基于無線傳感網絡輸液報警系統的設計與應用研究

文家雄，鄧杰

四川信息職業技術學院 電氣工程系，四川 廣元 628040

引言

靜脈輸液作為一種常規的醫療手段，在臨床醫療中得到了廣泛的應用[1-3]。它主要通過液體直接將藥物輸入體內，來達到治療疾病的目的[4-5]。目前大多數醫院普通科室采用的是傳統的輸液模式，這種模式下需要護士、病人甚至病人家屬對輸液液體進行實時監控，這種模式不僅效率低下，還會浪費大量的醫護資源[6-7]。且目前使用醫療報警設備的大多集中在重癥監護室，這些設備不僅價格昂貴，還存在著使用不便、造價昂貴等缺陷[8]。為有效解決上述問題，眾多科研人員進行了不斷地研究與改進。以傳呼系統為例，它作為常用的傳統輸液模式之一，需要先在護士站和病床之間進行大量的線路連接，然后在使用時手動按下報警按鈕，向護士站發送輸液完成信息，最后護士根據接收到的信息再進行處理。這套系統雖能提高醫護人員的工作效率，給病人提供了較大的便利，但仍需要實時關注輸液瓶中的剩余量[9-10]。隨著微電子技術和無線通信技術的發展，醫療設備逐漸進入了信息化時代[11-12]。為了解決上述設備存在的問題，張超平等[13]用51單片機和非接觸電容式液位傳感器等元器件，設計了一個便攜式輸液監控系統。該系統利用LC12S串口，進行無線傳輸，可實現多點采集、統一管理和聲光報警等功能。但該系統存在著自身制造工藝和設備許可等問題，難以向市場推廣。劉傳朋[14]采用ZigBee無線傳輸技術，設計了一款基于CC2530單片機的無線輸液報警系統。在該系統中，CC2530單片機作為數據處理中心和路由發射端，通過組播的方式，將光敏傳感器實時檢測到的液滴變化情況發送給終端。在該系統下，雖能有效實現液體輸完時的聲光報警，但仍存在著光敏傳感器采集數據時易受干擾等缺陷。

為此，本文為有效解決傳統輸液報警系統布線繁瑣、無法實時監測和傳輸效率低等問題，提出一種基于自由競爭模式的無線傳感網絡架構體系，并以此為模型研制出一種新型的無線輸液報警系統。經過近半年的臨床實踐，驗證了該系統的可行性與普適性。

1 系統組成

根據醫院的應用需求，系統以100張病床的某住院科室為臨床實驗基地，工作于無線傳輸模式；無線信號的作用半徑≥1000 m，具有“穿墻”功能，信號傳輸延遲時間≤0.5 s；系統能夠實時檢測病人的輸液信息，包括自動檢測輸液是否正常、故障及完成，并在監控機上實時顯示；當發生輸液故障時系統自動發出聲、光報警，直到醫護人員處置完畢。據此，該系統基于無線傳感網絡理論架構和嵌入式控制技術，實現物聯網功能，其原理框圖如圖1所示。

圖1 無線輸液報警系統原理框圖

系統工作流程為：輸液傳感器通過夾具安裝在輸液管上實現液體流速的實時監測，并控制STC15W201S單片機發送信息，單片機根據預設程序控制Wi-Fi模塊持續發射輸液狀態信號，護士站的STC8A8K64AS12單片機對接收的Wi-Fi數據進行處理，并且驅動相應模塊工作，如果發生輸液異常情況，則在VGUS監控機上顯示故障的床位信息，并發出聲、光報警信號警示醫護人員及時處理。

系統實物組成如圖2所示。包括無線傳感發射“云”、主控制器MCU、VGUS監控機及PC上位機等部分。無線傳感發射“云”是系統關鍵部分，完成輸液信息的實時采集和傳輸；主控制器MCU負責“云”數據的接收和處理，并把處理信息送達監控機和PC上位機；PC上位機主要用作調試和觀察數據的有效性，國產的VGUS液晶屏用作系統的監控機，是醫護人員監控病人輸液信息的終端。系統各功能模塊分述如下。

圖2 無線輸液報警系統實物組成圖

1.1 硬件系統組成

1.1.1 無線傳感發射“云”

根據我國國家三級醫院的實際情況，系統的無線傳感發射“云”由不小于100個無線發射機（對應某三級醫院一個住院科室的100張病床）組成，是系統信息采集、處理和傳輸的關鍵部分，各無線發射機工作在相同信道，采用“先到先得”的自由競爭模式搶占接收機工作信道，從而組成類似“云”的信息傳輸與存儲空間，其原理如圖3所示。

圖3 無線輸液報警系統之無線傳感發射“云”原理圖

定義r(t)為傳感器檢測到的報警信號，通過STC15W201S單片機生成監測序列，見式(1)。

式中，u(t)為序列選擇器從無線傳感發射云中獲取的報警信號，y(t)為STC8A8K64AS12單片機處理之后的信號，g(t)為反饋信號。

由于網絡帶寬有限，為獲取資源，各節點之間經?；ハ喔偁帲@種競爭機制使得信號在傳輸過程中容易出現丟包、時延等現象。在本系統中，報警信號無優先級，故在這種模式下會形成一種特殊的自由競爭模式。同時為保證發送的報警信號能被序列選擇器選取，設置Wi-Fi發射器發送報警信號到上位機時間為50 ms。報警序列選擇器每隔100 ms從中隨機選取報警信號。無線傳感發射“云”拓撲結構如圖4所示。

圖4 無線輸液報警系統之無線傳感發射“云”拓撲圖

無線發射機由輸液傳感器、發射微控器MCU、無線Wi-Fi發射模塊及天線組成。輸液傳感器總重量＜50 g，通過彈簧卡槽卡在輸液管上實現輸液信息的采集；發射微控器MCU工作于低功耗模式，采用高性價比的STC15W芯片，完成輸液信息的處理；無線Wi-Fi發射器采用多通道嵌入式無線數傳模塊HC-12，各模塊工作在相同信道，發射信號在空間自自由傳輸，組建類似無線傳感網絡的發射“云”空間，完成輸液信息的“云”傳輸功能；同時為增大信息的傳輸距離和無線信號的穿墻功能（＞1000 m），系統配置了輕質彈簧天線。

1.1.2 無線接收機

系統的無線接收機由高增益天線和無線接收Wi-Fi模塊、接收MCU控制器和報警及顯示終端組成，其組成框圖如圖5所示，PC機用作系統調試。

圖5 輸液報警系統之無線接收機框圖

無線接收Wi-Fi與無線發射Wi-Fi模塊工作機理相似，工作信道完全相同，從而保證能夠準確接收無線傳感發射“云”空間傳輸的輸液信息，并濾除無關干擾；接收MCU控制器也采用高性價比的STC8A8K芯片，由于病人輸液信息的傳輸是隨機的，故信息接收工作于自由競爭模式，即“先來先收，循環處理”，接收MCU把處理后的信息送監控機便于實時監控，也可送PC機進行信息分析，通過虛擬仿真和系統的臨床實踐，完全保證了輸液信息的時效性及實用性；監控機采用國產的武漢中顯科技有限公司的VGUS作為系統的上位機，完成住院科室輸液信息的實時監控，包括各病床輸液正常、故障和完成等不同信息的顏色顯示、聲音報警及輸液信息記錄等功能。

1.2 軟件系統流程

1.2.1 無線發射系統軟件流程圖

由前文硬件設計部分可以知道主機與各傳感器之間通過無線Wi-Fi產生信號交換，針對某一個無線傳感器，當檢測到液體流動時，發射輸液正常指令；當傳感器檢測到液體流盡時，發出輸液故障指令。其工作流程如圖6所示。

圖6 無線輸液報警系統的無線發射機工作流程圖

1.2.2 無線接收系統軟件流程圖

在系統無線接收部分，當接收到輸液正常指令時，系統顯示正常（綠色）；當系統接收到液體流盡指令時，系統發出警報（紅色），并顯示報警床位。本系統對每個床位進行編號，以1號床舉例，正常狀態時向系統發射01H，此時顯示器上顯示綠色；當發生報警之后，向系統發射81H，此時顯示器上顯示紅色，并發出報警。無線接收系統軟件流程如圖7所示。

圖7 無線接收系統軟件流程圖

2 臨床應用

傳統的有線輸液報警裝置，需要人工干預才能建立病患與醫護人員的信息聯系，醫療機構的管理者很難實時掌握病床的利用率，一旦發生醫患糾紛，沒有可用的后臺數據作為證據，倘若有幾個報警器同時報警，醫護人員需要排查設備的位置等一系列問題[15-16]。

通過調研，適用于醫護人員臨床使用的輸液報警器既不能改變輸液器本體的結構，還不能影響輸液液體成分，同時還具有重量輕、安裝和操作簡單、成本低、電池續航時間長，輸液完成的報警信息要及時準確并且誤報率低，醫護人員和管理者從護士站通過下位機可實時了解所有病床的輸液狀態等特點。

為實現上述功能，本文采用一種自由競爭式主從機無線通信方式，從機由多個Wi-Fi無線傳感節點組成，節點重量≤50 g，主機由無線Wi-Fi接收機和VGUS下位機組成，安裝在護士站。主機與從機通過Wi-Fi無線通信進行輸液信息的實時傳輸與后臺記錄，無需布線和人工干預，病床信息記錄及時準確，醫護人員通過護士站的下位機既可了解任一病床的輸液狀態，又可掌握全院病床的使用率及醫療質量情況。系統實物如圖8所示，無線Wi-Fi發射節點臨床工作情況如圖9所示。

圖8 項目產品實物圖

圖9 無線Wi-Fi發射節點工作圖

為驗證本系統的實用性與可靠性，在2020年1至6月，以國家三級乙等醫院—廣元市第二人民醫院五官科的100張住院病床為樣本，記錄病床每天輸液時使用本系統的次數和誤報次數，統計每月的使用總次數和誤報總次數，從而計算本系統的月誤報率：月誤報率 =（月誤報總次數÷月使用總次數）×1000‰。

本系統在四川省廣元市第二人民醫院臨床應用數據統計如表1所示。該表以該醫院五官科100張住院病床為數據采集來源，記錄2020年1至6月的輸液信息，包括當月使用本系統的總次數和發生輸液信息誤報（正常、空床、故障）的總次數。由于數據本身極值?。ㄕ`報次數為0和1），故而采用算術平均數方法對其進行處理，根據式1計算當月的月誤報率和半年平均誤報率。

對表1臨床應用及統計結果進行分析，本系統在半年的臨床使用中，樣本總數達到6097次，而三種可能發生誤報的情況下發生誤報總次數僅為3次，平均誤報率低于0.5‰。

表1 臨床應用數據統計表

傳統的有線輸液呼叫器需要患者有自主行為能力或者陪護人員，同時醫護人員需要時實巡查病房，這必將增加病患和醫療機構的人力、物力和財力負擔，也不便于管理者對醫護人員和醫療資源的時實掌控。從表1數據可知，本系統工作穩定可靠，在室內通信距離超過200 m的范圍內可準確傳輸監測信息，月誤報率和半年平均誤報率均小于醫護人員和患者的期望值（1‰），實現了無人看護的安全輸液功能，從而減輕患者的陪護負擔，節約醫護人員的查房時間，有利于醫護質量的提高和醫患關系的改善。

3 總結

本文針對傳統輸液報警器布線困難和無法對液體進行實時監測、實時顯示和及時預警等顯著缺陷，提出了一種新型的基于自由競爭模式下的無線傳感網絡架構體系，并以此研制出了一種新型的無線輸液報警系統，實現在無人看護情況下，病人輸液信息的語音報警、病床號智能顯示、日志記錄、病人與醫護人員的信息同步等功能。并通過在本地三級乙等醫院近半年的臨床實踐，對本系統的有效性和普適性進行了實際驗證。結果表明，本系統能大大減輕醫護人員的病房巡查工作量，甚至不需要病人家屬的陪護，提高了醫護質量和效率，節約了醫療成本和醫護資源，達到了前期調研預期的目標，也說明了本系統具有較高的推廣價值。目前，我們團隊正在進行該項目科研成果的轉化工作。

本文研究系統為本團隊輸液報警器的初代產品。隨著MEMS應用技術、控制理論和算法在“智慧醫護”領域的深入應用，將預測控制、網絡化控制等先進控制理論用于輸液故障的預判和液體的自動開啟和關閉功能，開展“AI+智慧醫護”技術的應用研究，是本系統下一步研究的主要方向。