段，血液透析的使用頻率也隨之增加[7]。

血液透析機(jī)主要由血路、水路和控制電路系統(tǒng)組成[7-8]，其中血路是在血泵提供動力下，將患者血液自動脈引出經(jīng)血液透析機(jī)后再回到人體靜脈的閉合回路；水路是指透析液和患者眥液彌散、對流、超濾、排廢等通路；控制電路系統(tǒng)則是在特定指令驅(qū)使下，實(shí)時(shí)監(jiān)測并控制血路和水路運(yùn)作各類參數(shù)，確?；颊咄肝鲞^程的安全性和有效性。然而，高負(fù)荷運(yùn)作下的血液透析機(jī)，尤其是其內(nèi)部水路在高溫、高壓、酸堿潮濕環(huán)境下老化破損風(fēng)險(xiǎn)也日趨嚴(yán)重，以至于水路滲漏是現(xiàn)階段血液透析機(jī)出現(xiàn)頻率非常高的故障[8]。為此，若血液透析機(jī)內(nèi)部水路在患者治療過程中發(fā)生滲漏，必然引發(fā)超濾量出錯(cuò)等問題，進(jìn)而影響治療效果甚至引發(fā)醫(yī)療事故[9-11]。此外，血液透析機(jī)水路滲漏出來的液體具有一定的腐蝕性，必然損傷血液透析機(jī)內(nèi)部電路系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)而給醫(yī)院造成損失。

近年來，國際醫(yī)療器械巨頭費(fèi)森尤斯公司推出的物聯(lián)血液透析機(jī)，通過監(jiān)測水路壓力實(shí)現(xiàn)滲透檢測，然而對于微小滲漏檢測精準(zhǔn)度仍不足[12]。此外，也有學(xué)者提出了以壓力傳感器、電導(dǎo)率和流量傳感器數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以機(jī)器學(xué)習(xí)算法為手段實(shí)現(xiàn)血液透析機(jī)水路監(jiān)測，但技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大且成本高昂[13-15]。目前，我國醫(yī)療機(jī)構(gòu)血液透析機(jī)大都以費(fèi)森尤斯不聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)血液透析機(jī)為主，該類醫(yī)療器械的維保大都是以定期人工視覺檢測和口頭匯報(bào)為主[16]。由于人工檢測與報(bào)告的遲滯性，發(fā)現(xiàn)設(shè)備水路問題時(shí)已引發(fā)一系列連帶故障，進(jìn)而導(dǎo)致血透機(jī)維護(hù)成本和時(shí)間陡增[10]。因此，亟需破解血透機(jī)水路異常在線感知與故障自主匯報(bào)方面的瓶頸，促進(jìn)血透機(jī)維保體系的升級迭代和高質(zhì)量發(fā)展[17-19]。本研究在血透機(jī)水路漏水機(jī)理基礎(chǔ)上，提出血透機(jī)水路滲漏物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)水路微小滲漏實(shí)時(shí)監(jiān)測和自主報(bào)警，以期為血透機(jī)故障的事前預(yù)警、事中處置與事后分析奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文將基于血透機(jī)滲漏液體的微電阻（弱導(dǎo)電）特性，構(gòu)建電阻式漏液傳感器電路，在此基礎(chǔ)之上基于Wi-Fi SoC 芯片ESP32 內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)化器（Analog to Digital Converter，ADC），實(shí)現(xiàn)漏液傳感器表征漏液信號的采集和分析，最后通過物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)完成檢測結(jié)果的遠(yuǎn)程投遞。綜上，本文構(gòu)建的感知系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，本文構(gòu)建的血透機(jī)水路滲漏物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)包含硬件電路和嵌入式軟件兩個(gè)部分。硬件電路由漏液傳感器和ESP32-DevKitC 模塊組成，其中漏液傳感器映射漏液事件發(fā)生的輸出信號Vout，與集成在ESP32-DevKitC 模塊中ESP32 模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC 相連。嵌入式軟件則植入在ESP32 中，包括檢測算法和通信算法兩個(gè)部分。其中檢測算法基于ADC 所量化的模擬信號sraw(n)，在滑動濾波處理基礎(chǔ)之上，構(gòu)建基于邊沿突變識別的漏液檢測算法，實(shí)現(xiàn)漏液識別結(jié)果D(n)檢出。通信算法是通過ESP32 自帶Wi-Fi 基帶和傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），將該漏液檢測結(jié)果信號傳遞到服務(wù)器端，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障預(yù)警和維保工單自動派送。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

本文采用ESP32-DevKitC 模塊作為模擬信號的采集和處理單元，該模塊集成了電源電路、USB 轉(zhuǎn)TTL 通信電路、ESP32 最小系統(tǒng)等，故本文重點(diǎn)關(guān)注漏液傳感器的構(gòu)建。鑒于血透機(jī)滲漏液體的弱導(dǎo)電特性，本文將根據(jù)檢測電路中任意兩點(diǎn)受滲漏液體的作用下電阻值變化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)血透機(jī)水路微小滲漏檢測，具體的感知原理如圖2 所示。本文將在印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）上腐蝕兩條不相交的導(dǎo)線條，即圖2 中的A、B 點(diǎn)之間無電氣關(guān)聯(lián)且阻值無窮大。當(dāng)有滲漏液體與該P(yáng)CB 導(dǎo)線條接觸時(shí)，A、B 導(dǎo)線間電阻因混合液內(nèi)部離子運(yùn)動作用而下降。因此，上述電阻的變化與是否有漏液存在相關(guān)性，故將該漏液傳感器PCB 部署在血透機(jī)水路之下，即可實(shí)現(xiàn)水路系統(tǒng)微小滲漏檢測。此外，為檢測≥1 mm 直徑的漏液，所設(shè)計(jì)的漏液傳感器任意不相交平行條間隙寬度為1 mm。

圖2 漏液傳感器示意圖

1.2 檢測算法設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)水路系統(tǒng)微小滲漏檢測，需要對漏液傳感器輸出的電阻特性進(jìn)行量化與分析。為此，本文基于上海樂鑫公司的ESP32Wi-Fi SoC 芯片為主控，將通過其內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC 模塊，對漏液傳感器輸出信號進(jìn)行采集。為提升感知系統(tǒng)的綜合性能，本文對采集的信號進(jìn)行了滑動濾波處理，具體計(jì)算方式如公式（1）所示。

式中，n為采樣序列號；sraw[.]和s(.)分別為當(dāng)前原始電壓信號和濾波后的電壓信號；W為滑動窗口長度，本文中該值為20。

鑒于透析混合液與漏液傳感器接觸的瞬間，將會改變其電阻特性，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)邊沿階躍特性，本文基于該特性建立漏液檢測算法，具體計(jì)算方式如公式（2）所示。

式中，1 和0 表示當(dāng)前是否檢測到漏液；sign()為符號函數(shù)；L為檢測次數(shù)，該值為3；T為檢測閾值，本文中該值為20；D(n)為檢測結(jié)果。如果當(dāng)前檢測窗口內(nèi)信號的標(biāo)準(zhǔn)差連續(xù)大于特定閾值，則認(rèn)為有檢測到漏液。

1.3 通信算法設(shè)計(jì)

TCP 作為一種面向連接且可靠的傳輸層通信協(xié)議，介于簡化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間。當(dāng)應(yīng)用層向傳輸層發(fā)送8 位字節(jié)表示的數(shù)據(jù)流時(shí)，傳輸層TCP 協(xié)議將數(shù)據(jù)流分區(qū)成適當(dāng)長度的報(bào)文段，該長度受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU）所限制。之后傳輸層將數(shù)據(jù)包傳給IP 層，通過網(wǎng)絡(luò)將包傳送給網(wǎng)口接口層（物理層）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)投遞至目標(biāo)實(shí)體的傳輸層[20]。因此，為確保TCP 協(xié)議傳輸?shù)目煽啃裕總€(gè)TCP/IP 包都包含一個(gè)序號，確保接收端實(shí)體按序接收并按序回復(fù)相應(yīng)確認(rèn)幀（Acknowledgement，ACK）；若發(fā)送端在合理往返時(shí)延（Round-Trip Time，RTT）內(nèi)未收到目標(biāo)實(shí)體的確認(rèn)，則對應(yīng)的數(shù)據(jù)包將會被進(jìn)行重傳[21]。因此，TCP 協(xié)議可以確保通信數(shù)據(jù)無差錯(cuò)、不丟失、不重復(fù)，且按序到達(dá)，非常適用于小數(shù)據(jù)量高可靠傳輸場景。為此，本文將基于TCP 協(xié)議構(gòu)建漏液監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸通路，具體的算法流程如圖3 所示。根據(jù)圖3，為實(shí)現(xiàn)漏液檢測結(jié)論數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程投遞，本文將ESP32 工作于站（Station，STA）模式，與醫(yī)院Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對接，以此實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果遠(yuǎn)程報(bào)警的目的。在該通信系統(tǒng)中，ESP32 與服務(wù)器基于TCP/IP 協(xié)議建立數(shù)據(jù)通路，其中ESP32 作為TCP客戶端，而服務(wù)器作為服務(wù)端。當(dāng)檢測到血透機(jī)水路漏液時(shí)，ESP32 將通過TCP/IP 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析和維修推送服務(wù)等功能。

圖3 通信算法實(shí)現(xiàn)流程圖

2 結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)部署

為驗(yàn)證本文中血透機(jī)水路滲漏在線感知系統(tǒng)的可行性，本文設(shè)計(jì)與加工了對應(yīng)的漏液傳感器，并基于ESP32-DevKitC 核心板構(gòu)建對應(yīng)的硬件主控模塊，通過植入上述漏液檢測算法實(shí)現(xiàn)常見滲漏液體檢測。在此基礎(chǔ)上，本文以現(xiàn)階段醫(yī)療機(jī)構(gòu)常用的德國貝朗8 系血透機(jī)水路為監(jiān)測對象，將上述軟硬件電路系統(tǒng)裝配至血透機(jī)中，以此驗(yàn)證上述感知系統(tǒng)的有效性與合理性，具體的實(shí)驗(yàn)部署如圖4 所示，在該物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為防止漏液腐蝕主控模塊電路系統(tǒng)，主控模塊安裝于德國貝朗8 系血透機(jī)最上方，漏液傳感器安裝在血透機(jī)水管之下，兩者之間通過排線進(jìn)行連接。從圖4a 可以看出，主控模塊與血透機(jī)水路完全隔絕，不會因?yàn)槁┧畵p壞主控電路系統(tǒng)，且方便主板取電以確保供電回路的穩(wěn)定性。圖4b 展示了漏液傳感器部署圖，漏液傳感器上布滿不相交的導(dǎo)線條，并安裝于血透機(jī)最下層的除氣室上方，確保上方水路及腔體滲漏液體能夠被傳感器所收集，同時(shí)兼?zhèn)渥钃鯘B漏液體腐蝕下方機(jī)電設(shè)備的功能，為血透機(jī)的工作壽命提升提供助力。

圖4 實(shí)驗(yàn)部署圖

2.2 感知系統(tǒng)性能分析

為評估上述感知系統(tǒng)的性能，本文對血透機(jī)常見3種滲漏液體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分別為透析混合液、消毒液和反滲水。為模擬血透機(jī)漏液場景，本實(shí)驗(yàn)采用塑料吸管選取上述3 種滲漏液體，分別滴在漏液傳感器上，以此驗(yàn)證算法的檢測精準(zhǔn)度。與此同時(shí)，為說明漏液檢測算法的合理性與有效性，本實(shí)驗(yàn)也將ESP32 量化所得傳感器原始信號、標(biāo)準(zhǔn)差和檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，通過ESP32 串口輸出到筆記本電腦。

由圖5a～c 可知，當(dāng)滲透液體與漏液傳感器接觸時(shí)，傳感器輸出的電壓出現(xiàn)躍變且持續(xù)下降。此外，電壓躍變信號的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)特征與溶液屬性相關(guān)，透析混合液和消毒液躍變幅值明顯大于反滲水。從圖5d～f 可知，本文利用上述電壓變化屬性，通過設(shè)定相應(yīng)閾值具備血透機(jī)微小滲漏液體的精準(zhǔn)檢測能力，同時(shí)也具備小時(shí)間跨度下數(shù)據(jù)漂移問題消除與修正能力，進(jìn)而提升了感知系統(tǒng)的魯棒性。

圖5 3種滲漏液體檢測結(jié)果

2.3 檢測精度分析

本文分別對透析混合液、消毒液和反滲水3 種液體漏液頻次檢測精準(zhǔn)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度為10 d，每天早中晚各進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)，以此評估本文算法的可靠性。從服務(wù)器獲取的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，本文對3 種漏液分別進(jìn)行了103、97、96 次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的血透機(jī)水路滲漏在線感知系統(tǒng)，對上述3 種液體漏液檢測精準(zhǔn)度均達(dá)到100%。此外，從遠(yuǎn)端服務(wù)器獲取的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明，本文設(shè)計(jì)的在線感知系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)具有較高的魯棒性，可為血透機(jī)上線和水路異常數(shù)據(jù)上云提供支撐。

表1 檢測精準(zhǔn)度

3 討論與總結(jié)

本研究首先基于血液透析機(jī)漏液電化學(xué)特性，構(gòu)建普適漏液傳感器；然后，基于所構(gòu)傳感器，搭建漏液檢測算法；最后，利用ESP32 Wi-Fi SoC 完成相關(guān)算法模型軟硬件系統(tǒng)的實(shí)踐，并在血液透析機(jī)上完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究表明，透析混合液和消毒液富含鈉、鉀、鈣、氯等導(dǎo)電離子，而反滲水中的溶解鹽、氯離子和大部分有機(jī)物等雜質(zhì)已在生產(chǎn)過程中被有效濾除，以至于反滲水導(dǎo)電能力弱于透析混合液和消毒液，進(jìn)而導(dǎo)致其躍變幅值低[22]。本文所設(shè)計(jì)漏液傳感器均能對透析混合液、消毒液和反滲水3 種常見滲漏液體呈現(xiàn)出不同的特性，進(jìn)而為血透機(jī)漏液檢測提供數(shù)據(jù)支撐，也為未來漏液屬性分類研究奠定基礎(chǔ)。此外，漏液傳感器輸出富含噪聲信號，本文中滑動濾波能夠有效實(shí)現(xiàn)信號提純。雖然無滲透液作用下的漏液傳感器輸出信號保持基本恒定，但也易受環(huán)境因素影響而存在信號漂移問題[16]。為此，本文建構(gòu)基于方差思想的漏液檢測算法，具備增強(qiáng)傳感器躍變信號特性和消除電壓漂移能力，解決檢測精準(zhǔn)度下降的問題。

本文從血透機(jī)維保工作數(shù)字賦能角度切入，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了血透機(jī)水路漏液感知系統(tǒng)，并在剖析血透機(jī)微小漏液物理特性基礎(chǔ)上，提出了漏液傳感器的構(gòu)建方法及其相關(guān)的漏液識別機(jī)制，有效提升了該檢測系統(tǒng)的魯棒性和環(huán)境適應(yīng)性，具有較強(qiáng)的可實(shí)踐性與應(yīng)用價(jià)值，因此本文所提技術(shù)方案將為血液透析機(jī)維保體系數(shù)字化賦能奠定有力支撐。然而，本文僅分析了短時(shí)間跨度內(nèi)系統(tǒng)檢測穩(wěn)定性，未來還需要研究長時(shí)間跨度內(nèi)傳感器腐蝕與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)性，以及多傳感融合賦能漏液檢測性能提升問題。

綜上所述，本文提出的血透機(jī)漏液感知系統(tǒng)，能夠?qū)ρ笝C(jī)水路滲漏事件進(jìn)行精準(zhǔn)檢測，并具備在線監(jiān)測能力。同時(shí)，本文提出的面向血透機(jī)水路異常的物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)，能夠切實(shí)地解決現(xiàn)階段依靠人工視覺血透機(jī)微弱滲水報(bào)警機(jī)制效率低的問題，為血透機(jī)維保體系數(shù)字化賦能提供了成功經(jīng)驗(yàn)，有利于血液透析機(jī)水路故障問題及早發(fā)現(xiàn)和及時(shí)定位，為助力我國醫(yī)療血透機(jī)維保體系的高質(zhì)量發(fā)展提供了相關(guān)技術(shù)案例。