基于物聯網云平臺的智能輸液系統開發

鄭 健

（湄洲灣職業技術學院，福建 莆田 351254）

0 引 言

靜脈輸液是臨床醫學常用的一種經靜脈注入大量無菌溶液或藥物的治療手段[1].它作為一種非常重要的給藥途徑廣泛應用于醫療行業，但近年來由于種種原因，在輸液過程中導致諸多問題，引發一些不必要的事故，給患者帶來一些安全隱患.經過筆者深入我市2 家三甲醫院及多家民營醫院，做了近五百份調查問卷，發現了一些輸液方面的主要問題：所調研醫院未能提供輸液計時服務；其使用的輸液泵只具備手動滴速控制功能，醫護人員無法遠程監控輸液情況；患者自行調快滴速引發事故無法較好杜絕；輸液結束時血液回流甚至空氣栓塞等不良的后果無法得到警示或監控預警.

1 系統設計概述

根據上述調研情況，本文設計了一種結合物聯網技術、微信公眾號、云平臺的智能輸液實時監控系統.系統結構圖如圖1所示，該系統在輸液終端實現輸液計時、滴速監控、滴速控制、余量報警、回流監控等功能，并通過ESP8266 無線傳輸模塊把實時數據傳輸到云服務器，實現微信公眾號查詢、服務端監控、數據溯源等功能，為醫護人員提供詳細的輸液相關信息，解決輸液過程出現的滴速設置不當、換藥不及時、血液回流等問題，極大提高輸液的安全性和可靠性，同時數據為醫療管理部門監管提供基礎，這也為患者提供一個更安全可靠的醫療環境，實現安全、可靠、智能的輸液.

圖1 智能輸液系統結構圖

2 終端設備設計

該系統硬件基本組成及計數算法的概念設計在早期的論文中有涉及[2]，系統的主要特征有：滴速，輸液量，輸液時間和結束預警等，主要通過檢測點滴速率來計算.部分論文[3]有涉及到使用一些機器學習的算法進行較為精確的計算方式，但在硬件的成本及對時間的精度上的綜合考慮還是采用點滴參數設定的計算方式.

2.1 算法設計

本文使用Dr來代表滴速（gtt/min），V 代表點滴總容量（ml），T 代表已經注射時間（min），Df代表在系統初始根據輸液設備的滴管形狀及大小情況由醫護人員設定的點滴參數（gtt/ml，臨床上，一般系統預置為10，15，20，30），其中gtt 為滴的縮寫.因此，gtt/ml 表示每ml 的點滴數，gtt/min 表示每分鐘滴數.滴速用如公式（1）表示：

已經注射的容積用Vi代表，用公式（2）進行計算

因此，在輸液開始時，點滴參數Df、所需的滴注速率Dr和所需的輸注體積參數V是存儲在系統中.系統實時檢測并及時進行預警，當檢測值超出閾值時進行警報.

2.2 硬件設計

該終端硬件設計外觀如圖2所示，外形為水滴流線造型，液晶屏顯示輸液速度、結束時間及相關狀態，外置有警報蜂鳴器，鍵盤供醫護人員進行初始設定.

圖2 輸液監控終端外觀設計

其硬件結構如圖3所示，主要包括滴速檢測模塊、液位檢測模塊、滴速控制模塊、血液回流檢測模塊、預警模塊、通信模塊.

圖3 輸液終端結構

其中滴速檢測模塊主要用紅外對射裝置進行檢測；液位檢測設置其液位閾值，利用紅外發送接收方式判定液位是否低于警戒線，并通知預警模塊響應；預警模塊主要用于接收預警信號并發出輸液現場的警示及通知醫護人員控制室內的蜂鳴器、LED 燈、數碼管顯示器等做出響應；滴速控制模塊主要通過利用點滴瓶與輸液位置的高度差可控制滴速的原理，使用電機拉動點滴瓶進行調速，以確保滴速在設定的閾值內；血液回流檢測模塊主要采用顏色識別傳感器TCS3200D，該傳感器可以靜態識別物體顏色，不同顏色輸出不同頻率[4]，通過頻率檢測以識別回流的紅色血液，并通知預警模塊做出響應；通信模塊主要使用MCU 中的ESP8266 模塊，ESP8266 模塊擁有高性能無線SOC；ESP8266 模塊內部集成了 10 bit 高精度 ADC，TCP/IP 協議棧[5]，GPIO、UART、SPI、I2C 等接口，用戶只需在軟件開發工具包（SDK）基礎上進行芯片編程，即可利用內置功能單元控制外部電路，采集外部信號，經過邏輯運算后發送至服務器[6].由于篇幅有限重點介紹滴速檢測模塊的硬件設計.

滴速檢測電路設計如圖4所示，該模塊包含一個紅外發射管、一個三線紅外接收器和分壓電路，對射裝置分別安裝在滴管的兩側.紅外發射管輸出38 kHz 紅外線作為載波.一個紅色可見顏色的發光二極管（LED）用作燈源和光敏電阻（LDR）用作光探測器.LED 由控制器和LDR 供電與標準電阻一起形成分壓器電路.當信號由紅外線輸出時發射管不被液滴阻擋，它將被處理由接收器產生高壓信號到MCU.相反，如果光線被一個點滴阻止，LDR 的阻抗增加，接收器會產生低壓信號，產生了一個高電壓到低電壓的脈沖信號，最后，MCU 使用其中斷機制和過濾算法計算落下的液滴數量.

圖4 滴速檢測電路

分壓電路由一個光敏電阻LDR 和一個2K 電阻組成.這個設計確保了到運算放大器的輸入電壓信號在光敏電阻LDR 的阻值范圍內.比較器電路包括一個低通濾波器，其截止頻率為1 Hz.當水滴滴落到管內，有可能落差反彈回來向上，導致錯誤的丟棄計數.低通濾波器將其視為噪聲并消除相同的噪聲，使用LM358 運算放大器作為該電路中的電壓比較器.

2.3 軟件設計

輸液終端數據流程如圖5所示，系統初始化主要進行設備ID 設置、顏色識別傳感器TCS3200D 白平衡測試、清除歷史配置數據等操作，后進行SmartConfig 配置入網.系統通過SmartConfig 技術將Esp8266 模塊快速通過WIFI 進行入網配置，其過程是將預置配置進行嘗試連網.如果預置為空則需要進行手動配置模式，手機APP 或微信公眾號發送包含WIFI 用戶名和WIFI 密碼的UDP 廣播包或者組播包，智能終端的WIFI 芯片可以接收到該UDP 包，只需檢測到UDP 的組織形式，系統通過接收到的UDP 包解密出現場環境的WIFI 用戶名及密碼，然后智能硬件配置收到的WIFI 用戶名密碼到指定WIFI 的AP 上.如果配置不成功超過2 次則在用戶界面上進行提示，避免無效的死循環.

圖5 數據傳輸流程

2.4 通信機制設計

通信機制設計，采用消息隊列系統.當傳感器采集到相關數據后，終端通過ESP8266 模塊嘗試發送消息到云端服務器.終端成功連網后將現場的數據以HTTP 協議數據發送到遠程服務器，服務器進行終端設備的安全校驗，無誤后寫入數據庫服務器.

設備終端根據設定的查詢頻率（或稱心跳）向服務器進行數據狀態查詢，其數據包括該設備的ID、數據類型、有效性、相關返回信息及心跳包數據等，具體數據傳輸如下：

1）Id:xxx 代表其終端設備號，用于識別設備重要標識，避免丟包而進行2 次發送.ID 號用8 位表示，可通過服務系統配置軟件對其進行初始設置，并進行患者關聯及輸液藥品匹配；

2）Enabled 用于判斷終端是否可用，是否結束輸液處于注銷狀態；

3）Command=RequestData，用于標識是請求數據響應，而非采集數據；

4）ALT=*；BLOOD=*……用于查詢如有預警信息或血液回流警示響應等，及預留醫護人員下發信息等；

5）-＋-=-＋-心跳包數據.為保持終端的永久在線，在應用系統中過濾此數據包.

在接收端通過上傳處理程序主要進行設備的ID 登記、Token 合法性的驗證，并連接MySQL 數據庫，將傳感器的數據存儲在相應的數據表中.在查詢的狀態下，它還負責進行設備狀態的有效查詢，并返回相應的狀態值，如果既不是在接收或查詢數據的狀態，或所登記的ID、Token 不合法則關閉通訊.同時該程序這一個請求只能由設備終端發起，還杜絕直接訪問，避免一些非法的入侵，確保數據的安全性.

如果數據發送不成功，終端會再次檢測網絡的有效性，并再次采集實時數據進行發送.發送數據包括內容和來源的標識，消息還包含生成內容時的時間戳，考慮到一定的延時性，這一個時間戳在寫入數據服務器時產生.如因網絡故障無法完成數據的傳送則在系統內進行設置警報，提示及時聯系醫護人員進行人工操作.

3 物聯網云平臺開發

終端通過ESP8266 模塊將數據及開關信息及時發送到物聯網云平臺，進行寫入MySQL 數據庫.微信公眾號作為與用戶的交互進行查詢MySQL 數據庫數據獲得現場數據，并與醫護人員之間進行開關量的互動，將狀態寫入數據庫，來實現開關量的控制.

3.1 微信公眾號API開發

在線服務器處理程序負責從微信平臺接收用戶消息中的HTTP 請求，并驗證該請求是否來自微信平臺.消息以指定的格式進行解析以獲取參數值.最后，消息被封裝為XML，并在指定的邏輯處理程序執行數據后返回.在線服務器處理程序需要獲取并響應由提交的控制請求.WEB 應用程序接口中的用戶請求數據根據指定的協議進行分解，控制指令由邏輯代碼生成[3].

圖6 微信數據處理流程圖

在線服務器的主要功能框圖處理程序如圖6所示：在線服務器處理器需要維護Socket 通信連接池，用于在微信公眾號客戶端顯示傳感器數據和在輸液系統中對滴速傳輸控制、預警信號響應等指令.在線服務器通過Socket 連接將傳感節點的數據發送到客戶端接口用于顯示和轉發來自客戶端的控制消息指令.數據通過Socket 連接發送到該環境的WIFI 接收，然后通過接口轉發到控制芯片或ESP8266 網關.

3.2 服務系統開發

服務系統以C#、MySQL 開發，主要在應用層提供患者信息管理、輸液過程的滴速、余量、結束時間，血液回流預警等服務，醫護人員可以借助于平臺進行數據監控與查詢，并保障患者的安全.管理人員可有效進行數據的整合應用，提高效率及增強服務質量.

3.3 平臺安全性設計

根據普遍認同的物聯網平臺應當遵守的一些重要的安全原則，及2018年中國信通院提出的《2018年物聯網安全白皮書》，課題組在“引入網絡節點的身份認證機制”、“強化終端數據完整性保護”及“加強數據傳輸加密操作”[8]方面進行設計：

網絡節點的身份認證機制：設計了終端設備與服務器的TOKEN 認證，此外加強了ESP8266 接入的管理，對其MAC 地址進行采集比較，增加接入安全；

終端數據完整性保護：在查詢和采集兩個數據流中嚴格根據相關格式報文進行傳輸，格式錯誤或無序將以日志形式記錄；

數據傳輸加密操作：數據采用HmacMD5 進行數據的加密操作，HmacMD5 是從MD5 哈希函數構造的一種鍵控哈希算法，其較MD5 的優勢在于可以得到32 位的加密密文及加密密鑰.

4 運行實例

測試在常溫（22 ℃）下進行，主要有滴速檢測測試、剩余時間估算測試、回血測試、調速測試等.以下測試過程均選用生理鹽水進行.

4.1 滴速檢測測試

滴速 Df分別使用 4 種常見輸液速度，10、15、20、30（gtt/min）.測試開始后，每 5 分鐘進行滴數計數，每個速度觀察8 次.用實際觀察到的每分鐘滴數與設置滴數、滴速檢測讀取的作比較.輸液速度實測及讀數測試結果，見表1.

表1 滴速測試及剩余時間估算檢驗統計 （gtt/min）

4.2 剩余時間估算測試

測試使用輸液裝置參數1 ml 為15 滴，按100、200、300 ml 三種不同容量，按10、15、20、30（gtt/min）速度進行測試，測量實際輸液時間與系統讀數時間進行比較，測試結果，見表2.

表2 剩余時間統計表 （min）

4.3 回血測試

本文采用的是顏色識別傳感器TCS3200D，其主要根據檢測物體的RGB 值進行顏色的識別，對于紅色的檢測，測試前在設備初始時進行了白平衡的校用，并在普通節能光下采用 RBG 取值：R（5-9），G（15-36），B（14-30）[7]下認定檢測到的顏色為紅色，認為是輸液時的回血現象，實測結果符合要求.

5 結語

本文介紹了一種基于物聯網云平臺的智能輸液系統的開發，采用自主設計的物聯網云平臺，系統具備良好的擴展性可以無縫接入相關醫療系統，在后續可為病人提供大數據的信息服務.

在后期系統的改進提高上將在滴速檢測上引入閉環反饋控制器，當流速在偏離預設的期望速率時可以自動進行以重新調整，使系統更智能化，進一步減少人為的干預，可以用于更嚴格臨床環境當中.同時可以考慮增加RFID 進行點滴藥品的二次校驗確保藥品的準確性.在回流檢測精度方面可以考慮采用集成UV-IR 遮光濾光片可實現精準的環境光傳感器，減少現場環境帶來的一些干擾；在數據傳輸方面在NB-ITO 的模塊及使用成本降低的情況下可以采用.