面向血透機水路滲漏的物聯網感知系統研究與設計

陳星勇，樓亮亮，章逸愷

1.臺州市第一人民醫院 醫療設備科，浙江 臺州 318020；2.臺州學院 電子與信息工程學院，浙江 臺州 318020

引言

血液透析機是一種基于先進光電傳感和計算機技術的醫療設備，利用超濾和滲透原理，通過透析器彌散、對流、吸附等方式清除患者血液中的代謝廢物，如尿素氮、肌酐等，進而實現患者體內電解質與酸堿平衡調節，在臨床上主要用來替代患者腎臟[1-3]。隨著城市環境污染加劇和市民生活習慣的改變，以及老齡化趨勢下的高血壓、糖尿病、肥胖等代謝性疾病發病率的不斷升高，我國的慢性腎病發病率呈現上升趨勢[4-6]。而作為現代化慢性腎衰竭患者和慢性腎病治療的關鍵急救設備和醫療手段，血液透析的使用頻率也隨之增加[7]。

血液透析機主要由血路、水路和控制電路系統組成[7-8]，其中血路是在血泵提供動力下，將患者血液自動脈引出經血液透析機后再回到人體靜脈的閉合回路；水路是指透析液和患者眥液彌散、對流、超濾、排廢等通路；控制電路系統則是在特定指令驅使下，實時監測并控制血路和水路運作各類參數，確?；颊咄肝鲞^程的安全性和有效性。然而，高負荷運作下的血液透析機，尤其是其內部水路在高溫、高壓、酸堿潮濕環境下老化破損風險也日趨嚴重，以至于水路滲漏是現階段血液透析機出現頻率非常高的故障[8]。為此，若血液透析機內部水路在患者治療過程中發生滲漏，必然引發超濾量出錯等問題，進而影響治療效果甚至引發醫療事故[9-11]。此外，血液透析機水路滲漏出來的液體具有一定的腐蝕性，必然損傷血液透析機內部電路系統和機械結構，進而給醫院造成損失。

近年來，國際醫療器械巨頭費森尤斯公司推出的物聯血液透析機，通過監測水路壓力實現滲透檢測，然而對于微小滲漏檢測精準度仍不足[12]。此外，也有學者提出了以壓力傳感器、電導率和流量傳感器數據為基礎，以機器學習算法為手段實現血液透析機水路監測，但技術實現難度大且成本高昂[13-15]。目前，我國醫療機構血液透析機大都以費森尤斯不聯合物聯網血液透析機為主，該類醫療器械的維保大都是以定期人工視覺檢測和口頭匯報為主[16]。由于人工檢測與報告的遲滯性，發現設備水路問題時已引發一系列連帶故障，進而導致血透機維護成本和時間陡增[10]。因此，亟需破解血透機水路異常在線感知與故障自主匯報方面的瓶頸，促進血透機維保體系的升級迭代和高質量發展[17-19]。本研究在血透機水路漏水機理基礎上，提出血透機水路滲漏物聯網感知系統，旨在實現水路微小滲漏實時監測和自主報警，以期為血透機故障的事前預警、事中處置與事后分析奠定數據基礎。

1 系統實現

本文將基于血透機滲漏液體的微電阻（弱導電）特性，構建電阻式漏液傳感器電路，在此基礎之上基于Wi-Fi SoC 芯片ESP32 內置模數轉化器（Analog to Digital Converter，ADC），實現漏液傳感器表征漏液信號的采集和分析，最后通過物聯網Wi-Fi 網絡完成檢測結果的遠程投遞。綜上，本文構建的感知系統架構如圖1 所示，本文構建的血透機水路滲漏物聯網感知系統包含硬件電路和嵌入式軟件兩個部分。硬件電路由漏液傳感器和ESP32-DevKitC 模塊組成，其中漏液傳感器映射漏液事件發生的輸出信號Vout，與集成在ESP32-DevKitC 模塊中ESP32 模數轉化器ADC 相連。嵌入式軟件則植入在ESP32 中，包括檢測算法和通信算法兩個部分。其中檢測算法基于ADC 所量化的模擬信號sraw(n)，在滑動濾波處理基礎之上，構建基于邊沿突變識別的漏液檢測算法，實現漏液識別結果D(n)檢出。通信算法是通過ESP32 自帶Wi-Fi 基帶和傳輸控制協議/互聯網協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），將該漏液檢測結果信號傳遞到服務器端，以實現遠程故障預警和維保工單自動派送。

圖1 系統架構圖

1.1 硬件電路設計

本文采用ESP32-DevKitC 模塊作為模擬信號的采集和處理單元，該模塊集成了電源電路、USB 轉TTL 通信電路、ESP32 最小系統等，故本文重點關注漏液傳感器的構建。鑒于血透機滲漏液體的弱導電特性，本文將根據檢測電路中任意兩點受滲漏液體的作用下電阻值變化關系，實現血透機水路微小滲漏檢測，具體的感知原理如圖2 所示。本文將在印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）上腐蝕兩條不相交的導線條，即圖2 中的A、B 點之間無電氣關聯且阻值無窮大。當有滲漏液體與該PCB 導線條接觸時，A、B 導線間電阻因混合液內部離子運動作用而下降。因此，上述電阻的變化與是否有漏液存在相關性，故將該漏液傳感器PCB 部署在血透機水路之下，即可實現水路系統微小滲漏檢測。此外，為檢測≥1 mm 直徑的漏液，所設計的漏液傳感器任意不相交平行條間隙寬度為1 mm。

圖2 漏液傳感器示意圖

1.2 檢測算法設計

為實現水路系統微小滲漏檢測，需要對漏液傳感器輸出的電阻特性進行量化與分析。為此，本文基于上海樂鑫公司的ESP32Wi-Fi SoC 芯片為主控，將通過其內置模數轉化器ADC 模塊，對漏液傳感器輸出信號進行采集。為提升感知系統的綜合性能，本文對采集的信號進行了滑動濾波處理，具體計算方式如公式（1）所示。

式中，n為采樣序列號；sraw[.]和s(.)分別為當前原始電壓信號和濾波后的電壓信號；W為滑動窗口長度，本文中該值為20。

鑒于透析混合液與漏液傳感器接觸的瞬間，將會改變其電阻特性，進而導致輸出電壓出現邊沿階躍特性，本文基于該特性建立漏液檢測算法，具體計算方式如公式（2）所示。

式中，1 和0 表示當前是否檢測到漏液；sign()為符號函數；L為檢測次數，該值為3；T為檢測閾值，本文中該值為20；D(n)為檢測結果。如果當前檢測窗口內信號的標準差連續大于特定閾值，則認為有檢測到漏液。

1.3 通信算法設計

TCP 作為一種面向連接且可靠的傳輸層通信協議，介于簡化計算機網絡TCP/IP 網絡架構應用層與網絡層之間。當應用層向傳輸層發送8 位字節表示的數據流時，傳輸層TCP 協議將數據流分區成適當長度的報文段，該長度受網絡數據鏈路層的最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU）所限制。之后傳輸層將數據包傳給IP 層，通過網絡將包傳送給網口接口層（物理層）實現數據投遞至目標實體的傳輸層[20]。因此，為確保TCP 協議傳輸的可靠性，每個TCP/IP 包都包含一個序號，確保接收端實體按序接收并按序回復相應確認幀（Acknowledgement，ACK）；若發送端在合理往返時延（Round-Trip Time，RTT）內未收到目標實體的確認，則對應的數據包將會被進行重傳[21]。因此，TCP 協議可以確保通信數據無差錯、不丟失、不重復，且按序到達，非常適用于小數據量高可靠傳輸場景。為此，本文將基于TCP 協議構建漏液監測數據遠程傳輸通路，具體的算法流程如圖3 所示。根據圖3，為實現漏液檢測結論數據的遠程投遞，本文將ESP32 工作于站（Station，STA）模式，與醫院Wi-Fi 網絡進行對接，以此實現檢測結果遠程報警的目的。在該通信系統中，ESP32 與服務器基于TCP/IP 協議建立數據通路，其中ESP32 作為TCP客戶端，而服務器作為服務端。當檢測到血透機水路漏液時，ESP32 將通過TCP/IP 協議將數據發送到服務器，以此實現數據展示、數據分析和維修推送服務等功能。

圖3 通信算法實現流程圖

2 結果

2.1 實驗部署

為驗證本文中血透機水路滲漏在線感知系統的可行性，本文設計與加工了對應的漏液傳感器，并基于ESP32-DevKitC 核心板構建對應的硬件主控模塊，通過植入上述漏液檢測算法實現常見滲漏液體檢測。在此基礎上，本文以現階段醫療機構常用的德國貝朗8 系血透機水路為監測對象，將上述軟硬件電路系統裝配至血透機中，以此驗證上述感知系統的有效性與合理性，具體的實驗部署如圖4 所示，在該物理實驗系統中，為防止漏液腐蝕主控模塊電路系統，主控模塊安裝于德國貝朗8 系血透機最上方，漏液傳感器安裝在血透機水管之下，兩者之間通過排線進行連接。從圖4a 可以看出，主控模塊與血透機水路完全隔絕，不會因為漏水損壞主控電路系統，且方便主板取電以確保供電回路的穩定性。圖4b 展示了漏液傳感器部署圖，漏液傳感器上布滿不相交的導線條，并安裝于血透機最下層的除氣室上方，確保上方水路及腔體滲漏液體能夠被傳感器所收集，同時兼備阻擋滲漏液體腐蝕下方機電設備的功能，為血透機的工作壽命提升提供助力。

圖4 實驗部署圖

2.2 感知系統性能分析

為評估上述感知系統的性能，本文對血透機常見3種滲漏液體進行了實驗，分別為透析混合液、消毒液和反滲水。為模擬血透機漏液場景，本實驗采用塑料吸管選取上述3 種滲漏液體，分別滴在漏液傳感器上，以此驗證算法的檢測精準度。與此同時，為說明漏液檢測算法的合理性與有效性，本實驗也將ESP32 量化所得傳感器原始信號、標準差和檢測結果數據，通過ESP32 串口輸出到筆記本電腦。

由圖5a～c 可知，當滲透液體與漏液傳感器接觸時，傳感器輸出的電壓出現躍變且持續下降。此外，電壓躍變信號的標準差數據特征與溶液屬性相關，透析混合液和消毒液躍變幅值明顯大于反滲水。從圖5d～f 可知，本文利用上述電壓變化屬性，通過設定相應閾值具備血透機微小滲漏液體的精準檢測能力，同時也具備小時間跨度下數據漂移問題消除與修正能力，進而提升了感知系統的魯棒性。

圖5 3種滲漏液體檢測結果

2.3 檢測精度分析

本文分別對透析混合液、消毒液和反滲水3 種液體漏液頻次檢測精準度進行實驗，本實驗時間跨度為10 d，每天早中晚各進行3 次實驗，以此評估本文算法的可靠性。從服務器獲取的相關實驗結果如表1 所示，本文對3 種漏液分別進行了103、97、96 次實驗，實驗結果表明，本文設計的血透機水路滲漏在線感知系統，對上述3 種液體漏液檢測精準度均達到100%。此外，從遠端服務器獲取的相應實驗結果進一步表明，本文設計的在線感知系統通信網絡具有較高的魯棒性，可為血透機上線和水路異常數據上云提供支撐。

表1 檢測精準度

3 討論與總結

本研究首先基于血液透析機漏液電化學特性，構建普適漏液傳感器；然后，基于所構傳感器，搭建漏液檢測算法；最后，利用ESP32 Wi-Fi SoC 完成相關算法模型軟硬件系統的實踐，并在血液透析機上完成實驗驗證，研究表明，透析混合液和消毒液富含鈉、鉀、鈣、氯等導電離子，而反滲水中的溶解鹽、氯離子和大部分有機物等雜質已在生產過程中被有效濾除，以至于反滲水導電能力弱于透析混合液和消毒液，進而導致其躍變幅值低[22]。本文所設計漏液傳感器均能對透析混合液、消毒液和反滲水3 種常見滲漏液體呈現出不同的特性，進而為血透機漏液檢測提供數據支撐，也為未來漏液屬性分類研究奠定基礎。此外，漏液傳感器輸出富含噪聲信號，本文中滑動濾波能夠有效實現信號提純。雖然無滲透液作用下的漏液傳感器輸出信號保持基本恒定，但也易受環境因素影響而存在信號漂移問題[16]。為此，本文建構基于方差思想的漏液檢測算法，具備增強傳感器躍變信號特性和消除電壓漂移能力，解決檢測精準度下降的問題。

本文從血透機維保工作數字賦能角度切入，基于物聯網技術構建了血透機水路漏液感知系統，并在剖析血透機微小漏液物理特性基礎上，提出了漏液傳感器的構建方法及其相關的漏液識別機制，有效提升了該檢測系統的魯棒性和環境適應性，具有較強的可實踐性與應用價值，因此本文所提技術方案將為血液透析機維保體系數字化賦能奠定有力支撐。然而，本文僅分析了短時間跨度內系統檢測穩定性，未來還需要研究長時間跨度內傳感器腐蝕與系統穩定性的關聯性，以及多傳感融合賦能漏液檢測性能提升問題。

綜上所述，本文提出的血透機漏液感知系統，能夠對血透機水路滲漏事件進行精準檢測，并具備在線監測能力。同時，本文提出的面向血透機水路異常的物聯網感知系統，能夠切實地解決現階段依靠人工視覺血透機微弱滲水報警機制效率低的問題，為血透機維保體系數字化賦能提供了成功經驗，有利于血液透析機水路故障問題及早發現和及時定位，為助力我國醫療血透機維保體系的高質量發展提供了相關技術案例。