基于6LoWPAN和模糊控制的实时输液监护系统

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(西安工程大学 电子信息学院，西安 710048)

引 言

图1 基于6LoWPAN的医疗监护系统架构

随着人们经济水平的不断提高以及我国医疗体系的不断完善，人们治病意识不断提高，不再是以往简单的吃药或打肌肉针治疗，取而代之的是采取静脉输液进行更深层次的治疗，因此以往呼叫方式的局限性就暴露出来。本文提出基于6LoWPAN和模糊控制决策的实时输液监护系统设计方案，首先通过病人病房内或患者卧室的无线传感器节点，收集病人周围传感器的数据，再通过布设在医院内患者家中的中继节点将采集的数据传送到网关节点，医护人员或患者家属可在本地查看病人的输液和生命体征情况，也可通过Internet远程访问网关节点上的Web服务，获取病人数据信息，对病人的各类情况及时做出分析诊断[1]。

1 基于6LoWPAN的医疗监护系统架构

基于6LoWPAN的医疗监护系统架构如图1所示，其中1表示患者、2表示相关传感器、3表示射频链路、4表示边缘路由器、5表示万维网、6表示医院监护服务器、7表示医生[2]。

每个患者周围的节点可以构建一个分散的网络或构建一个数据传输通道，可以将采集的数据传送到医院的数据监控服务器，以供医护人员参考分析。同理，患者即使在家中也可以实时采集生命体征情况，医生便可以远程对患者的基本情况进行实时观测和诊断，同时家属可在手机端及时了解患者情况[3]。

2 系统硬件的设计

该系统的CPU模块使用STM32F407ZET6芯片，该系统可使用智能手机、平板电脑或医院终端电脑作为客户端，方便多途径及时了解患者情况；系统网关的处理器之间可采用UART接口进行连接，可利用DP83848作为该系统的物理层芯片；WSN节点使用的处理器型号系列为STM32W108[4]。

2.1 无线传感器网络

在众多无线传感器网络协议中，6LowPAN和ZigBee二者相似之处很多，它们在一般的无线自组网项目中差别不太明显，主要差别在于ZigBee使用的是串口网关，6LowPAN使用的是以太网网关。如果将6LowPAN应用在物联网系统中做为互联网的服务器，6LowPAN优势明显，原因是6LowPAN的架构是基于TCP/IP的，该系统的每一个IP地址的节点均可以在服务器上获取。不同于ZigBee，6LowPAN的协议类型为公有协议，方便医院与居民区进行远程连接，这正是该系统应用所需要的。各无线组网方案比较如表1所列[5]。

表1 无线组网方案比较

多个传感器节点构成了该系统的无线传感器网络，且各传感器节点的IP地址都是独一无二的，使用互联网传输，便于医生对病人进行点对点诊断；该无线传感器网络的网关节点进行WSN和互联网连接时，能完成数据包的路由传送，由于使用了精简的协议栈能够有效降低传输能耗；医生和病人家属可使用上位机管理软件查询患者情况，便于实时对患者进行诊断和监护。无线传感器网络的网关硬件结构由无线收发器、微处理器和有线网络接口构成，如图2所示。

图2 无线传感器网络的网关硬件结构

2.2 数据采集模块

2.2.1 液滴检测模块

为获取输液的速率和吊瓶内药液余量，该采集模块使用红外线脉冲计数设备采集，在已知瓶内已有药量和已滴数量时，推出然后获取瓶内余量。可以实现实时测量液滴滴速、监控端实时显示终端输液的基本信息、输液异常自动报警等功能，系统可同时监测多个输液滴速，通过发送模块送至终端，在PC机上显示。

红外光电对管由水滴上下边缘遮挡可以产生相应的脉冲信号，经比较放大处理产生主控芯片处理的较规则脉冲，可计算滴数，对两滴之间的时间计算可得实时滴速，药液滴速可由终控端进行控制。该模块利用三组光发射接收对管并联排成一列，同时监测液滴，产生各自的信号，确保没有漏测的液滴。

2.2.2 生命体征传感器选择

在该系统中，采用体温和心率这两种直观且重要的生命体征，以监测患者的实时病情。采用HK-2000G作为脉搏传感器，该传感器的驱动方式为电压驱动或电流驱动，输出信号的毫伏级电压和输入压力成正比。HK-2000G的输出信号并不单一，脉搏波信号和静态压力信号均可输出。该传感器性能良好，稳定性极高。

SMTIR9902可作为温度传感器，用以检测患者体温和输液温度，可根据输液温度的不同和患者心率的变化，利用模糊控制决策制定出合理的输液速度，这样不仅有利于患者获得相对舒适的输液体验，而且合理的输液温度和输液速度更有利于药物的吸收[7]。

2.2.3 输液加热模块

该模块采用PTC加热器作为输液的加热模块，在该模块中以继电器来管理模块的开闭。该模块的控制方式是闭环控制，其原理是系统先检测人体温度，再根据人体温度提供合适的加热温度。PTC加热器是否加热，可根据患者体温输液温度的差值、患者的身体状况以及药物的药性等情况，由主治医师决定，为提高舒适度一般差值低于1 ℃时开始加热[8]。

3 模糊控制器设计

3.1 模糊控制器结构和控制原理

该控制器是一个二维模糊控制器，输入端变量是患者的脉搏次数和输液温度，输出端是患者的输液速度，控制方法是在输液调速处加一电动设备，从而自动控制输液速度。使用分段模糊控制策略作为该控制器的控制规则，输入端控制器按设定的间隔时间获得患者的心率情况，如果患者的心率情况有明显浮动，就调低输液速度，直到患者心率回归正常；如果患者心率高于或低于正常范围就停止输液，并及时报警；如果患者心率在正常水平，便可以使用模糊控制规则，得到合理的输液速度。控制器结构如图3所示[9]。

图3 控制器结构

3.2 控制器的输入量

据研究表明，若因药物的副作用引起身体不适，最先改变的就是心率，这与药物直接作用在静脉流经心脏有关，其他变化则是在一定程度上，基于心率和身体机能的改变而变化的，心律的直观变化性和心律的便于测量性，给该控制器的设置提供了许多便利[10]。研究表明，适宜的输液温度能有效提高药物的活性，更利于身体的吸收，在不改变药物作用环境的情况下，给身体减轻不必要的负担，不适宜的环境不仅会影响药物的吸收利用率，且长时间处于不适的输液温度反而会有可能加重病情。因此，该控制器会选取患者心率和输液温度作为该控制器的输入量[11]。

3.3 控制器的输出设计

该控制器将患者心率、输液温度以及输液速度的语言变量均分为5个，即模糊量从小到大为：最小(VL)、小(LO)、正常(ZC)、大(HI)、最大(VH)[12]，根据患者心率、输液温度和适宜的输液速度的具体情况，选择合适的隶属函数，图4是患者心率(次/分钟)、输液温度(℃)的隶属函数。

图4 患者心率、输液温度的隶属函数

该二维控制器的输入划分已定，该控制器的推理规则如表2所列。质量中心法适合该控制器的去模糊化，以此法获取的输出控制量就是适宜的输液速度，患者的输液速度(滴/分钟)如图5所示，输出特性曲线如图6所示。

表2 患者输液速度推理规则

图5 患者输液速度的隶属度函数

图6 患者的输液速度特性曲面

结 语

该系统利用了基于IPv6的低功耗无线传感技术，对患者心率、患者体温、输液温度、输液速度和输液余量等信息进行实时监控，可在非自动调速情况下，出现输液速度波动时自动警报，方便医护人员及时处理。通过多次仿真实验，在不同状况下检测了该系统的模拟性能，结果显示该系统可以满足输液时的有效监护，节约了患者家属的时间，减轻了医护人员的工作压力，同时为患者 提供了舒适高效的治疗环境，避免了一些医疗隐患。

参考文献

[1] 李忠.物联网技术下的智能家居远程无线监控系统设计探讨[J].电子测试,2017(9):68-69.

[2] 刘才权.基于6LoWPAN的心电无线监护系统设计[D].成都：电子科技大学,2013.

[3] 魏燕达,周卫星.基于6LoWPAN的智能家电监测与控制系统设计与实现[J].现代电子技术,2015(14):101-104.

[4] 付蓉,方安安,卢宗武,等.一种基于输液速度与温度实时监控的输液监护仪设计[J].科学技术与工程,2015(15):183-188.

[5] 成都世纪华宁科技有限公司.6LowPAN无线系列产品应用笔记,2014．

[6] 桂兵,曾碧.基于6LoWPAN无线传感网的医疗监护系统设计[J].自动化与信息工程,2015(2):1-7.

[7] 史晓兰,沈晓星,秦辉.自制可调式输液固定器的研制和临床应用[J]. 实用老年医学,2017(1):98-100.

[8] 许于春,宋嵘.输液监护仪设计[J]. 中国医疗器械信息,2017(7):91-93.

[9] 马君秀.学龄前患儿静脉输液时护理干预的效果观察[J].山东医药,2010(10):14.

[10] 李春梅.小儿静脉输液过程中应用护理干预的效果[J].中国卫生标准管理,2017(12):193-195.

[11] 曾禄平,林坚.医院智能远程计算机房自动监测、控制、报警系统设计与实现[J]. 医疗装备,2016,29(4):40-41.