基于物联网病区临床护理系统开发

李志恒，陆俊良，张万鹏，陈姚林，尤 胜，薛 清

（江苏海洋大学，江苏 连云港 222005）

0 引 言

静脉输液治疗是一种常见的传统医疗方法，它使用针/套管将药液直接注入病人静脉中以达到治疗效果，在对新冠病毒感染患者的治疗中得到广泛应用[1]。根据相关数据统计，住院患者接受某种类型的静脉输液治疗的概率为90%～95%[2-5]。本文对静脉输液管理系统的设计及应用采用远程监控的方式，可以实时监测病人输液状况，无需医护人员与病人频繁接触。通过智能识别药品和病人信息降低出错率；通过输液报警，提高突发状况的应急水平。

1 系统总体设计

1.1 总体设计思路

本文设计系统以护士站电脑端及其接收器作为静脉输液管理系统中心，并采用“星型拓扑”作为该系统的拓扑结构，结合病房控制器、输液监控器和手机端APP 等部分，实现静脉输液系统的可视化管理。静脉输液管理系统的网络拓扑结构如图1 所示，系统由护士站、病房控制器、输液监控器和手机端四部分组成。

图1 静脉输液管理系统的网络拓扑结构

静脉输液管理系统的电脑端主要实现以下功能：病人输液信息状态显示（包括输液余量、输液滴速、预计剩余时间等）、药品数据库信息录入与显示、输液余量随时间变化图表显示、呼叫护士和告警等。

1.2 护士站电脑端

护士可以通过护士站电脑端管理平台软件的显示界面，远程查询各个病区内患者的输液余量、剩余时间等情况，能够有效降低医院内护理人员的工作量，从而减少患者和医护人员之间的接触，降低交叉感染的风险。

护士站管理中心软件部分根据实际需要将负责不同功能的界面放在同一个程序中，其中包括病房输液状态数据显示界面、药瓶数据库管理界面和药品数据信息扫码录入界面等。病房输液状态数据显示界面：负责实时显示每个病房的病人输液信息（包括输液药品名称、输液剩余时间、输液剩余量、输液滴速等）；药瓶数据库管理界面：负责显示录入的药品数据信息，供医护人员实时查看；药品数据信息扫码录入界面：负责扫码录入新的药品数据信息。

护士站电脑端接收器以STM32F103 芯片作为其控制核心[6-8]，并且搭载了LoRa 无线通信模块、ESP8266 WiFi 模块以及用于连接电脑端和接收器的TTL 串口通信模块。技术架构如图2 所示。

图2 电脑端接收器的技术架构

护士站电脑端接收器通过使用LoRa 无线通信技术进行电脑端与各个病房控制器的无线通信信息传输，电脑端接收器接收来自每个病房的输液信息，包括输液设备信息、病人输液状况信息和病人信息；另一方面接收器向每个病房控制器发送其所需的药品数据库信息，实现电脑端与每个病房控制器的双向通信。

1.3 病房控制器与输液监控器

病房控制器与输液检测器架构如图3 所示。

图3 病房控制器与输液检测器架构

输液监控器是负责采集输液信息的硬件设备，并将采集到的数据，包括输液药瓶余量、输液滴速、输液挡位、输液状态等，通过NRF24L01 模块实时上传到病房控制器。

1.4 手机端APP

在病人输液过程中，病人家属或监护人难免会有事需要暂时离开，在此期间会担心病人的输液状况，但又不能及时返回病人身边进行查看。如果设计一款用于远程查看病人输液状况的APP，病人家属或监护人就可以远程查看病人的输液余量。

2 系统详细设计

护士站管理平台软件部分使用功能强大的Python作为开发语言，并使用PyQt5 进行UI 设计[9-10]；护士站电脑端接收器、病房控制器、输液监控器等硬件外设则采用STM32 芯片进行开发；手机端APP 使用便捷的微信小程序进行开发。电脑端与病房控制器之间采用穿透性好、抗干扰能力强且传输距离远的LoRa 模块进行无线通信；而每个病房控制器与该病房内的输液监控器之间则采用低功耗、近距离数据传输稳定的NRF24L01 模块实现数据通信；电脑端与手机端使用ESP8266 WiFi 模块与OneNET 平台进行数据传输，实现电脑端与手机端的数据交互。

2.1 护士站管理中心显示系统总体设计

该程序使用Python 作为开发环境，并借助PyQt5 强大的UI 设计功能进行开发。护士站管理中心显示输液信息管理界面、药品数据库显示界面、药品信息录入界面、设置界面和输液余量随时间变化图表。其中前4 个界面由可切换显示的标签制作，输液余量随时间变化图表则作为输液信息管理界面中的一个弹窗显示。

2.2 药品数据库管理系统

该程序通过Python、PyQt5 和OpenCV2 三种技术进行设计。当医院有新的药品信息需要录入数据库时，负责人只需要打开护士站管理软件，并点击进入“药品录入”标签页，打开摄像头，将药瓶条形码放置在摄像头下即可。此时，系统就控制摄像头获得一幅图像，将这幅图像进行灰度、二值化处理，并识别药瓶的条形码信息。识别成功后，会自动填入条形码数据，待核对完毕后，点击录入按钮即可将药瓶数据录入到数据库中。药品数据库录入界面如图4 所示。该界面用于药品数据的显示，医护人员可以查看已有药品的数据信息。新记录的药物数据将会即时发布到药物数据库的页面。

图4 药品数据库录入界面

2.3 手机端APP

微信小程序主要包含两个界面，如图5 所示。第一个界面是登录界面，用户可以选择患者所使用的输液设备，随后进入第二个显示界面，在该界面可以查看患者的输液信息。

图5 微信小程序显示界面

2.4 电脑端接收器

护士站电脑端接收器连接电脑后，软件将进行通信参数初始化操作，当控制器连接上WiFi 后，将通过云平台接收来自微信小程序推送的控制命令，并执行该命令；通过串口或LoRa 转发到命令执行端；软件将当前数据点经JSON 格式封装后定时上报到云平台。控制器接收到LoRa 发送来的消息时，将对消息进行过滤，再通过串口转发到电脑端进行显示。当接收到电脑端通过串口发送来的信息时，校验数据的真伪，再通过LoRa 转发到命令请求端。护士站电脑端接收器软件流程如图6 所示。

图6 护士站电脑端接收器软件流程

3 系统调试与测试

3.1 系统数据传输测试

系统采用了JSON 轻量化数据结构将数据压缩成一条字符串，每次传输数据时只需将这一条字符串发送出去，接收端只需要解压一下就可以得到每个数据的值。经过系统优化之后，系统在长时间的运行测试中均未出现数据丢失、堵塞的问题。

3.2 数据库药品信息录入测试

打开摄像头，将条形码对准摄像头，电脑端显示界面会自动框选条形码的大致范围，并显示对应编号，同时自动填入条形码编号信息。此时，填入药品相关信息并点击录入即可将药品信息保存在数据库中。药品数据库信息录入和显示功能测试分别如图7、图8 所示。

图7 药品信息录入功能测试

图8 药品信息数据库显示功能测试

4 结 语

目前静脉输液数据可视化管理系统的设计基本可以满足医院静脉输液管理的需求，可以实现远程监控病人的输液余量、输液滴速和预计剩余时间，实时查看病人的输液状况是否有异常。在病人输液结束时系统可以向护士站和手机端发出告警信号提醒护士和监护人，并通过系统自动锁死滴速，确保病人的安全。该系统可以缓解病人的压力、减少病毒交叉感染的危害，提高病人在输液过程中的安全性。