一种智能输液监控管理系统的应用研究

刘云龙 王翠玉 王子杰 程怡航 易明丽

（武昌工学院，湖北 武汉430065）

随着电子信息技术的迅速发展与应用，智慧医疗应用越来越多。在火神山、雷神山医院里智能机器人，解决了众多医疗物资送达问题，诊疗室中有远程医疗设备，通过互联网来实现远程观察会诊等等，这都是智慧医疗的产品。所以在公共卫生事业中，相比较庞大的人口，医疗资源还是显得不足。当前我国大部分的输液还是通过人工观察来控制输液的速度，并不能准确控制输液的流速，实时监控输液情况，确定输液结束时间，偶尔患者和护士忘记了输液情况，就会导致血液回流，引起医疗事故，对病人的身体造成损害。因此设计一个智能输液监控管理系统来监控输液情况，实时监测流量情况，控制输液流速，判断是否回血，及时中断输液，发出报警声，并通知医护人员，这样能够极大的减少医疗事故的发生，减轻医护人员的工作压力，提高医疗效率，充分利用医院的人力资源。

1 设计整体思路

本系统的硬件采用STM32 单片机控制器，由超声波发射接收传感器、LoRa 模块、蜂鸣器、呼叫按键、步进电机、LED 指示灯、电池组成，如图1。

图1 整体结构

2 输液检测系统硬件设计

2.1 主控制模块

主控制器采用STM32 单片机，STM32 是32 位的基于ARM Cortex-M内核的微控制器，相比51 单片机具有实时性强，高性能，低功耗，接口资源丰富等优点，易于开发。

2.2 超声波流量计

超声波流量计采用超声波发射模块和超声波接收模块，利用传播时间差方式，向输液管内的液体流动方向发送相反方向和相同方向的超声波，输液管内液体流速越快，相同方向的到达时间越短，相反方向到达时间越长，来判断输液流向是否正常还是倒流回血，并通过时间计算出输液管内液体流动的速度，转化成体积单位即可估算出瓶内药液的剩余量。利用声波在不同介质中传播速度不同，当有气泡进入输液管内，检测到的信号时间更长。再通过测量相反、相同之差，同时可以抵消掉环境变化的影响，实现对流量的稳定测量。

图2 超声波流量计

2.3 LoRa 网络

LoRa 是基于扩频技术的超远距离无线传输方案。LoRA 通讯协议，其接收电流仅10mA，睡眠电流＜200nA，极大程度上降低了电池供电设备的功耗。所使用的传输频率低433mhz 或868mhz, 空旷距离传输5000 米，同时穿墙能力强。LoRa 采用的是点对点的星型通信方式，实现远距离传输，无需网络中继器扩大传输距离，即智能配件直接可与智能中控主机互联互能，不需要中间大量的节点来转达，相比ZigBee，传输距离更远，相比WIFI 组网可靠性更强，穿墙性能更高，功耗更低。与其他通信技术相比，LoRa 技术更加适合于低成本大规模的物联网部署。获取到的数据通过LoRa 无线模块传至LoRa 网关接收信息，到达主站，数据通过计算机，进行人机交互，利用计算机的互联网进行云同步到服务器，从而推送到使用微信小程序来查看病人输液信息，达到病人的亲属也可以监控输液的目的。

2.4 光电报警器

光电报警器由LED 指示灯和蜂鸣器组成，在超声波流量计监控流量出现异常时，如有气泡柱在输液管内，输液管内液体倒流、滞流，回血，输液快结束时光电报警器会启动，会有灯亮起并发出蜂鸣声，并通过LoRa 网络传至主机，方便医护人员第一时间处理。同时LED 灯兼电源指示灯的作用，当充电截止时会发出绿光，缺电时会发出闪烁红光。图为声光报警器模块电路图。

图3 光电报警器

2.5 步进电机

当STM32 单片机通过获取超声波流量计模块的数据计算出输液快结束时，驱动步进电机挤压输液管，达到减缓输液速度。同时具有远程操控步进电机功能，当主机收到异常输液情况时，可通过主机进行远程操控，驱动步进电机中断输液，以保护输液安全。

图4 步进电机控制流速

2.6 呼叫按键

呼叫按键电路如图所示，在输液中需要呼叫护士站时通过长按下这枚按键即可经过LoRa 网络进行呼叫护士站来解决病人的相关问题，相比医院布局的床头呼叫系统成本更低效率更高，在中小型诊所中没有床头呼叫系统，利用此按键便形成了中小型医院的呼叫系统。更利于存在身体缺陷人群使用。同时在输液结束时长按按键即可取消蜂鸣器报警的声音。

2.7 电源模块

采用易定制的锂电池材料作为供电单元，根据应用场景，大范围应用，如大型医院输液部门时采用无线充电方式，可带来便捷，个体诊所应用采取触点磁吸式充电方式，可降低使用成本。

3 输液检测系统软件设计

本产品由两部分组成分别是主站和从站。从站的软件设计采用Keil5，用于对STM32 单片机开发，可以一定程度上进行仿真操作。使用Proteus 进行模拟实物设计图样，还能够调试程序，做到软硬件协同仿真。从站的软件编程需要完成以下功能：（1）输液管内液体流速的采集；（2）输液管内气泡柱的采集；（3）具有回血信息的采集；（4）步进电机的控制；（5）具有光电报警功能；（6）具有按键控制和按键呼叫功能；（7）具有信息收发功能；（8）具有充电信息采集的功能。主站的软件编程需要完成以下功能：（1）对从站发送的数据进行分析；（2）显示出病人输液信息；病人编号，姓名，性别，区域，床位，输液剩余量，瓶数，剩余时间，状态，从站剩余电量；（3）可以远程发送指令到从站，进行输液远程控制。（4）对分析到的数据进行数据上传至云服务器，同步数据到微信小程序。（5）输液异常患者通知。

4 应用价值和转化价值

相关数据显示，中国每人每年平均输液8 瓶，大约中国每年输液100 亿瓶。鉴于2019 年新型冠状病毒的爆发，市场需求越来越大。此项目应用于临床医学中的静脉输液，检测药水剩余情况，测量点滴速度，能精准用药，当输液结束、输液管堵塞时，此装置能实现自动停药，保障患者安全，降低患者输液时的风险。随着物联网时代的到来，云服务与手机联动，使患者家属也能够监控患者的输液信息，减轻了患者需要自己监控输液状态，能够在输液时放心的做其他事情。基于云端大数据的集群监测，更大程度上减轻了医护人员的压力，实现一个医护人员了解一个范围内的患者状态，不用医护人员经常巡视提高了医护人员的工作效率，充分利用医院的人力资源。

5 结论

本智能输液监控管理系统，能够有效的减轻医护人员的工作压力，提高效率。智能医疗也是未来发展的方向，医疗器械行业属于多学科交叉的高技术领域，拥有非常广阔的市场前景。本研究与计算机技术、电子技术等紧密联系。基于LoRa 网络监控输液状态更加便捷组网，如果输液有异常现象（如回血，进气泡，输液即将结束）通过网络传输到主站，来通知医务人员前来解决问题，以及在主站可以看到患者的输液状态及信息，还可以进行远程操控流速及中断。患者家属可通过扫设备上的二维码进入微信小程序来查看输液信息。智能化，人性化是现代仪器设备的一个发展趋势，让患者体会到智慧医疗的便捷，减轻患者家属的负担，让医护人员更加高效，大大降低输液过程中的空气进入血液、鼓包、回血、未及时拔针的输液风险，大大提高医护人员的工作效率。