成都信息工程大学电子工程学院 张瀚坤 李嘉源 原 畅 范银玲 黄启宏

提供一种新型的静脉输液监测系统设计方案。该系统数据采集端采用拉力传感，精度高且稳定性高；其主控芯片选择集成蓝牙、WiFi模块的ESP32，在拥有强大运算能力的同时又降低了成本；同时在系统中加入如云服务等网络功能使系统更能够适应医疗领域的智能化浪潮。

引言

随着医疗领域的科技发展，越来越多的手段能够用来提高医疗服务质量和节约人力成本，其中临床输液监测系统就是一个典型的例子。在许多发达国家输液监测已经高度自动化，但我国在输液监测系统方面的研究起步较晚，国内市场上常见的光电式输液监测系统因为成本和技术原因而导致测量精度低下，功能单一，已经无法满足各大医院的需求。针对现有系统的缺点，本文提供一种新型的输液监测设计方案。

1.结构介绍

系统工作时，监测器上的拉力传感器会采集挂载的输液瓶质量，实时将数据传至ESP32系统板。ESP32系统板在接收到原始数据后会进行计算，并整合从蓝牙模块获取的第三方数据。在ESP32系统板将数据整合完毕后，通过WiFi模块将处理过的数据发送至位于护士站或者监测室的管理机。护士能够通过管理机能够对监测机进行设置，并能从管理机获取病人信息。管理机定时将数据上传至云服务器，云服务器在后台能够对数据进行分析，从而达到改进医疗方案的目的，进而推动医疗事业的发展。

2.输液监测端硬件设计

输液监测端硬件包括ESP32系统板和HX711拉力传感器模块。

2.1 ESP32系统板

本输液系统病房端主控芯片选用的是ESP32。系统板上集成了蓝牙和WIFI模块，功能强大，用途广泛，而且功耗较小，其睡眠电流小于5uA，比较适用于因空间有限而多使用电池供电的医疗设备。

WiFi模块支持极大范围的通信连接，也支持通过路由器直接连接互联网；蓝牙模块可以支持第三方医疗设备的接入，便于医疗信息的整合；主控MCU可搭载Freertos实时操作系统，并能通过有线连接通讯实现与HX711模块进行通信。这种多合一的设计能够有效地减少整个设备的外设数量以及大小和成本。

ESP-WROOM-32支持的数据传输速率较快，可实现最大范围的无线通信。系统板原理图如图1所示。

2.2 HX711拉力传感器模块

HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D 转 换器芯片。能够对0.01g的液滴产生反应，完全满足检测的精度要求。同时该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等外围电路。有集成度高、 响应速度快、抗干扰性强等优点。

图1 ESP32系统板原理图

拉力传感器工作时，应电片粘贴在受力的力敏型弹性元件上，当弹性元件受力产生形变时，应电片产生相应的电阻变化，从而输出变化的电压信号。该电压信号经过HX711的转换送入ESP32系统板进行计算。HX711模块原理图如图2所示。

图2 HX711AD模块原理图

图3 HX711输出电压与质量关系

2.3 拉力传感器可行性分析

通过实验，绘制出拉力传感器输出电压与质量关系图，如图3所示。

医院输液袋全重一般在500g以下，实验结果表明，在500g的量程下，HX711输出电压与质量呈线性关系。因此该拉力传感器可用于输液时输液袋质量变化的测量。

3.输液监测端软件设计

本系统基于Freertos实时操作系统编写，共分三大模块。分别为数据采集模块、蓝牙传输模块以及数据发送模块。

3.1 数据采集模块

ESP32上的数据采集模块每秒通过串行通信从HX711取出原始数据，并对原始数据进行滑动平均滤波，然后把当前质量，以及相较上一秒质量的变化量存入全局变量，流程如图4所示。

图4 数据采集模块流程图

3.1.1 计算质量

ESP32从HX711处获取到的数据与实际的质量数据之间满足斜率特性曲线，因此算出对应传感器斜率值，即可计算出质量。

传感器斜率值k计算公式：

其中， M为模块所称质量,单位为kg;5代表的是5kg质量的传感器；128代表着128倍增益；100为单位换算。VBG为1.25V 。

利用砝码进行标定，精确计算出传感器斜率值k，即可精确计算出质量：

其中M为ESP32测得质量；Data为ESP32从HX711处获取的数据；k为之前标定的传感器斜率值。

3.2 BLE传输模块

整个数据通信过程主要涉及BLE两大传输协议，GAP协议和GATT协议。GAP协议主要用于建立连接，GATT协议主要用于数据传输。在进行BLE初始化后，ESP32通过GAP协议与已经开始向外广播自身地址的蓝牙手环进行蓝牙配对。配对成功后，ESP32作为中心设备，通过标准characteristic里的Heart Rate Service提供的UUID，进行GATT连接，从而将蓝牙手环里的心跳数据传入ESP32。ESP32内搭载的Freertos系统，通过事件以及回调函数，实现上述功能。

3.3 数据发送模块

每隔一段时间对数据进行消抖处理后将各项数据存入结构体，然后与目标服务器建立socket连接，将结构体打包发送，发送完毕后断开连接，流程如图5所示。

图5 数据发送模块流程图

3.3.1 数据消抖处理

在整个输液过程中，由于会存在人为的晃动造成数据的抖动，因此在数据发送前加入消抖处理，将异常数据消除。设定一个阀值，将此次发送的数据变化量与上一次发送时的数据变化量作比较，若二者的差超过阀值，则放弃此次数据，否则继续发送。

3.3.2 结构体封装

因为要往护士站服务器发送的数据有很多项，如心跳值、液量剩余量等。数据若没经过整理就会很难处理，通过使用结构体来对要发送的数据进行封装，方便稍后的socket数据发送，也方便服务器端的数据接收。发送数据时通过强制转换使结构体以字符串的形式发送即可。

4.护士站服务器软件设计

护士站服务器软件选择的开发平台为QT。QT具有极强的可移植性，同样的程序可实现快速在Windows或者Linux这两种不同的操作系统上部署。这样可以忽略不同操作系统对程序设计造成的影响。程序主要分两大模块，第一个模块为数据接收模块，用于接收输液监测端发送的数据；第二个模块为数据显示及报警模块，将接收到的数据进行显示，并且对异常数据进行报警。

4.1 数据通讯模块

创建一个线程，用于监听端口，若有连接请求，响应请求并建立连接，然后开始接收数据，用与输液监测端处封装的结构体相同的格式把接收到的数据保存下来，从而完成数据接收过程。

4.2 数据显示及报警模块

用户交互界面主要是在显示屏上显示病人个性化信息与当前输液瓶中液体剩余量，而且当剩余量到达警戒线，或者心跳值异常，会生成的输液报警信息进行报警。

图6 护士站效果图

4.2.1 基本信息显示

基本信息主要通过QTtableView创建表格来进行数据显示。在完成数据接收后，把接收的数据传入tableView中。判断结构体中的id是否存在于表格中，若已有此id，则进行数据更新，若没有此id，则新建一行并将数据分列进行显示。判断液量剩余量以及心跳值，若达到报警条件，则标红对应id的数据并置顶进行报警。基本信息显示效果如图6所示。

4.2.2 心跳值折线图

为了更加直观的观察输液过程心跳值的变化，通过基本的绘图函数类，创建横坐标为时间纵坐标为心跳值的坐标系，每次接收到数据后，在传入tableView进行显示的同时，将心跳值传入坐标系行标点，以此完成折线图的绘画。心跳值折线图效果如图7所示。

图7 心率折线图

5.数据入云

本系统使用阿里云对象存储服务（Object Storage Service，简称OSS）。因为OSS支持直接上传文件，所以先按照患病的种类，将各个病例输液时的心率变化图、输液针眼图进行整理然后直接将整理完毕的图片上传入云端，实现关键数据存储，方便后面进行数据分析。

6.结论

本新型输液系统设计方案有着智能化、低成本的优势。在功能上有着强大的性能支撑，不仅是一套输液监测系统，还能通过整合第三方医疗数据成为新一代的医疗数据平台。