智能输液管控系统的研究与应用

李达，高远，段振飞，夏蕾

解放军总医院，北京市，100853

0 引言

在医疗业务中，静脉输液应用广泛，几乎涉及到医院的所有科室。目前，临床输液基本都是采用输液瓶或输液袋加莫菲氏滴管的一次性输液管路，以液位差为动力来源，当临床护理工作繁忙时，护士对输液速度也容易造成忽略。而在输液过程中，护士、陪护人员或患者要时常检查输液瓶余量，对静脉输液中常发生的液体外渗、堵针、针头脱出、静脉炎、静脉痉挛、末梢血运循环欠佳、输液管路扭曲受压、莫菲氏滴管内液面过高、输液袋位置过低等异常情况无法预测，易形成安全隐患，进而影响到患者的输液治疗[1]。因此，我院自2015年底开始，针对病区输液现状，梳理了业务流程和存在问题，逐步引入了智能输液管控系统，实现了病区输液的全流程信息管理和共享，改进和优化了输液管理流程，增强了患者输液体验，提升了护士工作效率，具有一定的实用意义。

1 系统架构

系统在输液监控的工作方式上做了改变，在每个输液床位或输液位配置输液监控终端，用于采集剩余液体重量、滴速等输液状态信息，并将每个输液位信息通过LoRa无线网络实时传送给护士站，护士可以在护士站电脑或信息显示大屏上观察到每个输液位输液的进程状态、输液剩余量、剩余时间、滴速、输液异常等信息，系统通过语音自动提示护士去终止输液或更换输液袋，整个输液过程无需患者参与。系统总体网络架构，如图1所示，主要包括输液监控终端、LoRaWAN网关管理机和护士站终端或信息显示大屏等3个部分。在此架构中，输液监控终端集成了重力传感器、加速度传感器等无线设备，LoRa网关管理机是一个透明传输的中继，连接监控终端设备和后端护士站，将LoRa无线监控终端的数据协议转换为TCP/IP格式发送到医院内网，网关与护士站或手持PDA间通过标准IP连接，监控终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。

2 系统网络设计

系统基于LoRa物联网医疗协议完成组网，采用星型网状拓扑结构。LoRa作为低功耗广域物联网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）的一种长距离通信技术，与传统的无线局域网技术WiFi、蓝牙、ZigBee等相比，解决了传统无线传感网络传输距离远与低功耗不能兼得的问题，为用户提供了一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的传感网络系统[2]。LoRa与ZigBee、蓝牙、WiFi的各项性能对比情况，如表1所示。基于LoRa组网，系统可以任意增加床头监视终端（满足1个病区90张床位的设置），有利于临时床位扩展、加床等情况。部署时，不用安装路由器，无需布线，可在短时间内完成对一个病区的整体改造，同时也为以后使用其他的兼容协议的可穿戴式设备和移动互联网设备提供了保障。

图1 系统总体网络架构图Fig.1 The network architecture diagram of infusion management system

表1 常见局域网组网无线技术的对比Tab.1 The comparison of WLAN technology

3 系统设计与实现

系统主要利用各种传感器采集所需要的数据，借助LoRa网络将数据打包发送给管理机，智能输液管理平台根据接收到的数据进行逻辑分析与处理，在护士站或手持PDA上显示输液的剩余量、流速和剩余时间等要素。

3.1 业务流程优化

系统不改变传统的输液方式，不影响护士操作习惯，只是改进了输液管理模式，如图2所示，实现输液的集中监控、量化管理和规范服务。

系统运行前，应完成以下工作：

第一步：获取每个对应病区的静滴药物基本使用列表。根据药物编号，在病区采集输液容器，并判断输液容器的容积规格，对该容积规格的输液瓶或输液袋的原始重量和总重量进行预设，创建药物重量匹配库。

第二步：获取HIS输液医嘱、护理记录等信息。

图2 系统流程优化示意图Fig.2 The diagram of business process optimization

第三步：对床位编号和床位监控终端MAC进行绑定，创建病区电子看板信息。

第四步：床位监控终端设备组网，管理机联通医院内网。

待患者输液后，将输液器静置约半分钟，待输液状态稳定后，系统判断输液器类型，并在床位监控终端的液晶屏上开始显示输液器类型，如果输液尚未开始，则输液速度和剩余时间都显示为零。开始输液后，床位、液体剩余量、滴速、剩余时间等护士关心的信息将在系统判定数据稳定后显示在护士站电子看板上，护士可统一查看各病床输液情况，对输液过程中发生的异常情况做出预判，主动为患者提供服务，从而节省了时间，提高了工作效率。系统流程图，如图3所示。

图3 输液管控系统业务流程图Fig.3 The business flow chart of the infusion management system

3.2 临床输液闭环管理

我院信息系统是一个开放的系统，本系统通过调用Web Service服务，以XML返回数据形式与HIS、EMR、PDA移动护理系统进行信息集成，实时获取病区、用户、患者基本信息，住院患者的输液医嘱信息等，在临床医师从开具输液医嘱、护士校对执行医嘱、配液、开始输液、输液过程监控、结束输液等各个环节，与医院各信息系统进行无缝链接和全流程质控，形成为一体的闭环式输液管控系统[3]。系统详细记录了患者单次或病区当天输液明细表，如输液瓶类别、规格、输液开始时间、结束时间、平均速度、输液总时长、输液的处理时间、延时等原来无法记录或手工记录的数据，实现了实时自动采集。在护士站大屏显示病区内所有住院患者的相关信息，包括姓名、性别、床号、级别护理、饮食等和各床病人的当前输液状态，含输液总量、规格瓶/袋、输液剩余量、流速、剩余时间、终端电量、信号强度、病人是否离开等数据。同时，当检测到输液瓶/袋的总重量减去所预设的输液瓶/袋的重量后，剩余药液重量处于预设阈值区间后，系统会在大屏幕上显示报警。系统与PDA集成后，护士可在移动终端上实时观察输液和相关报警信息，既完善了临床护理工作记录，又免去了护士再手工誊抄输液数据等问题，在信息流上实现了输液数据的全闭环管理，如图4所示。在输液业务流程上也实现了闭环管理，保障了输液安全和医疗质量，提升了输液护理工作效率。

图4 临床输液工作闭环管理Fig.4 The diagram of close-loop management of infusion

3.3 输液速率的计算

在输液过程中，输液速率一般不超过15 g/min，即0.25 g/s[4]，基于输液器空置重量G空和总重量G总的设定，系统可以计算出液体重量，输液监控终端每秒都上报管理机当前输液器内液体重量G空=Gt总-G空（t表示秒），对平均速度的计算，如式（1）所示；输液的瞬时速率可以理解为液体重量随时间变化的导数，计算如式（2）所示。系统根据方差计算得出输液状态稳定，进而得到在样本容量相同的情况下，方差越小，说明速率越稳定，如式（3）所示。在实际使用过程中，管理机根据各终端上报的重量数据，按照时间戳，每秒不断抽取数据样本做标准，对于瞬时重量变化率超过1 g/s的值进行滤波，此类干扰值一般是由于输液器晃动或人为干扰造成，直接去掉。当方差数据分布比较分散时，各个数据与平均数的差的平方和较大，当数据分布比较集中时，各个数据与平均数的差的平方和较小。一般情况下，输液开始30 s后，输液状态趋于稳定，在护士站电子白板上显示当前时刻每30 s内的瞬时输液速度，以及最近3 min内的平均输液速度，供护士参考。同时，基于液体剩余重量和输液平均速度，可以实现剩余输液时间的估算功能。

3.4 输液护理管理数据库

系统可根据需求，提供各类统计分析报表，可生成患者当天输液明细表，以曲线图或报表形式展示患者当天输液的总体情况；也可以根据病区查看，病人出入量、输液时段分布等，以滴速、容量、输液容器等分类展示病区输液概况；同时也可以根据护理部要求，建立常规输液护理质量指标，统计输液处理响应的服务考评等级标准等[5]。总之，智能输液管控系统为输液管理工作提供了循证的数据依据，也为科研和辅助诊疗提供了输液大数据分析。

4 应用效果

目前，系统在我院骨科、肝胆外科、呼吸科、心内科等病区运行约2年时间，明显改进和优化了病区的输液流程，提升了患者的输液体验，减轻了护士输液工作量，也提高了患者对护理工作的满意度。经统计，在使用智能输液管控系统后，换液响铃率由35.4%减少到9.3%，封管拔针响铃率由13.7%下降到2.7%，输液异常情况也经常为青壮年患者的输液安全意识不强，经常自行调节输液速度，或患者进餐时，发生液体外渗及管路受压等情况导致报警。下一步，系统将针对运行中遇到的异常问题进行分析处理，同时，重点结合患者的诊疗数据，对临床患者的输液数据进行智能化分析，为输液管理工作由经验型向科学型转变提供数据支撑。