楊春杰，田曉旭，梁 耀

(1.西安郵電大學(xué) 自動化學(xué)院,陜西 西安 710121；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司測井技術(shù)研究院，北京 昌平，102200)

靜脈輸液是一種通過靜脈輸入大量無菌溶液或藥物的治療疾病基礎(chǔ)手段[1]。傳統(tǒng)的輸液模式需要患者在輸液過程中，實(shí)時監(jiān)控或有專人陪護(hù)，存在許多弊端。隨著治療的精細(xì)化，輸液環(huán)節(jié)對輸液種類、速度和混比等要求愈加嚴(yán)格，且輸液環(huán)節(jié)中存在過敏、滾針、滴速快和透壓高等各種安全隱患，若不及時處理，嚴(yán)重時會導(dǎo)致重大醫(yī)療事故[2]。

目前，輸液監(jiān)控技術(shù)主要包括電容式輸液、探針式輸液、機(jī)械式輸液和光電式輸液。電容式輸液因要針對不同輸液瓶容量規(guī)格設(shè)計對應(yīng)裝置，生產(chǎn)成本極高，不適用大批量生產(chǎn)。探針式輸液需要探針直接接觸藥液，并不安全。機(jī)械式輸液太過依賴物理基礎(chǔ)，如彈簧，精度無法保證。光電式輸液利用紅外原理與單片機(jī)等技術(shù)，可以較好地解決輸液方面安全與精度問題，但其功能較為單一，僅可供患者進(jìn)行單機(jī)使用，無通訊擴(kuò)展功能，醫(yī)護(hù)人員無法進(jìn)行全面監(jiān)管，存在安全隱患。

針對當(dāng)前輸液系統(tǒng)功能單一、滴速控制精確度不高、無通訊擴(kuò)展和價格高昂等問題，擬提出一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能輸液系統(tǒng)。系統(tǒng)由輸液終端、嵌入式網(wǎng)關(guān)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)云平臺組成。在輸液終端精確控制的基礎(chǔ)上，所有輸液終端通過遠(yuǎn)距離無線通信網(wǎng)[3](Long Range,LoRa)進(jìn)行通信架構(gòu)，并利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band-Internet of Things,NB-IoT)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的外延。同時，系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺建立輸液檔案進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，并根據(jù)個人數(shù)據(jù)庫生成相應(yīng)的決策機(jī)制，為輸液過程提供相應(yīng)的輔助信息支持，使輸液過程更加安全、智能。

1 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能輸液系統(tǒng)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層為輸液終端部分，包括輸液儀和病理手環(huán)，主要獲取輸液起始時間、持續(xù)時間、速度、異常情況和體征信息等相關(guān)輸液及病理信息。網(wǎng)絡(luò)層將多個輸液儀節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)以LoRa方式匯集至智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)組包以RS232方式轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)護(hù)上位機(jī)，并經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換發(fā)送到NB-IoT基站，上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺。應(yīng)用層采用華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺作為數(shù)據(jù)的接收和信令下發(fā)的中轉(zhuǎn)站，在平臺上完成設(shè)備 profile 和編解碼插件的設(shè)計，用來解析收到的數(shù)據(jù)和下發(fā)應(yīng)用發(fā)送的命令。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 硬件設(shè)計

輸液系統(tǒng)的核心部分為輸液儀、病理手環(huán)和智能網(wǎng)關(guān)，各個部分協(xié)調(diào)工作，使輸液過程安全、穩(wěn)定和智能。系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 輸液儀結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計

輸液儀由主控模塊、滴速檢測模塊、滴速控制模塊、驅(qū)動電源、人機(jī)交互模塊和通信模塊等組成，主要完成數(shù)據(jù)采集、信息檢測、數(shù)據(jù)融合、電機(jī)控制、人機(jī)交互和無線通信等功能。主控模塊采用STM32型號單片機(jī)，滴速檢測模塊采用紅外檢測技術(shù)，利用直射式光電傳感器，創(chuàng)新設(shè)計夾緊裝置結(jié)構(gòu)，配合滴速控制模塊進(jìn)行精確滴速控制，通信模塊由LoRa和藍(lán)牙模塊構(gòu)成。

1.2.2 病理手環(huán)硬件設(shè)計

病理手環(huán)由主控模塊、體征監(jiān)測模塊、藍(lán)牙通信模塊和顯示、電源管理模塊等組成，其中體征監(jiān)測模塊包含溫度、血氧檢測模塊等，主要完成各項(xiàng)體征參數(shù)的檢測，通過藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送給輸液儀。

1.2.3 智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)由STM32主控模塊、LoRa通信模塊、NB-IoT通信模塊和電源管理模塊構(gòu)成，搜尋和連接多個LoRa節(jié)點(diǎn),將接收到的由輸液儀LoRa節(jié)點(diǎn)發(fā)送的輸液信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、協(xié)議轉(zhuǎn)換和重組打包，匯總后實(shí)時報送上位機(jī)[4]，同時將其通過NB-IoT上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺[5]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 輸液儀軟件設(shè)計

系統(tǒng)主控芯片采用STM32F105VC，主要分為主控程序與BootLoader程序，其開始地址分別為0x08003000和0x08000000。輸液的所有功能設(shè)計由主程序完成，BootLoader程序則完成程序的引導(dǎo)與升級。當(dāng)主控程序完成功能優(yōu)化改進(jìn)后，其對應(yīng)的bin文件將通過BootLoader重新加載燒寫到對應(yīng)地址中。主控程序包含初始化模塊、異常報警模塊、滴速監(jiān)測模塊和通訊模塊。為了保證輸液過程可靠性，根據(jù)程序異常標(biāo)志量進(jìn)行針對性的操作，如當(dāng)藥液余量超限時，將根據(jù)余量減少程度進(jìn)行梯度報警，觸發(fā)信息遠(yuǎn)程推送，當(dāng)?shù)竭_(dá)極限時，將激活本地聲光報警，并切斷輸液回路。輸液主控程序流程如圖3所示。

圖3 輸液主控程序流程

2.2 智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

在Keil-MDK5平臺上進(jìn)行智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計調(diào)試。智能網(wǎng)關(guān)的LoRa模塊接收來自輸液儀的數(shù)據(jù)，主控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的協(xié)議對數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)，使用NB-IoT模塊上發(fā)物聯(lián)網(wǎng)云平臺[6]。網(wǎng)關(guān)的工作流程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)工作流程

2.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)平臺中的網(wǎng)絡(luò)層采用華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺作為數(shù)據(jù)的接收和信令下發(fā)的中轉(zhuǎn)站，完成設(shè)備 profile 和編解碼插件的設(shè)計，解析收到的數(shù)據(jù)和下發(fā)應(yīng)用發(fā)送的命令[7]。華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供的 OceanBooster 平臺可以進(jìn)行無碼化開發(fā) Web 應(yīng)用。應(yīng)用層主要包括智慧輸液的后臺管理系統(tǒng)，采用圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架Qt作為平臺，完成設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備遠(yuǎn)程控制和設(shè)備定位等功能。Qt 具有良好的跨平臺特性，所設(shè)計的桌面應(yīng)用程序不僅可以用于 Windows 平臺，還可以通過簡單的設(shè)置和修改將其移植到嵌入式設(shè)備，使設(shè)計的管理平臺具有更廣泛的應(yīng)用場景。

2.4 滴速控制模型建立

在患者輸液時，輸液管中的藥液成脈動式流淌，只有在液滴滴落時，藥液液面和其內(nèi)部壓強(qiáng)會發(fā)生微細(xì)的更新[8]。藥液流動的伯努利方程[9]為

(1)

式中：P為藥液中某點(diǎn)的壓強(qiáng)；v為藥液在某處的流動速率；ρ為該瓶藥液的密度；g為重力加速度；h為該點(diǎn)所在的高度；C為一個常量。忽略其損失。

在輸液過程中，設(shè)大氣壓強(qiáng)為P0，輸液瓶上部的氣體壓強(qiáng)為P1，輸液瓶上液面處液體流速為v1，輸液瓶口處藥液流速和壓強(qiáng)分別為v2和P2，茂菲氏滴管上部控制夾處藥液流速和壓強(qiáng)分別為v3和P3，茂菲氏滴管中氣液連接處藥液流速和壓強(qiáng)分別為v4和P4，茂菲氏滴管口處藥液的流速和壓強(qiáng)分別為v5和P5，針頭處藥液流速和壓強(qiáng)分別為v6和Pp，輸液瓶中液面高度為Δh1，上輸液管中藥液高度為Δh2，茂菲氏滴管內(nèi)部藥液高度為Δh3，下輸液管中藥液高度為Δh4，則建立的滴速控制模型如圖5所示。

圖5 滴速控制模型

近似認(rèn)為v1=0，v2=0，由式(1)可推導(dǎo)得出

(2)

當(dāng)排除輸液系統(tǒng)的漏氣、漏水和阻塞等非正常情況的影響時，當(dāng)前每分鐘輸液藥液的流量公式可表示為

Q=S·v3=d·V

(3)

式中：d為輸液速率；V為藥滴的體積；S為輸液管切面的面積。

根據(jù)式(2)和式(3)，輸液速率可表示為

(4)

為了使滴速控制的過程更加精確穩(wěn)定，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器[10]，根據(jù)電機(jī)型號不同選取相應(yīng)參數(shù)構(gòu)造傳遞函數(shù)，其表達(dá)式[11]為

(5)

式中：s為復(fù)變量；θi為步距角(輸入)；θ0為轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度(輸出)；Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；iA為相電流；L為相電感；B為電機(jī)粘滯阻尼系數(shù)；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。

2.5 智能控制算法

為了達(dá)到對滴速的精確控制，系統(tǒng)采用基于遺傳算法比例積分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)控制器對輸液速率進(jìn)行控制[12]。以二次性能指標(biāo)最優(yōu)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，利用遺傳算法整定PID參數(shù)KP，KI和KD。遺傳算法優(yōu)化PID的流程如圖6所示。

圖6 遺傳算法優(yōu)化PID流程

采用誤差絕對值時間積分性能指標(biāo)作為參數(shù)選擇的最小目標(biāo)函數(shù)[13]，為滴速控制模型選取最優(yōu)的遺傳參數(shù)。為了使滴速控制模型僅使用最小的控制能量達(dá)成最優(yōu)的效果，目標(biāo)函數(shù)中加入一個平方項(xiàng)，并在目標(biāo)函數(shù)中加入懲罰函數(shù)為避免超調(diào)[14]。若產(chǎn)生超調(diào)，則將超調(diào)量作為一項(xiàng)最優(yōu)指標(biāo)，若系統(tǒng)無超調(diào)，其代價函數(shù)為[15]

(6)

式中：e(t)為系統(tǒng)誤差；u(t)為控制器輸出；tu為上升時間；α、β和η分別為e(t)、u(t)和tu對應(yīng)的權(quán)重。經(jīng)過權(quán)重選擇與調(diào)試，α取0.999，β取0.001，η取2。

當(dāng)產(chǎn)生超調(diào)時，式(6)可表示為

(7)

其中，

ye(t)=y(t)-y(t-1)

式中，γ為其權(quán)重，且γ?max(α,β,η)，γ取100；y(t)為被控對象的輸出。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1 滴速控制仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證滴速控制模型及智能控制算法的可行性，采用實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Windows 10，CPU型號為Intel i5-6200U的計算機(jī)，利用Matlab R2016a軟件進(jìn)行仿真[16]。為了使控制效果更加穩(wěn)定，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為被控對象，選取參數(shù)Zr=50，iA=1.5 A，B=0.03，J=0.114，L=6.5代入式(5)，得到其執(zhí)行器的傳遞函數(shù)為

(8)

設(shè)定遺傳算法的種群大小為30，交叉概率為0.9，變異概率為0.033，采用實(shí)數(shù)編碼方式，迭代150次，基于遺傳算法PID控制器進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，得到PID的3個參數(shù)值分別為KP=48.848 9，KI=0.895 7，KD=34.212 3。其代價函數(shù)F的優(yōu)化過程如圖7所示。采用基于遺傳算法PID控制器的單位階躍響應(yīng)如圖8所示。

圖7 代價函數(shù)F優(yōu)化過程

由圖7可以看出，代價函數(shù)F的值隨時間逐漸減小，即逐漸得到優(yōu)化，最優(yōu)代價函數(shù)F=31.406 1，驗(yàn)證了滴速控制模型及算法可行性。

圖8 階躍響應(yīng)

由圖8可以看出，通過階躍響應(yīng)對基于遺傳算法優(yōu)化PID的峰值時間為0.071 s，無超調(diào)，驗(yàn)證了滴速控制模型的控制時間短、精度高。

3.2 滴速控制實(shí)測結(jié)果

為了驗(yàn)證輸液儀的滴速控制效果，改變點(diǎn)滴的給定值，實(shí)驗(yàn)條件為輸液管形變范圍為0～1.5 mm，滴速控制范圍為0～100滴/min，最終測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試結(jié)果數(shù)據(jù)

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，輸液儀對滴速的控制可以達(dá)到預(yù)設(shè)值，并且誤差為100±1滴，效果良好。

4 結(jié)語

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能輸液系統(tǒng)采用多元通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過建立滴速控制模型，利用基于遺傳算法PID控制器控制滴速，實(shí)現(xiàn)了對輸液情況的實(shí)時監(jiān)測與精準(zhǔn)控制。同時，實(shí)時采集現(xiàn)場信息并調(diào)整輸液進(jìn)程，包括輸液速度、是否發(fā)生報警信號等，實(shí)現(xiàn)了輸液監(jiān)控的安全化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對滴速的控制可以達(dá)到預(yù)設(shè)值，誤差僅為100±1滴，控制精度高。通過較完備的異常報警機(jī)制和可靠的窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸，實(shí)現(xiàn)了輸液全過程智能化管理。