基于无线传感网的自动肠内营养系统的设计

包秀珠，严红燕，王健，李婷婷

江苏省南通市第一人民医院，江苏南通 226001

0 前言

肠内营养（Enteral Nutrition，EN）是通过口服或管饲来提供代谢需要的营养物质及其他营养素的营养支持方式[1]。早期肠内营养对小肠有局部营养作用，能刺激肠蠕动，促进肠黏膜细胞生长和胃肠激素分泌，有利于保持小肠黏膜结构与功能的完整，维持肠黏膜的屏障功能，防止肠道菌群易位，降低肠源性感染[2]。胰十二指肠切除术后早期应用肠内营养，患者的术后平均住院时间、总并发症发生率、肠蠕动恢复时间、住院营养费用均有明显降低[3]。目前临床上一般采用连续滴注的方法对患者进行肠内营养，实际操作中营养液的温度与输注速度需靠护士人工调节，准确性较差，存在着一定的盲目性、随意性，且易导致并发症，使患者病程延长。

鉴于以上原因，笔者自行设计了基于无线传感网的自动肠内营养系统，可适时、动态地监控营养液的温度及输注速度。

1 自动肠内营养系统的设计过程

自动肠内营养系统的整体框架，见图1。该系统主要由加热/制冷装置、光电传感器、温度传感器、步进电机、计算机微处理器、触控屏、无线节点模块7部分构成。

1.1 加热/制冷装置

该装置采用的材料是半导体制冷片。半导体制冷片是一种热泵，其工作运转采用直流电流，可通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上是实现制冷还是加热[4]，其原理是当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，从而可以实现制冷或加热的目的。

图1 床边自动肠内营养系统框架图

1.2 光电传感器

光电传感器的原理是把被测量的变化先转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号[5]。在该系统中，光电传感器由一个红外发射管和一个与之对应的接收管以及检测电路组成，可将肠内营养液输液管道中的滴速信号采集出来转换成电信号再传输到计算机微处理器进行信号处理，最终换算成流量数值。

1.3 温度传感器

温度传感器的原理是将感受到的温度转换成可用的输出信号。在该系统中，温度传感器通过测量肠内营养液输液管道中的温度，将其转换成电信号再传输到计算机微处理器进行信号处理。

1.4 步进电机

步进电机的驱动信号由计算机微处理器控制，通过输液滴速监测并反馈到计算机，计算机根据滴速控制滚轮加压装置运行，以保持肠内营养液滴速的稳定。

1.5 触控屏

触控屏其实就是一个人机对话窗口，护士在触控屏上输入病人姓名、年龄、性别、体重、身高、血压、入院诊断等基本信息，然后传输到计算机微处理器进行数据处理。

1.6 计算机微处理器

微处理器根据触控屏上病人的基本信息结合专家算法进行计算，得出肠道营养液输液管道中的标准温度和标准流量。微处理器接收温度传感器转换的电信号并对其进行信号处理，最终换算成实际温度数值，然后将实际温度数值与标准温度进行比较，温度偏高时微处理器启动加热/制冷装置进行制冷降温，温度偏低时则启动加热/制冷装置进行加热升温；微处理器接收光电传感器转换的电信号并对其进行信号处理，最终换算成实际流量数值，然后将实际流量数值与标准流量进行比较，比较结果作为步进电机的驱动信号。

1.7 无线传感器节点模块

无线传感器节点模块主要由数据采集模块（传感器和A/D转换器）、 数据处理和控制模块（数据处理器和存储器）、通信模块（无线收发器）等组成。无线传感器节点模块的作用是将床边触控屏上的病人基本信息，计算机微处理器处理过的标准流量、实际流量、标准温度和实际温度等信息传输到护士站中央监护系统，便于护士统一监控。

2 无线传感器网络系统的设计过程

2.1 无线传感器网络的特点

由于医院楼层宽、病房多，输注中床边无线传感器节点的位置是随病床移动且无序的，床边无线传感器节点之间的相邻关系也是随机的，这就要求床边无线传感器节点具有很强的自组织能力，因此本系统采用无线传感网络技术（Wireless Sensor Network，WSN）。无线传感网络是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其传感器节点具有较强的自组织能力，节点可以随时移动，当一个节点因故障退出网络运行时，附近的节点能自动补充进来，并实现网络自组，从而保证网络的畅通[6]。床边无线节点不但可以传输本节点的数据，而且可以转发其他节点的数据到中央站，从而解决了无线传输的距离问题。

无线传感器网络系统框架图，见图2。它由多个床边无线传感器节点模块、路由器节点模块、网络协调器、护士站中央监护系统组成，能实时收集所有病人输注过程中营养液的温度及滴速信号，随时进行监测、处理及调控。

图2 无线传感器网络系统框架图

2.2 无线传感器网络硬件设计

床边无线节点可代替路由器的功能，所以床边无线节点跟路由器的节点硬件设计是一样的，采用CC2530片上系统芯片，其特点是高速低消耗，具有强大的存储能力以及卓越的射频性能[7]。硬件系统结构图，见图3。该结构的核心就是片上系统CC2530和射频前端CC2591，通过CC2530和CC2591的组合应用来实现预期的性能指标。

图3 节点硬件系统结构图

2.3 无线传感器网络软件设计

2.3.1 系统中央站软件设计

中央监护站软件设计是基于Microsoft Visual Studio 2010环境，采用C#程序开发完成的。

该系统温度、滴速自动调节系统中央监护站的管理系统与协调器之间基于串口通信对数据进行处理后，将相应节点信息存入数据库，本系统的数据库为SQL Sever 2005。中央监护站软件负责对系统中的全部节点进行管理。

2.3.2 串口通信的数据处理

串口通信是指外设和计算机间通过数据信号线、地线、控制线，按位进行数据传输的一种通讯方式[8]。

本系统采用的是微软在.NET中推出的串口控件SerialPort，可方便地实现所需串口通信的各种功能。

SerialPort控件程序代码如下：

根据接收到的串口数据即可进行数据解析，分解出各种信息以便进行处理。

3 临床应用

3.1 一般资料

选取2013年1月～2014年6月在我院外科实施肠内营养的病人116例， 采用随机数字法分为传统肠内营养组（常规组）60例、自动肠内营养组（实验组）56例。两组均使用纽迪希亚公司生产的能全力营养液，常规组应用传统的方法实施肠内营养，实验组应用自行设计的自动肠内营养系统实施肠内营养，对两组营养液的温度、滴注速度、护士操作耗时以及并发症等情况进行比较。

3.2 统计学方法

采用SPSS 13.0软件进行统计学处理，计量资料用均值±标准差（±s）表示，比较采用t检验；计数资料比较采用χ2检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

3.3 结果

两组相关指标比较结果，见表1～2。两组营养液的温度、滴注速度、护士操作耗时以及并发症比较，差异均有统计学意义（P＜0.05），实验组明显优于常规组。

4 结语

经反复调试，基于无线传感网的自动肠内营养系统能降低肠内营养过程中因温度、滴速不均衡导致的并发症，系统信息传输准确、灵敏，操作简单，运行安全可靠，自动化程度高，可明显减低护士工作量，符合现代护理理念，具有一定的临床价值。

表1 两组营养液的温度、滴注速度、护士操作耗时的比较（±s）

表1 两组营养液的温度、滴注速度、护士操作耗时的比较（±s）

组别 例数（n） 温度误差（℃） 滴注速度（30 mL/h） 护士操作所耗的时间（min）常规组 60 10.41±1.30 55.40±1.74 6.6±2.5实验组 56 2.97±0.70 24.30±1.04 2.8±1.3 t值 36.451 115.959 10.449 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

表2 两组并发症发生率的比较（%）

[1]肖方,甘钦.肠内营养的发展及临床并发症[J].中国药房,2005, 16(3):230-231.

[2]Finck C.Enteral versus parenteral nutrition in the critically il1[J].Nutrition,2000,16(5):393-394.

[3]高峰畏,雷泽华,胡伟明,等.胰十二指肠切除术后早期应用肠内营养的系统评价[J].中国循证医学杂志,201l,11(10): 1166-1171.

[4]唐春晖.半导体制冷-21世纪的绿色"冷源"[J].趋势与展望, 2005,30(5):32-34.

[5]朱伟,韩服善.光电传感器在自动化生产线上的应用[J].电子工程师,2004,30(8):72-73.

[6]张志臣.基于无线传感网络的多导联心电监护系统的研究和设计[D].北京:北京邮电大学,2012.

[7]周学军,丁爱明,曹胡玲,等.基于无线传感网的持续膀胱冲洗系统[J].中国医疗设备,2013,28(10):34-36.

[8]田璀.人体次声信号检测及分析[D].重庆:重庆邮电大学, 2010.