CN109568724B - 一种基于rfid无源感知的输液滴速监测系统及其工作方法 - Google Patents

一种基于rfid无源感知的输液滴速监测系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于RFID无源感知的输液滴速监测系统及其工作方法，系统包括插有RFID标签的无源滴速感知器、滴速感知一体机、服务器平台和滴速感知客户端，其中滴速感知一体机配有RFID阅读器、处理器和通信模块。滴速感知一体机持续与无源滴速感知器进行通信，获得其返回的标签信号数据，处理器利用标签相位信号特征，通过计算一段时间内相位信号中因液滴滴落造成的脉冲式突变的次数来计算该段时间内的输液滴速，并将计算结果通过通信模块持续发送至服务器平台。滴速感知客户端通过访问服务器平台获得滴速的计算结果，判断滴速是否异常并适时预警。本发明采用非接触式感知技术，无需接触液体，通过获得无源滴速感知来实现精确的滴液感知。

Description

一种基于RFID无源感知的输液滴速监测系统及其工作方法
技术领域
本发明属于RFID无源感知和智慧医疗技术领域，具体涉及一种基于RFID无源感知的输液滴速监测系统及其工作方法。
背景技术
在当今医疗体系中，静脉输液依然是临床治疗的一种主要手段，通常病人需要时刻关注自己的输液情况，以防止出现各种如针尖划破血管导致的输液部位肿胀、输液完毕时的静脉回血以及滴速过快诱发的自身疾病等意外事件。然而，仅靠病患自身或医护人员的定期巡查，很难及时发现意外情况并进行处理，因此我们需要智能的自动输液监测系统，在发生输液意外时及时对医护人员进行预警。当前主要的输液解决方案包括如下几种：1)基于称重的监控方式：通过电子秤称重的方式获得输液袋或输液瓶的重量，通过重量的变化得到输液量的变化，将结果通过蓝牙传输到终端，然而这种方式不仅精度低、误差大，而且无法计算输液滴速，无法精确监控出意外事件的出现。2)基于红外感应监控：基于红外感应对输液袋和输液瓶的输液情况进行监控，只能在输液完成后进行报警提示，无法提前预警和精确监控意外事件。并且，大部分解决方案面向的都是输液量的监测，而鲜有关注输液滴速的解决方案，所以均无法快速定位意外事件。
因此，基于上述考虑，有必要提出一套创新的输液滴速监测系统，可以从滴速信息入手，快速监控到各种意外事件的发生，并且将精度提升到液滴级别，达到与输液泵同等的水平。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于RFID无源感知的输液滴速监测系统及其工作方法，以解决现有技术中仅靠病患自身或医护人员的定期巡查，很难及时发现意外情况并进行处理的问题，本发明采用非接触式感知技术，无需接触液体，通过获得无源滴速感知来实现精确的滴液感知。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种基于RFID无源感知的输液滴速监测系统，包括：无源滴速感知器、滴速感知一体机、服务器平台及滴速感知客户端；其中，
无源滴速感知器，与输液器的滴管侧壁接触设置，其被滴速感知一体机发出的无线射频信号激活，持续发送反馈信号，并以反馈信号的相位波动感知滴管内液滴的滴落；
滴速感知一体机，实时采集无源滴速感知器发出的无线射频信号，获取相位信号特征数据，对采集到的数据进行处理得到输液滴速，并将结果数据发送至服务器平台；
服务器平台，实时获取滴速感知一体机发送的输液滴速结果数据，并将其存储于数据库中；
滴速感知客户端，实时从服务器平台的数据库中获得输液滴速计算结果，并判断输液滴速是否异常，在输液滴速异常时候发出预警。
进一步地，所述无源滴速感知器包含：RFID标签及标签固定支架，该标签固定支架的顶部呈圆形设计，中心设有通孔，且顶部还设有贯穿到通孔位置的缺口，通过该缺口使得输液器的导液管置于通孔中；该标签固定支架的侧壁设有容纳空间，用于插设RFID标签；该标签固定支架套设于输液器的滴管上。
进一步地，所述滴速感知一体机包含RFID阅读器、处理器和通信模块；RFID阅读器实时采集周边的无源滴速感知器发出的无线射频信号，获取相位信号特征数据；处理器队采集到的数据进行处理得到输液滴速结果数据；通信模块将结果数据发送至服务器平台。进一步地，所述RFID阅读器及其RFID标签为超高频规格，频率为860-960MHz，RFID阅读器通过EPC Global C1 G2协议读写RFID标签。
进一步地，所述RFID阅读器上设有RFID天线，其为线性极化或圆极化天线。
进一步地，所述滴速感知一体机计算得到输液滴速结果数据的方法为：
a.获得时间窗口为t秒内RFID标签的相位信号数据，记为W；
b.对相位信号数据W进行离散小波变换(DWT)，将原始信号数据W分解为n部分，W＝{w1，w2，...，wi，...，wn}，其中i越大，wi包含的信号频率越高，去除掉代表低频信息的w1和w2部分后，使用逆离散小波变换(IDWT)恢复相位信号数据，记为W′；其中，n默认值为4≤n≤8；
c.对处理过后的相位信号W′进行首次波峰计数，获得相邻波峰间最大间隙dmax和相邻波峰间最小间隙dmin；
d.调整最小相邻波峰间间隙参数d，以步长为(dmax-dmin)/100，从dmin到dmax取值，用调整后的参数重新对W′进行波峰计数，计算所有相邻波峰间间隙的方差v；
e.从上述步骤d的所有结果中取使方差v最小的波峰统计结果作为最终结果，记最终波峰数量为s，最终在t秒内输液滴速为s/t。
滴速感知客户端可根据护士预设的异常滴速阈值来判断输液滴速是否异常，并且该阈值可以针对病人的具体情况进行调整；默认值为小于10滴/分钟或大于80滴/分钟即判定为异常情况。
本发明的一种基于RFID无源感知的输液滴速监测方法，其基于上述系统，包括步骤如下：
1)将无源滴速感知器与输液器的滴管侧壁接触设置；
2)RFID阅读器实时采集有效范围内的RFID标签信息，获取无线射频信号数据，包括信号强度、阅读率和相位信息；
3)处理器对上述采集到的无线射频信号数据进行计算得到输液滴速结果数据，并通过通信模块将结果数据发送并存储至服务器平台的数据库中；
4)滴速感知客户端获取服务器平台的数据库中的输液滴速结果数据，并在判断输液滴速异常时发出预警。
进一步地，所述步骤3)中的计算得到输液滴速结果数据的方法为：
31)获得时间窗口为t秒内RFID标签的相位信号数据，记为W；
32)对相位信号数据W进行离散小波变换(DWT)，将原始信号数据W分解为n部分，W＝{w1，w2，...，wi，...，wn}，其中i越大，wi包含的信号频率越高，去除掉代表低频信息的w1和w2部分后，使用逆离散小波变换(IDWT)恢复相位信号数据，记为W′；其中，n默认值为4≤n≤8；
33)对处理过后的相位信号W′进行首次波峰计数，获得相邻波峰间最大间隙dmax和相邻波峰间最小间隙dmin；
34)调整最小相邻波峰间间隙参数d，以步长为(dmax-dmin)/100，从dmin到dmax取值，用调整后的参数重新对W′进行波峰计数，计算所有相邻波峰间间隙的方差v；
35)从上述步骤34)的所有结果中取使方差v最小的波峰统计结果作为最终结果，记最终波峰数量为s，最终在t秒内输液滴速为s/t。
本发明的有益效果：
1、高精度实时滴速监测：对输液瓶/输液袋的滴速进行高精度的监测，监测精度达到液滴(毫升)级别。
2、意外事件监控：利用智能化算法设计，精确监控到意外事件的发生，并能够区分出不同的输液意外事件，向医护人员发送相应的预警。
3、降低维护开销：使用RFID无源标签和无源滴速感知器，并且可以反复进行使用，无需对设备进行更换电池等维护措施，降低开销，绿色环保。
4、输液无污染：采用非接触式感知，不与液体进行接触，不会污染到输液过程。
5、环境要求低：对环境包括光线人数场景等要求低，可以在复杂环境下正常工作。
附图说明
图1为系统架构图；
图2为无源滴速感知器应用示意图；
图3为标签固定支架的结构图；
图4为滴速感知客户端交互界面示意图；
图5为滴速监测算法流程图；
图6为滴速监测原理图；
图7为相位脉冲式变化示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1至图3所示，本发明的一种基于RFID无源感知的输液滴速监测系统，包括：无源滴速感知器、滴速感知一体机、服务器平台及滴速感知客户端；其中，
无源滴速感知器，与输液器的滴管侧壁接触设置，其会被滴速感知一体机发出的无线射频信号激活，持续发送可被滴速感知一体机接收的无线射频信号，其中滴管内液滴的滴落会导致该信号的相位发生脉冲状波动；
无源滴速感知器包含：RFID标签1及标签固定支架2，该标签固定支架的顶部21呈圆形设计，中心设有通孔22，且顶部还设有贯穿到通孔位置的缺口23，通过该缺口使得输液器的导液管3置于通孔中；该标签固定支架的侧壁24设有容纳空间25，用于插设RFID标签；该标签固定支架2套设于输液器的滴管4上。
滴速感知一体机，实时采集无源滴速感知器发出的无线射频信号，获取相位信号特征数据，对采集到的数据进行处理得到输液滴速，并将结果数据发送至服务器平台；
所述滴速感知一体机包含RFID阅读器、处理器和通信模块；RFID阅读器实时采集周边的无源滴速感知器发出的无线射频信号，获取相位信号特征数据；处理器队采集到的数据进行处理得到输液滴速结果数据；通信模块将结果数据发送至服务器平台。进一步地，所述RFID阅读器及其RFID标签为超高频规格，频率为860-960MHz，RFID阅读器通过EPCGlobal C1G2协议读写RFID标签；所述RFID阅读器上设有RFID天线，其为线性极化或圆极化天线。
服务器平台，实时获取滴速感知一体机发送的输液滴速结果数据，并将其存储于数据库中；
滴速感知客户端：实时从服务器平台的数据库中获得输液滴速计算结果，并判断输液滴速是否异常，在异常时候发出预警。滴速感知客户端可根据护士预设的异常滴速阈值来判断输液滴速是否异常，并且该阈值可以针对病人的具体情况进行调整；默认值为小于10滴/分钟或大于80滴/分钟即判定为异常情况。
本发明的一种基于RFID无源感知的输液滴速监测方法，其基于上述系统，包括步骤如下：
1)将无源滴速感知器与输液器的滴管侧壁接触设置；
2)RFID阅读器实时采集有效范围内的RFID标签信息，获取无线射频信号数据，包括信号强度、阅读率和相位信息；
3)处理器通过上述采集到的无线射频信号数据计算得到输液滴速结果数据，并通过通信模块将结果数据发送并存储至服务器平台的数据库中；
4)滴速感知客户端获取服务器平台的数据库中的输液滴速结果数据，并在输液滴速异常时发出预警。
进行滴速监测时，由医护人员将无源滴速感知器套设在输液器的滴管之上，安置输液袋并保证无源滴速感知器在滴速感知一体机的扫描范围之内。滴速感知一体机实时采集无源滴速感知器发出的无线射频信号，获取相位信号特征数据，对采集到的数据进行处理得到输液滴速，并将结果数据发送至服务器平台。服务器平台实时获取滴速感知一体机发送的输液滴速结果数据，并将其存储于数据库中。滴速感知客户端安装在护士站的计算机上，实时从服务器平台的数据库中获得各个已部署无源滴速感知器的病床的输液滴速计算结果。然后根据医护人员预设的异常滴速阈值来判断输液滴速是否异常，并适时发出预警，提示医护人员进行处理。
图4是客户端交互界面示意图，主要包含了系统信息栏、滴速监测栏和弹窗预警。系统信息栏主要包含了一些系统信息，包括系统名称，系统工作状态等。滴速监测栏是整个客户端的核心部分，包括了各个输液瓶或输液袋的床号、滴速、输液状态等信息。弹窗预警在输液袋的滴速出现异常，即输液状态出现异常时出现，在客户端中央弹出，对医护人员进行预警。
参照图5所示，所述步骤3)中的计算得到输液滴速结果数据的方法为：
31)获得时间窗口为t秒内RFID标签的相位信号数据，记为W；
32)为了去除噪声影响，对相位信号数据W进行离散小波变换(DWT)，将原始信号数据W分解为n部分，W＝{w1，w2，...，wi，...，wn}，其中i越大，wi包含的信号频率越高，去除掉代表低频信息的w1和w2部分后，使用逆离散小波变换(IDWT)恢复相位信号数据，记为W′；示例中，n默认值为7；于其他示例中，n默认值为4≤n≤8。
33)对处理过后的相位信号W′进行首次波峰计数，获得相邻波峰间最大间隙dmax和相邻波峰间最小间隙dmin；
34)调整最小相邻波峰间间隙参数d，以步长为(dmax-dmin)/100，从dmin到dmax取值，用调整后的参数重新对W′进行波峰计数，计算所有相邻波峰间间隙的方差v；
35)从上述步骤34)的所有结果中取使方差v最小的波峰统计结果作为最终结果，记最终波峰数量为s，最终在t秒内输液滴速为s/t(滴/秒)。
所述步骤31)所获得的相位信号数据W，需要进行预处理：
311)因为所获相位存在π跃变，需要更正原始相位W消除其不连续性，使Wp＝W*2，让π的跃变变为2π；
312)当Wp的连续元素之间的绝对跃变大于或等于π弧度的跃变容差时，在元素上补偿±2π的倍数来修正弧度相位，使Wp更具有单调性和连续性；
313)将修正跃变后的相位信号数据还原，使W＝Wp÷2。
其中，所述步骤33)进行波峰计数的方法为：
331)取相位信号数据W的平均值记为
Figure BDA0001864576700000051
最大值记为Wmax；
332)进行波峰计数，统计所有的波峰w，满足
Figure BDA0001864576700000052
其中w∈W；
333)计算所有相邻两波峰间间隙，所有相邻两波峰间间隙平均值记为
Figure BDA0001864576700000061
334)重新进行步骤332)，增加条件
Figure BDA0001864576700000062
其中i与j为相邻波峰对应的时间点，j-i表示相邻波峰间间隙，即满足相邻两波峰间间隙大于
Figure BDA0001864576700000063
获得所有的波峰w′；
335)利用所有的波峰w′，获得步骤33)中所需的相邻波峰间最大间隙dmax和相邻波峰间最小间隙dmin。
其中，所述步骤34)中进行波峰计数的方法为：
341)记相位信号全体数据为W，取相位信号数据W的平均值记为
Figure BDA0001864576700000064
最大值记为Wmax；
342)对其进行波峰计数，统计所有的波峰w，满足
Figure BDA0001864576700000065
其中w∈W，同时满足j-i＞d，其中i与j为相邻波峰对应的时间点，j-i表示相邻波峰间间隙，即满足相邻两波峰间间隙大于d，其中d的取值即为需要调整的最小相邻波峰间间隙参数；
图6是滴速监测原理图。RFID信号会受到液体的反射作用，如图6所示标签接收的信号主要来自三条传播路径，包括视距传播路径SA→T，液面反射传播路径SA→B→T以及环境反射路径SA→C→T，最终混合信号会以后向散射信号的方式传播回天线。因为相位信号主要依赖于信号传播的距离，所以当传播路径突然因为液滴滴落造成的液面震荡而发生改变时，相位信号将发生脉冲式突变如图7所示。因此，我们可以利用计算一段时间内相位信号中脉冲式突变的次数来估算这段时间内的滴速。
目前已有的使用RFID技术进行输液监测的方法，大多使用射频信号的阅读率或信号强度(RSSI)来对输液是否结束进行监测，而无法对滴速进行精准有效的测量计算，也无法监测到输液过程中出现的异常情况。本发明的方法高精度实时滴速监测：对输液瓶/输液袋的滴速进行高精度的监测，监测精度达到液滴(毫升)级别。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于RFID无源感知的输液滴速监测系统，其特征在于，包括：无源滴速感知器、滴速感知一体机、服务器平台及滴速感知客户端；其中，
无源滴速感知器，与输液器的滴管侧壁接触设置，其被滴速感知一体机发出的无线射频信号激活，持续发送反馈信号，并以反馈信号的相位波动感知滴管内液滴的滴落；
滴速感知一体机，实时采集无源滴速感知器发出的无线射频信号，获取相位信号特征数据，对采集到的数据进行处理得到输液滴速，并将结果数据发送至服务器平台；
服务器平台，实时获取滴速感知一体机发送的输液滴速结果数据，并将其存储于数据库中；
滴速感知客户端，实时从服务器平台的数据库中获得输液滴速计算结果，并判断输液滴速是否异常，在输液滴速异常时候发出预警；
所述滴速感知一体机计算得到输液滴速结果数据的方法为：
a.获得时间窗口为t秒内RFID标签的相位信号数据，记为W；
b.对相位信号数据W进行离散小波变换，将原始信号数据W分解为n部分，W＝{w1，w2，...，wi，...，wn}，其中i越大，wi包含的信号频率越高，去除掉代表低频信息的w1和w2部分后，使用逆离散小波变换恢复相位信号数据，记为W′；其中，n默认值为4≤n≤8；
c.对处理过后的相位信号W′进行首次波峰计数，获得相邻波峰间最大间隙dmax和相邻波峰间最小间隙dmin；
d.调整最小相邻波峰间间隙参数d，以步长为(dmax-dmin)/100，从dmin到dmax取值，用调整后的参数重新对W′进行波峰计数，计算所有相邻波峰间间隙的方差v；
e.从上述步骤d的所有结果中取使方差v最小的波峰统计结果作为最终结果，记最终波峰数量为s，最终在t秒内输液滴速为s/t；
所获得的相位信号数据W，需要进行预处理：
更正原始相位W消除其不连续性，使Wp＝W*2，让π的跃变变为2π；
当Wp的连续元素之间的绝对跃变大于或等于π弧度的跃变容差时，在元素上补偿±2π的倍数来修正弧度相位；
将修正跃变后的相位信号数据还原，使W＝Wp÷2。
2.根据权利要求1所述的基于RFID无源感知的输液滴速监测系统，其特征在于，所述无源滴速感知器包含：RFID标签及标签固定支架，该标签固定支架的顶部呈圆形设计，中心设有通孔，且顶部还设有贯穿到通孔位置的缺口，通过该缺口使得输液器的导液管置于通孔中；该标签固定支架的侧壁设有容纳空间，用于插设RFID标签；该标签固定支架套设于输液器的滴管上。
3.根据权利要求1所述的基于RFID无源感知的输液滴速监测系统，其特征在于，所述滴速感知一体机包含RFID阅读器、处理器和通信模块；RFID阅读器实时采集周边的无源滴速感知器发出的无线射频信号，获取相位信号特征数据；处理器队采集到的数据进行处理得到输液滴速结果数据；通信模块将结果数据发送至服务器平台。
4.根据权利要求3所述的基于RFID无源感知的输液滴速监测系统，其特征在于，所述RFID阅读器及其RFID标签为超高频规格，频率为860-960MHz，RFID阅读器通过EPC GlobalC1 G2协议读写RFID标签。
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