智能輸液監測系統

聶宇 段韋 周清宇 張叢耀

摘 要：目前，大多數醫療機構在對病人進行靜脈輸液時多采用人工監控的方式，這就存在不準確、不方便又耗時耗力等弊端。為了改善這一情況，我們設計了一套智能輸液監測系統，該系統采用重力檢測、STM32、藍牙通信和RFID電子標簽技術等來實現對輸液的監控管理。醫護人員通過終端就可以實現對多個病房進行輸液監控，從而節省了人力，也提高了輸液的效率和安全性。同時，藥瓶上的RFID標簽還存儲了藥品的建議輸液速度以便調節，進而達到藥物的最佳療效。

關鍵詞：物聯網；智能輸液；藍牙通信；傳感器

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0186-03

Intelligent Infusion Monitoring System

NIE Yu，DUAN Wei，ZHOU Qingyu，ZHANG Congyao

（College of Computer Science， Sichuan University，Chengdu 610000，China）

Abstract：So far，most medical institutions use manual monitoring way when giving an infusion，which still remain drawbacks like inaccuracy、inconvenience、time-consuming and labor-intensive. In order to improve this situation，we designed a set of intelligent infusion monitoring system. This system uses gravity detection，STM32，Bluetooth communication and RFID electronic label technology to realize the monitoring and management of infusion. Through the terminal，doctors and nurses can achieve infusion monitoring for multiple wards，thereby saving manpower and improving the efficiency and safety of transfusion.At the same time，the RFID label on the medicine bottle also stores the recommended infusion speed for the drug so as to regulate the drug，so as to achieve the best effect of the medicine.

Keywords：internet of things；intelligent infusion；Bluetooth communication；sensor

0 引 言

靜脈輸液是一種高度專業技術，是護理專業一種常用的給藥治療技術。目前，醫院靜脈輸液控制主要采用人工方式，由人工監控藥液的輸入情況，一旦輸液過程中出現貽誤的情況，很有可能造成醫療事故。同時，不同年齡段的人以及不同的藥物，對輸液的速度都有著不同的要求[1]。一般情況下，成年人輸液速度為40～60滴/分鐘。由于兒童、老年人器官發育不完全或功能降低，輸液速度應減慢，兒童的輸液速度為20～40滴/分鐘，老年人輸液速度不應超過40滴/分鐘。再及，在輸液過程中可能會出現如氣泡、阻塞等故障[2]，若處理不及時，可能會產生嚴重的后果[3]。

國外對智能輸液設備的研究較早。早在幾年前，許多發達國家住院床位就已經配備了輸液泵，它能夠較為精確地檢測控制輸液速度，并能很好地處理氣泡、阻塞等問題。但這類輸液泵普遍價格昂貴，操作較為復雜，不利于大面積普及。

為了改善這一現狀，我們設計了一套智能輸液監測系統，該系統采用重力檢測、STM32、藍牙通信、RFID電子標簽技術等來實現對輸液的監控管理。醫護人員通過終端在護士站內就可以實現對多個病房進行輸液監控，從而節省了人力，也提高了輸液的效率和安全性[4]。

1 系統概述

系統總體設計采用物聯網三層架構[5]，具體如圖1所示，包括感知層、傳輸層和應用層。

感知層采用RFID標簽標記藥物和病人，使用讀卡器來采集標簽中存儲的相關信息（病人信息、藥物信息、建議輸液速度等）。采用重力傳感器實時檢測余液量，用于檢測輸液速度和判斷阻塞情況等，以便出現異常情況時能通過報警裝置發出警示。本系統還配備了一個LCD屏，用于將病人信息、藥物信息、實時輸液速度等實時顯示出來，以便看護人員查看和校對。

在傳輸層采用HC-05藍牙傳輸模塊實現感知層與網關的通信，達到短距離，具有高安全性和高時效性的通信的目的。網關部分利用藍牙轉串口工具，將接收到的藍牙信息轉換成串口信息，使用C++應用程序開發框架Qt以實現網關代碼，從而讀取串口信息，并轉換成特定格式轉發到應用層。

應用層分為云數據服務器和客戶端，其中云服務器中存儲著病人信息，當云服務器接收到網關發送的輸液信息后，實時發送給該病人對應的客戶端；客戶端獲取到云服務器的信息后進行顯示，并在余液達到特定閾值或出現阻塞情況時發出報警信息。

2 系統詳細設計

2.1 硬件設計

2.1.1 RFID模塊

射頻識別，RFID[6]（Radio Frequency Identification）技術，可以通過無線電訊號識別到特定目標，并與之進行通信，讀取或寫入相關數據。具有非接觸、存取速度極快、安全性高、讀取方便和可重復利用等諸多優點。

系統采用MF RC522作為RFID卡的讀寫卡器芯片，工作頻率為13.56MHZ，有低電壓、低成本、體積小等優點。其結構框圖如圖2所示，通過串行接口將讀卡器與MCU進行連接，能夠在保證通信質量的前提下有效減少連線，降低成本。

2.1.2 重力傳感器模塊

對藥液余量的檢測通過重力傳感器[7]來實現。重力傳感器與轉換模塊HX711連接后通過AD轉換得到藥品的余液信息，也可以通過單位時間內藥液的變化量來得到輸液速度。

HX711是一款高精度AD轉換器芯片，具有響應速度快、集成度高和抗干擾性強等諸多優點。如圖3所示，需要關注的芯片引腳是INNA、INPA、INNB和INPB，分別表示A和B兩個通道的負輸入端和正輸入端，用于連接重力傳感器。還需要注意的是DOUT和PD_SCK分別是數字輸出和數字輸入，DOUT是AD轉換后的數字信號，而PD_SCK是由MCU提供的數字控制信號。

2.1.3 藍牙通信模塊

系統的通信部分依靠HC-05藍牙模塊，該模塊基于藍牙V2.0通信協議實現通信，具有短距離、低功耗、高安全性的特點，非常適合在醫院這種小范圍、長時間、高保密性的環境下工作[8]。藍牙通信的拓撲圖如圖4所示。

整個藍牙拓撲結構采用一主多從的形式。一臺藍牙路由器為主機（Master），各個床位的輸液系統為從機（Slaver），每層護士站分管一個藍牙路由器網關（GateWay），所有的藍牙路由器再由以太網連入服務端，以便交換數據和統一管理。

2.2 軟件設計[9]

2.2.1 網關

網關程序借助Qt[10]框架對串口通信以及網絡通信的封裝進行軟件開發。

網關服務器的藍牙轉串口工具將從傳感層接收到的藍牙信息轉換為簡單易讀的串口信息，使用網關程序中串口通信模塊的QtSerialPort相關類讀取串口信息，并轉換成特定格式，利用Qt信號槽機制將收集到的信息發射給套接字模塊；套接字模塊與應用層的云服務器一直保持連接狀態，當套接字模塊獲取到信號時，實時傳輸給云服務器進行存儲。

2.2.2 服務端

服務端程序使用Java語言進行開發，以MySQL數據庫作為數據存儲容器來實現數據集中存儲、信息實時傳輸的功能。

如圖5所示，數據庫主要存儲病人信息和輸液情況。其中病人信息表存儲病人基本信息、病房信息以及RFID號，輸液情況表主要存儲病人的RFID號、藥液總量、藥液余量、余液未變次數、完成情況（進行中、已完成）及警告信息。

服務端Java程序從套接字中接收消息，根據具體信息向輸液情況表中添加元組信息或者修改已有元組余液信息，根據余液信息與藥液總量計算出是否達到警告閾值（藥液余量減少為總藥液量的5%和1%）。如果達到則設置警告信息；若新接收到藥液余量與當前數據庫藥液余量一致，則余液未變次數增一，當余液未變次數達到閾值（3次）則發出疑是阻塞的警告信息。

2.2.3 客戶端

客戶端由C#語言設計開發，以桌面應用程序的形式進行實時檢測管理。主要涉及用戶登錄模塊、用戶管理模塊以及輸液檢測模塊。用戶通過登錄校驗其身份合法性，可以在用戶管理模塊對其信息進行修改管理；輸液檢測模塊會以列表形式顯示當前正在輸液人員的信息，當病人的余液只剩5%、1%或者出現疑是阻塞的情況時，會彈出窗口信息提醒護士到病人病房進行檢查處理。

3 適用性分析

目前，大多數醫院的醫療系統較為成熟，病人手環、數據庫、內部網絡等建設相對完善。本系統只需在此基礎上添加部分軟硬件即可實現對病人輸液情況的實時監測，極大地提高了護士的工作效率和執行準確性，并且較低的成本、可靠的安全性使其可在大中型醫院推廣。

4 結 論

結合物聯網的相關技術，借助于該系統可以保證病人輸液用藥安全，減少醫療事故的發生，規范靜脈輸液的操作流程，減輕醫療人員以及陪同家屬的負擔。通過本系統，醫院及其他相關部門可以規劃建設醫療大數據網絡，進一步推進醫療現代化和信息化建設。

參考文獻：

[1] 田慧，王瑞芳.合理調控輸注速度在臨床中的重要性 [J].時珍國醫國藥，2008（10）：2544-2545.

[2] Infusion Nurses Society. Infusion nursing standards of practice [J].J Infus Nurs，2006，29（1）：1-92.

[3] 張淑蘭，閆鋒.靜脈輸液臨床應用進展 [J].護理學雜志，2001（9）：572-573.

[4] 王連芝.靜脈輸液存在問題的原因分析及對策 [J].山東醫學高等專科學校學報，2010，32（6）：461-463.

[5] 丁飛.物聯網開放平臺：平臺架構、關鍵技術與典型應用 [M].北京：電子工業出版社，2018.

[6] Angeles R. RFID Technology：Supply-chain applications and implementations issues [J]. Information Systems Management，2005，22（1）：51-65.

[7] 劉暢生，等.傳感器簡明手冊及應用電路：壓力傳感器分冊 [M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[8] [英]Robin Heydon，著，陳燦峰，劉嘉，譯.低功耗藍牙開發權威指南 [M].北京：機械工業出版社，2014.

[9] [美]Edward Crawley.系統架構：復雜系統的產品設計與開發 [M].北京：機械工業出版社，2016.

[10] [英]Mark Summerfield.Qt高級編程 [M].北京：電子工業出版社，2011.