陳 明，沈俊慧，朱其祥

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院信息工程系，福建 福州 350001)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，大家對智能產(chǎn)品的要求也越來越高，智能醫(yī)療輸液監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用也會越來越廣泛。但目前而言，大部分還處于手動的、普通的塑料產(chǎn)品，這遠不能滿足需求，因此這是一個有較大醫(yī)用前景的技術(shù)。展望未來，醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加方便更加智能的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求。就國內(nèi)市場需求而言，人們生活水平逐步提高，對生存環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高，對醫(yī)療電器產(chǎn)品提出更高的要求。所以醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計顯得尤為重要。

通過研究醫(yī)療輸液監(jiān)控過程，設(shè)計了一種可遠程監(jiān)測和控制輸液過程，遠程實時采集人體體征信息的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)病床管理的智能化、信息化和數(shù)字化，降低患者及患者家屬的精神負擔(dān)和憂慮，減輕護理人員的勞動強度，提高醫(yī)療單位管理質(zhì)量。

1 遠程智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠程智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)主要由輸液監(jiān)測器、多路輸液控制器、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、主控端和移動終端等構(gòu)成。主要功能是監(jiān)測多路輸液器并能實現(xiàn)異常自動報警、自動續(xù)瓶，遠程采集人體體征，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程移動式終端(手機、平板電腦)實時監(jiān)控、監(jiān)測和報警。護士站或家庭護理人員不必長期監(jiān)護，隨身攜帶手機或平板可以自由到附近從事其他活動，既降低護理人員的勞動強度和精神負擔(dān)，又提高了工作效率。

圖1 遠程智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the remote intelligent infusionmonitor system

2 系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計

系統(tǒng)的硬件模塊主要包括輸液監(jiān)測器、多路輸液控制器、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、主控端和移動終端等。其中輸液監(jiān)測器、多路輸液控制器和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心是采用CC2530單片機系統(tǒng)，主控端和移動終端分別是基于現(xiàn)有的PC機和移動終端設(shè)備 （手機、ipad等）的應(yīng)用。

2.1 CC2530模塊電路設(shè)計

控制電路和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均是以CC2530單片機為核心組成的控制電路。圖2是CC2530模塊電路原理圖，它包括CC2530單片機模塊、復(fù)位模塊、天線模塊、晶振模塊以及一些外圍低通濾波的電阻、電容和電感等。U4是CC2530芯片,為整個電路的核心單片機；SMA是2.4G天線座，其外圍的電容電感匹配很重要；Y1是32MHZ晶振，它讓CC2530正常工作，并產(chǎn)生穩(wěn)定的時鐘頻率；Y2是32.768KHZ晶振，最主要使用在Sleep Timer和Watchdog Timer上，是為了減少芯片的功耗，在芯片睡眠時關(guān)閉內(nèi)部某些電路，并以極低的頻率工作。J4是復(fù)位電路，主要是用來復(fù)位CC2530用的。L1是磁珠，專用于抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的能力。

圖2 CC2530模塊電路原理圖Figure 2 Circuit schematic of CC2530module

2.2 輸液監(jiān)測器設(shè)計

2.2.1 輸液監(jiān)測器工作原理及結(jié)構(gòu)

輸液監(jiān)測器的工作原理如圖3所示，由CC2530單片機控制電路和滴液監(jiān)測電路組成。輸液監(jiān)測器采用編碼后脈沖驅(qū)動激發(fā)電路，將檢測到的脈沖整形放大，解碼后再與原編碼比較，以判斷滴液情況。此方法一方面，大幅減少激發(fā)電路通電時間，大大降低功耗；另一方面，通過解碼電路分析檢測到的脈沖序列，而不是僅僅檢測脈沖的形狀，來判斷滴液情況，大大提高可靠性。輸液監(jiān)測器還具有zigbee無線發(fā)送功能，所有控制及zigbee協(xié)議均是基于CC2530單片機系統(tǒng)完成。輸液監(jiān)測器實物如圖4所示。

圖3 輸液監(jiān)測器原理框圖Figure 3 Schematic diagram of infusion monitor

圖4 輸液監(jiān)測器實物圖Figure 4 Physical diagram of infusion monitor

2.2.2 滴液監(jiān)測電路設(shè)計

滴液監(jiān)測電路由紅外對管信號采集電路和信號處理電路組成，如圖5所示。其中LED1是紅外發(fā)射管，LED2是光敏接收管，與限流電阻R1、分壓電阻R2構(gòu)成紅外對管信號采集電路。信號處理電路主要由比較器LM358完成，其中S1為可調(diào)電阻器，用來調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓；R4和LL3構(gòu)成指示燈電路。

在無滴液落下時，發(fā)射管發(fā)射的紅外光直接被接收管接收，使得接收管的阻值變小，因此OUT電壓也就變小,此時LM358的2腳輸入電壓很小，當(dāng)LM358的2腳輸入電壓比LM358的3腳電壓低時，LM358的1腳將輸出高電平，此時指示熄滅；在有滴液落下時，發(fā)射的紅外光被阻擋，使得接收管的阻值變大，因此OUT電壓也就變大,此時LM358的2腳輸入電壓比較大，當(dāng)LM358的2腳輸入電壓比LM358的3腳電壓高時，LM358的1腳將輸出低電平，此時指示燈亮。

圖5 滴液監(jiān)測電路原理圖Figure 5 Schematic diagram of drip monitoring circuit

2.3 多路輸液控制器設(shè)計

多路輸液控制器原理：采用永磁式步進電機，通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，帶動如圖6截流裝置結(jié)構(gòu)，使其開合達到精確位置，從而實現(xiàn)對輸液管的夾斷控制，再通過輸液檢測器的實時檢測，反饋點滴數(shù)據(jù)到主控端，主控端經(jīng)計算得到當(dāng)前流量，從而控制多路輸液器進行流量校正，達到流量控制的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而實現(xiàn)對輸液管開關(guān)的調(diào)速目的。

圖6 滴液截流裝置結(jié)構(gòu)圖Figure 6 Structure diagram of drip interception device

結(jié)構(gòu)安裝：頂部套個螺母，步進電機旋轉(zhuǎn)端子至下而上連接入螺母，并把步進電機固定于外殼裝置，通過控制步進電機旋轉(zhuǎn)帶動頂部上下移動從而夾緊實現(xiàn)截流。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 輸液監(jiān)測器軟件設(shè)計

輸液監(jiān)測流程主要是檢測水滴的脈沖，存儲水滴數(shù)量，累計觸發(fā)次數(shù)，檢測中間協(xié)調(diào)器，串口初始化，串口發(fā)送數(shù)據(jù)等。程序流程如7所示。

圖7 輸液監(jiān)測器程序流程圖Figure 7 Procedure flow chart of infusion monitor

3.2 多路輸液控制器軟件設(shè)計

多路輸液控制器軟件主要流程是根據(jù)不同的信息控制步進電機通斷，利用電機的正反轉(zhuǎn)特性來帶動截流夾的活動桿控制輸液的通斷和流速。截流器的開合可通過按鍵手動控制，也可通過接收遠程無線數(shù)據(jù)指令控制，流程如8圖所示。

圖8 多路輸液控制器程序流程圖Figure 8 Procedure flow chart of multi-channel infusion controller

3.3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程

組建一個完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括兩個步驟：第一步是協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)；第二步是路由器或終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。其中節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)又包括兩個步驟：通過協(xié)調(diào)器接入網(wǎng)絡(luò)和通過已有父節(jié)點入網(wǎng)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立是由協(xié)調(diào)器發(fā)起的，任何一個ZigBee節(jié)點要組建一個網(wǎng)絡(luò)必須要滿足以下兩點：1.節(jié)點是FFD節(jié)點，具備ZigBee協(xié)調(diào)器能力；2.節(jié)點還沒有與其它網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)節(jié)點已經(jīng)與其它網(wǎng)絡(luò)連接時，此節(jié)點只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點，因為一個Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

網(wǎng)絡(luò)建立流程步驟：

1.確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。首先判斷節(jié)點是否是FFD節(jié)點，接著判斷此FFD節(jié)點是否在其它網(wǎng)絡(luò)里或者網(wǎng)絡(luò)里是否已經(jīng)存在協(xié)調(diào)器。

2.進行信道掃描。

3.設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID。找到合適的信道后，協(xié)調(diào)器將為網(wǎng)絡(luò)選定一個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符（PAN ID），此ID在所使用的信道中是唯一的。協(xié)調(diào)器短地址通常設(shè)置為0x0000。

協(xié)調(diào)器啟動后，其它普通節(jié)點加入這個網(wǎng)絡(luò)時，只需將本身的信道設(shè)置成與協(xié)調(diào)器信道相同，并進行信息認證，即可請求加入這個網(wǎng)絡(luò)。

終端節(jié)點通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)：

1.查找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；

2.節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送請求關(guān)聯(lián)指令。協(xié)調(diào)器如果收到節(jié)點向其發(fā)的請求后會回復(fù)ACK確認幀，最后向MAC層收到連接原語是，則協(xié)調(diào)器會同意是否這個關(guān)聯(lián)請求；

3.等待協(xié)調(diào)器處理；

4.數(shù)據(jù)請求發(fā)送命令；

5.節(jié)點回復(fù)。

3.4 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件即主控端和移動終端的監(jiān)控軟件。主控系統(tǒng)一般架設(shè)在醫(yī)院的護士站等地方，主要由服務(wù)器機組和平臺軟件組成，當(dāng)主控系統(tǒng)接收到監(jiān)控數(shù)據(jù)后，終端監(jiān)測軟件會對數(shù)據(jù)進行各種分析、保存和管理。

圖9 軟件主界面Figure 9 Software main interface

圖10 軟件詳細界面Figure 10 Software detailed interface

圖11 系統(tǒng)軟件實時應(yīng)用界面截圖Figure 11 Screen shot of real-time application interface of system software

上位機軟件主界面和詳細頁面如圖9和圖10所示,實時應(yīng)用界面如圖11所示。主要功能設(shè)計如下：保留傳統(tǒng)護士站服務(wù)病人的宗旨，可實時接收到來自病床的呼叫；點滴監(jiān)控：可對輸液劑量、輸液管大小進行設(shè)置；可以監(jiān)控輸液藥瓶中剩余量的百分比；可以監(jiān)控輸液的滴速，并可根據(jù)病人情況進行滴速的調(diào)整；可以預(yù)估輸液剩余時間和完成時間；如有異常，可收到輸液的異常報警。夾斷控制：當(dāng)收到輸液完成的提示后，通過監(jiān)測軟件中的夾斷設(shè)置功能，可以停止輸液以及根據(jù)設(shè)定要求控制自動續(xù)瓶單元實現(xiàn)換瓶?？梢詫崟r接收病人血壓脈搏等多種身體特征參數(shù)。數(shù)據(jù)實時記錄，最終通過無線傳輸?shù)浇K端或者工作站實現(xiàn)遠程監(jiān)控?？梢员４婧蛯崟r更新病人的資料及藥品資料。

4 總結(jié)

針對醫(yī)院護士站管理下的病區(qū)病床和需要護理人員監(jiān)護的患者家庭設(shè)計了一種監(jiān)護系統(tǒng)。主要實現(xiàn)輸液監(jiān)控、自動換瓶、血壓監(jiān)測、脈搏監(jiān)測等，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程移動式終端(手機、平板電腦)實時監(jiān)控、監(jiān)測和報警。護士站或家庭護理人員不必長期值守，隨身攜帶手機或平板即可遠程監(jiān)護。系統(tǒng)在實際使用過程中，既降低護理人員的勞動強度和精神負擔(dān)，又提高了工作效率。