基于物聯(lián)網(wǎng)病區(qū)臨床護(hù)理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

李志恒，陸俊良，張萬(wàn)鵬，陳姚林，尤 勝，薛 清

（江蘇海洋大學(xué)，江蘇 連云港 222005）

0 引 言

靜脈輸液治療是一種常見(jiàn)的傳統(tǒng)醫(yī)療方法，它使用針/套管將藥液直接注入病人靜脈中以達(dá)到治療效果，在對(duì)新冠病毒感染患者的治療中得到廣泛應(yīng)用[1]。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，住院患者接受某種類型的靜脈輸液治療的概率為90%～95%[2-5]。本文對(duì)靜脈輸液管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用采用遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人輸液狀況，無(wú)需醫(yī)護(hù)人員與病人頻繁接觸。通過(guò)智能識(shí)別藥品和病人信息降低出錯(cuò)率；通過(guò)輸液報(bào)警，提高突發(fā)狀況的應(yīng)急水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)以護(hù)士站電腦端及其接收器作為靜脈輸液管理系統(tǒng)中心，并采用“星型拓?fù)洹弊鳛樵撓到y(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合病房控制器、輸液監(jiān)控器和手機(jī)端APP 等部分，實(shí)現(xiàn)靜脈輸液系統(tǒng)的可視化管理。靜脈輸液管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)由護(hù)士站、病房控制器、輸液監(jiān)控器和手機(jī)端四部分組成。

圖1 靜脈輸液管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

靜脈輸液管理系統(tǒng)的電腦端主要實(shí)現(xiàn)以下功能：病人輸液信息狀態(tài)顯示（包括輸液余量、輸液滴速、預(yù)計(jì)剩余時(shí)間等）、藥品數(shù)據(jù)庫(kù)信息錄入與顯示、輸液余量隨時(shí)間變化圖表顯示、呼叫護(hù)士和告警等。

1.2 護(hù)士站電腦端

護(hù)士可以通過(guò)護(hù)士站電腦端管理平臺(tái)軟件的顯示界面，遠(yuǎn)程查詢各個(gè)病區(qū)內(nèi)患者的輸液余量、剩余時(shí)間等情況，能夠有效降低醫(yī)院內(nèi)護(hù)理人員的工作量，從而減少患者和醫(yī)護(hù)人員之間的接觸，降低交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。

護(hù)士站管理中心軟件部分根據(jù)實(shí)際需要將負(fù)責(zé)不同功能的界面放在同一個(gè)程序中，其中包括病房輸液狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示界面、藥瓶數(shù)據(jù)庫(kù)管理界面和藥品數(shù)據(jù)信息掃碼錄入界面等。病房輸液狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示界面：負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示每個(gè)病房的病人輸液信息（包括輸液藥品名稱、輸液剩余時(shí)間、輸液剩余量、輸液滴速等）；藥瓶數(shù)據(jù)庫(kù)管理界面：負(fù)責(zé)顯示錄入的藥品數(shù)據(jù)信息，供醫(yī)護(hù)人員實(shí)時(shí)查看；藥品數(shù)據(jù)信息掃碼錄入界面：負(fù)責(zé)掃碼錄入新的藥品數(shù)據(jù)信息。

護(hù)士站電腦端接收器以STM32F103 芯片作為其控制核心[6-8]，并且搭載了LoRa 無(wú)線通信模塊、ESP8266 WiFi 模塊以及用于連接電腦端和接收器的TTL 串口通信模塊。技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電腦端接收器的技術(shù)架構(gòu)

護(hù)士站電腦端接收器通過(guò)使用LoRa 無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行電腦端與各個(gè)病房控制器的無(wú)線通信信息傳輸，電腦端接收器接收來(lái)自每個(gè)病房的輸液信息，包括輸液設(shè)備信息、病人輸液狀況信息和病人信息；另一方面接收器向每個(gè)病房控制器發(fā)送其所需的藥品數(shù)據(jù)庫(kù)信息，實(shí)現(xiàn)電腦端與每個(gè)病房控制器的雙向通信。

1.3 病房控制器與輸液監(jiān)控器

病房控制器與輸液檢測(cè)器架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 病房控制器與輸液檢測(cè)器架構(gòu)

輸液監(jiān)控器是負(fù)責(zé)采集輸液信息的硬件設(shè)備，并將采集到的數(shù)據(jù)，包括輸液藥瓶余量、輸液滴速、輸液擋位、輸液狀態(tài)等，通過(guò)NRF24L01 模塊實(shí)時(shí)上傳到病房控制器。

1.4 手機(jī)端APP

在病人輸液過(guò)程中，病人家屬或監(jiān)護(hù)人難免會(huì)有事需要暫時(shí)離開(kāi)，在此期間會(huì)擔(dān)心病人的輸液狀況，但又不能及時(shí)返回病人身邊進(jìn)行查看。如果設(shè)計(jì)一款用于遠(yuǎn)程查看病人輸液狀況的APP，病人家屬或監(jiān)護(hù)人就可以遠(yuǎn)程查看病人的輸液余量。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

護(hù)士站管理平臺(tái)軟件部分使用功能強(qiáng)大的Python作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，并使用PyQt5 進(jìn)行UI 設(shè)計(jì)[9-10]；護(hù)士站電腦端接收器、病房控制器、輸液監(jiān)控器等硬件外設(shè)則采用STM32 芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā)；手機(jī)端APP 使用便捷的微信小程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)。電腦端與病房控制器之間采用穿透性好、抗干擾能力強(qiáng)且傳輸距離遠(yuǎn)的LoRa 模塊進(jìn)行無(wú)線通信；而每個(gè)病房控制器與該病房?jī)?nèi)的輸液監(jiān)控器之間則采用低功耗、近距離數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的NRF24L01 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；電腦端與手機(jī)端使用ESP8266 WiFi 模塊與OneNET 平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)電腦端與手機(jī)端的數(shù)據(jù)交互。

2.1 護(hù)士站管理中心顯示系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該程序使用Python 作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，并借助PyQt5 強(qiáng)大的UI 設(shè)計(jì)功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。護(hù)士站管理中心顯示輸液信息管理界面、藥品數(shù)據(jù)庫(kù)顯示界面、藥品信息錄入界面、設(shè)置界面和輸液余量隨時(shí)間變化圖表。其中前4 個(gè)界面由可切換顯示的標(biāo)簽制作，輸液余量隨時(shí)間變化圖表則作為輸液信息管理界面中的一個(gè)彈窗顯示。

2.2 藥品數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

該程序通過(guò)Python、PyQt5 和OpenCV2 三種技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)醫(yī)院有新的藥品信息需要錄入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，負(fù)責(zé)人只需要打開(kāi)護(hù)士站管理軟件，并點(diǎn)擊進(jìn)入“藥品錄入”標(biāo)簽頁(yè)，打開(kāi)攝像頭，將藥瓶條形碼放置在攝像頭下即可。此時(shí)，系統(tǒng)就控制攝像頭獲得一幅圖像，將這幅圖像進(jìn)行灰度、二值化處理，并識(shí)別藥瓶的條形碼信息。識(shí)別成功后，會(huì)自動(dòng)填入條形碼數(shù)據(jù)，待核對(duì)完畢后，點(diǎn)擊錄入按鈕即可將藥瓶數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。藥品數(shù)據(jù)庫(kù)錄入界面如圖4 所示。該界面用于藥品數(shù)據(jù)的顯示，醫(yī)護(hù)人員可以查看已有藥品的數(shù)據(jù)信息。新記錄的藥物數(shù)據(jù)將會(huì)即時(shí)發(fā)布到藥物數(shù)據(jù)庫(kù)的頁(yè)面。

圖4 藥品數(shù)據(jù)庫(kù)錄入界面

2.3 手機(jī)端APP

微信小程序主要包含兩個(gè)界面，如圖5 所示。第一個(gè)界面是登錄界面，用戶可以選擇患者所使用的輸液設(shè)備，隨后進(jìn)入第二個(gè)顯示界面，在該界面可以查看患者的輸液信息。

圖5 微信小程序顯示界面

2.4 電腦端接收器

護(hù)士站電腦端接收器連接電腦后，軟件將進(jìn)行通信參數(shù)初始化操作，當(dāng)控制器連接上WiFi 后，將通過(guò)云平臺(tái)接收來(lái)自微信小程序推送的控制命令，并執(zhí)行該命令；通過(guò)串口或LoRa 轉(zhuǎn)發(fā)到命令執(zhí)行端；軟件將當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)JSON 格式封裝后定時(shí)上報(bào)到云平臺(tái)?？刂破鹘邮盏絃oRa 發(fā)送來(lái)的消息時(shí)，將對(duì)消息進(jìn)行過(guò)濾，再通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)到電腦端進(jìn)行顯示。當(dāng)接收到電腦端通過(guò)串口發(fā)送來(lái)的信息時(shí)，校驗(yàn)數(shù)據(jù)的真?zhèn)?，再通過(guò)LoRa 轉(zhuǎn)發(fā)到命令請(qǐng)求端。護(hù)士站電腦端接收器軟件流程如圖6 所示。

圖6 護(hù)士站電腦端接收器軟件流程

3 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

系統(tǒng)采用了JSON 輕量化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)壓縮成一條字符串，每次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)只需將這一條字符串發(fā)送出去，接收端只需要解壓一下就可以得到每個(gè)數(shù)據(jù)的值。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化之后，系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試中均未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、堵塞的問(wèn)題。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)藥品信息錄入測(cè)試

打開(kāi)攝像頭，將條形碼對(duì)準(zhǔn)攝像頭，電腦端顯示界面會(huì)自動(dòng)框選條形碼的大致范圍，并顯示對(duì)應(yīng)編號(hào)，同時(shí)自動(dòng)填入條形碼編號(hào)信息。此時(shí)，填入藥品相關(guān)信息并點(diǎn)擊錄入即可將藥品信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。藥品數(shù)據(jù)庫(kù)信息錄入和顯示功能測(cè)試分別如圖7、圖8 所示。

圖7 藥品信息錄入功能測(cè)試

圖8 藥品信息數(shù)據(jù)庫(kù)顯示功能測(cè)試

4 結(jié) 語(yǔ)

目前靜脈輸液數(shù)據(jù)可視化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本可以滿足醫(yī)院靜脈輸液管理的需求，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控病人的輸液余量、輸液滴速和預(yù)計(jì)剩余時(shí)間，實(shí)時(shí)查看病人的輸液狀況是否有異常。在病人輸液結(jié)束時(shí)系統(tǒng)可以向護(hù)士站和手機(jī)端發(fā)出告警信號(hào)提醒護(hù)士和監(jiān)護(hù)人，并通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)鎖死滴速，確保病人的安全。該系統(tǒng)可以緩解病人的壓力、減少病毒交叉感染的危害，提高病人在輸液過(guò)程中的安全性。