馬 龍，鄧素碧，何 銘

（1.中興通訊股份有限公司南京研發(fā)中心，江蘇 南京 210012；2.西門子電力自動化有限公司，江蘇 南京 210012；3. 河北省工業(yè)和信息化發(fā)展研究院，河北 石家莊 050000）

0 引 言

患者在醫(yī)院就醫(yī)輸液時，醫(yī)護(hù)人員一般不會全程陪護(hù)，患者多依靠自己或陪護(hù)人員監(jiān)視輸液過程。當(dāng)輸液即將完成時，患者或者陪護(hù)人員通過按壓病房報警器或者直接到護(hù)士站呼叫醫(yī)護(hù)人員，醫(yī)護(hù)人員需要立即前往更換輸液瓶或者拔除針頭。但如果患者和陪護(hù)人員注意力不集中，沒能及時發(fā)現(xiàn)輸液完成，醫(yī)護(hù)人員未及時處理，就會造成血液回流、空氣進(jìn)入血管形成空氣栓塞、凝血堵住針頭等情況，嚴(yán)重時還會危及患者生命。

依靠人工監(jiān)視輸液過程和干預(yù)輸液的方式，給患者和陪護(hù)人員帶來負(fù)擔(dān)，耗費了時間和精力；而且在藥液即將輸完時，醫(yī)護(hù)人員必須立即到場處理，如果多名患者同時出現(xiàn)這種情況，還會導(dǎo)致醫(yī)護(hù)人員工作緊張。

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的無人守護(hù)輸液監(jiān)控系統(tǒng)（下文簡稱“輸液監(jiān)控系統(tǒng)”）。在不改變原有輸液裝置和方式的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了輸液過程的自動監(jiān)控，不需要人工監(jiān)視輸液過程，并且可以同時對多位患者的輸液進(jìn)行自動監(jiān)視和控制；輸液即將完成時，自動關(guān)閉輸液管并向醫(yī)護(hù)人員報警，醫(yī)護(hù)人員不需要立即到達(dá)現(xiàn)場，只需按部就班處理即可。從而有效減輕了患者和陪護(hù)人員的壓力，降低了醫(yī)護(hù)人員的工作強度，提高了醫(yī)護(hù)設(shè)備的信息化程度和自動化水平。

1 系統(tǒng)組成

基于物聯(lián)網(wǎng)的無人守護(hù)輸液監(jiān)控系統(tǒng)由輸液管監(jiān)測模塊、微處理器、輸液管控制模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、智能終端模塊、電源模塊和物聯(lián)網(wǎng)平臺組成。其中輸液管監(jiān)測模塊、微處理器、輸液管控制模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、電源模塊位于病房內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)平臺位于公網(wǎng)，智能終端模塊在護(hù)士站或者由護(hù)士隨身攜帶。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1.1 輸液管監(jiān)測模塊

目前主流的輸液管監(jiān)測模塊有以下3種類型：

（1）稱重型

根據(jù)輸液瓶內(nèi)的藥液重量變化來判斷剩余藥液。一般使用電阻應(yīng)變式稱重傳感器，電阻應(yīng)變片受力發(fā)生變形，其電阻值就隨之變化，電阻變化經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換為電信號，輸出到微處理器進(jìn)行處理。該類型的輸液管監(jiān)測模塊容易被外部環(huán)境干擾引起稱重波動，所以應(yīng)用較少。

（2）光電型

利用光的反射或折射檢測輸液管中液體流過的情況，一般使用紅外對管傳感器，利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量。紅外對管傳感器由紅外線發(fā)射管和紅外線接收管組成，紅外線接收管將紅外線光信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸出到微處理器進(jìn)行處理。當(dāng)輸液管中沒有液體滴落時，紅外線接收管輸出高電平；當(dāng)有液體滴落時，由于液滴對光的吸收和散射，紅外線接收管輸出電平會降低。紅外線接收管輸出電平的變化反映了輸液管中液體的流動情況。

（3）電容型

采用非接觸式電容傳感器，利用極板之間的電介質(zhì)變化導(dǎo)致電容變化來檢測輸液管中的液體流動情況。電容值C=εS/d，當(dāng)極板面積S、極板間距d固定時，電容值由介電常數(shù)ε決定，即由電容器介質(zhì)決定。將輸液管固定于電容的兩極板之間，當(dāng)輸液管中有液體流動時，輸液管與其中的液體構(gòu)成介質(zhì)；當(dāng)輸液管中無液體流動時，輸液管與其中的空氣構(gòu)成介質(zhì)。水的介電常數(shù)約為78.5，空氣的介電常數(shù)約為0，故電容大小的變化反映了輸液管中是否有液體通過的情況。電容量的變化經(jīng)過測量電路轉(zhuǎn)換為電信號，輸出到微處理器進(jìn)行處理。

輸液管監(jiān)測模塊與微處理器的I/O連接，把傳感器的輸出電信號發(fā)送給微處理器。

1.2 輸液管控制模塊

輸液管控制模塊的作用是輸液即將完成時阻止輸液繼續(xù)進(jìn)行。主要執(zhí)行部件采用直流電機，其功能是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。直流電機與微處理器的I/O連接，接收微處理器的脈沖指令，輸入電壓為5 V。當(dāng)接收到微處理器發(fā)出關(guān)斷輸液管的指令時，電機正轉(zhuǎn)，帶動偏心輪轉(zhuǎn)動，卡緊輸液管，實現(xiàn)對輸液管中流動液體的阻斷。

1.3 微處理器

微處理器位于輸液管監(jiān)測模塊、輸液管控制模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊之間，對輸液管監(jiān)測模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)接收、邏輯運算、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)發(fā)送等。

微處理器定時讀取輸液管監(jiān)測模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)微處理器判斷輸液管中沒有液體流動時，給輸液管控制模塊發(fā)出阻斷輸液管的指令。另外，微處理器處理數(shù)據(jù)后，傳送給網(wǎng)絡(luò)模塊。

微處理器一般采用單片機，為了方便調(diào)試和數(shù)據(jù)處理，單片機一般使用開發(fā)板。

1.4 網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)模塊實現(xiàn)微處理器與物聯(lián)網(wǎng)平臺之間、智能終端模塊與物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)模塊使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)包括電話線、ADSL和光纖等，無線網(wǎng)絡(luò)包括 ZigBee、GRPS、4G、5G、WiFi、IoT等。

1.5 物聯(lián)網(wǎng)平臺

物聯(lián)網(wǎng)平臺為設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力，向下連接海量設(shè)備，支撐設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云；向上提供云端API。物聯(lián)網(wǎng)平臺通過對外提供的讀寫接口，接收網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)妮斠汗鼙O(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲，供智能終端獲取數(shù)據(jù)。

1.6 智能終端模塊

智能終端模塊包括智能終端和輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP。智能終端具有網(wǎng)絡(luò)功能，連接互聯(lián)網(wǎng)后可以從物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取數(shù)據(jù)；輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP運行于智能終端，至少提供以下功能：輸液作業(yè)開始、輸液作業(yè)查詢、輸液過程監(jiān)控、輸液作業(yè)結(jié)束等。常見的智能終端有智能手機、醫(yī)用PDA等。

1.7 電源模塊

電源模塊對輸液管監(jiān)測模塊、輸液管控制模塊、微處理器、網(wǎng)絡(luò)模塊和智能終端模塊進(jìn)行供電，保證各模塊正常工作。

電源模塊使用9 V直流電源給微處理器供電，由微處理器的輸出電壓引腳給輸液管監(jiān)測模塊、輸液管控制模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊供電。智能終端一般自帶電源。

2 系統(tǒng)軟件組成

輸液監(jiān)控系統(tǒng)的軟件包括微處理器軟件、網(wǎng)絡(luò)模塊軟件和智能終端模塊的輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP軟件。

2.1 微處理器軟件

微處理器軟件功能如下：

（1）定時讀取輸液管監(jiān)測模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)是輸液管監(jiān)測模塊輸出的電信號。

（2）處理輸液管監(jiān)測模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到輸液管中液體流動狀態(tài)，即輸液管中是否有液體流動。

（3）當(dāng)判斷輸液管中無液體流動，并且沒有發(fā)出過控制指令時，給輸液管控制模塊發(fā)出阻斷輸液管的指令，并記錄已發(fā)出控制指令。

（4）把輸液管中液體流動狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制指令發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)模塊。

（5）具有復(fù)位功能。輸液完成且醫(yī)護(hù)人員處理后，按壓復(fù)位鍵，微處理器響應(yīng)按鍵，發(fā)出復(fù)位指令，輸液管控制模塊進(jìn)行復(fù)位，電機反轉(zhuǎn)，偏心輪回到初始位置；然后微處理器控制輸出電壓引腳，停止給輸液管監(jiān)測模塊和輸液管控制模塊供電；最后復(fù)位微處理器程序，清除監(jiān)測數(shù)據(jù)和各種運算數(shù)據(jù)。

（6）其他必要的管理功能，如單片機管腳設(shè)置等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模塊軟件

網(wǎng)絡(luò)模塊軟件功能如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)置：以便利用網(wǎng)絡(luò)資源，可以連接到互聯(lián)網(wǎng)。

（2）傳輸數(shù)據(jù)：傳送輸液管中液體流動狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制指令發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺。

2.3 輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP軟件

輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP軟件運行在智能終端，主要具有以下功能：

（1）輸液作業(yè)開始：輸入輸液患者信息和輸液管監(jiān)測模塊信息，并將二者進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

（2）輸液作業(yè)查詢：包括各個輸液作業(yè)的開始時間、持續(xù)時間、當(dāng)前狀態(tài)等，還包括歷史輸液作業(yè)查詢。

（3）輸液過程監(jiān)控：當(dāng)有輸液即將完成時，通過設(shè)置的報警方式進(jìn)行報警。

（4）輸液作業(yè)結(jié)束：清除輸液過程數(shù)據(jù)。

（5）報警設(shè)置：包括報警方式（聲、光、振動、語音等）設(shè)置、報警聲音選擇。

（6）通過智能終端連接到互聯(lián)網(wǎng)，定時從物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取當(dāng)前的輸液信息數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)工作過程

基于物聯(lián)網(wǎng)的無人守護(hù)輸液監(jiān)控系統(tǒng)中，輸液管監(jiān)測模塊實時采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，微處理器對其輸出電信號進(jìn)行處理得到輸液管中液體流動數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷，在輸液管中有液體流動時，輸液管控制模塊不執(zhí)行動作；在輸液管中無液體流動時，微處理器發(fā)出阻斷輸液管的指令，輸液管控制模塊的電機正轉(zhuǎn)，帶動偏心輪轉(zhuǎn)動，卡緊輸液管，輸液管中殘余液體不再流動。另外，微處理器通過網(wǎng)絡(luò)模塊把輸液管中液體流動狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制指令發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺，運行在智能終端的輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP從物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取輸液管中液體流動狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)輸液管中無液體流動時，通過設(shè)置的報警方式進(jìn)行報警。

3.1 系統(tǒng)的前置過程

所謂前置過程，就是使輸液監(jiān)控系統(tǒng)正常工作的準(zhǔn)備工作。主要包括以下4個方面：

（1）對網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行設(shè)置，能夠接收微處理器的數(shù)據(jù)，并發(fā)送數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺。

（2）配置物聯(lián)網(wǎng)平臺，能夠存儲數(shù)據(jù)，并能夠?qū)ν馓峁?shù)據(jù)寫入和查詢接口。

（3）編寫輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP程序，并在智能終端運行。

（4）使用直流電源給微處理器、輸液管監(jiān)測模塊、輸液管控制模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊供電，保證各模塊正常工作。

3.2 數(shù)據(jù)的采集和控制

數(shù)據(jù)的采集和控制，即輸液監(jiān)控系統(tǒng)實時采集輸液管監(jiān)測數(shù)據(jù)，微處理器對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到輸液管中液體流動狀態(tài)數(shù)據(jù)，并以此作為驅(qū)動輸液管控制模塊動作的依據(jù)。

（1）數(shù)據(jù)采集：輸液管監(jiān)測模塊實時監(jiān)測輸液管中液體流動情況，輸出監(jiān)測數(shù)據(jù)，即電信號。

（2）數(shù)據(jù)處理：微處理器定時讀取輸液管監(jiān)測模塊輸出的電信號，并進(jìn)行邏輯運算和處理，得到輸液管中液體流動狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（3）輸液管控制：微處理器對輸液管中液體流動狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)輸液管中無液體流動時，發(fā)出阻斷輸液管的指令，輸液管控制模塊做出阻斷輸液的動作。

（4）數(shù)據(jù)傳送：將輸液管中液體流動狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制指令發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)模塊，傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺。

（5）數(shù)據(jù)存儲：物聯(lián)網(wǎng)平臺收到輸液管液體流動數(shù)據(jù)后存儲到數(shù)據(jù)庫。

3.3 輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP流程

在智能終端運行輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP，其工作過程描述如下：

（1）開始輸液作業(yè)，關(guān)聯(lián)輸液管監(jiān)測模塊和輸液患者的信息。

（2）定時從物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取輸液管中液體流動狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（3）當(dāng)輸液管中無液體流動時執(zhí)行步驟4，否則執(zhí)行步驟2。

（4）使用設(shè)置的報警方式進(jìn)行報警。

（5）輸液作業(yè)結(jié)束，保存歷史數(shù)據(jù)，清除輸液作業(yè)數(shù)據(jù)。

輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP的具體工作流程如圖2所示。

圖2 輸液監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文在實驗室環(huán)境實現(xiàn)了輸液監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建，采用的是Arduino開源電子原型平臺。

Arduino支持很多種處理器芯片的開發(fā)，內(nèi)部有大量的類庫，軟件和硬件開發(fā)方式類似于搭積木的方式，開發(fā)和應(yīng)用比較簡單、方便、快捷。

輸液管監(jiān)測模塊選用非接觸式電容傳感器，利用極板之間的電介質(zhì)變化導(dǎo)致電容變化來監(jiān)測輸液管中液體流動情況。當(dāng)電容介質(zhì)中的藥液由空氣取代且電容值發(fā)生變化時，說明輸液即將完成。

輸液管控制模塊中的直流電機選用L9110驅(qū)動，電機與輸出端連接。另外，其他輔助器件還包括偏心輪和擋板，偏心輪由電機帶動。開始輸液時，輸液管放在擋板和偏心輪中間；輸液即將結(jié)束時，電機轉(zhuǎn)動，帶動偏心輪，偏心輪和擋板之間距離變小，從而卡緊輸液管。

微處理器使用單片機，選擇Arduino UNO R3開發(fā)板，該開發(fā)板采用AVR單片機ATMEGA328P作為主控制器。

網(wǎng)絡(luò)模塊使用ESP8266，ESP8266是專門應(yīng)用于移動設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計的WiFi模塊，通過AT指令配置與單片機上的串口進(jìn)行通信，利用WiFi傳輸數(shù)據(jù)。ESP8266體積小、功耗低、價格便宜。

智能終端使用安卓智能手機，輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP自行開發(fā)，具有的功能包括輸液作業(yè)開始、輸液作業(yè)查詢、輸液過程監(jiān)控、設(shè)置報警方式等。

為了方便開發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)平臺使用某免費的物聯(lián)網(wǎng)平臺。

另外，電源模塊使用9 V直流電源給單片機供電，由單片機的輸出電壓引腳給輸液管監(jiān)測模塊、輸液管控制模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊供電，智能手機則由自帶電池供電。

按照前文的系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行搭建，把輸液管監(jiān)測模塊、輸液管控制模塊、單片機Arduino UNO R3、ESP8266芯片依次連接，在單片機Arduino UNO R3中進(jìn)行編程，處理來自輸液管監(jiān)測模塊采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到輸液管中液體流動狀態(tài)數(shù)據(jù)；當(dāng)輸液管中無液體流動時，對輸液管控制模塊發(fā)出阻斷輸液管的指令；對ESP8266芯片進(jìn)行設(shè)置，利用本地WiFi資源，連接到互聯(lián)網(wǎng)，輸液管中液體流動數(shù)據(jù)通過ESP8266芯片發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺并進(jìn)行存儲。

運行輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP，連接物聯(lián)網(wǎng)平臺，并進(jìn)行報警設(shè)置。定時從物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取輸液管中液體流動狀態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有患者輸液即將完成時進(jìn)行聲、光或者振動等形式的報警。

輸液監(jiān)控系統(tǒng)運行示意圖如圖3所示，輸液管監(jiān)測模塊、輸液管控制模塊、微處理器、網(wǎng)絡(luò)模塊和電源集成為一個組合模塊，輸液時安裝在滴壺和輸液瓶之間的輸液管部分，通過WiFi連接物聯(lián)網(wǎng)平臺，智能終端由醫(yī)護(hù)人員攜帶。

圖3 輸液監(jiān)控系統(tǒng)運行示意圖

5 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的無人守護(hù)輸液監(jiān)控系統(tǒng)，其輸液管監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)采集輸液管監(jiān)測數(shù)據(jù)，微處理器負(fù)責(zé)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)輸液即將完成時，輸液管監(jiān)測部位的介質(zhì)由液體變?yōu)榭諝猓⑻幚砥鹘o輸液管控制模塊發(fā)出阻斷輸液指令，輸液管控制模塊阻止輸液繼續(xù)進(jìn)行；同時微處理器把輸液管中液體流動狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制指令發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行存儲；運行在智能終端的輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP定時從物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取各患者輸液數(shù)據(jù)，醫(yī)護(hù)人員可以隨時觀察到每個病人的輸液情況；當(dāng)有患者輸液即將完成時，發(fā)出報警，通知醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行處理。

基于物聯(lián)網(wǎng)的無人守護(hù)輸液監(jiān)控系統(tǒng)，減輕了輸液過程中的人力負(fù)擔(dān)，避免了因處理不及時帶來的安全隱患，提高了醫(yī)護(hù)質(zhì)量，推動了醫(yī)療事業(yè)自動化的發(fā)展，在我國患者多、醫(yī)護(hù)人員少的情況下具有極大的推廣意義。