宋平，張浩鵬，范梅花

基于模糊PID的靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)

宋平1，張浩鵬1，范梅花2

（齊齊哈爾大學(xué) 1. 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，2. 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

為了有效地解決靜脈輸液過(guò)程中滴速難掌控、輸液完畢無(wú)提示、手動(dòng)更換儲(chǔ)液瓶、患者舒適度差等問(wèn)題，結(jié)合紅外光電技術(shù)、嵌入式底層驅(qū)動(dòng)技術(shù)、Android技術(shù)和模糊PID技術(shù)設(shè)計(jì)了一款監(jiān)控系統(tǒng)．該系統(tǒng)采用紅外光電傳感器對(duì)輸液過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，傳感器底層驅(qū)動(dòng)采集滴速、藥液有無(wú)等信息．系統(tǒng)APK通過(guò)NDK獲取傳感器底層驅(qū)動(dòng)的信息，且發(fā)送控制指令到執(zhí)行器底層驅(qū)動(dòng)以控制執(zhí)行器更換儲(chǔ)液瓶和滴速調(diào)整．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)滴速且發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提高安全性和患者舒適度．

光電檢測(cè)；嵌入式系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)；靜脈輸液

目前，靜脈輸液已經(jīng)成為我國(guó)臨床醫(yī)學(xué)中經(jīng)常使用的治療手段．在輸液過(guò)程中，患者通常需要輸液若干瓶，且不同藥品對(duì)滴速的要求各不相同．大多數(shù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)仍然采用人工更換輸液瓶且手動(dòng)調(diào)節(jié)滴速的方法，這需要長(zhǎng)時(shí)間地監(jiān)測(cè)剩余藥量，加重了醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，同時(shí)易造成滴速設(shè)置不準(zhǔn)確的情況．同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的輸液導(dǎo)致患者舒適度很差．當(dāng)輸液完畢時(shí)，需要醫(yī)護(hù)人員及時(shí)地拔針，否則會(huì)出現(xiàn)空氣進(jìn)入血管形成空氣栓塞、凝血堵塞針頭等情況，輕則延誤治療，重則危及病人生命安全，導(dǎo)致醫(yī)療事故．

為了減輕醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，提高靜脈輸液的安全性和患者舒適度，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合紅外光電技術(shù)、嵌入式底層驅(qū)動(dòng)技術(shù)、Android技術(shù)和模糊PID技術(shù)的智能更換輸液瓶的多功能靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)．患者通過(guò)觸屏按輸液順序選擇藥品后，該系統(tǒng)在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)查詢?cè)撍幤返睦硐氲嗡賉1-4]；然后利用紅外光電傳感器對(duì)輸液過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[5-11]，嵌入式Linux底層驅(qū)動(dòng)程序?qū)鞲衅鞑杉男畔⑥D(zhuǎn)化為滴速和藥液有無(wú)等信息；該系統(tǒng)運(yùn)行于Android系統(tǒng)[12-14]，APK應(yīng)用程序利用NDK獲取到驅(qū)動(dòng)程序的滴速和藥液有無(wú)等信息，發(fā)送控制指令到驅(qū)動(dòng)程序以控制執(zhí)行器更換輸液瓶和滴速調(diào)整．同時(shí)，該系統(tǒng)還提供音視頻播放、游戲、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、USB充電等多種功能．當(dāng)輸液完畢時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)以提醒醫(yī)護(hù)人員及時(shí)地處理，提高安全性以減少醫(yī)療事故．該系統(tǒng)具有方案簡(jiǎn)單、操作方便、功能多樣、舒適性好的特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景．

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1．每個(gè)儲(chǔ)液瓶都配有藥液有無(wú)傳感器和換液執(zhí)行器．如果藥液有無(wú)傳感器監(jiān)測(cè)到滴管內(nèi)沒(méi)有藥液時(shí)，控制器會(huì)打開下一輸液瓶的換液執(zhí)行器以繼續(xù)輸液．如果最后一個(gè)輸液瓶的滴管內(nèi)沒(méi)有藥液時(shí)，控制器會(huì)關(guān)閉滴速執(zhí)行器以停止輸液，且發(fā)出報(bào)警信號(hào)．該系統(tǒng)主要由控制器、執(zhí)行器、傳感器、報(bào)警器和人機(jī)交互組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2．

圖1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 控制器

控制器由ARM Cortex A9處理器S5P4418及其外圍電路組成（見(jiàn)圖3）．S5P4418為4核處理器，CPU頻率為1.4 GHz，支持圖形加速器、視頻解碼、視頻編碼．該控制器運(yùn)行于Android系統(tǒng)，其應(yīng)用程序APK采用 Android Studio作為開發(fā)工具．APK使用Java語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，而圖1中驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)程序使用C語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)．APK通過(guò)NDK調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，APK位于應(yīng)用層，驅(qū)動(dòng)程序位于內(nèi)核層．

圖3 控制器

該系統(tǒng)采用“平臺(tái)總線+雜項(xiàng)設(shè)備+中斷處理”的模式編寫驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序最終編譯成KO模塊，采用insmod安裝KO模塊進(jìn)內(nèi)核Kernel，在“/dev”目錄下面會(huì)創(chuàng)建相應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)．APK利用NDK調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的open()，close()，read()，write()，ioctl()等函數(shù)就可以與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信，只有驅(qū)動(dòng)程序才能夠直接控制硬件．

APK的功能選擇頁(yè)面見(jiàn)圖4a，單擊“添加藥品”按鈕進(jìn)入添加藥品信息界面（見(jiàn)圖4b），它向SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)添加藥品信息，信息包括藥品的名稱及其滴速．單擊圖4a的“刪除藥品”按鈕進(jìn)入刪除藥品信息界面（見(jiàn)圖4c），單擊藥品名稱從SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)刪除藥品信息．單擊圖4a的“開始輸液”按鈕進(jìn)入按輸液順序選擇藥品信息界面（見(jiàn)圖4d），選擇藥品，單擊“開始輸液”按鈕進(jìn)入監(jiān)控界面（見(jiàn)圖4e），監(jiān)控畫面顯示藥品的名稱、理想滴速、實(shí)際滴速和當(dāng)前狀態(tài)．

同時(shí)，該系統(tǒng)利用Android系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)音視頻播放、游戲等功能，這些將極大地提高患者的舒適度．

圖4 系統(tǒng)應(yīng)用程序

1.2 傳感器

傳感器用于監(jiān)測(cè)滴速和藥液有無(wú)，它是該系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，對(duì)控制精度的影響很大．本文把紅外光電技術(shù)應(yīng)用于傳感器，該方案具有簡(jiǎn)單方便、價(jià)格低廉的特點(diǎn)．傳感器通過(guò)排線與控制器相連（見(jiàn)圖5）．

1.2.1 監(jiān)測(cè)藥液有無(wú)的傳感器 紅外發(fā)射管和接收管分別固定于穿刺器下方滴管的兩側(cè)，保持水平對(duì)準(zhǔn)．當(dāng)?shù)喂軆?nèi)有藥液時(shí)，由于藥液對(duì)紅外光的反射、折射、吸收等作用，接收管接收到的紅外光減弱．當(dāng)?shù)喂軆?nèi)無(wú)藥液時(shí)，接收管接收到的紅外光變強(qiáng)，這導(dǎo)致該傳感器的輸入端電壓產(chǎn)生明顯地變化．利用LM339把輸入信號(hào)整形轉(zhuǎn)換為低電平為0 V且高電平為5 V的階梯信號(hào)INT1．驅(qū)動(dòng)程序監(jiān)測(cè)到INT1的下降沿，并觸發(fā)中斷，執(zhí)行中斷處理程序，記錄藥液有無(wú)信息．APK利用NDK讀取該驅(qū)動(dòng)程序的“當(dāng)前藥液有無(wú)信息”，并更新監(jiān)控界面．該傳感器電路的原理圖見(jiàn)圖6a，其中P6連接紅外發(fā)射管且P7紅外連接接收管．為了克服環(huán)境光的干擾，對(duì)紅外光電對(duì)管進(jìn)行隔光處理（見(jiàn)圖6b）．

圖5 傳感器通過(guò)排線連接控制器

圖6 監(jiān)測(cè)藥液有無(wú)傳感器

1.2.2 監(jiān)測(cè)滴速的傳感器 紅外發(fā)射管和接收管分別固定于漏斗的兩側(cè)，保持水平對(duì)準(zhǔn)．當(dāng)紅外光線分別照射在液滴的上、中、下端時(shí)，由于藥液對(duì)紅外光的反射、折射、吸收等作用，接收管接收到的光強(qiáng)會(huì)發(fā)生變化，這導(dǎo)致該傳感器的輸入端電壓產(chǎn)生一個(gè)雙波峰信號(hào)．利用LM339把輸入信號(hào)整形轉(zhuǎn)換為低電平為0 V且高電平為5 V的雙脈沖信號(hào)．利用NE555的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器濾除第２個(gè)脈沖的干擾，這樣每個(gè)液滴便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)．連續(xù)的液滴導(dǎo)致連續(xù)的脈沖信號(hào)INT0．驅(qū)動(dòng)程序監(jiān)測(cè)到INT0的下降沿，并觸發(fā)中斷，執(zhí)行中斷處理程序．中斷處理程序記錄相鄰２次液滴之間的時(shí)間間隔且計(jì)算出當(dāng)前滴速．APK利用NDK讀取該驅(qū)動(dòng)程序的“當(dāng)前滴速信息”，并更新監(jiān)控界面．該傳感器電路的原理見(jiàn)圖7，其中P8連接紅外發(fā)射管且P9紅外連接接收管．為了克服環(huán)境光的干擾，對(duì)紅外光電對(duì)管進(jìn)行類似于圖6b的隔光處理．

圖7 監(jiān)測(cè)滴速傳感器原理

1.3 執(zhí)行器

執(zhí)行器由更換輸液瓶的執(zhí)行器和控制滴速的執(zhí)行器組成．它們結(jié)構(gòu)相同，都是由驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)和夾持器組成．控制器按照規(guī)定的時(shí)序發(fā)送信號(hào)給ULN2003芯片（見(jiàn)圖8a），它是7路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列組成的集電極開路輸出反向器，最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到500 mA，滿足步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求．步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)夾持器夾緊或放松滴管（見(jiàn)圖8b），進(jìn)而改變滴管的橫截面積以調(diào)整滴速．更換“輸液瓶的執(zhí)行器”的驅(qū)動(dòng)程序記錄藥液有無(wú)信息，“控制滴速的執(zhí)行器”的驅(qū)動(dòng)程序記錄步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)不可大于設(shè)定閾值（完全夾緊狀態(tài)）或小于設(shè)定閾值（完全放開狀態(tài)）．APK利用NDK讀取該驅(qū)動(dòng)程序的當(dāng)前圈數(shù)信息，并與滴速信息構(gòu)成一個(gè)反饋系統(tǒng)，發(fā)送調(diào)整信號(hào)給執(zhí)行器．

圖8 執(zhí)行器理

1.4 報(bào)警器

報(bào)警器用于靜脈輸液結(jié)束時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)．控制器通過(guò)I2C總線向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路主要由音頻芯片ALC5621（WM8976）和音頻功率放大器AW8010AFCR組成（見(jiàn)圖9），驅(qū)動(dòng)電路控制揚(yáng)聲器發(fā)出聲音．

圖9 報(bào)警器的驅(qū)動(dòng)電路

1.5 人機(jī)交互

S5P4418內(nèi)部包含了觸摸屏的驅(qū)動(dòng)電路，只需把S5P4418相應(yīng)引腳引出到外設(shè)接口（見(jiàn)圖10），然后把外設(shè)接口連接到觸摸屏，那么控制系統(tǒng)就可以直接與觸摸屏進(jìn)行通信．

圖10 觸摸屏的外設(shè)接口理

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)的APK負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可視化管理，其軟件流程見(jiàn)圖11．通過(guò)“添加藥品”和“刪除藥品”向藥品信息數(shù)據(jù)庫(kù)增加和刪除信息．當(dāng)“開始輸液”時(shí)，該系統(tǒng)通過(guò)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)查詢第1瓶藥品的理想滴速，打開“更換輸液瓶的執(zhí)行器”．通過(guò)NDK獲取“監(jiān)測(cè)藥液有無(wú)的傳感器”驅(qū)動(dòng)程序的當(dāng)前藥液有無(wú)信息．如果有藥液，那么通過(guò)NDK獲取“監(jiān)測(cè)滴速的傳感器”驅(qū)動(dòng)程序的當(dāng)前滴速信息，更新監(jiān)控頁(yè)面，計(jì)算“調(diào)整量”，且通過(guò)NDK發(fā)送調(diào)整信號(hào)給“控制滴速的執(zhí)行器”驅(qū)動(dòng)程序以調(diào)整滴速．如果沒(méi)有藥液，那么判斷是否還需要輸液．如果是，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取下一瓶藥品的理想滴速，打開“更換輸液瓶的執(zhí)行器”，重復(fù)第1瓶的監(jiān)控過(guò)程．如果否，那么通過(guò)NDK發(fā)送調(diào)整信號(hào)給“控制滴速的執(zhí)行器”驅(qū)動(dòng)程序，完全夾緊夾持器，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，返回到功能選擇頁(yè)面．

圖11 軟件流程理

2.2 計(jì)算調(diào)整量

該系統(tǒng)改進(jìn)了模糊PID控制算法以提高對(duì)滴速誤差的響應(yīng)速度．

式

2.2.2 模糊控制算法 模糊控制首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出一系列控制規(guī)則，然后通過(guò)模糊推理和查表使用這些規(guī)則．典型的模糊控制器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖12．

圖12 模糊控制器結(jié)構(gòu)

其處理過(guò)程：

2.2.3 自適應(yīng)調(diào)整論域 控制器根據(jù)誤差及誤差變化率實(shí)時(shí)地調(diào)整論域，對(duì)調(diào)整后的論域重新計(jì)算輸入量化因子和輸出比例因子．在不增加模糊等級(jí)數(shù)量的前提下，使同一模糊等級(jí)對(duì)應(yīng)的范圍根據(jù)實(shí)際情況自適應(yīng)地?cái)U(kuò)大或者縮小，進(jìn)而提高模糊控制器的控制精度[15-16]．

（8）計(jì)算真實(shí)輸出量

（9）執(zhí)行．

表1 控制量U模糊規(guī)則控制

3 實(shí)驗(yàn)與分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試．改變滴速的給定值，測(cè)量范圍為25~100滴/min，每增加25滴進(jìn)行一組測(cè)試，每組測(cè)試測(cè)量20組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，實(shí)際滴速和響應(yīng)速度見(jiàn)表2．測(cè)試結(jié)果表明，采用該監(jiān)控系統(tǒng)的滴速誤差最多為±2滴/min，調(diào)節(jié)時(shí)間小于20 s，調(diào)節(jié)時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)誤差下，取得了良好的控制效果，滿足實(shí)際使用需求．同時(shí)系統(tǒng)成功地更換了輸液瓶，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)．

改進(jìn)的模糊PID控制算法和傳統(tǒng)PID控制算法的監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖13．由圖13可見(jiàn)，改進(jìn)的模糊PID控制算法啟動(dòng)速度快，雖引入了超調(diào)量，但很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；傳統(tǒng)PID控制算法雖然沒(méi)有超調(diào)量，但需要較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)入穩(wěn)態(tài)狀態(tài)．

表2 測(cè)試結(jié)果

圖13 改進(jìn)的模糊PID控制算法和傳統(tǒng)PID控制算法的比較

4 結(jié)語(yǔ)

本文將紅外光電技術(shù)、嵌入式底層驅(qū)動(dòng)技術(shù)、Android技術(shù)和模糊PID技術(shù)應(yīng)用于靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)．該系統(tǒng)的控制器采用ARM Cortex A9處理器S5P4418，運(yùn)行Android系統(tǒng)，采用可視化管理，同時(shí)提供音視頻播放、游戲、USB充電等功能，人機(jī)交互性好，提高患者的舒適度．該系統(tǒng)的傳感器采用紅外光電技術(shù)，其驅(qū)動(dòng)程序由C語(yǔ)言編寫且運(yùn)行于內(nèi)核層，APK通過(guò)NDK獲取驅(qū)動(dòng)程序的信息，簡(jiǎn)單方便，價(jià)格低廉．該系統(tǒng)的執(zhí)行器采用步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)夾持器以調(diào)整滴速．控制器、傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成一個(gè)反饋系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的控制精度滿足實(shí)際使用需求，提高了醫(yī)護(hù)人員的工作效率，提高安全性以減少醫(yī)療事故，具有方案簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、功能多樣、舒適性好的特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景．

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Intravenous infusion monitoring system based on fuzzy PID

SONG Ping1，ZHANG Haopeng1，F(xiàn)AN Meihua2

（1. School of Computer and Control Engineering，2. School of Mechanical and Electrical Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

In order to effectively solve the problem of dripping speed control in the process of intravenous infusion，no prompt after intravenous infusion，replace the liquid storage bottle manually and poor patient comfort，a monitoring system is designed based on optoelectronic technology，embedded underlying driver technology，Android technology and fuzzy PID technology. The system uses infrared photoelectric sensors to monitor the infusion process in real time. The driver of the sensor collects information such as the drip rate and the presence or absence of the drug. APK uses NDK to obtains information from the driver of the sensor，and send control commands to the driver of the actuator，replace the liquid storage bottle and adjust the drip speed with the actuator. Experimental results show that the system is able to accurately monitor the drip rate and send an alarm signal，improve safety and patient comfort.

photoelectric monitor；embedded system；monitoring system；intravenous infusion

TP274

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.03.008

1007-9831（2020）03-0043-08

2019-09-24

2019年黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（201910232146, 201910232194）

宋平（1996-），男，黑龍江齊齊哈爾人，在讀本科生．

張浩鵬（1983-），男，黑龍江哈爾濱人，講師，博士，從事嵌入式方面研究．E-mail：haopeng1983@163.com