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(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院 機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院,深圳 518055；2.深圳市南山區(qū)慢性病防治院)

智慧醫(yī)療中服藥監(jiān)控的智能藥盒設(shè)計(jì)

尉川,劉照,張敏2,劉能鋒,劉盛元2,尚長(zhǎng)宇,陳思韓2,曹勇,馬劍平2,王健2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院 機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院,深圳 518055；2.深圳市南山區(qū)慢性病防治院)

設(shè)計(jì)了一款具有預(yù)警自鎖與藥物監(jiān)控功能的便攜式智能藥盒，以及提出其配套手機(jī)軟件通信的可行性方案。該款智能藥盒能夠幫助患者自主服藥，而在未來手機(jī)軟件設(shè)計(jì)中還可協(xié)助醫(yī)生完成遠(yuǎn)程監(jiān)督的功能。這樣的服藥模式不僅能夠節(jié)約大量的人力與物力成本，還能緩解醫(yī)療資源少、醫(yī)療成本高、患者就醫(yī)體驗(yàn)差等諸多問題。本套系統(tǒng)具有可靠性高、效率高、省時(shí)省力、成本低以及技術(shù)擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。

智慧醫(yī)療；藥物檢測(cè)；遠(yuǎn)程監(jiān)督；STM32F407ZET6

引 言

目前慢性結(jié)核病的治療方案普遍采用的是DOTS (Directly Observed Treatment, Short-course)系統(tǒng)[1]，所謂DOTS系統(tǒng)就是患者每日前往醫(yī)院或者社區(qū)取藥，在醫(yī)生面視條件下服藥，經(jīng)過這兩項(xiàng)程序后才會(huì)被確認(rèn)為完成當(dāng)天的服藥計(jì)劃。顯然這種治療模式存在眾多弊端：如需耗費(fèi)患者大量時(shí)間，使患者產(chǎn)生抗拒服藥心理，甚至?xí)斐舍t(yī)患矛盾的進(jìn)一步升級(jí)；而且服藥過程中存在醫(yī)生與患者、患者與患者之間交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，不利于疾病的治療,此外這種治療模式還存在患者隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)[2-4]。

鑒于以上情況，本文設(shè)計(jì)了一種便攜式智能藥盒，該藥盒可配合手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)患者自主服藥、醫(yī)生遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理，不僅保證了監(jiān)護(hù)的連續(xù)性與便攜性以及私密性，還具有低成本和普及性，代表著未來低成本醫(yī)療的發(fā)展方向與個(gè)人健康管理的先進(jìn)理念，大大減輕了醫(yī)生的壓力[5]。同時(shí)，作為智慧醫(yī)療[6]向社區(qū)和家庭延伸，本項(xiàng)目將對(duì)慢性病治療管理有著一定的示范和借鑒意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能藥盒的功能除按時(shí)提醒患者服藥剩余藥物數(shù)據(jù)記錄外，還提供了與手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交流的藍(lán)牙通信接口。未來，通過無線藍(lán)牙以及手機(jī)WiFi/4G網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)生能實(shí)時(shí)查看患者的服藥情況，起到監(jiān)督作用，在患者出現(xiàn)不良服藥反應(yīng)的情況下,醫(yī)生可以遠(yuǎn)程控制藥盒鎖定，患者也可以通過手機(jī)軟件向醫(yī)生實(shí)時(shí)反饋藥后效果。

在本設(shè)計(jì)中使用STM32F407ZET6作為藥盒的主控芯片，減速步進(jìn)電機(jī)作為自鎖裝置的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，藍(lán)牙作為藥盒與手機(jī)軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交流的無線通信工具；除此之外，藥盒還設(shè)置有獨(dú)立按鍵、溫濕度監(jiān)測(cè)器、自鎖裝置、蜂鳴報(bào)警器、藥物感應(yīng)器、斷電數(shù)據(jù)保護(hù)等模塊。藥盒樣品示意圖如圖1所示。

圖1 智能藥盒樣品示意圖

智能藥盒的總體設(shè)計(jì)包含藥盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)流程和手機(jī)軟件功能設(shè)計(jì)。

2 智能藥盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能藥盒外殼采用的是翻蓋式設(shè)計(jì)，使用簡(jiǎn)單方便，內(nèi)置儲(chǔ)藥小藥杯，這種設(shè)計(jì)不僅能夠保證單次服藥要求，還能在盒蓋與盒底底殼之間設(shè)置自鎖裝置所需的鎖扣，通過自鎖裝置控制藥盒的開啟與關(guān)閉，示意圖如圖2所示。

小藥杯設(shè)計(jì)為圓柱狀小藥杯(如圖3所示)，并為每個(gè)藥杯配備了蓋子，保證了儲(chǔ)藥的安全，也滿足了單次藥量?jī)?chǔ)存要求，內(nèi)置16個(gè)小藥杯，按照患者一天服藥一次的要求，該藥盒可存儲(chǔ)患者半個(gè)月的服藥藥量。

圖2 智能藥盒外觀結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 小藥杯

自鎖裝置由減速步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)齒輪、傳動(dòng)齒條以及半圓齒輪盤4個(gè)構(gòu)件組成。其結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

圖4 自鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置圖

圖5 自鎖卡扣局部示意圖

通過電機(jī)帶動(dòng)半圓齒輪盤，半圓齒輪盤旋轉(zhuǎn)180°切換后可以將藥盒鎖定或?qū)㈡i定后的藥盒打開，從而實(shí)現(xiàn)鎖定藥盒的目的。

3 智能藥盒系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能藥盒主要由主控STM32F407ZET6芯片、無線藍(lán)牙模塊、溫濕度傳感器、蜂鳴器、獨(dú)立設(shè)置按鍵、LED提示燈[7-8]、藥物感應(yīng)傳感器以及預(yù)警自鎖裝置等模塊組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中各個(gè)功能模塊在電路設(shè)計(jì)中根據(jù)所需要的數(shù)據(jù)傳輸接口要求連接在主控芯片對(duì)應(yīng)的引腳上。

① 溫濕度傳感器采用的是DHT11溫濕度傳感器，在智能藥盒中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥盒內(nèi)溫濕度，保障藥物儲(chǔ)存在相對(duì)安全的環(huán)境中，不會(huì)變質(zhì)而影響藥效。

② 蜂鳴報(bào)警裝置采用的是有源蜂鳴器發(fā)聲提醒的方式提醒患者，該裝置可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)提醒患者服藥功能，以及在患者取藥服藥過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤取藥行為時(shí)提醒患者服用正確藥杯內(nèi)藥物。

③ 無線藍(lán)牙模塊的Rxd和Txd分別連接在MCU的第三個(gè)串口的Txd和Rxd上，配置好傳輸波特率及約定協(xié)議后即可進(jìn)行藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸。無線藍(lán)牙模塊預(yù)留的通信接口可以與患者手機(jī)軟件連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，編輯接口傳輸協(xié)議后可以實(shí)現(xiàn)患者服藥記錄上傳、剩余藥量更新、實(shí)時(shí)時(shí)間更新等功能。在以后的設(shè)計(jì)中，通過手機(jī)軟件，醫(yī)生除了可查看患者服藥記錄以及剩余藥量外，當(dāng)發(fā)現(xiàn)剩余藥量不足或者患者未按時(shí)服藥時(shí)還可以及時(shí)提醒患者，甚至在緊急情況下遠(yuǎn)程控制藥盒實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自鎖的功能。

④ 掉電存儲(chǔ)芯片連接在主控MCU的I2C引腳上，用來存儲(chǔ)藥盒的關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)以及在服藥過程中產(chǎn)生的服藥數(shù)據(jù)。該模塊可以在斷電的時(shí)候保存重要數(shù)據(jù)，有效地保障患者使用過程中的數(shù)據(jù)安全性。

⑤ 預(yù)警自鎖裝置采用的是減速步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，通過MCU依次向電機(jī)的4個(gè)引腳發(fā)送等值脈沖高度的脈寬，可驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，改變脈沖變化次序可調(diào)節(jié)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)自鎖和開鎖功能，達(dá)到預(yù)警鎖定的效果。

⑥ 獨(dú)立設(shè)置按鍵采用的是貼片式獨(dú)立按鍵[9]，根據(jù)藥盒設(shè)置需求，分別設(shè)置了4個(gè)按鍵——按鍵+(plus)、鬧鐘(Alarm)、按鍵-(Minus)、菜單(Menu)，4個(gè)按鍵分別連接芯片的4個(gè)引腳，通過外部中斷的方式向MCU發(fā)送按鍵信號(hào)。其中菜單按鍵可切換需要設(shè)置的參數(shù)，+/-按鍵可對(duì)該參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，鬧鐘按鍵為停止鬧鐘提醒以及開始服藥按鍵。

⑦ 實(shí)時(shí)時(shí)間模塊采用的是MCU內(nèi)置的RTC時(shí)鐘，通過配置RTC內(nèi)置對(duì)應(yīng)寄存器參數(shù)便可以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)與定時(shí)功能，RTC內(nèi)置有兩個(gè)鬧鐘，可以用來開啟定時(shí)提醒功能。

⑧ 藥物感應(yīng)裝置采用的是反射式開關(guān)傳感器，該傳感器體積小、反應(yīng)靈敏，滿足設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。該電路中有定值電阻R1、R2、R4、R5，變阻器R3，電壓比較器H1以及反射式傳感器。其中R1為限流電阻，傳感器發(fā)射端工作電流為2～10 mA，發(fā)射端分壓約為1.8 V時(shí)其效果最好，因此在此處設(shè)置R1的阻值為200 Ω；R2及R5為上拉電阻，R3配合R4用來調(diào)節(jié)電壓比較器固定端電壓值，保證電壓比較器固定值端接入電壓為2～3 V。當(dāng)藥杯中有藥物時(shí)，輸出端電壓為5 V高電平；當(dāng)藥杯中沒有藥時(shí)，接收端二極管導(dǎo)通，輸出電壓為0 V低電平。因此，通過檢測(cè)MCU對(duì)應(yīng)引腳的高低電平變化，可實(shí)時(shí)掌握藥杯內(nèi)是否有藥物存在。

圖7 光電開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路

通過監(jiān)測(cè)每個(gè)藥杯對(duì)應(yīng)引腳的高低電平，可在患者取藥服藥過程中判斷患者是否按要求正確取藥服藥，而且在與手機(jī)軟件數(shù)據(jù)交流和監(jiān)控時(shí)還可獲取藥盒內(nèi)剩余藥量。

4 智能藥盒控制系統(tǒng)流程

智能藥盒的控制程序采用C語言程序編輯，其控制流程如圖8所示。首先對(duì)各個(gè)模塊的功能以及對(duì)應(yīng)的MCU接口進(jìn)行初始化，各個(gè)模塊之間配合運(yùn)行，模塊間通過全局變量以及狀態(tài)標(biāo)志位的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通過判斷全局變量或狀態(tài)標(biāo)志位的值，決定某個(gè)模塊是否需要運(yùn)行，某個(gè)模塊什么時(shí)候停止運(yùn)行。其中重要模塊的控制流程如圖8所示。

圖8 智能藥盒控制流程圖

4.1 服藥流程

服藥過程在循環(huán)掃描中首先掃描時(shí)間是否到達(dá)設(shè)定服藥時(shí)間，即服藥提醒鬧鐘響起，按下Alarm按鍵停止鬧鐘后即可進(jìn)入服藥模式，其過程控制流程如圖9所示。

圖9 服藥流程圖

服藥過程中考慮到結(jié)核病治療的嚴(yán)苛性，需要患者按要求取服正確藥物， 因此在患者取藥時(shí)會(huì)檢測(cè)判斷患者取藥正確性。當(dāng)患者正確取藥服藥后，系統(tǒng)自動(dòng)保存服藥數(shù)據(jù)并鎖定藥盒后，即退出服藥過程；若患者出現(xiàn)取藥錯(cuò)誤的情況，蜂鳴器便會(huì)發(fā)聲提醒患者，患者手動(dòng)結(jié)束聲音提醒后重新開始取藥服藥，直至患者按要求正確服藥后才被確認(rèn)完成當(dāng)次服藥過程。這樣的服藥流程可以起到及時(shí)提醒患者按要求服藥的目的，而且出現(xiàn)不良服藥記錄后可及時(shí)鎖定藥盒，在以后手機(jī)軟件的設(shè)計(jì)中，醫(yī)生可根據(jù)獲取的服藥記錄及時(shí)作出應(yīng)急處理，有效地實(shí)現(xiàn)患者自主服藥、醫(yī)生遠(yuǎn)程監(jiān)督的效果。

4.2 預(yù)警自鎖裝置驅(qū)動(dòng)流程

預(yù)警自鎖裝置有上述介紹的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配合藥盒內(nèi)部齒輪齒條結(jié)構(gòu)完成藥盒的鎖定和開啟功能，其控制功能實(shí)現(xiàn)流程如圖10所示。

圖10 自鎖裝置切換流程圖

藥盒自鎖切換采用的是齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，所以切換中需要考慮齒條的行程問題。在程序控制過程中，分別設(shè)置了鎖定狀態(tài)標(biāo)志位和鎖定動(dòng)作標(biāo)志位。在切換過程中會(huì)判斷切換動(dòng)作和鎖定狀態(tài)是否一致，若一致則保持當(dāng)前狀態(tài)不變，不一致則根據(jù)鎖定動(dòng)作要求執(zhí)行鎖定或者開鎖動(dòng)作，然后更改鎖定狀態(tài)標(biāo)志保存后退出。為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這兩個(gè)變量均被保存在I2C芯片中，斷電也不會(huì)丟失。

5 手機(jī)軟件功能設(shè)計(jì)與項(xiàng)目展望

根據(jù)以上介紹的藥盒設(shè)計(jì)，除可完成提醒患者自主服藥、定時(shí)提醒、按鍵設(shè)置、服藥監(jiān)測(cè)提醒以及預(yù)警自鎖外，還提供了藍(lán)牙通信接口，通過程序編輯傳輸協(xié)議后可以與手機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交流，所以在之后的手機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)中可以根據(jù)約定協(xié)議，獲取藥盒內(nèi)存儲(chǔ)的服藥數(shù)據(jù)。同時(shí)，配合自鎖裝置，藍(lán)牙通信以及手機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，還可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)生遠(yuǎn)程監(jiān)督的效果。

除此之外，在藥盒的控制電路設(shè)計(jì)中還預(yù)留了觸屏顯示屏接口，在之后的功能設(shè)計(jì)擴(kuò)展過程中，還可以為藥盒裝上觸屏顯示屏，可實(shí)時(shí)顯示藥盒內(nèi)部數(shù)據(jù)，而且在患者服藥時(shí)在顯示屏上通過圖片或者文字的形式提醒患者正確取藥服藥，從而實(shí)現(xiàn)更加人性化的智能效果，增強(qiáng)藥盒的可操作性以及交互性。預(yù)留的藍(lán)牙接口和顯示屏接口也為整個(gè)項(xiàng)目的擴(kuò)展以及實(shí)際應(yīng)用提供了很好的發(fā)展方向。信息通信可行性示意圖如圖11所示。

圖11 信息通信可行性示意圖

智能藥盒預(yù)留的藍(lán)牙通信接口可實(shí)現(xiàn)與手機(jī)軟件的無線通信，在之后的軟件設(shè)計(jì)過程中，智能藥盒可通過無線藍(lán)牙連接到患者手機(jī)，將服藥信息實(shí)時(shí)地傳送到手機(jī)軟件上，然后利用手機(jī)網(wǎng)絡(luò)上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，醫(yī)生可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取患者的服藥信息，從而起到監(jiān)督服藥的效果。而且，醫(yī)生還可以通過網(wǎng)絡(luò)向患者手機(jī)發(fā)送自鎖信號(hào)，患者手機(jī)接收到信號(hào)后與智能藥盒進(jìn)行數(shù)據(jù)交流時(shí)可以實(shí)現(xiàn)藥盒的遠(yuǎn)程鎖定的功能。除此之外，手機(jī)軟件還可以提供醫(yī)患之間語音、文字、視頻等信息的交流，緊急情況下遠(yuǎn)程控制自鎖等功能。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中，患者的所有信息均采用加密處理，有效保障了患者治療過程中的私密性。

結(jié) 語

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尉川、劉照、尚長(zhǎng)宇，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的應(yīng)用、智能控制、智能醫(yī)療設(shè)備等。

DesignofIntelligentMedicineBoxforDrugMonitoring

WeiChuan1,LiuZhao1,ZhangMin2,LiuNengfeng1,LiuShengyuan2,ShangChangyu1,ChenSihan2,CaoYong1,MaJianping2,WangJian2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Shenzhen 518055,China;2.Shenzhen Nanshan Chronic Disease Prevention and Treatment Hospital)

In the paper,a portable intelligent medicine box with the function of self-locking and drug monitoring is designed.The feasibility program of mobile supporting communication software is proposed.The project not only can achieve the patient self-medication,but also provides the doctors remote supervision.This model of taking medicine can save a lot of manpower and material cost,also can ease many problems such as low medical resources,high medical cost,terrible medical experience,which will introduce the idea of the intelligent medical into the treatment of chronic tuberculosis.The system has the characteristics of high reliability,high efficiency,time saving,labor saving,low cost and good technical expansion.

intelligent medical;drug monitoring;remote supervision;STM32F407ZET6

TP273; TP311

A

2017-09-06)