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(dòng)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)
患者在醫(yī)院就醫(yī)輸液時(shí),醫(yī)護(hù)人員一般不會(huì)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(shí),患者或者陪護(hù)人員通過按壓病房報(bào)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(shí)發(fā)現(xiàn)輸液完成,醫(yī)護(hù)人員未及時(shí)處理,就會(huì)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(shí)還會(huì)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(fèi)了時(shí)間和精力;而且在藥液即將輸完時(shí),醫(yī)護(hù)人員必須立即到場(chǎng)處理,如果多名患者同時(shí)出現(xiàn)這種情況,還會(huì)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(jiǎn)稱“輸液監(jiān)控系統(tǒng)”)。在不改變?cè)休斠貉b置和方式的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了輸液過程的自動(dòng)監(jiān)控,不需要人工監(jiān)視輸液過程,并且可以同時(shí)對(duì)多位患者的輸液進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)視和控制;輸液即將完成時(shí),自動(dòng)關(guān)閉輸液管并向醫(yī)護(hù)人員報(bào)警,醫(yī)護(hù)人員不需要立即到達(dá)現(xiàn)場(chǎng),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(qiáng)度,提高了醫(yī)護(hù)設(shè)備的信息化程度和自動(dòng)化水平。
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(cè)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(tái)組成。其中輸液管監(jiān)測(cè)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?jī)?nèi),物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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)
目前主流的輸液管監(jiān)測(cè)模塊有以下3種類型:
(1)稱重型
根據(jù)輸液瓶?jī)?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(hào),輸出到微處理器進(jìn)行處理。該類型的輸液管監(jiān)測(cè)模塊容易被外部環(huán)境干擾引起稱重波動(dòng),所以應(yīng)用較少。
(2)光電型
利用光的反射或折射檢測(cè)輸液管中液體流過的情況,一般使用紅外對(duì)管傳感器,利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測(cè)量。紅外對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),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(shí),紅外線接收管輸出高電平;當(dāng)有液體滴落時(shí),由于液滴對(duì)光的吸收和散射,紅外線接收管輸出電平會(huì)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(dòng)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(cè)輸液管中的液體流動(dòng)情況。電容值C=εS/d,當(dāng)極板面積S、極板間距d固定時(shí),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(dòng)時(shí),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(dòng)時(shí),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(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào),輸出到微處理器進(jìn)行處理。
輸液管監(jiān)測(cè)模塊與微處理器的I/O連接,把傳感器的輸出電信號(hào)發(fā)送給微處理器。
輸液管控制模塊的作用是輸液即將完成時(shí)阻止輸液繼續(xù)進(jìn)行。主要執(zhí)行部件采用直流電機(jī),其功能是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。直流電機(jī)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(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn),帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng),卡緊輸液管,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液管中流動(dòng)液體的阻斷。
微處理器位于輸液管監(jiān)測(cè)模塊、輸液管控制模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊之間,對(duì)輸液管監(jiān)測(cè)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(yùn)算、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)發(fā)送等。
微處理器定時(shí)讀取輸液管監(jiān)測(cè)模塊的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并對(duì)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(dòng)時(shí),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(jī),為了方便調(diào)試和數(shù)據(jù)處理,單片機(jī)一般使用開發(fā)板。
網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)微處理器與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間、智能終端模塊與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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。
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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(tái)通過對(duì)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(cè)數(shù)據(jù),并進(jìn)行存儲(chǔ),供智能終端獲取數(shù)據(jù)。
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(tái)獲取數(shù)據(jù);輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP運(yùn)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(jī)、醫(yī)用PDA等。
電源模塊對(duì)輸液管監(jiān)測(cè)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(cè)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。
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。
微處理器軟件功能如下:
(1)定時(shí)讀取輸液管監(jiān)測(cè)模塊的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是輸液管監(jiān)測(cè)模塊輸出的電信號(hào)。
(2)處理輸液管監(jiān)測(cè)模塊的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),得到輸液管中液體流動(dòng)狀態(tài),即輸液管中是否有液體流動(dòng)。
(3)當(dāng)判斷輸液管中無液體流動(dòng),并且沒有發(fā)出過控制指令時(shí),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(dòng)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(jī)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)和各種運(yùn)算數(shù)據(jù)。
(6)其他必要的管理功能,如單片機(jī)管腳設(shè)置等。
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(dòng)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(tái)。
輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP軟件運(yùn)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(cè)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(gè)輸液作業(yè)的開始時(shí)間、持續(xù)時(shí)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(shí),通過設(shè)置的報(bào)警方式進(jìn)行報(bào)警。
(4)輸液作業(yè)結(jié)束:清除輸液過程數(shù)據(jù)。
(5)報(bào)警設(shè)置:包括報(bào)警方式(聲、光、振動(dòng)、語音等)設(shè)置、報(bào)警聲音選擇。
(6)通過智能終端連接到互聯(lián)網(wǎng),定時(shí)從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取當(dāng)前的輸液信息數(shù)據(jù)。
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(cè)模塊實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),微處理器對(duì)其輸出電信號(hào)進(jìn)行處理得到輸液管中液體流動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷,在輸液管中有液體流動(dòng)時(shí),輸液管控制模塊不執(zhí)行動(dòng)作;在輸液管中無液體流動(dòng)時(shí),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(jī)正轉(zhuǎn),帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng),卡緊輸液管,輸液管中殘余液體不再流動(dòng)。另外,微處理器通過網(wǎng)絡(luò)模塊把輸液管中液體流動(dòng)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(tái),運(yùn)行在智能終端的輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取輸液管中液體流動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)輸液管中無液體流動(dòng)時(shí),通過設(shè)置的報(bào)警方式進(jìn)行報(bào)警。
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(gè)方面:
(1)對(duì)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(tái)。
(2)配置物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),能夠存儲(chǔ)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(yùn)行。
(4)使用直流電源給微處理器、輸液管監(jiān)測(cè)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。
數(shù)據(jù)的采集和控制,即輸液監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集輸液管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),微處理器對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到輸液管中液體流動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù),并以此作為驅(qū)動(dòng)輸液管控制模塊動(dòng)作的依據(jù)。
(1)數(shù)據(jù)采集:輸液管監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸液管中液體流動(dòng)情況,輸出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),即電信號(hào)。
(2)數(shù)據(jù)處理:微處理器定時(shí)讀取輸液管監(jiān)測(cè)模塊輸出的電信號(hào),并進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理,得到輸液管中液體流動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。
(3)輸液管控制:微處理器對(duì)輸液管中液體流動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,當(dāng)輸液管中無液體流動(dòng)時(shí),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(dòng)作。
(4)數(shù)據(jù)傳送:將輸液管中液體流動(dòng)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(tái)。
(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ):物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)收到輸液管液體流動(dòng)數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。
在智能終端運(yùn)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(cè)模塊和輸液患者的信息。
(2)定時(shí)從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取輸液管中液體流動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。
(3)當(dāng)輸液管中無液體流動(dòng)時(shí)執(zhí)行步驟4,否則執(zhí)行步驟2。
(4)使用設(shè)置的報(bào)警方式進(jìn)行報(bào)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
本文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)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(tái)。
Arduino支持很多種處理器芯片的開發(fā),內(nèi)部有大量的類庫(kù),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(jiǎn)單、方便、快捷。
輸液管監(jiān)測(cè)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(cè)輸液管中液體流動(dòng)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(shí),說明輸液即將完成。
輸液管控制模塊中的直流電機(jī)選用L9110驅(qū)動(dòng),電機(jī)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(jī)帶動(dòng)。開始輸液時(shí),輸液管放在擋板和偏心輪中間;輸液即將結(jié)束時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)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(jī),選擇Arduino UNO R3開發(fā)板,該開發(fā)板采用AVR單片機(jī)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(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的WiFi模塊,通過AT指令配置與單片機(jī)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(jià)格便宜。
智能終端使用安卓智能手機(jī),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(bào)警方式等。
為了方便開發(fā),物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使用某免費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。
另外,電源模塊使用9 V直流電源給單片機(jī)供電,由單片機(jī)的輸出電壓引腳給輸液管監(jiān)測(cè)模塊、輸液管控制模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊供電,智能手機(jī)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(cè)模塊、輸液管控制模塊、單片機(jī)Arduino UNO R3、ESP8266芯片依次連接,在單片機(jī)Arduino UNO R3中進(jìn)行編程,處理來自輸液管監(jiān)測(cè)模塊采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),得到輸液管中液體流動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù);當(dāng)輸液管中無液體流動(dòng)時(shí),對(duì)輸液管控制模塊發(fā)出阻斷輸液管的指令;對(duì)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(dòng)數(shù)據(jù)通過ESP8266芯片發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)并進(jìn)行存儲(chǔ)。
運(yùn)行輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP,連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),并進(jìn)行報(bào)警設(shè)置。定時(shí)從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取輸液管中液體流動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù),當(dāng)發(fā)現(xiàn)有患者輸液即將完成時(shí)進(jìn)行聲、光或者振動(dòng)等形式的報(bào)警。
輸液監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行示意圖如圖3所示,輸液管監(jiān)測(cè)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(gè)組合模塊,輸液時(shí)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(tái),智能終端由醫(yī)護(hù)人員攜帶。
圖3 輸液監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行示意圖
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(cè)模塊負(fù)責(zé)采集輸液管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),微處理器負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)輸液即將完成時(shí),輸液管監(jiān)測(cè)部位的介質(zhì)由液體變?yōu)榭諝?,微處理器給輸液管控制模塊發(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(shí)微處理器把輸液管中液體流動(dòng)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(tái)進(jìn)行存儲(chǔ);運(yùn)行在智能終端的輸液監(jiān)控系統(tǒng)APP定時(shí)從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取各患者輸液數(shù)據(jù),醫(yī)護(hù)人員可以隨時(shí)觀察到每個(gè)病人的輸液情況;當(dāng)有患者輸液即將完成時(shí),發(fā)出報(bào)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(shí)帶來的安全隱患,提高了醫(yī)護(hù)質(zhì)量,推動(dòng)了醫(yī)療事業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展,在我國(guó)患者多、醫(yī)護(hù)人員少的情況下具有極大的推廣意義。