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1物聯(lián)網(wǎng)的智能化輸液監(jiān)護系統(tǒng)原理

物聯(lián)網(wǎng)智能輸液監(jiān)護系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理中心、輸液過程實時監(jiān)護儀、無線接入網(wǎng)關(guān)，護士站監(jiān)控中心，手持信息終端等幾個部分組成。輸液過程實時監(jiān)護儀對病患的整個輸液過程的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并將輸液狀態(tài)信息通過無線方式給發(fā)送到無線接入網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心，和醫(yī)院His系統(tǒng)連接，負責(zé)根據(jù)醫(yī)生醫(yī)囑提取出病患每天的輸液信息，并根據(jù)值班表信息，完成任務(wù)的分配。數(shù)據(jù)處理中心完成對輸液狀態(tài)信息的處理后，將數(shù)據(jù)實時推送給護士站監(jiān)控中心和手持信息終端。

2輸液過程實時監(jiān)護儀工作原理、求解模型及優(yōu)勢

2.1輸液過程實時監(jiān)護儀工作原理

整個輸液過程實時監(jiān)護儀主要由背光板、顯示板、觸摸PCB、PCB底板、重力傳感器和上下掛鉤幾個部分構(gòu)成。系統(tǒng)工作時，護理人員根據(jù)指紋識別確認患者信息后，將病患的輸液終端懸掛于輸液椅的掛鉤上，將輸液袋或輸液瓶懸掛于輸液終端的下方，開啟服務(wù)之后，輸液終端內(nèi)置的重力傳感器會自動稱量出重量，位于輸液器莫菲氏滴管上的紅外對射傳感器會采集滴速指標(biāo)進行反饋。按照當(dāng)前的滴速自動計算出當(dāng)前速度、平均速度、已用時間以及剩余時間并反饋于輸液終端顯示面板上。當(dāng)液面闕值低于2%時，自動啟動報警裝置，輸液終端發(fā)出“滴”聲提示的同時由系統(tǒng)通過VoIP向護理人員手持終端發(fā)出報警信號，護理人員手持終端接收報警位置與患者座位信息，進行處理后自動關(guān)閉或啟動新一輪檢測。護理人員還可以通過系統(tǒng)對監(jiān)護儀發(fā)出指令，根據(jù)患者身體情況設(shè)置初始輸液速度，并可靈活控制加快，減慢和暫停輸液。

2.2建立求解模型

對工作原理進行分析后，對監(jiān)護儀設(shè)計需求進行了概念的描述：①符合人體工程學(xué)原理，用戶體驗良好；②在任何情況下，稱量結(jié)果精確性保障；③供電模塊、信號線的放置位置；④方便拆卸、檢測、維修與更換電池；⑤色彩風(fēng)格與醫(yī)院整體環(huán)境協(xié)調(diào)吻合；⑥小批量生產(chǎn)測試。

2.3概念設(shè)計

通過分析工作原理和設(shè)計需求，融入功能性、安全性、可靠性分析，初步定位輸液過程實時監(jiān)護儀內(nèi)框架結(jié)構(gòu)組成，框架上布置背光板、顯示板、觸摸PCB、PCB底板、重力傳感器和上下掛鉤，整個裝置外形稍大于手機外殼。

2.4輸液過程實時監(jiān)護儀系統(tǒng)優(yōu)勢

①采用高精度重力傳感器，傳感器精度可以達到0.01%，采用溫度補償算法，減少外界環(huán)境對系統(tǒng)的影響。②輸液過程智能識別算法，簡化操作步驟，使用便捷。③采用開放的2.4G頻段的Zigbee無線技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力強，組網(wǎng)便捷，并可以根據(jù)現(xiàn)場的需要調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。④節(jié)點采用電池供電方式，低功耗算法配合合理的休眠機制，最大限度降低節(jié)點功耗，工作時間平均功耗可以達0.5mW以下，電池更換時間大于1年。

3產(chǎn)品外觀設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1產(chǎn)品外觀設(shè)計

對于這樣一款醫(yī)療產(chǎn)品，除了在視覺風(fēng)格上與醫(yī)院的整體風(fēng)格相協(xié)調(diào)外，護理人員操作的便捷性，觀察內(nèi)容的清晰度與長時間多頻率操作的舒適度也是非常重要的條件，因此對于產(chǎn)品的尺寸設(shè)計大小，裝置放置位置都有很高的要求。裝置放置位置與視線基本保持水平或稍高于水平線，整個裝置必須符合人體工程學(xué)原理，使醫(yī)護人員操作簡單快捷；患者坐于裝置下方，抬頭觀察時，可清晰地看到顯示屏上顯示的數(shù)字，方便醫(yī)患雙方使用，使雙方得到良好的使用體驗。基于以上考慮，必須最大化屏幕尺寸，將觸摸按鍵位置設(shè)計于整個屏幕的下方，便于操作；為突出屏幕內(nèi)容，將屏幕四周設(shè)計成黑色外框，產(chǎn)品背面選取與整個醫(yī)院風(fēng)格相協(xié)調(diào)的白色；為了在任何光線下保證屏幕顯示內(nèi)容清晰，為屏幕設(shè)計背光及適當(dāng)時間的背光延時。為了縮小產(chǎn)品尺寸，使用定制的鋰電池?zé)o疑是最好的選擇，但是鋰電的缺點是需要充電維護，在醫(yī)院紛亂的環(huán)境下使用，充電不便，充電器的保存，用電安全都存在問題。而傳統(tǒng)電池不需要充電，即換即用，操作簡單，且單色液晶屏幕用電量小，一節(jié)電池可滿足長時間的需要，因此，需要使用傳統(tǒng)五號電池。考慮醫(yī)療用品的實際使用需要，結(jié)合抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學(xué)藥品性測試，綜合加工流程、制品尺寸穩(wěn)定程度、表面光澤性，以及噴鍍金屬、電鍍、焊接、熱壓和粘接等二次加工的難易程度，綜合定位后確定監(jiān)護儀主體選擇ABS塑料材質(zhì)。上下掛鉤部分無疑是使用頻率最高，承受沖擊力最大的部分，為了使產(chǎn)品更加經(jīng)久耐用，因此上方掛勾與產(chǎn)品設(shè)計為一體，下方掛鉤因為需要與重力傳感器相連接，因此設(shè)計為不銹鋼材質(zhì)。

3.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

重力傳感器必須位于產(chǎn)品的下方，傳感器一端用鉚釘與掛鉤相連，以便于及時采集輸液袋或輸液瓶重量，及時反饋于數(shù)據(jù)處理中心；為壓縮產(chǎn)品尺寸，觸摸PCB可以位于重力傳感器上方，但須留足間距，使屏幕PCB主板與觸摸PCB板之間針腳相連；為便于觀察，因此，將PCB與液晶屏幕設(shè)計于產(chǎn)品中間部分。與重力傳感器上下對稱位置設(shè)計電池槽。為最小化產(chǎn)品尺寸，使產(chǎn)品內(nèi)部空間盡量壓縮緊湊，因此在屏幕PCB板及觸摸PCB板的元器件布局上，進行精確設(shè)計，在保證布線布通率和飛線連接的前提下，就近放置有連線關(guān)系的元器件。設(shè)計合理版圖，充分考慮外部連接布局，優(yōu)化內(nèi)部電子元件的布局，優(yōu)化金屬連線和通孔的布局，充分考慮電磁保護和熱耗散等多種因素。

3.3產(chǎn)品的裝配和維護

方便裝配與維護，注重產(chǎn)品整體效果是本設(shè)計中考慮的兩個重點。因此，除PCB板外及重力傳感器與掛鉤的連接處以外，其余部分全部采用無螺絲的卡扣設(shè)計。如何使傳感器與掛鉤的連接螺絲能夠方便裝配而又不影響整體效果，成為了一個難題，本設(shè)計中創(chuàng)新性的設(shè)計了一個凹于整體平面的裝配口，再設(shè)計插片巧妙的將裝配口遮蓋起來，從而解決了難題并統(tǒng)一了整體風(fēng)格。背面設(shè)計電池槽與電池盒蓋，方便更換電池及進行后期維護。

4三維實體幾何建模與產(chǎn)品化流程

4.1三維實體模型的產(chǎn)品化流程

三維實體模型的產(chǎn)品化流程基本思路是：首先，使用SinmensNX軟件建立三維實體模型，然后將制作好的三維設(shè)計圖導(dǎo)出為stl格式，然后將文件導(dǎo)入到MakerWare軟件中，設(shè)置導(dǎo)出3D打印格式x3g，進行快速成型。成型后進行裝配測試。如果測試不合格則對照測試結(jié)果進行三維模型的修改，再次快速成型，反復(fù)測試，直至合格。合格后進入工業(yè)級3D打印機進行硅膠模具的開模，使用10-20個模具進行小范圍測試，測試合格后按需求數(shù)量進行簡易鋼模或正式鋼模的制作，投入使用。

4.2三維實體幾何建模

本例中使用SinmensNX軟件進行三維實體幾何模型的建立。（SiemensNX）是SiemensPLMSoftware公司出品的一個產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設(shè)計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段。因其強大的功能，友好的界面廣受開發(fā)者的好評。三維實體建模的基本步驟如下：按照之前對圖像數(shù)據(jù)的分析，進行草圖的設(shè)計和繪制，以掛鉤為例。根據(jù)數(shù)據(jù)草圖，在SinmensNX軟件中進行建模操作。首先按設(shè)計尺寸畫好輪廓線和截面線。執(zhí)行“掃掠”命令，將截面選項設(shè)置為“三次插值”“圓弧長對齊方式”“橫向縮放”，按起始點和方向順序，依次選取四條截面線即可完成鉤子的建模。按照以上方法，對產(chǎn)品各個幾何模型進行建模操作，建模完成后，再將各部分幾何模型添加到裝配中，該幾何模型將會自動成為裝配的一個組件。裝配完成后，使用配對命令對組件進行定位約束。為了方便查看裝配中的組件及其相互之間的裝配關(guān)系，我們可以建立裝配爆炸視圖，使各部分組件按裝配關(guān)系偏離原來的位置。

4.3產(chǎn)品整體組裝與測試

將三維設(shè)計圖轉(zhuǎn)換為stl格式導(dǎo)出，導(dǎo)入到MakerWare軟件中，設(shè)置導(dǎo)出3D打印格式x3g，進行快速成型。成型后進行裝配測試。測試完成后開硅膠模具，制作測試樣品20臺。裝配完成后，本例選擇在沈陽中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院進行小范圍測試，配備輸液過程實時監(jiān)護儀15臺，醫(yī)護人員手持信息終端5臺。啟動系統(tǒng)后，患者進行輸液時，即可不受限制，自行休息或娛樂，由終端自動報警，系統(tǒng)自動分配醫(yī)護人員，醫(yī)護人員就近處理。系統(tǒng)運行穩(wěn)定性良好，無障礙及故障發(fā)生，得到醫(yī)護人員與患者的好評。

5結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)的智能化輸液監(jiān)護系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的醫(yī)療模式，通過輸液過程實時監(jiān)測器和醫(yī)護人員的手持信息終端，改變傳統(tǒng)方式，使得醫(yī)院整體環(huán)境變的井然有序、安靜舒適。改善了醫(yī)院的服務(wù)水平，提高患者滿意度，使醫(yī)院的服務(wù)更為人性化。避免醫(yī)療差錯以及醫(yī)療事故發(fā)生。并且相對減輕了醫(yī)護人員的負擔(dān)。體現(xiàn)醫(yī)院的現(xiàn)代化，智能化水平。適應(yīng)醫(yī)院數(shù)字化新形勢，順應(yīng)國家大力推廣醫(yī)療改革，建立數(shù)字化醫(yī)院的大背景。

作者：劉奕君 趙強 劉菁 吳響 俞嘯 單位：徐州醫(yī)學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心/醫(yī)學(xué)信息學(xué)院