基于物联网的便携式肠内营养泵的设计*

蔡雨，王慧泉△，王康宁，赵文俊

(1.天津工业大学 生命科学学院，天津 300387；2.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387;3.南京法迈特科技发展有限公司，南京 210032)

1 引 言

营养不良直接影响患者的治愈率、病死率及并发症的发生率[1]。在我国，有30%～50%住院患者存在营养不良，需要临床营养支持。欧洲肠外肠内营养学会(ESPEN)和美国肠外肠内营养学会(ASPEN)在临床营养指南中，推荐对于营养需求不能经口满足的患者使用肠内营养(enteral nutrition，EN)[2-3]。EN可以更好地维持胃肠粘膜的结构和功能，维持肠道完整性，促进肠道蠕动，满足了患者的生理需求，阻断了营养不良与免疫功能低下的恶性循环，更有利于患者的恢复[4]。然而，EN使用不当可能引起腹泻、胃潴留、误吸等并发症，肠内营养泵( enteral feeding pump, EFP)在一定程度可降低EN患者并发症的病发率[5-6]。ESPEN和ASPEN也在临床营养指南中推荐对于长期(2～3 weeks)接受EN患者使用EFP[7]。

EFP的大量使用以及其功能的局限性给护士的操作和管理增加了工作量。同时，随着病情的恢复，需要数月或长期营养支持的患者选择进行家庭肠内营养，这使他们可以进行户外活动，提高患者生活质量[8-9]。然而我国的家庭肠内营养正处于初级阶段[10]，国内家庭肠内营养患者正在使用的EFP大多来自于国外(见表1)，价格较高，同时配套的输液管为一次性的，更增加了患者的经济负担。国内的营养液泵比较笨重，不方便患者携带，限制了患者的活动，不利于恢复。

堵塞和气泡检测是肠内营养泵研究的热点之一，毛靖宁等[11]用一种测力部件检测堵塞，该部件由测力部件外壳、弹性薄膜以及传感器组成，通过测力部件检测压力来确定是否有堵塞。刘颖[12]利用超声波经过不同介质时传播波形反射情况和穿透时间的能量变化不同的原理，设计了超声波换能器进行气泡检测。以上两种检测堵塞和气泡的方法均制作工艺复杂，体积大且成本高。本研究利用光电检测技术，通过阵列式排列的3个光耦传感器，减小体积、降低成本的同时实现了入口、出口堵塞以及气泡检测。

针对目前肠内营养泵使用数量多，不便于管理和体积大不便于携带这两大问题，本研究设计了一款方便操作和管理以及便于家庭肠内营养患者携带的营养泵。该肠内营养泵可同时满足医院和家庭肠内营养患者的需求，减少了护士的工作量并保证患者的安全，同时使家庭肠内营养患者享受正常的活动，提高患者的生活质量，符合构建以物联网为基础的智慧医疗系统的发展趋势[13]。

表1 国内肠内营养患者使用的EFP

2 系统物联网架构

基于物联网的便携式肠内营养泵系统包括便携式肠内营养泵设备和移动监护端软件，其物联网架构见图1。感知层由营养泵设备传感器节点、无线路由器网关、无线传感器网络构成，主要完成肠内营养泵与无线路由器构成局域网络，完成营养泵泵液、堵塞、气泡等信息的传输与控制。网络层由互联网、云服务器构成，主要完成感知层获取的信息通过互联网上传到云服务器进行处理。应用层实现营养泵参数设置和运行状态查看，护士通过移动监护端软件随时远程管理和查看患者的营养泵参数设置、运行状态，及时处理报警信息。

图1 物联网架构图

3 便携式肠内营养泵系统设计

3.1 便携式肠内营养泵设备硬件设计

为实现基于物联网便携式肠内营养泵设备硬件设计，本研究采用模块化设计将肠内营养泵设备分为主控芯片、供电模块、泵液模块、堵塞气泡检测模块、无线模块、人机交互模块，其中人机交互模块包括显示模块、报警模块和按键模块。设备硬件结构框图见图2。

图2 设备硬件结构框图

3.1.1供电模块 供电模块主要保障营养泵设备各模块的正常工作，考虑到设备的便携性需求，本研究采用一节3 400 mAh的18650锂电池作为设备的电源，以减少设备的重量和体积，采用BQ24070作为设备的电源管理芯片为系统提供4 V的稳定电压，该芯片具有动态电源路径管理功能，在充电同时可以为系统供电。当用户外出使用出现电量不足，可以使用充电宝为设备供电。而各模块由于功能的不同，需要不同电压进行供电，根据各模块所需的工作电压和电流，本研究选取TPS61025DRCR、LM2735Y、TPS61040DBV分别提供3.3、8、12 V电压。为降低功耗，本研究采用独立模块电源控制设计，即通过主控芯片对每个模块的供电电源独立控制。供电模块结构图见图3。

图3供电模块结构图

Fig.3Power supply module block diagram

3.1.2泵液模块 泵液模块由电机、蠕动泵头和蠕动软管组成。本研究采用低功耗的空心杯电机HS-1630，该电机体积小、功耗低，负载电流仅为100 mA。为达到设备所需的泵液速度范围，本研究设计了减速电机盒。已知该电机的转速为5 000 rpm，该设备所需最大流速为600 mL/h，设该蠕动泵头和蠕动软管下每转蠕动的液体体积为xmL，则：

(1)

为测得泵液模块的转速，本研究加入了霍尔传感器作为测速装置，霍尔测速装置见图4。通过霍尔传感器对减速齿轮上设计的12个磁铁检测进行计速，设两个磁铁检测时间为ts，则此时的转速为：

(2)

图4 霍尔测速装置

3.1.3堵塞气泡检测模块 堵塞和气泡是营养泵在使用的过程中经常出现的问题，堵管的发生率为8.7%～25.6%。堵管将可能延误营养的输送，严重将引起管道爆裂，更换鼻胃管道将增加患者的痛苦和经济负担，还有可能延误和加重病情[14-15]，空气也会引起患者胀气等不适症状。准确的堵塞和气泡检测并及时地干预可以降低以上问题的风险。为此，本研究利用光电检测技术，将光耦的红外接收晶体管固定在放大区工作，通过读取晶体管的输出电压来判断光耦传感器中介质的情况，槽型光耦传输特性检测电路见图5。设k为不同介质的变化系数，β为电流放大系数，可得到：

U0=VCC-kβIbR0

(3)

图5 槽型光耦传输特性检测电路图

基于此，本研究提出一种基于光耦传感器的检测堵塞和气泡的装置和方法，该装置见图6，3个传感器阵列式排布，传感器1和传感器3位于营养泵的入口端，用于检测入口是否发生堵塞以及是否有气泡进入管道。传感器2位于营养泵的出口端，用于检测人体端是否发生堵塞。当营养泵入口或出口处发生堵塞时，传感器1和传感器2处的检测软管会发生收缩或膨胀的细微形变，导致流经管道的体积也会发生变化，管道收缩和膨胀形变见图7。此时，系统根据读取到的传感器1和传感器2的AD值判断是否发生堵塞。此外，系统会根据读取到传感器3的液体和空气对应的不同AD值判断是否有气泡进入。

图6 光耦传感器检测堵塞和气泡的装置

图7 堵塞时检测软管细微形变

3.1.4无线模块 无线模块用于构建物联网架构的局域网络。本研究采用ESP8266无线传感器作为设备的感知节点，用于完成营养泵泵液、堵塞、气泡等信息的传输与控制。ESP8266是一款性能稳定、低功耗、高集成的Wi-Fi芯片，内置超低功耗Tensilica 32位处理器，支持Wi-Fi协议栈，满足设计要求。营养泵中的ESP8266通过串口方式与主控芯片通信，可将获取到营养泵的参数信息通过Wi-Fi形式转发出去，传输到云服务器，移动监护端可通过服务器发送和接收营养泵的数据信息。护士可以通过移动监护端远程对其管辖的患者的营养泵进行监控和设置相关参数，同时泵在运行过程中如果出现报警也能及时传递给护士。该设计很大程度地减少了护士的工作量并降低了患者危险的发生。

3.1.5人机交互模块 人机交互模块包括显示模块、按键模块和报警模块，用于显示和设置营养泵运行的模式、速度等参数以及堵塞、气泡报警等提示。为降低功耗，显示模块采用的是2.42寸的OLED屏，通过IIC接口与主控芯片进行通信，界面采用分级菜单设计，显示营养泵的参数设置、运行状态等信息。在符合人机工程的前提下，将按键模块设计到最简，通过6个按键的长按和短按实现开机和关机、模式切换、选择确认、上调、下调、清除、返回、运行、停止、全速运行等功能的控制。报警模块采用蜂鸣器用于堵塞检测、气泡检测、泵饲完成、电量低等情况的声音提示，保障了故障的及时干预。

设备以STM32单片机作为主控芯片，通过读取按键和控制OLED显示模块进行人机交互，根据用户所设定的模式、速度、总量、间隔时间等参数控制直流电机和霍尔元件构成的泵液模块进行泵液。在运行过程中，以阵列式排列的3个槽型光电传感器构成的检测模块读取到的信息来判读是否有入口堵塞、出口堵塞或气泡产生，当检测到有堵塞或气泡产生时，便通过蜂鸣器构成的报警模块及显示模块进行报警提示。同时，多个营养液泵通过无线模块可以组成局域网，护士只需使用一个APP软件即可查看和管理多个营养泵设备。便携式肠内营养泵的整体设计图见图8。

图8 便携式肠内营养泵的整体设计图

3.2 便携式肠内营养泵设备程序设计

营养泵设备程序主要完成局域组网、读取按键和控制OLED显示进行人机交互。根据用户所设定的参数控制泵液模块进行泵液，在运行的过程中，判读是否有堵塞或气泡产生，并发出报警提示或运行完成提示。程序流程见图9。

图9 程序流程图

3.3 移动监护端软件设计

移动监护端软件主要实现组网、营养泵参数设置和运行状态查看，护士通过移动监护端软件随时远程管理和查看病人的营养泵参数设置、运行状态，及时处理报警信息。移动监护端软件流程见图10。当多台设备连接到移动监护端软件后，护士可以对多台营养泵设备进行监控。

图10 移动监护端软件流程图

4 结束语

本研究的基于物联网的便携式肠内营养泵，通过选型、电路设计、器件布局、PCB走线、算法设计使其具有成本低、体积小、功耗低、喂饲精度高、检测灵敏度高、便于携带和长时间室外使用等优点。系统可以在医院内组成局域网，减少护士的工作量，便于管理与查看，非常符合新型远程医疗概念。同时由于其便携性和低功耗，也适用于家庭肠内营养患者使用，解决了一些患者因为无法经口营养而被固定在病床上的困扰，提高了肠内营养患者的生活质量。便携式肠内营养泵与物联网的结合符合智慧医疗的趋势，显著提高了临床照护质量与效率以及患者恢复正常生活的几率。