基于窄帶物聯網的智能輸液及體征實時監控系統

廣東技術師范學院自動化學院 蔡谷奇 莊鑫財 曾奕秋 周 釗 周文波 吳培延 朱德海

1 引言

我國是人口大國，醫療問題一直是社會關注的重點。在現在醫院的住院模式中，護士需要用不同的測量工具分別定時測量患者的體溫、心率、血氧等體征數據并手動記錄這些體征數據，測量時間長，工作量大。同時，醫生查閱患者歷史體征數據的過程也較為繁雜。在病患輸液過程中，由于不同的藥物要求不同的藥液注入速率，護士憑借自己的經驗去調節調節器，而手動調節調節器偶然誤差較大。另外在輸液結束時，監護人員需要及時通知醫護人員拔針或換瓶，容易造成醫療事故。尤其在輸液高峰期，護士因工作量大，而容易輸錯藥液。

針對傳統人工輸液系統和傳統人工體征檢測系統人力物力耗費大、安全度較低、輸液結束處理不及時等缺點，我們設計了一種基于窄帶物聯網的智能輸液及體征實時監控系統。在今日這個科技高速發展的時代，無論是醫院建設的現代化還是細及醫療設備的智能化及網絡化都應對現代臨床醫學的進步起到帶動作用。但就目前而言，功能較完整，性價比又比較高的智能輸液及體征實時監控系統卻仍未出現。

2 智能輸液及體征實時監控系統的設計

2.1 智能輸液及體征實時監控系統的總體設計

基于窄帶物聯網的智能輸液及體征實時監控系統由智能輸液設備、多功能體征檢測設備、和終端監控系統3部分組成，其中，智能輸液設備和多功能體征檢測設備通過串口將數據傳給NB-IoT模塊NB73，NB-IoT模塊再通過基站的遠程通信方式將數據傳輸到終端監控系統。智能輸液及體征實時監控系統的總體結構如圖1所示。

圖1 基于窄帶物聯網的智能輸液及體征實時監控系統的整體框圖Fig.1 The overall block diagram of intelligent infusion and sign real-time monitoring system based on narrow-band Internet of things

2.2 智能輸液設備的設計

智能輸液設備的結構如圖2所示：

（1）每個輸液瓶上都附帶有相對應二維碼，記錄著藥品的具體信息，包括名稱、體積密度等，通過掃碼與患者藥方進行匹配，防止輸錯藥液造成安全事故。

（2）輸液過程中，應變片電橋與AD轉換芯片AH711構成的重量傳感器可實時檢測出藥瓶的重量并結合二維碼的信息換算出藥液的剩余量；在輸液即將結束時，通過窄帶物聯網的遠程通訊方式通知終端的監控系統的護士前來處理。

（3）另外，置于茂菲氏滴管兩側的紅外線對管時刻監控著滴液速度，并自帶滴速異常識別功能，而且可將相關數據通過窄帶物聯網的遠程通訊方式傳輸至終端監控系統處理與存儲，并且護士可遠程控制患者的輸液速度。

（4）自主設計的機械結構采用了精度高且穩定可靠的數字舵機驅動凸輪，碾壓輸液管改變輸液管截面積以達到精準控制滴液速度的目的；同時，在輸液結束的時候可自動并且及時地緊壓輸液管，防止病患血液倒流。

（5）滴速控制器公式：

其中，

output：控制器輸出量

ds：設定滴速

dt：當前滴速

angle：舵機角度

s1、s2：狀態量，快速啟動時：s1=1、s2=0；細調時：s1=0、s2=1。

圖2 智能輸液設備的結構框圖Fig 2 Frame diagram of intelligent infusion equipment

圖3 多功能體征檢測設備的框圖Fig 3 Block diagram of functional physical sign testing equipment

2.3 多功能體征檢測設備的設計

多功能體征檢測設備的結構和界面分別如圖3和如圖4所示，多功能體征檢測設備首先能對患者進行選擇，以便將檢測的數據傳到終端存儲在對應患者的數據庫中；選擇對應的患者之后，在輸液之前可以用掃碼攝像頭掃描藥瓶的二維碼進行藥液匹配；輸液過程也可以通過圖4的第三個界面對對應患者的輸液目標滴速進行設定。在體征檢測過程則可通過體溫傳感器、心率血氧傳感器分別檢測患者的額頭的體表體溫和指尖的心率血氧，并將檢測的數據通過窄帶物聯網通信傳到終端數據庫。

圖4 多功能體征檢測設備的界面圖Fig 4 Interface diagram of functional physical sign detection equipment

體溫檢測方面，采用紅外熱電堆探測器MLX90615，信號處理器計算出的高精度溫度可通過串行兩線SMBus兼容協議獲得或是器件的10位PWM格式獲得，采用MLX90615熱電堆測量額心表面溫度，臨床數據表示，環境溫度在23℃時，額部正常溫度為33～34℃，通過實驗比對，得出正常體溫與額溫換算如下：

額溫（℃） 33.0 33.2 33.4 33.6 33.8 34

圖5 正常人一天體溫折線圖Fig 5 Normal person’s temperature fold line for one day

圖6 正常人一天心率折線圖Fig 6 One day heart rate line chart for normal people

使用多功能體征檢測設備測得正常人一天內體溫折線圖如圖5所示。

心率檢測部分采用MAX30102，MAX30102是一個集成的脈搏血氧儀和心率監測儀生物傳感器的模塊。它集成了一個紅光LED、一個紅外光LED、光電檢測器、光器件和帶環境光抑制的低噪聲電子電路。通過物理方法固定在手指上后，體內由于動脈搏動充血引起的容積變化會導致光束透光率變化，此時，由光電變換器接受經人體組織反射的光線，轉變為電信號并將其放大輸出，由此計算得出的電信號變化周期即為脈搏率。實驗得出心率曲線圖如圖6所示。

血氧傳感器由兩個分別發出660納米和940納米的發光二極管組成，根據不同含氧量的血紅蛋白對這兩種波長的吸收率差別很大，通過比爾蘭伯特定律，R/RI與血氧飽和度成線性關系。實驗得出血氧折線圖如圖7所示。

圖7 正常人一天血氧折線圖Fig 7 One day oxygen folding map of normal people

2.4 終端監控系統的設計

實時監控著患者輸液時滴速和剩余量的變化，在輸液結束的提醒護士輸液結束并及時處理；同時，可以查詢患者的歷史體溫、心率、血氧的體征信息。

圖8 終端監控系統的界面圖Fig 8 interface diagram of terminal monitoring system

3 窄帶物聯網

3.1 NB-IoT技術概述

作為一項新興的低速率傳輸技術，NB-IoT構建于移動網絡中的蜂窩結構，只消耗約180KHz的帶寬，可直接部署在GSM移動通信系統、UMTS網絡或者LTE網絡上，擁有RS232和RS485接口、5路I/O接口，支持透明數據傳輸，并且內嵌有標準的TCP/IP協議棧，可根據域名和IP地址訪問中心，同時也支持TCP心跳鏈路檢測，保持設備永遠在線。在低速率物聯領域中具有以下優勢：

a.高覆蓋范圍：為了進一步利用網絡系統的信號覆蓋能力，NB-IoT引入PTW（尋呼傳輸窗），允許網絡在一個PTW內多次尋呼UE，并根據覆蓋等級調整尋呼次數。正常覆蓋等級的覆蓋范圍與GPRS相似，但GPRS的通信需要鋪設天線等設備維持發射強度，而NB-IoT只要部署得當，就可以正常工作。

b.低功耗：低功耗特性是物聯網應用一項重要指標，與物聯網應用中其他常用手段相比，本項目應用窄帶物聯網進行實時無線聯網應用。

c.低成本：與LoRa相比，NB-IoT無需重新建網，射頻和天線基本上都是復用的。以中國移動為例，900MHZ里面有一個比較寬的頻帶，只需要清出來一部分2G的頻段，就可以直接進行LTE和NBIoT的同時部署。單個通訊模塊成本為30塊左右。

d.鏈接能力強：NB-IoT可以比現有無線技術提供50-100倍的接入數，一個扇區能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構。

3.2 輸液系統中物聯網的應用

在該系統中，終端、便攜端分別配有紅外傳感器、應變片、心率血氧傳感器、攝像頭等傳感器，可以檢測輸液情況、測量病患體征以及識別藥液種類，通過采用STM32F103ZET6作為各個終端端處理器作系統內的數據統籌處理。然后，終端處理器分別配備NB-IoT設備，由輕量級云透傳平臺完成LPWA鏈接，通過網絡網關將數據上傳到云上的服務器。在單套輸液系統中，以監控平臺為中心，采用1：N透傳即集散模式通信，方便系統內部數據保密和數據處理打包。而在系統與系統間，使用N：N的群聊模式透傳，采用類似于HTTP的應用層協議CoAP協議通信，構成“多跳型網狀網（multi-hop mesh）”，實現無邊緣的移動物聯網絡。

圖9 智能輸液設備實物圖Fig 9 The physical drawings of the intelligent infusion equipment

圖10 多功能體征檢測設備的界面圖Fig 10 Interface diagram of functional physical sign detection equipment

圖11 智能輸液設備實物圖Fig 11 The physical drawings of the intelligent infusion equipment

4 結論

基于窄帶物聯網的智能輸液及體征實時監控系統的實物如圖8-11，其中智能輸液設備實物圖如圖9和圖11所示，多功能體征檢測設備如圖10所示，而終端監控系統如圖8所示。

智能輸液系統采用物聯網傳感技術和窄帶無線通信技術，實現了自動控制輸液速度、集中監控患者輸液情況、輸液完成自動停止并提醒等實時監控功能。應用該系統能減輕醫護人員的工作強度、緩解患者及家屬輸液過程中的焦慮，是輸液管理及臨床護理模式上的一次變革。對比同類型產品的結果表明：本系統具有結構簡單、環境要求低、功能更加齊全等優點，滿足實際臨床上的大部分需求。

同時對智能化發展趨勢而言，物聯網時代正在到來。物聯網將會領導各行各業的商業模式、改變人們的日常生活方式。移動物聯網將是將來5G的一大重要組成部分。輸液系統使用基于窄帶物聯網的無線通信技術，在滿足本身對鏈接個數、通訊范圍等的要求時，更是契合了LTE窄帶移動物聯網技術的發展，在可預期的“窄帶5G（Narrowband 5G）”等技術上能更快地進行更新升級。