朱春麗，雷秀軍，郭 杰，張澤楷，申 遠(yuǎn)

（1.合肥師范學(xué)院 電子信息系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；2.合肥富煌君達(dá)高科信息技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230031；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程學(xué)院，安徽 合肥 230027）

1 引言

2019年12 月起，新型冠狀病毒感染的肺炎疫情在全國(guó)多地和世界各國(guó)蔓延擴(kuò)散，在這場(chǎng)抗疫戰(zhàn)爭(zhēng)中，奮戰(zhàn)在最危險(xiǎn)的一線醫(yī)護(hù)工作人員超負(fù)荷工作，身體和心理都異常疲憊[1-3]。為了緩解醫(yī)護(hù)人員無(wú)比繁重的工作強(qiáng)度，本文針對(duì)靜脈輸液時(shí)的頻繁巡視和檢測(cè)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于視覺(jué)測(cè)量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

靜脈輸液是指在一段時(shí)間內(nèi)將藥物直接緩慢地注入患者靜脈中，以實(shí)現(xiàn)各種疾病的治療。為了確保輸液過(guò)程的安全有效，醫(yī)護(hù)人員需要根據(jù)患者病情、年齡及所用藥物性質(zhì)來(lái)確定輸液滴速，并及時(shí)監(jiān)測(cè)液面的位置、更換或停止藥液的輸入。輸液泵可實(shí)現(xiàn)輸液滴速和輸液持續(xù)時(shí)間的精確控制[4,5]。但是，輸液泵價(jià)格昂貴，成本之高可能會(huì)阻礙其在某些情況下的使用，只針對(duì)少數(shù)特殊患者或特殊藥品才具有實(shí)際意義。另外，當(dāng)不能立即檢測(cè)到輸液泵故障時(shí)，還需要使用輔助測(cè)量工具來(lái)避免藥物過(guò)量的風(fēng)險(xiǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)都使用重力滴注裝置進(jìn)行常規(guī)的靜脈輸液。在沒(méi)有輔助監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的情況下，醫(yī)護(hù)人員必須利用數(shù)算求出輸液滴速，并通過(guò)頻繁巡視和臨床經(jīng)驗(yàn)來(lái)監(jiān)測(cè)液面位置。確定靜脈輸液滴速的通常方法如下：對(duì)經(jīng)過(guò)靜脈滴注室的藥劑計(jì)數(shù)15秒，然后將其乘以四，即為平均滴速。若滴速不滿足要求，則需調(diào)整后再次計(jì)算，該過(guò)程繁瑣且不準(zhǔn)確。數(shù)算求滴速和頻繁巡視均增加了醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理輸液?jiǎn)栴}，甚至可能會(huì)造成嚴(yán)重的醫(yī)療事故[6,7]。

近幾年，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，促進(jìn)了輸液過(guò)程無(wú)線監(jiān)測(cè)方法的提出。目前，國(guó)內(nèi)外報(bào)道的輸液監(jiān)測(cè)裝置主要分為三類：一是單個(gè)輸液監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，如王學(xué)建設(shè)計(jì)的雙位紅外感應(yīng)輸液及報(bào)警裝置[8]，此類裝置是單獨(dú)監(jiān)測(cè)報(bào)警的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)護(hù)理人員同時(shí)對(duì)多名輸液患者進(jìn)行統(tǒng)一輸液監(jiān)測(cè)管理；二是輸液監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，如Cui等設(shè)計(jì)的基于無(wú)線通信技術(shù)的靜脈輸液監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)[9]，姜濤等設(shè)計(jì)的基于Wifi的嵌入式多功能病房呼叫系統(tǒng)[10]，此類監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)多安裝至護(hù)士站計(jì)算機(jī)上，護(hù)士無(wú)法隨身攜帶，無(wú)法滿足在野外、突發(fā)公共事件、應(yīng)急救援等情況下輸液管理工作的需求；三是具有可遠(yuǎn)程攜帶的手持終端的輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如王亞楠等人設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程靜脈輸液監(jiān)測(cè)裝置[11]，Rao等人設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的靜脈輸液系統(tǒng)[12]等，此類輸液監(jiān)測(cè)裝置便于醫(yī)護(hù)人員在移動(dòng)的過(guò)程中監(jiān)測(cè)病人的輸液情況，保證患者輸液過(guò)程的安全有效。以上三類靜脈輸液監(jiān)測(cè)裝置大都基于紅外感應(yīng)原理來(lái)計(jì)算滴速的大小，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本都包含可嵌設(shè)紅外感應(yīng)元件、各種管型墨菲管等結(jié)構(gòu)的盒體[13]，每次輸液監(jiān)測(cè)均需要一次安裝和拆卸盒體的過(guò)程。

隨著攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，視覺(jué)測(cè)量技術(shù)引起了人們的關(guān)注，它具有非接觸式、遠(yuǎn)距離測(cè)量、測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)附加質(zhì)量，不會(huì)對(duì)測(cè)量物體的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響[14,15]。本文將視覺(jué)測(cè)量技術(shù)和上述可遠(yuǎn)程攜帶手持終端的輸液監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種基于視覺(jué)測(cè)量的靜脈輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以安全有效地監(jiān)測(cè)輸液過(guò)程，減輕醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理

基于視覺(jué)測(cè)量的靜脈輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由攝像設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和手持終端組成，系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 靜脈輸液視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

2.1 攝像設(shè)備的選擇

靜脈輸液時(shí)，滴速調(diào)節(jié)應(yīng)遵循一定的原則，需根據(jù)病人年齡、病情及藥物性質(zhì)調(diào)節(jié)輸液速度，如對(duì)患有心、肺、腎疾病的病人、老年患者、幼兒，以及輸入高滲鹽水、含鉀和升壓藥的病人務(wù)必謹(jǐn)慎，輸液速度宜慢。而對(duì)于嚴(yán)重脫水、心肺功能良好的病人，輸液速度可適當(dāng)加快。對(duì)于正常的輸液滴速，攝像設(shè)備的幀率大于4Hz即可滿足采樣定理。可以根據(jù)醫(yī)院當(dāng)前的物資水平，選擇常見(jiàn)且平價(jià)的數(shù)碼相機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、智能手機(jī)等作為攝像設(shè)備，以采集靜脈輸液過(guò)程中輸液瓶和滴注室處的圖像。本實(shí)驗(yàn)所采用的攝像設(shè)備為華為nova 5 Pro智能手機(jī)，幀率為30Hz，分辨率為1080p。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)

可以根據(jù)醫(yī)院當(dāng)前的物資條件，使用任何適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)來(lái)傳輸視頻圖像以及在計(jì)算機(jī)上可讀的程序代碼，如無(wú)線、有線、光纜、射頻等，或者它們的任何合適的組合形式。并可以根據(jù)醫(yī)院當(dāng)前的物資條件，將視頻圖像以及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果等自動(dòng)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)設(shè)備的內(nèi)部存儲(chǔ)器或基于網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)服務(wù)器中。本實(shí)驗(yàn)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)傳輸和存儲(chǔ)視頻圖像、程序代碼及數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是該基于視覺(jué)測(cè)量的靜脈輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，流程圖如圖2所示。數(shù)據(jù)處理的輸出結(jié)果包含病患床位號(hào)、液面位置、滴速、報(bào)警信息等，這些計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響醫(yī)護(hù)人員接收信息的準(zhǔn)確性以及后續(xù)行為決策的正確性，從而影響病患輸液的安全性。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

病患開(kāi)始輸液時(shí)，醫(yī)護(hù)人員利用手持終端啟動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理程序開(kāi)始處理視頻圖片。首先，識(shí)別首幀圖像中的床位號(hào)，匹配與該床位號(hào)對(duì)應(yīng)的錄入系統(tǒng)的病患信息，并將匹配的病患信息包括姓名、年齡、床位號(hào)、病因、用藥等傳輸至手持終端。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理程序計(jì)算液面位置，并判斷液面是否到達(dá)瓶口附近。如果液面沒(méi)有到達(dá)瓶口附近，輸出當(dāng)前的液面位置，以便工作人員隨時(shí)了解輸液進(jìn)度；如果到達(dá)，發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員結(jié)束輸液或者更換輸液瓶。此外，數(shù)據(jù)處理程序同時(shí)也在實(shí)時(shí)地計(jì)算輸液滴速，并判斷滴速是否在設(shè)定范圍之內(nèi)。若滴速正常，輸出實(shí)時(shí)滴速，供醫(yī)護(hù)人員了解當(dāng)前的輸液情況；若滴速不正常，發(fā)出警報(bào)，提醒醫(yī)護(hù)人員及時(shí)處理。

2.4 手持終端的選擇

手持終端的體積和質(zhì)量不宜過(guò)大，以方便工作人員攜帶和操作。可以做成手機(jī)軟件或小程序，也可以做成與智能手機(jī)大小相當(dāng)?shù)膶Ｓ檬殖纸K端。手持終端的顯示屏上可以顯示病患姓名、年齡、床位號(hào)、病因、用藥等基本信息，還可以顯示當(dāng)前液面位置、實(shí)時(shí)滴速、報(bào)警提示等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

提取所拍攝靜脈輸液視頻中的圖像幀，圖中包含了數(shù)據(jù)處理時(shí)所需的所有要素，如病患床位號(hào)、液面位置和滴注室中經(jīng)過(guò)的液滴。

3.1 液面位置計(jì)算

考慮到實(shí)際輸液過(guò)程中光照噪聲的影響，很難通過(guò)邊緣檢測(cè)等方法直接識(shí)別液面位置。由圖1可以很清楚地看到，沿著輸液瓶的高度方向由上而下，有、無(wú)液體時(shí)圖像的亮度是不同的。無(wú)液體時(shí)較亮，灰度值較大，有液體時(shí)較暗，灰度值較小。在液面位置處，灰度值由較大值突變?yōu)檩^小值?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，在輸液瓶的高度方向標(biāo)記一條線，如圖1中的藍(lán)色線條，該線條從瓶底延至輸液瓶直徑突降位置處，即瓶口附近。定義藍(lán)色線條最上端位置為第1個(gè)像素，最下端位置為第71個(gè)像素，線條位置處由上而下的灰度值分布如圖3（a）所示。由分布曲線可以看出，在上方，灰度值以較大值波動(dòng)，而后由較大值突降至較小值，然后以較小灰度值波動(dòng)。由以上分析可知，較大灰度值對(duì)應(yīng)上方無(wú)液體的瓶體位置，較小灰度值對(duì)應(yīng)下方有液體的瓶體位置，而灰度值突降位置即為液面位置。

圖3 液面位置計(jì)算結(jié)果（a）首幀靜脈輸液圖中藍(lán)色線條處的灰度值分布（b）液面位置隨輸液時(shí)間的變化

對(duì)每幀圖像中藍(lán)色線條處的灰度值分布進(jìn)行差分計(jì)算，求出灰度值突變位置，即為當(dāng)前的液面位置。對(duì)于130秒的監(jiān)測(cè)視頻，計(jì)算出的液面位置隨輸液時(shí)間的變化如圖3（b）所示。由圖3（b）可以看出，隨著輸液時(shí)間的增加，即隨著藥液一滴一滴地滴落，液面位置對(duì)應(yīng)的像素值近似呈間距為1個(gè)像素的階梯狀增大，說(shuō)明液面近似呈階梯狀下降。中間出現(xiàn)的微小波動(dòng)可能是由液面晃動(dòng)引起的，波動(dòng)范圍小于1像素，可以忽略不計(jì)。當(dāng)液面位置降至第71個(gè)像素時(shí)，即到達(dá)輸液瓶瓶口附近時(shí)，發(fā)出警報(bào)，提醒醫(yī)護(hù)人員及時(shí)配藥并更換輸液瓶或停止輸液。

3.2 滴速計(jì)算

在沒(méi)有輔助監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的情況下，醫(yī)護(hù)人員必須利用數(shù)算求出輸液滴速。對(duì)經(jīng)過(guò)靜脈滴注室的藥劑計(jì)數(shù)15秒，然后將其乘以四，即為平均滴速。對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的靜脈輸液視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，計(jì)算滴速時(shí)所用到的監(jiān)測(cè)位置為圖1中滴注室上的藍(lán)色矩形框區(qū)域。

當(dāng)?shù)巫⑹矣兴巹┎粩嗟亟?jīng)過(guò)時(shí)，藍(lán)色矩形框內(nèi)的對(duì)比度不斷變化，其標(biāo)準(zhǔn)差也在不斷變化。因而，可以通過(guò)計(jì)算矩形框內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差變化的頻譜分布求得基頻，該頻率則為藥劑經(jīng)過(guò)滴注室的頻率，進(jìn)而可計(jì)算出靜脈輸液的滴速。這里，將此計(jì)算方法簡(jiǎn)稱為標(biāo)準(zhǔn)差-頻譜法。圖4（a）給出了15秒監(jiān)測(cè)視頻中藍(lán)色矩形框內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差的變化情況，可以看出標(biāo)準(zhǔn)差呈近似等時(shí)間間隔的突變波動(dòng)，說(shuō)明藥劑近似等時(shí)間間隔地從滴注室滴過(guò)。標(biāo)準(zhǔn)差變化的頻譜分布如圖4（b）所示，可以看出基頻為1.469Hz，則滴速為1.469*15*4=88.14（滴/分鐘），取整為88滴/分鐘。計(jì)算出滴速后，判斷該滴速是否在設(shè)定的安全滴速范圍內(nèi)，如果不在，則報(bào)警，提醒醫(yī)護(hù)人員調(diào)整滴速。這里，為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的有效性，同時(shí)采用傳統(tǒng)方法數(shù)算滴速。數(shù)出15秒內(nèi)經(jīng)過(guò)滴注室的藥劑為22滴，則滴速為22*4=88（滴/分鐘），考慮到數(shù)算、讀秒時(shí)的人為誤差，可以認(rèn)為與采用標(biāo)準(zhǔn)差-頻譜法計(jì)算出的結(jié)果一致。

圖4 滴速計(jì)算結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，改變輸液滴速，分別用傳統(tǒng)數(shù)算和標(biāo)準(zhǔn)差-頻譜法計(jì)算滴速，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，兩種方法的計(jì)算結(jié)果一致，說(shuō)明該靜脈輸液視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的滴速計(jì)算方法是有效的。

表1 采用數(shù)算和標(biāo)準(zhǔn)差-頻譜法計(jì)算滴速的結(jié)果對(duì)比

3.3 兩組輸液過(guò)程的同時(shí)監(jiān)測(cè)

相比于基于紅外感應(yīng)原理的盒體靜脈輸液監(jiān)測(cè)裝置，基于視覺(jué)測(cè)量的靜脈輸液監(jiān)測(cè)裝置的其中一個(gè)特點(diǎn)便是其攝像設(shè)備可固定于醫(yī)院病房某處，無(wú)須每次輸液監(jiān)測(cè)時(shí)的拆裝過(guò)程，且攝像設(shè)備可同時(shí)拍攝病房中臨近的多組輸液過(guò)程。這里，為了驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)多組輸液過(guò)程及不同輸液容器的監(jiān)測(cè)效果，同時(shí)監(jiān)測(cè)了利用輸液瓶和輸液袋進(jìn)行的兩組輸液過(guò)程。

首先，識(shí)別床位號(hào)，然后計(jì)算床位號(hào)中心位置與輸液裝置頂端的距離，距離較近的即為同一組輸液過(guò)程對(duì)應(yīng)的床位號(hào)和輸液裝置。對(duì)于115秒的監(jiān)測(cè)視頻，兩組輸液過(guò)程的液面位置監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示，其中圖5（a）為輸液瓶液面位置隨輸液時(shí)間的變化，圖5（b）為輸液袋液面位置隨輸液時(shí)間的變化?？梢钥闯?，隨著輸液時(shí)間的增加，兩組液面位置對(duì)應(yīng)的像素值均近似呈間距為1個(gè)像素的階梯狀增大，即液面近似呈階梯狀下降。

圖5 兩組輸液過(guò)程的液面位置計(jì)算結(jié)果（a）輸液瓶液面位置隨輸液時(shí)間的變化（b）輸液袋液面位置隨輸液時(shí)間的變化

圖6為兩組輸液過(guò)程的滴速計(jì)算結(jié)果，其中圖6（a）和（b）為15秒內(nèi)輸液瓶滴注室處標(biāo)準(zhǔn)差變化和頻譜分布，可以看出基頻為1.149Hz，則滴速為1.149*15*4=68.94（滴/分鐘），取整為69滴/分鐘。利用數(shù)算法數(shù)出15秒內(nèi)的滴數(shù)為17滴，計(jì)算出滴速為17*4=68（滴/分鐘），與標(biāo)準(zhǔn)差-頻譜法計(jì)算的結(jié)果之差小于1滴/分鐘。考慮到數(shù)算、讀秒時(shí)的人為誤差，可以認(rèn)為兩種方法的計(jì)算結(jié)果基本一致。圖6（c）和（d）為15秒內(nèi)輸液袋滴注室處標(biāo)準(zhǔn)差變化和頻譜分布，可以看出基頻亦為1.149Hz，滴速約為69滴/分鐘，與數(shù)算滴速68滴/分鐘基本一致。

圖6 兩組輸液過(guò)程的滴速計(jì)算結(jié)果：（a）輸液瓶滴注室處的標(biāo)準(zhǔn)差變化，（b）與（a）對(duì)應(yīng)的頻譜分布，（c）輸液袋滴注室處的標(biāo)準(zhǔn)差變化，（d）與（c）對(duì)應(yīng)的頻譜分布

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的靜脈輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以無(wú)接觸、遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)液面位置和滴速，并可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多組輸液過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)靜脈輸液患者的安全監(jiān)測(cè)并緩解醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的基于視覺(jué)測(cè)量的靜脈輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由攝像設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和手持終端組成，其中攝像設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和手持終端部分與現(xiàn)今絕大多數(shù)醫(yī)院的現(xiàn)有設(shè)備（如攝像頭、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)等）兼容，通用性強(qiáng)，適用于各級(jí)醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)的門診輸液室和病房之中。對(duì)于該系統(tǒng)的核心部分，即數(shù)據(jù)處理部分，基于液面位置處圖像亮度突變的特性，利用差分計(jì)算求出液面位置，液面位置的波動(dòng)范圍小于±1像素。同時(shí)，基于滴注室處藥劑經(jīng)過(guò)時(shí)圖像對(duì)比度變化的特性，采用標(biāo)準(zhǔn)差-頻譜法計(jì)算滴速，計(jì)算出的滴速值與數(shù)算結(jié)果之差小于1滴/分鐘。從計(jì)算結(jié)果可以看出，所提出的液面位置和滴速計(jì)算方法精度高且簡(jiǎn)單有效。相比于基于紅外感應(yīng)原理的盒體靜脈輸液監(jiān)測(cè)裝置，本文所設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無(wú)接觸測(cè)量，無(wú)須每次輸液監(jiān)測(cè)時(shí)的拆裝過(guò)程，且可同時(shí)監(jiān)測(cè)多組輸液過(guò)程。另外，該系統(tǒng)與生理信號(hào)的無(wú)接觸視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)兼容[16,17]，若二者結(jié)合，則可實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)與輸液過(guò)程的同時(shí)監(jiān)測(cè)，大大緩解醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率，對(duì)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展具有一定的參考價(jià)值。