基于视觉测量的静脉输液液位和滴速监测方法研究

朱春丽，雷秀军，郭 杰，张泽楷，申 远

（1.合肥师范学院 电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601；2.合肥富煌君达高科信息技术有限公司，安徽 合肥 230031；3.中国科学技术大学 工程学院，安徽 合肥 230027）

1 引言

2019年12 月起，新型冠状病毒感染的肺炎疫情在全国多地和世界各国蔓延扩散，在这场抗疫战争中，奋战在最危险的一线医护工作人员超负荷工作，身体和心理都异常疲惫[1-3]。为了缓解医护人员无比繁重的工作强度，本文针对静脉输液时的频繁巡视和检测这一问题，设计了一种基于视觉测量的监测系统。

静脉输液是指在一段时间内将药物直接缓慢地注入患者静脉中，以实现各种疾病的治疗。为了确保输液过程的安全有效，医护人员需要根据患者病情、年龄及所用药物性质来确定输液滴速，并及时监测液面的位置、更换或停止药液的输入。输液泵可实现输液滴速和输液持续时间的精确控制[4,5]。但是，输液泵价格昂贵，成本之高可能会阻碍其在某些情况下的使用，只针对少数特殊患者或特殊药品才具有实际意义。另外，当不能立即检测到输液泵故障时，还需要使用辅助测量工具来避免药物过量的风险。目前，国内外大多数医疗机构都使用重力滴注装置进行常规的静脉输液。在没有辅助监测系统的情况下，医护人员必须利用数算求出输液滴速，并通过频繁巡视和临床经验来监测液面位置。确定静脉输液滴速的通常方法如下：对经过静脉滴注室的药剂计数15秒，然后将其乘以四，即为平均滴速。若滴速不满足要求，则需调整后再次计算，该过程繁琐且不准确。数算求滴速和频繁巡视均增加了医护人员的工作强度，若不能及时发现并处理输液问题，甚至可能会造成严重的医疗事故[6,7]。

近几年，无线网络技术和计算机技术不断发展，促进了输液过程无线监测方法的提出。目前，国内外报道的输液监测装置主要分为三类：一是单个输液监测报警装置，如王学建设计的双位红外感应输液及报警装置[8]，此类装置是单独监测报警的，无法实现护理人员同时对多名输液患者进行统一输液监测管理；二是输液监测网络平台，如Cui等设计的基于无线通信技术的静脉输液监测报警系统[9]，姜涛等设计的基于Wifi的嵌入式多功能病房呼叫系统[10]，此类监测网络平台多安装至护士站计算机上，护士无法随身携带，无法满足在野外、突发公共事件、应急救援等情况下输液管理工作的需求；三是具有可远程携带的手持终端的输液监测系统，如王亚楠等人设计的远程静脉输液监测装置[11]，Rao等人设计的基于物联网的静脉输液系统[12]等，此类输液监测装置便于医护人员在移动的过程中监测病人的输液情况，保证患者输液过程的安全有效。以上三类静脉输液监测装置大都基于红外感应原理来计算滴速的大小，监测系统基本都包含可嵌设红外感应元件、各种管型墨菲管等结构的盒体[13]，每次输液监测均需要一次安装和拆卸盒体的过程。

随着摄像技术和图像处理技术的发展，视觉测量技术引起了人们的关注，它具有非接触式、远距离测量、测量范围大、测量精度高和价格便宜等优点，且无附加质量，不会对测量物体的动态特性产生影响[14,15]。本文将视觉测量技术和上述可远程携带手持终端的输液监测方法的优势相结合，设计一种基于视觉测量的静脉输液监测系统，以安全有效地监测输液过程，减轻医护人员的工作强度。

2 监测系统的构成及其工作原理

基于视觉测量的静脉输液监测系统主要由摄像设备、数据传输、数据存储、数据处理和手持终端组成，系统的整体框架如图1所示。

图1 静脉输液视觉监测系统原理图

2.1 摄像设备的选择

静脉输液时，滴速调节应遵循一定的原则，需根据病人年龄、病情及药物性质调节输液速度，如对患有心、肺、肾疾病的病人、老年患者、幼儿，以及输入高渗盐水、含钾和升压药的病人务必谨慎，输液速度宜慢。而对于严重脱水、心肺功能良好的病人，输液速度可适当加快。对于正常的输液滴速，摄像设备的帧率大于4Hz即可满足采样定理。可以根据医院当前的物资水平，选择常见且平价的数码相机、网络摄像头、智能手机等作为摄像设备，以采集静脉输液过程中输液瓶和滴注室处的图像。本实验所采用的摄像设备为华为nova 5 Pro智能手机，帧率为30Hz，分辨率为1080p。

2.2 数据传输和存储

可以根据医院当前的物资条件，使用任何适当的介质来传输视频图像以及在计算机上可读的程序代码，如无线、有线、光缆、射频等，或者它们的任何合适的组合形式。并可以根据医院当前的物资条件，将视频图像以及后续的数据处理结果等自动存储在计算机设备的内部存储器或基于网络的存储服务器中。本实验采用无线网络和计算机传输和存储视频图像、程序代码及数据处理结果。

2.3 数据处理

数据处理是该基于视觉测量的静脉输液监测系统的核心部分，流程图如图2所示。数据处理的输出结果包含病患床位号、液面位置、滴速、报警信息等，这些计算结果的准确性会直接影响医护人员接收信息的准确性以及后续行为决策的正确性，从而影响病患输液的安全性。

图2 数据处理流程图

病患开始输液时，医护人员利用手持终端启动监测系统，数据处理程序开始处理视频图片。首先，识别首帧图像中的床位号，匹配与该床位号对应的录入系统的病患信息，并将匹配的病患信息包括姓名、年龄、床位号、病因、用药等传输至手持终端。同时，数据处理程序计算液面位置，并判断液面是否到达瓶口附近。如果液面没有到达瓶口附近，输出当前的液面位置，以便工作人员随时了解输液进度；如果到达，发出警报，提醒工作人员结束输液或者更换输液瓶。此外，数据处理程序同时也在实时地计算输液滴速，并判断滴速是否在设定范围之内。若滴速正常，输出实时滴速，供医护人员了解当前的输液情况；若滴速不正常，发出警报，提醒医护人员及时处理。

2.4 手持终端的选择

手持终端的体积和质量不宜过大，以方便工作人员携带和操作。可以做成手机软件或小程序，也可以做成与智能手机大小相当的专用手持终端。手持终端的显示屏上可以显示病患姓名、年龄、床位号、病因、用药等基本信息，还可以显示当前液面位置、实时滴速、报警提示等。

3 实验结果与分析

提取所拍摄静脉输液视频中的图像帧，图中包含了数据处理时所需的所有要素，如病患床位号、液面位置和滴注室中经过的液滴。

3.1 液面位置计算

考虑到实际输液过程中光照噪声的影响，很难通过边缘检测等方法直接识别液面位置。由图1可以很清楚地看到，沿着输液瓶的高度方向由上而下，有、无液体时图像的亮度是不同的。无液体时较亮，灰度值较大，有液体时较暗，灰度值较小。在液面位置处，灰度值由较大值突变为较小值。基于上述特点，在输液瓶的高度方向标记一条线，如图1中的蓝色线条，该线条从瓶底延至输液瓶直径突降位置处，即瓶口附近。定义蓝色线条最上端位置为第1个像素，最下端位置为第71个像素，线条位置处由上而下的灰度值分布如图3（a）所示。由分布曲线可以看出，在上方，灰度值以较大值波动，而后由较大值突降至较小值，然后以较小灰度值波动。由以上分析可知，较大灰度值对应上方无液体的瓶体位置，较小灰度值对应下方有液体的瓶体位置，而灰度值突降位置即为液面位置。

图3 液面位置计算结果（a）首帧静脉输液图中蓝色线条处的灰度值分布（b）液面位置随输液时间的变化

对每帧图像中蓝色线条处的灰度值分布进行差分计算，求出灰度值突变位置，即为当前的液面位置。对于130秒的监测视频，计算出的液面位置随输液时间的变化如图3（b）所示。由图3（b）可以看出，随着输液时间的增加，即随着药液一滴一滴地滴落，液面位置对应的像素值近似呈间距为1个像素的阶梯状增大，说明液面近似呈阶梯状下降。中间出现的微小波动可能是由液面晃动引起的，波动范围小于1像素，可以忽略不计。当液面位置降至第71个像素时，即到达输液瓶瓶口附近时，发出警报，提醒医护人员及时配药并更换输液瓶或停止输液。

3.2 滴速计算

在没有辅助监测系统的情况下，医护人员必须利用数算求出输液滴速。对经过静脉滴注室的药剂计数15秒，然后将其乘以四，即为平均滴速。对于本文所设计的静脉输液视觉监测系统，计算滴速时所用到的监测位置为图1中滴注室上的蓝色矩形框区域。

当滴注室有药剂不断地经过时，蓝色矩形框内的对比度不断变化，其标准差也在不断变化。因而，可以通过计算矩形框内标准差变化的频谱分布求得基频，该频率则为药剂经过滴注室的频率，进而可计算出静脉输液的滴速。这里，将此计算方法简称为标准差-频谱法。图4（a）给出了15秒监测视频中蓝色矩形框内标准差的变化情况，可以看出标准差呈近似等时间间隔的突变波动，说明药剂近似等时间间隔地从滴注室滴过。标准差变化的频谱分布如图4（b）所示，可以看出基频为1.469Hz，则滴速为1.469*15*4=88.14（滴/分钟），取整为88滴/分钟。计算出滴速后，判断该滴速是否在设定的安全滴速范围内，如果不在，则报警，提醒医护人员调整滴速。这里，为了验证计算结果的有效性，同时采用传统方法数算滴速。数出15秒内经过滴注室的药剂为22滴，则滴速为22*4=88（滴/分钟），考虑到数算、读秒时的人为误差，可以认为与采用标准差-频谱法计算出的结果一致。

图4 滴速计算结果

实验过程中，改变输液滴速，分别用传统数算和标准差-频谱法计算滴速，结果如表1所示。由表1可以看出，两种方法的计算结果一致，说明该静脉输液视觉监测系统所采用的滴速计算方法是有效的。

表1 采用数算和标准差-频谱法计算滴速的结果对比

3.3 两组输液过程的同时监测

相比于基于红外感应原理的盒体静脉输液监测装置，基于视觉测量的静脉输液监测装置的其中一个特点便是其摄像设备可固定于医院病房某处，无须每次输液监测时的拆装过程，且摄像设备可同时拍摄病房中临近的多组输液过程。这里，为了验证该监测系统对多组输液过程及不同输液容器的监测效果，同时监测了利用输液瓶和输液袋进行的两组输液过程。

首先，识别床位号，然后计算床位号中心位置与输液装置顶端的距离，距离较近的即为同一组输液过程对应的床位号和输液装置。对于115秒的监测视频，两组输液过程的液面位置监测结果如图5所示，其中图5（a）为输液瓶液面位置随输液时间的变化，图5（b）为输液袋液面位置随输液时间的变化。可以看出，随着输液时间的增加，两组液面位置对应的像素值均近似呈间距为1个像素的阶梯状增大，即液面近似呈阶梯状下降。

图5 两组输液过程的液面位置计算结果（a）输液瓶液面位置随输液时间的变化（b）输液袋液面位置随输液时间的变化

图6为两组输液过程的滴速计算结果，其中图6（a）和（b）为15秒内输液瓶滴注室处标准差变化和频谱分布，可以看出基频为1.149Hz，则滴速为1.149*15*4=68.94（滴/分钟），取整为69滴/分钟。利用数算法数出15秒内的滴数为17滴，计算出滴速为17*4=68（滴/分钟），与标准差-频谱法计算的结果之差小于1滴/分钟。考虑到数算、读秒时的人为误差，可以认为两种方法的计算结果基本一致。图6（c）和（d）为15秒内输液袋滴注室处标准差变化和频谱分布，可以看出基频亦为1.149Hz，滴速约为69滴/分钟，与数算滴速68滴/分钟基本一致。

图6 两组输液过程的滴速计算结果：（a）输液瓶滴注室处的标准差变化，（b）与（a）对应的频谱分布，（c）输液袋滴注室处的标准差变化，（d）与（c）对应的频谱分布

由以上实验结果可见，所设计的静脉输液监测系统可以无接触、远距离、实时地监测液面位置和滴速，并可以同时监测多组输液过程，能够实现对静脉输液患者的安全监测并缓解医护人员的工作强度。

4 结论

本文所设计的基于视觉测量的静脉输液监测系统主要由摄像设备、数据传输、数据存储、数据处理和手持终端组成，其中摄像设备、数据传输、数据存储和手持终端部分与现今绝大多数医院的现有设备（如摄像头、网络、计算机、手机等）兼容，通用性强，适用于各级医疗卫生机构的门诊输液室和病房之中。对于该系统的核心部分，即数据处理部分，基于液面位置处图像亮度突变的特性，利用差分计算求出液面位置，液面位置的波动范围小于±1像素。同时，基于滴注室处药剂经过时图像对比度变化的特性，采用标准差-频谱法计算滴速，计算出的滴速值与数算结果之差小于1滴/分钟。从计算结果可以看出，所提出的液面位置和滴速计算方法精度高且简单有效。相比于基于红外感应原理的盒体静脉输液监测装置，本文所设计监测系统的优点是可以实现远距离、无接触测量，无须每次输液监测时的拆装过程，且可同时监测多组输液过程。另外，该系统与生理信号的无接触视觉测量系统兼容[16,17]，若二者结合，则可实现生理信号与输液过程的同时监测，大大缓解医护人员的工作强度，提高工作效率，对医疗事业的发展具有一定的参考价值。