面向血透机水路渗漏的物联网感知系统研究与设计

陈星勇，楼亮亮，章逸恺

1.台州市第一人民医院 医疗设备科，浙江 台州 318020；2.台州学院 电子与信息工程学院，浙江 台州 318020

引言

血液透析机是一种基于先进光电传感和计算机技术的医疗设备，利用超滤和渗透原理，通过透析器弥散、对流、吸附等方式清除患者血液中的代谢废物，如尿素氮、肌酐等，进而实现患者体内电解质与酸碱平衡调节，在临床上主要用来替代患者肾脏[1-3]。随着城市环境污染加剧和市民生活习惯的改变，以及老龄化趋势下的高血压、糖尿病、肥胖等代谢性疾病发病率的不断升高，我国的慢性肾病发病率呈现上升趋势[4-6]。而作为现代化慢性肾衰竭患者和慢性肾病治疗的关键急救设备和医疗手段，血液透析的使用频率也随之增加[7]。

血液透析机主要由血路、水路和控制电路系统组成[7-8]，其中血路是在血泵提供动力下，将患者血液自动脉引出经血液透析机后再回到人体静脉的闭合回路；水路是指透析液和患者眦液弥散、对流、超滤、排废等通路；控制电路系统则是在特定指令驱使下，实时监测并控制血路和水路运作各类参数，确保患者透析过程的安全性和有效性。然而，高负荷运作下的血液透析机，尤其是其内部水路在高温、高压、酸碱潮湿环境下老化破损风险也日趋严重，以至于水路渗漏是现阶段血液透析机出现频率非常高的故障[8]。为此，若血液透析机内部水路在患者治疗过程中发生渗漏，必然引发超滤量出错等问题，进而影响治疗效果甚至引发医疗事故[9-11]。此外，血液透析机水路渗漏出来的液体具有一定的腐蚀性，必然损伤血液透析机内部电路系统和机械结构，进而给医院造成损失。

近年来，国际医疗器械巨头费森尤斯公司推出的物联血液透析机，通过监测水路压力实现渗透检测，然而对于微小渗漏检测精准度仍不足[12]。此外，也有学者提出了以压力传感器、电导率和流量传感器数据为基础，以机器学习算法为手段实现血液透析机水路监测，但技术实现难度大且成本高昂[13-15]。目前，我国医疗机构血液透析机大都以费森尤斯不联合物联网血液透析机为主，该类医疗器械的维保大都是以定期人工视觉检测和口头汇报为主[16]。由于人工检测与报告的迟滞性，发现设备水路问题时已引发一系列连带故障，进而导致血透机维护成本和时间陡增[10]。因此，亟需破解血透机水路异常在线感知与故障自主汇报方面的瓶颈，促进血透机维保体系的升级迭代和高质量发展[17-19]。本研究在血透机水路漏水机理基础上，提出血透机水路渗漏物联网感知系统，旨在实现水路微小渗漏实时监测和自主报警，以期为血透机故障的事前预警、事中处置与事后分析奠定数据基础。

1 系统实现

本文将基于血透机渗漏液体的微电阻（弱导电）特性，构建电阻式漏液传感器电路，在此基础之上基于Wi-Fi SoC 芯片ESP32 内置模数转化器（Analog to Digital Converter，ADC），实现漏液传感器表征漏液信号的采集和分析，最后通过物联网Wi-Fi 网络完成检测结果的远程投递。综上，本文构建的感知系统架构如图1 所示，本文构建的血透机水路渗漏物联网感知系统包含硬件电路和嵌入式软件两个部分。硬件电路由漏液传感器和ESP32-DevKitC 模块组成，其中漏液传感器映射漏液事件发生的输出信号Vout，与集成在ESP32-DevKitC 模块中ESP32 模数转化器ADC 相连。嵌入式软件则植入在ESP32 中，包括检测算法和通信算法两个部分。其中检测算法基于ADC 所量化的模拟信号sraw(n)，在滑动滤波处理基础之上，构建基于边沿突变识别的漏液检测算法，实现漏液识别结果D(n)检出。通信算法是通过ESP32 自带Wi-Fi 基带和传输控制协议/互联网协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），将该漏液检测结果信号传递到服务器端，以实现远程故障预警和维保工单自动派送。

图1 系统架构图

1.1 硬件电路设计

本文采用ESP32-DevKitC 模块作为模拟信号的采集和处理单元，该模块集成了电源电路、USB 转TTL 通信电路、ESP32 最小系统等，故本文重点关注漏液传感器的构建。鉴于血透机渗漏液体的弱导电特性，本文将根据检测电路中任意两点受渗漏液体的作用下电阻值变化关系，实现血透机水路微小渗漏检测，具体的感知原理如图2 所示。本文将在印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）上腐蚀两条不相交的导线条，即图2 中的A、B 点之间无电气关联且阻值无穷大。当有渗漏液体与该PCB 导线条接触时，A、B 导线间电阻因混合液内部离子运动作用而下降。因此，上述电阻的变化与是否有漏液存在相关性，故将该漏液传感器PCB 部署在血透机水路之下，即可实现水路系统微小渗漏检测。此外，为检测≥1 mm 直径的漏液，所设计的漏液传感器任意不相交平行条间隙宽度为1 mm。

图2 漏液传感器示意图

1.2 检测算法设计

为实现水路系统微小渗漏检测，需要对漏液传感器输出的电阻特性进行量化与分析。为此，本文基于上海乐鑫公司的ESP32Wi-Fi SoC 芯片为主控，将通过其内置模数转化器ADC 模块，对漏液传感器输出信号进行采集。为提升感知系统的综合性能，本文对采集的信号进行了滑动滤波处理，具体计算方式如公式（1）所示。

式中，n为采样序列号；sraw[.]和s(.)分别为当前原始电压信号和滤波后的电压信号；W为滑动窗口长度，本文中该值为20。

鉴于透析混合液与漏液传感器接触的瞬间，将会改变其电阻特性，进而导致输出电压出现边沿阶跃特性，本文基于该特性建立漏液检测算法，具体计算方式如公式（2）所示。

式中，1 和0 表示当前是否检测到漏液；sign()为符号函数；L为检测次数，该值为3；T为检测阈值，本文中该值为20；D(n)为检测结果。如果当前检测窗口内信号的标准差连续大于特定阈值，则认为有检测到漏液。

1.3 通信算法设计

TCP 作为一种面向连接且可靠的传输层通信协议，介于简化计算机网络TCP/IP 网络架构应用层与网络层之间。当应用层向传输层发送8 位字节表示的数据流时，传输层TCP 协议将数据流分区成适当长度的报文段，该长度受网络数据链路层的最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）所限制。之后传输层将数据包传给IP 层，通过网络将包传送给网口接口层（物理层）实现数据投递至目标实体的传输层[20]。因此，为确保TCP 协议传输的可靠性，每个TCP/IP 包都包含一个序号，确保接收端实体按序接收并按序回复相应确认帧（Acknowledgement，ACK）；若发送端在合理往返时延（Round-Trip Time，RTT）内未收到目标实体的确认，则对应的数据包将会被进行重传[21]。因此，TCP 协议可以确保通信数据无差错、不丢失、不重复，且按序到达，非常适用于小数据量高可靠传输场景。为此，本文将基于TCP 协议构建漏液监测数据远程传输通路，具体的算法流程如图3 所示。根据图3，为实现漏液检测结论数据的远程投递，本文将ESP32 工作于站（Station，STA）模式，与医院Wi-Fi 网络进行对接，以此实现检测结果远程报警的目的。在该通信系统中，ESP32 与服务器基于TCP/IP 协议建立数据通路，其中ESP32 作为TCP客户端，而服务器作为服务端。当检测到血透机水路漏液时，ESP32 将通过TCP/IP 协议将数据发送到服务器，以此实现数据展示、数据分析和维修推送服务等功能。

图3 通信算法实现流程图

2 结果

2.1 实验部署

为验证本文中血透机水路渗漏在线感知系统的可行性，本文设计与加工了对应的漏液传感器，并基于ESP32-DevKitC 核心板构建对应的硬件主控模块，通过植入上述漏液检测算法实现常见渗漏液体检测。在此基础上，本文以现阶段医疗机构常用的德国贝朗8 系血透机水路为监测对象，将上述软硬件电路系统装配至血透机中，以此验证上述感知系统的有效性与合理性，具体的实验部署如图4 所示，在该物理实验系统中，为防止漏液腐蚀主控模块电路系统，主控模块安装于德国贝朗8 系血透机最上方，漏液传感器安装在血透机水管之下，两者之间通过排线进行连接。从图4a 可以看出，主控模块与血透机水路完全隔绝，不会因为漏水损坏主控电路系统，且方便主板取电以确保供电回路的稳定性。图4b 展示了漏液传感器部署图，漏液传感器上布满不相交的导线条，并安装于血透机最下层的除气室上方，确保上方水路及腔体渗漏液体能够被传感器所收集，同时兼备阻挡渗漏液体腐蚀下方机电设备的功能，为血透机的工作寿命提升提供助力。

图4 实验部署图

2.2 感知系统性能分析

为评估上述感知系统的性能，本文对血透机常见3种渗漏液体进行了实验，分别为透析混合液、消毒液和反渗水。为模拟血透机漏液场景，本实验采用塑料吸管选取上述3 种渗漏液体，分别滴在漏液传感器上，以此验证算法的检测精准度。与此同时，为说明漏液检测算法的合理性与有效性，本实验也将ESP32 量化所得传感器原始信号、标准差和检测结果数据，通过ESP32 串口输出到笔记本电脑。

由图5a～c 可知，当渗透液体与漏液传感器接触时，传感器输出的电压出现跃变且持续下降。此外，电压跃变信号的标准差数据特征与溶液属性相关，透析混合液和消毒液跃变幅值明显大于反渗水。从图5d～f 可知，本文利用上述电压变化属性，通过设定相应阈值具备血透机微小渗漏液体的精准检测能力，同时也具备小时间跨度下数据漂移问题消除与修正能力，进而提升了感知系统的鲁棒性。

图5 3种渗漏液体检测结果

2.3 检测精度分析

本文分别对透析混合液、消毒液和反渗水3 种液体漏液频次检测精准度进行实验，本实验时间跨度为10 d，每天早中晚各进行3 次实验，以此评估本文算法的可靠性。从服务器获取的相关实验结果如表1 所示，本文对3 种漏液分别进行了103、97、96 次实验，实验结果表明，本文设计的血透机水路渗漏在线感知系统，对上述3 种液体漏液检测精准度均达到100%。此外，从远端服务器获取的相应实验结果进一步表明，本文设计的在线感知系统通信网络具有较高的鲁棒性，可为血透机上线和水路异常数据上云提供支撑。

表1 检测精准度

3 讨论与总结

本研究首先基于血液透析机漏液电化学特性，构建普适漏液传感器；然后，基于所构传感器，搭建漏液检测算法；最后，利用ESP32 Wi-Fi SoC 完成相关算法模型软硬件系统的实践，并在血液透析机上完成实验验证，研究表明，透析混合液和消毒液富含钠、钾、钙、氯等导电离子，而反渗水中的溶解盐、氯离子和大部分有机物等杂质已在生产过程中被有效滤除，以至于反渗水导电能力弱于透析混合液和消毒液，进而导致其跃变幅值低[22]。本文所设计漏液传感器均能对透析混合液、消毒液和反渗水3 种常见渗漏液体呈现出不同的特性，进而为血透机漏液检测提供数据支撑，也为未来漏液属性分类研究奠定基础。此外，漏液传感器输出富含噪声信号，本文中滑动滤波能够有效实现信号提纯。虽然无渗透液作用下的漏液传感器输出信号保持基本恒定，但也易受环境因素影响而存在信号漂移问题[16]。为此，本文建构基于方差思想的漏液检测算法，具备增强传感器跃变信号特性和消除电压漂移能力，解决检测精准度下降的问题。

本文从血透机维保工作数字赋能角度切入，基于物联网技术构建了血透机水路漏液感知系统，并在剖析血透机微小漏液物理特性基础上，提出了漏液传感器的构建方法及其相关的漏液识别机制，有效提升了该检测系统的鲁棒性和环境适应性，具有较强的可实践性与应用价值，因此本文所提技术方案将为血液透析机维保体系数字化赋能奠定有力支撑。然而，本文仅分析了短时间跨度内系统检测稳定性，未来还需要研究长时间跨度内传感器腐蚀与系统稳定性的关联性，以及多传感融合赋能漏液检测性能提升问题。

综上所述，本文提出的血透机漏液感知系统，能够对血透机水路渗漏事件进行精准检测，并具备在线监测能力。同时，本文提出的面向血透机水路异常的物联网感知系统，能够切实地解决现阶段依靠人工视觉血透机微弱渗水报警机制效率低的问题，为血透机维保体系数字化赋能提供了成功经验，有利于血液透析机水路故障问题及早发现和及时定位，为助力我国医疗血透机维保体系的高质量发展提供了相关技术案例。