遠程輸液監控系統的設計與實現

李宏恩，彭平冀，荊通，郝文延

1.長治醫學院生物醫學工程系，山西長治046000；2.北京春草軟件科技有限責任公司，北京100089

前言

為解決城市發展難題，實現城市可持續發展，建設智慧城市已成為當今世界城市發展不可逆轉的歷史潮流。智能醫療是智慧城市建設中不可或缺的部分，隨著信息和通信技術手段的不斷創新，醫療行業將融入更多人工智能、傳感技術等高科技，從而使醫療服務產業走向真正意義的智能化［1］。

靜脈輸液是臨床醫學最常用的醫療手段之一，它是利用大氣壓和液體靜壓形成的輸液系統內壓高于人體靜脈壓的原理，將液體直接輸入到人體靜脈，能起到糾正水電解質紊亂、改善微循環、控制感染、補充營養等治療作用。目前許多醫院靜脈輸液仍沿用傳統人工方式，通過護士手動調節滾輪來收緊或放松輸液管，采用讀秒滴數法等臨床經驗來調控滴速，輸液過程中有無輸液異常，是否需要更換輸液瓶，這些都需要醫護人員及陪護家屬的持續觀察。為使輸液工作更為智能、減少人工陪護，本研究設計了一款更適用于臨床醫護需求的遠程輸液監控系統，可實現護士在護理工作站內對于整個病房的集中監控［2］。

1 系統總體方案設計

遠程輸液監測系統由主站（主控PC機）和從站（輸液終端）兩部分組成，設計框圖如圖1所示。第一部分是主站，由一個主站電腦PC和配套開發的實時監控軟件構成；第二部分是從站，主要由STC90C516RD單片機為核心的智能監測與控制系統、傳感器、輸液架等構成。系統工作原理可以概括為：主控PC作為主機用于監控輸液終端的輸液狀態，由輸液監測終端監測到的各種數據發送到主控PC以完成監控功能；當掛瓶中的液體低于設定值或滴速高于預設值時，系統會自動發出報警信號提醒醫護人員進行及時處理。本系統選擇WIFI作為遠程數據傳輸方式，主要是因為它在信息傳輸中有足夠的通信距離，只要信號基站穩定性好，就可以實現點對多點通信，且安裝方便，克服了傳統串口連接和藍牙通信距離有限，只適用于點對點通信的缺點［3-6］。

圖1 系統結構示意圖Fig.1 System structure diagram

2 系統硬件設計與軟件設計

根據系統方案設計，本研究的遠程輸液監控系統硬件部分主要針對下位機進行，軟件設計包括下位機軟件設計和上位機監控軟件設計。

2.1 下位機系統硬件設計

下位機系統構成主要包括以下模塊：STC90C516RD 單片機是系統控制核心，監測電路模塊采集到的數據都將通過單片機進行分析和處理；滴速監測采用紅外對射脈沖傳感器監測技術［7-8］，在滴管處對輸液速度進行監測；液體余量監測采用稱重傳感器結合HX711 實現；報警模塊通過在軟件設計中設定一個專用延時子程序和時間閾值，以此來控制聲光報警裝置發出警報；數據的無線傳輸通過ESP8266低功耗WIFI 無線模塊來實現［9-11］。

2.2 系統軟件設計

系統軟件設計流程圖見圖2。

2.2.1 下位機軟件設計 首先對主程序定時器進行初始化，接著分別調用液體滴速和液體余量監測子程序，通過數據分析和計算，得到當前液體滴速和液體余量，并通過計數子程序與系統設定值進行對比，如液體滴速大于或小于系統設定值，或者液體余量小于系統設定值，則系統會通過單片機向聲光報警裝置發出報警指令，液體當前滴速和液體余量同時將通過顯示子程序顯示在LCD顯示屏，最后將結果經串口WIFI輸出［12-14］。

2.2.2 上位機軟件設計 本系統上位機軟件設計基于Windows7 32 位平臺操作系統，運用Microsoft Visual Basic 6.0系統為開發工具。上位機軟件界面如圖3所示。

上位機輸液監控軟件實現如下功能［15-17］：（1）實現對下位機數據接收和實時顯示，包括輸液總滴數、輸液滴速（滴/min）、液體余量、液體滴完的剩余時間等參數；（2）報警參數設置，包括滴速的上下限值、液體余量上下限值；（3）系統環境配置，包括本地計算機通訊參數，以及設備（地址號）與實際病床號設置。

3 系統測試及結果分析

輸液滴速監測和報警的準確性對于系統正常使用至關重要，系統測試主要針對滴速監測和報警裝置，并進行系統測試結果分析［18］。

3.1 滴速監測測試

本次測試一共測試5組輸液滴速，實際滴速分別是27、35、57、74、83 滴/min，每組數據分別測量10 次以保證監測穩定性。其測試結果見表1。

由表1可以得到，使用本系統得到的實測滴速與實際滴速誤差僅為±1 滴，符合臨床輸液監控的準確性設計要求。

3.2 余量報警測試

余量不足報警與結束報警功能是遠程輸液監控系統的一個重要組成部分。余量不足報警功能可以為護士提供充分的處理時間，結束報警功能實現持續報警，提醒醫護人員為患者及時拔出針頭或更換藥液。

余量不足報警與結束報警功能測試方法：①將一瓶500 mL 生理鹽水以60 滴/min 進行輸液余量監測，測試當液體剩余量分別低于20、30、50 mL 時，輸液終端監控模塊是否進行燈光（LED1點亮）報警，并同時利用蜂鳴器發出持續20 s 的聲音報警；②當輸液結束時，提示燈（LED1、LED2 同時點亮）報警，主控PC機監控界面是否實現發光報警提示，并持續發出聲音報警直至醫護人員做出相應處理。經幾次測試，輸液結束報警功能能夠正常工作，余量不足報警功能誤差在±2 mL內，總體滿足系統監控設計需求。

圖2 系統軟件設計流程圖Fig.2 Flow chart of system software design

圖3 上位機軟件界面圖Fig.3 Upper computer software interface

表1 輸液實際滴速與實測滴速對比分析表Tab.1 Comparative analysis of actual droplet velocity and measured droplet velocity

3.3 測試結果誤差分析

根據以上測試過程及結果分析，監測數據與實際情況存在誤差的原因主要是：（1）滴速監測采用紅外對射監測技術，在滴管處對輸液速度測量時，紅外發射管與接收管的對應位置容易出現偏差，太高或太低可能造成不能準確采集液滴數，導致讀數有一定的誤差。（2）液體余量監測中由于不同藥液的密度不同，導致利用稱重傳感器監測液體余量時存在一定的誤差。

4 總結

本研究實現了遠程輸液監控系統設計，具有低功耗、性能穩定、運行穩定等特點。系統設計采用紅外對射傳感器和稱重傳感器相結合，基于STC90C516RD單片機分析和處理數據，進而獲得準確的臨床輸液參數，并將數據通過WIFI無線傳輸到主控PC終端中的輸液實時監控軟件。經系統測試，該系統在滴速監測和余量監測中誤差處于正常范圍，能很好地實現遠程實時輸液監控，提升了護理工作的效率、降低了工作強度，同時提升了患者滿意度及舒適度，彌補了當前醫院靜脈輸液過程中的不足，具有一定臨床應用意義。