劉云龍 王翠玉 王子杰 程怡航 易明麗

（武昌工學(xué)院，湖北 武漢430065）

隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，智慧醫(yī)療應(yīng)用越來越多。在火神山、雷神山醫(yī)院里智能機器人，解決了眾多醫(yī)療物資送達問題，診療室中有遠程醫(yī)療設(shè)備，通過互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)遠程觀察會診等等，這都是智慧醫(yī)療的產(chǎn)品。所以在公共衛(wèi)生事業(yè)中，相比較龐大的人口，醫(yī)療資源還是顯得不足。當前我國大部分的輸液還是通過人工觀察來控制輸液的速度，并不能準確控制輸液的流速，實時監(jiān)控輸液情況，確定輸液結(jié)束時間，偶爾患者和護士忘記了輸液情況，就會導(dǎo)致血液回流，引起醫(yī)療事故，對病人的身體造成損害。因此設(shè)計一個智能輸液監(jiān)控管理系統(tǒng)來監(jiān)控輸液情況，實時監(jiān)測流量情況，控制輸液流速，判斷是否回血，及時中斷輸液，發(fā)出報警聲，并通知醫(yī)護人員，這樣能夠極大的減少醫(yī)療事故的發(fā)生，減輕醫(yī)護人員的工作壓力，提高醫(yī)療效率，充分利用醫(yī)院的人力資源。

1 設(shè)計整體思路

本系統(tǒng)的硬件采用STM32 單片機控制器，由超聲波發(fā)射接收傳感器、LoRa 模塊、蜂鳴器、呼叫按鍵、步進電機、LED 指示燈、電池組成，如圖1。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

2 輸液檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控制模塊

主控制器采用STM32 單片機，STM32 是32 位的基于ARM Cortex-M內(nèi)核的微控制器，相比51 單片機具有實時性強，高性能，低功耗，接口資源豐富等優(yōu)點，易于開發(fā)。

2.2 超聲波流量計

超聲波流量計采用超聲波發(fā)射模塊和超聲波接收模塊，利用傳播時間差方式，向輸液管內(nèi)的液體流動方向發(fā)送相反方向和相同方向的超聲波，輸液管內(nèi)液體流速越快，相同方向的到達時間越短，相反方向到達時間越長，來判斷輸液流向是否正常還是倒流回血，并通過時間計算出輸液管內(nèi)液體流動的速度，轉(zhuǎn)化成體積單位即可估算出瓶內(nèi)藥液的剩余量。利用聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同，當有氣泡進入輸液管內(nèi)，檢測到的信號時間更長。再通過測量相反、相同之差，同時可以抵消掉環(huán)境變化的影響，實現(xiàn)對流量的穩(wěn)定測量。

圖2 超聲波流量計

2.3 LoRa 網(wǎng)絡(luò)

LoRa 是基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案。LoRA 通訊協(xié)議，其接收電流僅10mA，睡眠電流＜200nA，極大程度上降低了電池供電設(shè)備的功耗。所使用的傳輸頻率低433mhz 或868mhz, 空曠距離傳輸5000 米，同時穿墻能力強。LoRa 采用的是點對點的星型通信方式，實現(xiàn)遠距離傳輸，無需網(wǎng)絡(luò)中繼器擴大傳輸距離，即智能配件直接可與智能中控主機互聯(lián)互能，不需要中間大量的節(jié)點來轉(zhuǎn)達，相比ZigBee，傳輸距離更遠，相比WIFI 組網(wǎng)可靠性更強，穿墻性能更高，功耗更低。與其他通信技術(shù)相比，LoRa 技術(shù)更加適合于低成本大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署。獲取到的數(shù)據(jù)通過LoRa 無線模塊傳至LoRa 網(wǎng)關(guān)接收信息，到達主站，數(shù)據(jù)通過計算機，進行人機交互，利用計算機的互聯(lián)網(wǎng)進行云同步到服務(wù)器，從而推送到使用微信小程序來查看病人輸液信息，達到病人的親屬也可以監(jiān)控輸液的目的。

2.4 光電報警器

光電報警器由LED 指示燈和蜂鳴器組成，在超聲波流量計監(jiān)控流量出現(xiàn)異常時，如有氣泡柱在輸液管內(nèi)，輸液管內(nèi)液體倒流、滯流，回血，輸液快結(jié)束時光電報警器會啟動，會有燈亮起并發(fā)出蜂鳴聲，并通過LoRa 網(wǎng)絡(luò)傳至主機，方便醫(yī)護人員第一時間處理。同時LED 燈兼電源指示燈的作用，當充電截止時會發(fā)出綠光，缺電時會發(fā)出閃爍紅光。圖為聲光報警器模塊電路圖。

圖3 光電報警器

2.5 步進電機

當STM32 單片機通過獲取超聲波流量計模塊的數(shù)據(jù)計算出輸液快結(jié)束時，驅(qū)動步進電機擠壓輸液管，達到減緩輸液速度。同時具有遠程操控步進電機功能，當主機收到異常輸液情況時，可通過主機進行遠程操控，驅(qū)動步進電機中斷輸液，以保護輸液安全。

圖4 步進電機控制流速

2.6 呼叫按鍵

呼叫按鍵電路如圖所示，在輸液中需要呼叫護士站時通過長按下這枚按鍵即可經(jīng)過LoRa 網(wǎng)絡(luò)進行呼叫護士站來解決病人的相關(guān)問題，相比醫(yī)院布局的床頭呼叫系統(tǒng)成本更低效率更高，在中小型診所中沒有床頭呼叫系統(tǒng)，利用此按鍵便形成了中小型醫(yī)院的呼叫系統(tǒng)。更利于存在身體缺陷人群使用。同時在輸液結(jié)束時長按按鍵即可取消蜂鳴器報警的聲音。

2.7 電源模塊

采用易定制的鋰電池材料作為供電單元，根據(jù)應(yīng)用場景，大范圍應(yīng)用，如大型醫(yī)院輸液部門時采用無線充電方式，可帶來便捷，個體診所應(yīng)用采取觸點磁吸式充電方式，可降低使用成本。

3 輸液檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

本產(chǎn)品由兩部分組成分別是主站和從站。從站的軟件設(shè)計采用Keil5，用于對STM32 單片機開發(fā)，可以一定程度上進行仿真操作。使用Proteus 進行模擬實物設(shè)計圖樣，還能夠調(diào)試程序，做到軟硬件協(xié)同仿真。從站的軟件編程需要完成以下功能：（1）輸液管內(nèi)液體流速的采集；（2）輸液管內(nèi)氣泡柱的采集；（3）具有回血信息的采集；（4）步進電機的控制；（5）具有光電報警功能；（6）具有按鍵控制和按鍵呼叫功能；（7）具有信息收發(fā)功能；（8）具有充電信息采集的功能。主站的軟件編程需要完成以下功能：（1）對從站發(fā)送的數(shù)據(jù)進行分析；（2）顯示出病人輸液信息；病人編號，姓名，性別，區(qū)域，床位，輸液剩余量，瓶數(shù)，剩余時間，狀態(tài)，從站剩余電量；（3）可以遠程發(fā)送指令到從站，進行輸液遠程控制。（4）對分析到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，同步數(shù)據(jù)到微信小程序。（5）輸液異?；颊咄ㄖ?。

4 應(yīng)用價值和轉(zhuǎn)化價值

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國每人每年平均輸液8 瓶，大約中國每年輸液100 億瓶。鑒于2019 年新型冠狀病毒的爆發(fā)，市場需求越來越大。此項目應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)中的靜脈輸液，檢測藥水剩余情況，測量點滴速度，能精準用藥，當輸液結(jié)束、輸液管堵塞時，此裝置能實現(xiàn)自動停藥，保障患者安全，降低患者輸液時的風(fēng)險。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，云服務(wù)與手機聯(lián)動，使患者家屬也能夠監(jiān)控患者的輸液信息，減輕了患者需要自己監(jiān)控輸液狀態(tài)，能夠在輸液時放心的做其他事情?；谠贫舜髷?shù)據(jù)的集群監(jiān)測，更大程度上減輕了醫(yī)護人員的壓力，實現(xiàn)一個醫(yī)護人員了解一個范圍內(nèi)的患者狀態(tài)，不用醫(yī)護人員經(jīng)常巡視提高了醫(yī)護人員的工作效率，充分利用醫(yī)院的人力資源。

5 結(jié)論

本智能輸液監(jiān)控管理系統(tǒng)，能夠有效的減輕醫(yī)護人員的工作壓力，提高效率。智能醫(yī)療也是未來發(fā)展的方向，醫(yī)療器械行業(yè)屬于多學(xué)科交叉的高技術(shù)領(lǐng)域，擁有非常廣闊的市場前景。本研究與計算機技術(shù)、電子技術(shù)等緊密聯(lián)系?；贚oRa 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控輸液狀態(tài)更加便捷組網(wǎng)，如果輸液有異?，F(xiàn)象（如回血，進氣泡，輸液即將結(jié)束）通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街髡?，來通知醫(yī)務(wù)人員前來解決問題，以及在主站可以看到患者的輸液狀態(tài)及信息，還可以進行遠程操控流速及中斷?；颊呒覍倏赏ㄟ^掃設(shè)備上的二維碼進入微信小程序來查看輸液信息。智能化，人性化是現(xiàn)代儀器設(shè)備的一個發(fā)展趨勢，讓患者體會到智慧醫(yī)療的便捷，減輕患者家屬的負擔，讓醫(yī)護人員更加高效，大大降低輸液過程中的空氣進入血液、鼓包、回血、未及時拔針的輸液風(fēng)險，大大提高醫(yī)護人員的工作效率。