CN113289141B - 一种基于rfid双标签感知的输液滴速监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RFID双标签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；无源滴速感知器，与输液器的滴管侧壁接触设置，其包含：两个RFID标签及标签固定支架，该标签固定支架由一个背板及两个平行且对齐放置的夹板构成，所述背板嵌设于两个夹板上，两个夹板之间形成有用于嵌设滴管的容纳空间；所述背板内设有两个用于容纳RFID标签的卡槽，在背板上且与夹板相配合的位置设有一个凹槽，通过该凹槽使得与之相对应的卡槽中的RFID标签外漏于背板，且RFID标签外漏部分紧贴于滴管的表面。本发明通过引入双标签机制，能够在环境中存在复杂多径干扰的情况下，对输液瓶/输液袋的滴速进行鲁棒的监测。

Description

一种基于RFID双标签感知的输液滴速监测系统

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双标签感知的输液滴速监测系统。

背景技术

在当今医疗体系中，静脉输液是临床治疗上最常用的手段之一，输液过程中药液以一个特定的滴速流入静脉是一件非常重要的事情。一方面如果滴速太高，将会对患者产生不良的生理影响，例如血压升高和心律减慢。对于心脏、肾脏或肝脏存在问题的患者，过快的滴速会导致肺水肿等危害。另一方面如果滴速太低，例如输液滴速变为零，则输液过程应当立即结束否则可能会引发血液回流。病人的输液状况仅靠医护人员的定期巡查，很难及时发现意外情况并进行处理，因此需要一套智能的自动输液滴速监测系统，在发生输液滴速异常时及时对医护人员进行预警。

当前主要的输液滴速解决方案包括如下几种：

1)护士人工计数的方式：护士通过一边观察时钟走过的时间一边计数滴管中下落的液滴来估计输液的滴速。这种方式消耗人力成本大，且可能由于人为错误而可能不准确。

2)基于红外等传感器监控：通过在输液滴管周围部署一对光电发射器和接收器，统计单位时间内由于液滴下落遮挡光束导致光强突变的次数估计滴速。这种方式需要在滴管周围进行复杂的部署，并且传感器工作需要供电和例行维护。

3)基于无线信号监控：通过在滴管上部署一个标签，通过统计一段时间液滴下落导致的标签信号突变次数估计滴速。由于无线信号易受环境干扰，这种方式难以稳定地工作在人员流动较多的病房或者输液大厅中。

因此，基于上述考虑，有必要提出一种新的输液滴速监测系统，不仅可以准确实时的监控输液滴速，还需具备较强的抗干扰能力，能够在真实环境中鲁棒的工作。

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双标签感知的输液滴速监测系统，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器中插入的RFID双标签的信号特征来实现精确而鲁棒地感知。

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双标签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；

无源滴速感知器，与输液器的滴管侧壁接触设置，其包含：两个RFID标签及标签固定支架，该标签固定支架由一个背板及两个平行且对齐放置的夹板构成，所述背板嵌设于两个夹板上，两个夹板之间形成有用于嵌设滴管的容纳空间；所述背板内设有两个用于容纳RFID标签的卡槽，在背板上且与夹板相配合的位置设有一个凹槽，通过该凹槽使得与之相对应的卡槽中的RFID标签外漏于背板，且RFID标签外漏部分紧贴于滴管的表面；

所述RFID标签被滴速感知一体机发出的无线射频信号激活后，持续发送反馈信号，并以反馈信号的相位突变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，获取两个RFID标签的相位信号特征数据，对采集到的数据进行处理消除环境干扰以得到输液滴速，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取输液滴速计算结果，并判断输液滴速是否异常，在输液滴速异常时发出预警。

进一步地，所述背板嵌设于两个夹板的三分之一处。

进一步地，所述两个RFID标签的内边的间距设置在1cm到4cm之间，默认为2cm。

进一步地，在套设标签固定支架时应保证标签固定支架内的RFID标签的下边沿位于滴管中的液面上方。

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；所述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，获取无源滴速感知器中两个RFID标签的信号特征数据；所述处理器对采集到的数据进行处理，消除环境干扰的影响并计算得到输液滴速结果数据；所述通信模块将结果数据发送至服务器平台。

进一步地，所述两个RFID标签分为：感知标签和参考标签；其中，紧贴于滴管表面的RFID标签为感知标签。

进一步地，所述RFID标签的信号特征数据包括EPC、信号强度、相位信息和时间戳。

进一步地，所述RFID阅读器及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，所述滴速感知一体机计算得到输液滴速结果数据的方法为：

(1)获得时间窗口为t秒内两个RFID标签的相位信号数据，感知标签数据记为(T₁，W₁)，参考标签数据记为(T₂，W₂)，T为时间戳，W为相位数据；

(2)对参考标签信号进行整形操作，记整形后的参考标签的相位数据为

计算两个RFID标签信号的差分

并对差分信号进行高通滤波得到去噪后的相位数据W₄；

(3)将去噪后的相位数据W₄归一化到区间[-1，1]，然后计算其自相关得到自相关序列R_cor；

(4)以自相关序列R_cor中最大值的2/3为初始阈值，并将初始阈值调整步长设为最大值的1/25，识别所有大于初始阈值的波峰，直到波峰数目不低于K个；记识别的波峰为(p₁，p₂，p₃，...，p_K)，K的数值可取3到7；

(5)计算相邻波峰的采样点间隔，得到(d₁，d₂，d₃，...，d_K-1)；

(6)对相邻波峰的采样点间隔进行聚类，并计算聚类结果的最大簇的均值得到p，记相位采样率为r，计算得到当前滴速s，公式如下：

s＝(60×r/p)。

进一步地，所述步骤(1)具体还包括：对获得相位信号数据进行预处理；

(11)更正两个RFID标签原始相位数据W₁和W₂消除其不连续性，使相位数据W₁＝W₁*2，W₂＝W₂*2，让π的跃变变为2π；

(12)当W₁和W₂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；

(13)将修正跃变后的相位数据还原，使W₁＝W₁÷2，W₂＝W₂÷2；

(14)对两个RFID标签移除相位不连续性后的数据进行重采样，采样方法为三次样条插值，采样间隔的默认值为10ms。

进一步地，所述步骤(2)中的整形操作为：按照时间长度Δ_t对信号W₁和W₂进行分块，W₁＝{W₁[0～Δ_t]，W₁[Δ_t～2Δ_t]，...，W₁[t-Δ_t～t]}，W₂分块方法与W₁的相同；对W₂中的每块执行变换

参数c和d满足

的值最小；分块的时间长度Δ_t取5到20个样本数据的采样时间。

本发明的一种基于RFID双标签感知的输液滴速监测系统的工作方法如下：

1)将插有RFID双标签的无源滴速感知器嵌套在输液器的滴管上，并将其放置在滴速感知一体机的RFID阅读器的有效读取范围内；

2)RFID阅读器实时采集有效范围内的RFID标签信息，获取信号数据，包括时间戳、信号强度和相位信息；

3)滴速感知一体机的处理器对上述采集到的信号数据进行计算得到输液滴速结果数据，通过通信模块将计算结果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。

本发明中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。

本发明的有益效果：

1、鲁棒的滴速监测：通过引入双标签机制，能够在环境中存在复杂多径干扰的情况下，对输液瓶/输液袋的滴速进行鲁棒的监测；与现有的单标签技术相比，本发明具有更好的鲁棒性，能够在更复杂的环境(输液架周围存在多人活动)中稳定工作。

2、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。

3、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。

4、降低维护开销：使用RFID无源标签和无源滴速感知器，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。

5、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。

6、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为基于RFID双标签感知的输液滴速监测系统架构图；

图2为无源滴速感知器应用示意图；

图3为标签固定支架结构图；

图4为滴速监测算法流程图；

图5a为滴速监测原理图；

图5b为含有滴速波峰的相位数据图；

图6为双标签消除干扰原理图；

图7a为相位整形前的差分信号图；

图7b为相位整形后的差分信号图。

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-图3所示，本发明的一种基于RFID双标签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；

无源滴速感知器，与输液器的滴管侧壁接触设置，其包含：两个RFID标签1及标签固定支架2，该标签固定支架2由一个背板24及两个平行且对齐放置的夹板21构成，所述背板24嵌设于两个夹板21的三分之一处，两个夹板21之间形成有用于嵌设滴管3的容纳空间23；所述背板24内设有两个用于容纳RFID标签的卡槽，在背板24上且与夹板21相配合的位置设有一个凹槽22，通过该凹槽使得与之相对应的卡槽中的RFID标签外漏于背板24，且RFID标签外漏部分紧贴于滴管3的表面；

所述RFID标签被滴速感知一体机发出的无线射频信号激活后，持续发送反馈信号，并以反馈信号的相位突变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，获取两个RFID标签的相位信号特征数据，对采集到的数据进行处理消除环境干扰以得到输液滴速，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取输液滴速计算结果，并判断输液滴速是否异常，在输液滴速异常时发出预警。

其中，所述两个RFID标签的内边的间距设置在1cm到4cm之间，默认为2cm。间距如果太小，卡槽内的标签信号会产生互耦合，导致信号不可用。间距如果太大，则双标签方案不能有效消除环境干扰的影响。

需要说明的是，在套设标签固定支架时应保证标签固定支架内的RFID标签的下边沿位于滴管中的液面上方。

示例中，所述滴速感知一体机包含：RFID阅读器、处理器和通信模块；所述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，获取无源滴速感知器中两个RFID标签的信号特征数据；所述处理器对采集到的数据进行处理，消除环境干扰的影响并计算得到输液滴速结果数据；所述通信模块将结果数据发送至服务器平台。所述RFID阅读器及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。

所述两个RFID标签分为：感知标签和参考标签；其中，紧贴于滴管3的表面的RFID标签为感知标签。

RFID标签的信号特征数据包括EPC、信号强度、相位信息和时间戳。

参照图4所示，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：

(1)获得时间窗口为t秒内两个RFID标签的相位信号数据，感知标签数据记为(T₁，W₁)，参考标签数据记为(T₂，W₂)，T为时间戳，W为相位数据；

(2)对参考标签信号进行整形操作，记整形后的参考标签的相位数据为

计算两个RFID标签信号的差分

并对差分信号进行高通滤波得到去噪后的相位数据W₄；

(3)将去噪后的相位数据W₄归一化到区间[-1，1]，然后计算其自相关得到自相关序列R_cor；

(4)以自相关序列R_cor中最大值的2/3为初始阈值，并将初始阈值调整步长设为最大值的1/25，识别所有大于初始阈值的波峰，直到波峰数目不低于K个；记识别的波峰为(p₁，p₂，p₃，...，p_K)，K的数值可取3到7；

(5)计算相邻波峰的采样点间隔，得到(d₁，d₂，d₃，...，d_K-1)；

(6)对相邻波峰的采样点间隔进行聚类，并计算聚类结果的最大簇的均值得到p，记相位采样率为r，计算得到当前滴速s，公式如下：

s＝(60×r/p)。

其中，所述步骤(1)具体还包括：对获得相位信号数据进行预处理；

(11)更正两个RFID标签原始相位数据W₁和W₂消除其不连续性，使相位数据W₁＝W₁*2，W₂＝W₂*2，让π的跃变变为2π；

(12)当W₁和W₂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；

(13)将修正跃变后的相位数据还原，使W₁＝W₁÷2，W₂＝W₂÷2；

(14)对两个RFID标签移除相位不连续性后的数据进行重采样，采样方法为三次样条插值，采样间隔的默认值为10ms。

所述步骤(2)中的整形操作为：按照时间长度Δ_t对信号W₁和W₂进行分块，W₁＝{W₁[0～Δ_t]，W₁[Δ_t～2Δ_t]，...，W₁[t-Δ_t～t]}，W₂分块方法与W₁的相同；对W₂中的每块执行变换

参数c和d满足

的值最小；分块的时间长度Δ_t取5到20个样本数据的采样时间。

图5a和图5b是滴速监测原理图；RFID信号会受到液体的反射作用，如图5a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S_A→T，液面反射传播路径S_A→B→T以及环境反射路径S_A→C→T，最终混合信号会以反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，相位信号产生突变形成的波峰如图5b所示。因此，我们可以利用计算一段时间内相位信号中波峰的间隔来估算这段时间内的滴速。

图6是双标签消除干扰原理图；在输液滴管周围部署一个感知标签和一个参考标签，感知标签对液面振动非常敏感可感知滴速，参考标签部署在滴管一侧对液面振动不敏感用于感知环境中的多径干扰。两个RFID标签之间的距离较近只有(1-4cm)，而阅读器天线到标签对的距离(1-5m)要相对远得多，在这个较远距离下标签对中的两个RFID标签所收到的环境干扰可认为近似相同。两个RFID标签中仅有感知标签的相位信号中包含了滴速信息，通过计算标签对中的两个标签的相位信号的差分，可抵消大部分周围环境中的多径干扰。

图7a和图7b为相位整形前后信号对比图。在计算双标签的差分信号时，由于RFID标签的物理特性等差异，两个RFID标签的信号有着些微差异，需要先对参考标签的信号进行整形处理使得两个标签的信号尽可能相似。从图7a中可以看出相位整形前计算双标签的差分信号会引入较多噪声，而经过整形之后再计算差分信号可以提取出包含滴速波峰的信号。

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。已有的使用单个RFID标签的相位信号进行滴速监测的方法，无法有效消除环境干扰的影响，因此难以在实际环境中稳定工作。本发明的方法高精度、实时的和鲁棒的滴速监测：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，同时可在复杂环境中稳定地工作。

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 (7)

1.一种基于RFID双标签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；

无源滴速感知器，与输液器的滴管侧壁接触设置，其包含：两个RFID标签及标签固定支架，该标签固定支架由一个背板及两个平行且对齐放置的夹板构成，所述背板嵌设于两个夹板上，两个夹板之间形成有用于嵌设滴管的容纳空间；所述背板内设有两个用于容纳RFID标签的卡槽，在背板上且与夹板相配合的位置设有一个凹槽，通过该凹槽使得与之相对应的卡槽中的RFID标签外漏于背板，且RFID标签外漏部分紧贴于滴管的表面；

所述RFID标签被滴速感知一体机发出的无线射频信号激活后，持续发送反馈信号，并以反馈信号的相位突变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，获取两个RFID标签的相位信号特征数据，对采集到的数据进行处理消除环境干扰以得到输液滴速，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取输液滴速计算结果，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：

(1)获得时间窗口为t秒内两个RFID标签的相位信号数据，感知标签数据记为(T₁，W₁)，参考标签数据记为(T₂，W₂)，T为时间戳，W为相位数据；

(2)对参考标签信号进行整形操作，记整形后的参考标签的相位数据为

计算两个RFID标签信号的差分

并对差分信号进行高通滤波得到去噪后的相位数据W₄；

(3)将去噪后的相位数据W₄归一化到区间[-1，1]，然后计算其自相关得到自相关序列R_cor；

(4)以自相关序列R_cor中最大值的2/3为初始阈值，并将初始阈值调整步长设为最大值的1/25，识别所有大于初始阈值的波峰，直到波峰数目不低于K个；记识别的波峰为(p₁，p₂，p₃，...，p_K)，K的数值可取3到7；

(5)计算相邻波峰的采样点间隔，得到(d₁，d₂，d₃，...，d_K-1)；

(6)对相邻波峰的采样点间隔进行聚类，并计算聚类结果的最大簇的均值得到p，记相位采样率为r，计算得到当前滴速s，公式如下：

s＝(60×r/p)；

所述步骤(1)具体还包括：对获得相位信号数据进行预处理；

(11)更正两个RFID标签原始相位数据W₁和W₂消除其不连续性，使相位数据W₁＝W₁*2，W₂＝W₂*2，让π的跃变变为2π；

(12)当W₁和W₂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；

(13)将修正跃变后的相位数据还原，使W₁＝W₁÷2，W₂＝W₂÷2；

(14)对两个RFID标签移除相位不连续性后的数据进行重采样，采样方法为三次样条插值，采样间隔的默认值为10ms；

所述步骤(2)中的整形操作为：按照时间长度Δ_t对信号W₁和W₂进行分块，W₁＝{W₁[0～Δ_t]，W₁[Δ_t～2Δ_t]，...，W₁[t-Δ_t～t]}，W₂分块方法与W₁的相同；对W₂中的每块执行变换

参数c和d满足

的值最小；分块的时间长度Δ_t取5到20个样本数据的采样时间。

2.根据权利要求1所述的基于RFID双标签感知的输液滴速监测系统，其特征在于，所述背板嵌设于两个夹板的三分之一处。

3.根据权利要求1所述的基于RFID双标签感知的输液滴速监测系统，其特征在于，所述两个RFID标签的内边的间距设置在1cm到4cm之间。

4.根据权利要求1所述的基于RFID双标签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；所述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，获取无源滴速感知器中两个RFID标签的信号特征数据；所述处理器对采集到的数据进行处理，消除环境干扰的影响并计算得到输液滴速结果数据；所述通信模块将结果数据发送至服务器平台。

5.根据权利要求1所述的基于RFID双标签感知的输液滴速监测系统，其特征在于，所述两个RFID标签分为：感知标签和参考标签；其中，紧贴于滴管表面的RFID标签为感知标签。

6.根据权利要求1所述的基于RFID双标签感知的输液滴速监测系统，其特征在于，所述RFID标签的信号特征数据包括EPC、信号强度、相位信息和时间戳。

7.根据权利要求1所述的基于RFID双标签感知的输液滴速监测系统，其特征在于，在套设标签固定支架时应保证标签固定支架内的RFID标签的下边沿位于滴管中的液面上方。

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