CN113546247A - 一种基于uhf rfid的输液过程监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UHF RFID的输液过程监控装置及方法。本发明的装置主要由相位探测模块和相位计算模块通过无线连接；相位探测模块中的相位优化的RFID标签贴在滴管的侧面并且相位优化的RFID标签的下边缘与滴管内存留的药液的液面齐平，相位优化的RFID标签直接调制RFID的信息载波，读写器远程读取其载波相位变化。方法用于计算该装置接收获得的相位数据，计算当前药液滴下落的时间与当前输液频率、当前的输液状态。本发明保留UHF RFID标签存储药品信息的功能同时，可以对输液系统的输液进程进行实时的监控，具有易部署、成本低、无电源等特点，本装置兼容国际标准RFID变频读写协议，应用范围广。

Description

一种基于UHF RFID的输液过程监控装置及方法

技术领域

本发明涉及一种实时输液监控的装置和方法，尤其涉及一种基于UHF RFID 的输液过程监控装置及方法。

背景技术

伴随着医疗技术的不断进步，对药物的规范化管理与精细化使用需求强烈。当前输液给药存在难以实时监控给药过程和量化用药的问题。UHF RFID技术由于其无源、远距离、低成本的特点，在医疗部门利用UHF RFID标签进行无接触药品识别与电子管理已经越来越广泛。

伴随着物联网的技术的应用，已经有一些应用研究结合了多种传感器提出了可能的输液监控方法。据目前报道来说，有使用光电传感器和电容传感器检测输液过程中药液滴落的方案，通过检测液滴对传感器产生影响来监测输液过程。这些方案需要电源和通信电路，体积笨重，成本高，使用不便。当前也存在报道基于药滴滴落影响RFID标签反射信号来检测输液。但普通标签检测药滴方案抗干扰性能弱、敏感度差、精度低，同时当前RFID输液监控研究全部基于定频RFID协议，缺乏变频国际RFID协议的相关研究。总的来看，在成本、精确度方面，大多数已有的应用研究都存在相当的问题与不足。

附近介质变化对标签的反射系数相位有显著影响。药滴滴落与药滴滴落引发的液位震荡都具有调制RFID的信息载波相位的可能，但显然液面震荡调制 RFID的信息载波相位比药滴滴落的调制效果要明显。该方法通过RFID阅读器远程读取液面变化调制的RFID信息载波相位变化，该变化信息经过计算处理可获得输液滴液的频率、药液滴落时间、状态等信息。该方法无需电源和额外射频电路，结构简单，精度高，获取信息丰富，但目前未见相关报道。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种基于UHF RFID的输液过程监控装置及方法，本发明利用附近介质变化对标签的载波相位有显著偏置的特性，通过设计可贴在滴管上的相位优化的RFID标签，并将其放置于输液滴管液位变化区域，实现液面变化直接调制RFID信息载波相位，通过RFID阅读器远程读取其载波相位变化实现对输液过程实时监控。

本发明采取的技术方案如下：

一、一种基于UHF RFID的输液过程监控装置

装置包括无源RFID载波相位探测模块和RFID载波相位计算模块；无源 RFID载波相位探测模块和RFID载波相位计算模块通过UHF射频波段无线连接；无源RFID载波相位探测模块包括输液瓶、医用输液器和相位优化的RFID标签；输液瓶与医用输液器相连，输液瓶中的药液以药液滴的形式流至医用输液器的滴管中，相位优化的RFID标签贴在滴管的侧面并且相位优化的RFID标签的下边缘与滴管内存留的药液的液面齐平；RFID载波相位计算模块包括平板天线、 UHF RFID读写器和服务器；平板天线与UHF RFID读写器通过同轴馈线相连接， UHF RFID读写器与服务器通过双绞线相连接。

所述相位优化的RFID标签包括相位优化的RFID标签天线和UHF RFID标签芯片；UHF RFID标签芯片安装在相位优化的RFID标签天线中，相位优化的 RFID标签天线包括T型阻抗匹配环和天线臂，T型阻抗匹配环设置在天线臂的中部，T型阻抗匹配环中安装有UHFRFID标签芯片；

所述天线臂包括探测天线臂的测量区、探测天线臂的折叠线区和非探测天线臂，探测天线臂的测量区的一端与非探测天线臂相连，探测天线臂的测量区的另一端与探测天线臂的折叠线区相连，安装有UHF RFID标签芯片的T型阻抗匹配环的两端分别与探测天线臂的测量区和非探测天线臂相连，其中探测天线臂的测量区为直线天线，直线天线的下边缘与滴管内存留的药液的液面齐平。

所述UHF RFID读写器为兼容国际RFID读写协议的具有多个跳频频点的 RFID读写器，UHF RFID读写器的输出信号包含相位优化的RFID标签的反射信号强度、反射信号相位、当前发射信号频率和时间戳信息。

所述输液瓶和医用输液器处于正常输液状态，正常输液状态包含静止过程、调节流速的扰动过程和匀速输液过程。

所述服务器为安装有RFID载波相位信息计算软件模块的x86计算机或其他架构微机系统。

二、一种应用于所述输液过程监控装置的基于UHF RFID的输液过程监控方法

方法包括以下步骤：

步骤1)：输液瓶和医用输液器处于静止过程，RFID载波相位计算模块中的服务器不断接收UHF RFID读写器发送的RFID信息，服务器将接收的RFID信息作为初始输液数据并保存；

步骤2)：对初始输液数据进行相位突变和相位基准处理后，获得当前UHF RFID读写器7所有频点的相位基准；

步骤3)：开启并调节医用输液器的调速阀门，使得输液瓶和医用输液器处于匀速输液过程，RFID载波相位计算模块不断接收的RFID信息并作为原始输液数据，并保存；

步骤4)：对原始输液数据进行相位突变处理后，再根据步骤2)中的当前UHF RFID读写器7所有频点的相位基准对相位突变处理后的原始输液数据进行跳频归零处理，获得跳频归零数据；再对跳频归零数据依次进行数据重采样和利用带通IIR滤波器进行带通滤波，获得带通滤波后的跳频归零数据；

步骤5)：计算带通滤波后的跳频归零数据的样本熵，根据样本熵是否发生突变式下降以确定是否当前处于扰动状态；

步骤6)：对步骤4)中的带通滤波后的跳频归零数据进行二阶平稳小波变换，得到对应的近似参数、一阶细节参数和二阶细节参数；

步骤7)：对二阶细节参数进行自适应平稳小波除噪后，获得除噪后的二阶细节参数，对近似参数、一阶细节参数和除噪后的二阶细节参数进行重建后，获得去噪后的重建信号；

步骤8)：对去噪后的重建信号进行快速傅里叶变换，根据快速傅里叶变换后的重建信号是否存在周期性冲击串并结合步骤5)中的判断结果，判断当前输液瓶和医用输液器处于匀速输液过程或者静止过程，同时周期性冲击串最大幅值点对应的频率为当前输液频率；

步骤9)：将步骤6)中小波变换得到的二阶细节参数与对应时间构成的二维数据矩阵视为二阶细节-时间曲线A，对二阶细节-时间曲线A进行包络滤波处理后，得到平滑的二阶细节-时间曲线B；采用自适应阀值法对二阶细节-时间曲线 A进行处理，判定对应的各个波峰并提取各个波峰对应的时间；采用直接阀值法对平滑的二阶细节-时间曲线B进行处理，判定对应的各个波峰并提取各个波峰对应的时间；根据步骤8)中的当前输液频率，选择二阶细节-时间曲线A或平滑的二阶细节-时间曲线B对应的各个波峰的时间并作为药液滴下落的时间；

步骤10)：将当前药液滴下落的时间与当前输液频率、当前的输液状态保存；根据UHF RFID标签芯片9内存储的当前输液药品名称和输液瓶容量，在终端显示并监测当前输液瓶和医用输液器的输液速度、输液状态和剩余输液时间。

所述步骤2)具体为：

2.1)对初始输液数据进行相位突变处理，获得对应的相位突变归零数据，具体通过以下公式进行设置：

其中，当初始输液数据中的相位发生溢出突变，公式中取加号，当初始输液数据中的相位发生过零突变，式中取减号；

2.2)对相位突变归零数据进行相位基准处理，获得当前UHF RFID读写器7 所有频点的相位基准。

所述根据步骤2)中的当前UHF RFID读写器7的相位基准对相位突变处理后的原始输液数据进行跳频归零处理，获得跳频归零数据，通过以下公式进行设置：

其中，

为在当前频点f下的跳频归零相位，

为相位突变处理后的原始输液数据在当前频点f下的相位，

为当前UHF RFID读写器7在当前频点f下的相位基准。

所述步骤7)具体为：

首先，通过SURE方法从二阶细节参数中自适应选择能最小化风险函数的阈值参数，根据阈值参数确定预阀值，再对预阀值进行缩放后得到除噪阀值，具体通过以下公式进行设置：

其中，D₂[n]为二阶细节参数D₂的第n项，SURE(D₂[n])表示二阶细节参数D₂的第n项的量化的风险，N表示二阶细节参数中项数的总数，D₂为二阶细节参数，σ为噪声方差，th_SURE(D₂)为二阶细节参数的除噪阀值；

接着，获得除噪阀值后，采用硬阀值法对二阶细节参数进行处理，获得去噪后的二阶细节参数，具体通过以下公式进行设置：

其中，D_{2_co}(n)为去噪后的二阶细节参数的第n项；

最后，利用小波反变换对近似参数、一阶细节参数、去噪后的二阶细节参数进行重建，获得去噪后的重建信号。

所述采用自适应阀值法对二阶细节-时间曲线A进行处理，判定对应的各个波峰并提取各个波峰对应的时间，具体通过以下公式进行设置：

threshold_final1＝th_k

k＝argmin{Cost(th_i)}

peaks＝get_peak_above(th_i)

其中，peaks表示在第i个阀值th_i下对二阶细节-时间曲线A进行处理后得到的峰值数目，T表示刷新周期，fre表示当前输液频率，Cost表示利用代价函数对第i个阀值th_i进行处理后的代价参数，threshold_final1为自适应阀值法的最终阀值，利用代价函数对自适应阀值法的最终阀值进行处理后的代价参数最小； th_k表示自适应阀值法的最终阀值对应的第k个阀值；get_peak_above(th_i)表示在第i个阀值th_i下对二阶细节-时间曲线A的峰值进行确定并且累加峰值的数目， i表示阀值th_i的序号；

所述采用直接阀值法对平滑的二阶细节-时间曲线B进行处理，判定对应的各个波峰，具体通过以下公式进行设置：

threshold_final2＝0.5×|Peak_max|

其中，threshold_final2表示直接阀值法的阈值，Peak_max表示平滑的二阶细节 -时间曲线B的最大波峰的峰值。

本发明的有益效果是：

1)本发明利用附近介质变化影响RFID的载波相位特性，无需额外的传感单元，如激光传感器、红外传感器、质量传感器等，同时无需额外的射频通信电路，直接利用RFID标签作为传感单元，获取输液器的实时输液信息，减少了外部设备的使用，结构上没有增加额外设备，无需电源，易于部署。

2)本发明以滴管内震荡液面为探测对象，设计了可贴在滴管上的相位优化的RFID标签和RFID载波相位计算模块，同时能够获得频率、状态、滴落时间等数据。较已有报道的输液监控手段精度高、抗干扰性强、获得信息更丰富，且能兼容采用多频点的国际RFID标准，应用广泛。

3)本发明的标签基本识别功能仍然正常，仅对原本的RFID药品电子标签识别软件进行替换就可以实现识别和监控功能，结构简单。同时由于单个标签成本极低，可廉价实现多个输液器大规模部署。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图。

图2是本发明所设计的可贴在滴管上的相位优化的RFID标签示意图。

图3是本发明RFID载波相位信息计算软件算法模块图。

图4是本发明RFID载波相位信息计算软件架构图。

图中：1.输液瓶，2.滴管，3.药液滴，4.相位优化的RFID标签，5.滴管内存留的药液，6.平板天线，7.UHF RFID读写器，8.服务器，9.UHF RFID标签芯片， 10.T型阻抗匹配环，11.探测天线臂的测量区，12.探测天线臂的折叠线区，13. 非探测天线臂。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的装置包括无源RFID载波相位探测模块和RFID载波相位计算模块；无源RFID载波相位探测模块和RFID载波相位计算模块通过 UHF射频波段无线连接；无源RFID载波相位探测模块包括输液瓶1、医用输液器和相位优化的RFID标签4；输液瓶1与医用输液器相连，输液瓶1中的药液以药液滴3的形式流至医用输液器的滴管2中，相位优化的RFID标签4贴在滴管2的侧面并且相位优化的RFID标签4的下边缘与滴管内存留的药液5的液面齐平；由于换药或者挤压滴管2后使得滴管内存留的药液5的液面产生变化，则需要将相位优化的RFID标签4的位置重新调整，使得相位优化的RFID标签 4的下边缘与滴管内存留的药液5的液面齐平，探测滴管内下落的药液滴3引发的滴管内存留的药液5的微小的液面起伏。RFID载波相位计算模块包括平板天线6、UHF RFID读写器7和服务器8；平板天线6与UHF RFID读写器7通过同轴馈线相连接，UHF RFID读写器7与服务器8通过双绞线相连接。医用输液器为塑料材质的具备滴管结构的一次性医用输液器。平板天线6与UHF RFID 读写器7相匹配。

如图2所示，相位优化的RFID标签4为特殊设计的对附近介质变化相位敏感的标签。相位优化的RFID标签4包括相位优化的RFID标签天线和UHF RFID 标签芯片9；UHF RFID标签芯片9安装在相位优化的RFID标签天线中，相位优化的RFID标签天线包括T型阻抗匹配环10和天线臂，T型阻抗匹配环10设置在天线臂的中部，T型阻抗匹配环10中安装有UHFRFID标签芯片9；

天线臂包括探测天线臂的测量区11、探测天线臂的折叠线区12和非探测天线臂13，探测天线臂的测量区的一端与非探测天线臂13相连，探测天线臂的测量区的另一端与探测天线臂的折叠线区12相连，安装有UHF RFID标签芯片9 的T型阻抗匹配环10的两端分别与探测天线臂的测量区11和非探测天线臂13 相连，T型阻抗匹配环10用于匹配天线臂的输入阻抗和UHF RFID标签芯片9 的复阻抗。其中探测天线臂的测量区为无折叠的直线天线，直线天线的下边缘与滴管内存留的药液5的液面齐平。

UHF RFID读写器7为兼容国际RFID读写协议的具有多个跳频频点的RFID 读写器，UHF RFID读写器7的输出信号包含相位优化的RFID标签4的反射信号强度、反射信号相位、当前发射信号频率和时间戳信息。

输液瓶1和医用输液器处于正常输液状态，正常输液状态包含短暂的静止过程、调节流速的扰动过程和匀速输液过程。静止过程具体为未正式开始输液的过程，即滴管2中的药液滴3不滴落，调节流速的扰动过程为调节输液器滴速的不稳定过程，匀速输液过程中药液滴3的流速为30-80滴/分钟。

服务器8为安装有RFID载波相位信息计算软件模块的x86计算机或其他架构微机系统。

具体实施中，UHF RFID读写器7为ImpinjR420RHD的UHF RFID读写器， UHF RFID标签芯片9为Higgs-3 RFID芯片，UHF RFID读写器7与UHF RFID 标签芯片9之间的距离为2m，UHF RFID读写器7接收到-40dB左右的信号。

如图3和4所示，方法包括以下步骤：

步骤1)：输液瓶1和医用输液器处于静止过程，RFID载波相位计算模块不断接收UHF RFID读写器7发送的RFID信息，RFID载波相位计算模块将接收的RFID信息作为初始输液数据并保存；初始输液数据持续约一个跳频周期，保存初始输液数据。具体实施中，初始输液数据的长度为10s。对于ImpinjR420RHD 读写器7，其跳频周期中可选发射频点有50个，均匀分布在902MHz～928MHz 频率区间上。

步骤2)：对初始输液数据进行相位突变和相位基准处理后，获得当前UHF RFID读写器7所有频点的相位基准；即50个不同频点对应的相位基准。

步骤2)具体为：

2.1)对初始输液数据进行相位突变处理，获得对应的相位突变归零数据，具体通过以下公式进行设置：

其中，当初始输液数据中的相位发生溢出突变，公式中取加号，当初始输液数据中的相位发生过零突变，式中取减号；

2.2)对相位突变归零数据进行相位基准处理，获得当前UHF RFID读写器7 所有频点的相位基准；采用国际RFID标准的读写器存在不同的工作频率，实际表现为跳频。因此对除去相位突变的数据提取全部频点的相位基准。

步骤3)：开启并调节医用输液器的调速阀门，使得输液瓶1和医用输液器处于匀速输液过程，滴速为60滴/分钟，RFID载波相位计算模块不断接收的RFID 信息并作为原始输液数据，并保存。RFID载波相位计算模块采用长度为10s，每次滑动1s的数据滑动窗口作为最小处理单元。服务器8一次性读入约751条读写器7传入的数据作为最初的启动窗口的初始数据。

步骤4)：对原始输液数据进行相位突变处理后，去除掉由于相位有界性产生的相位突变噪声，再根据步骤2)中的当前UHF RFID读写器7的相位基准对相位突变处理后的原始输液数据进行跳频归零处理，获得跳频归零数据；跳频归零数据具体显示为冲激函数簇，即每一次的液滴下落引起液面衰减震荡，体现为时间窗口内每一次药液3下落引起2～3个幅度衰减的峰。再对跳频归零数据依次进行数据重采样和利用通带为0.3Hz～10Hz的椭圆带通IIR滤波器进行带通滤波，获得带通滤波后的跳频归零数据；由于ImpinjR420RHD读写器7的输出信号并非等时间间隔，而是成5ms、25ms、5ms、25ms……的周期性变化的时间间隔，因此对上述处理后信号进行重采样，数据时间间隔统一规划为30ms。数据重采样保证每一条数据之间的时间间隔是相等的。上一步骤中得到的跳频归零数据的时间间隔间距并非严格等时间间隔间距。此时时间窗口内的数据条数经过重采样变为仍为10s的376条数据。滤波去除除去其直流分量与高频噪声。

根据步骤2)中的当前UHF RFID读写器7的相位基准对相位突变处理后的原始输液数据进行跳频归零处理，获得跳频归零数据，通过以下公式进行设置：

其中，

为在当前频点f下的跳频归零相位，跳频归零相位为除去跳频影响的，仅受介质影响的相位，

为相位突变处理后的原始输液数据在当前频点f下的相位，

为当前UHF RFID读写器7在当前频点f下的相位基准。

其原理构成如下

其中

为恒定值，根据液滴监测装置确定，d_Tag-receiver为读写器天线与相位优化的RFID标签4之间的距离，c为光速，f为频点。

实际上此步骤中的近似处理是由于在采用本发明中的相位优化的RFID标签4的情况下有：

即不同频率下，同等介质变化对相位的造成的影响是相近的。

步骤5)：计算带通滤波后的跳频归零数据的样本熵，根据样本熵是否发生突变式下降以确定是否当前处于扰动状态；如果样本熵在时间窗口内发生突变式下降，则当前输液瓶1和医用输液器处于扰动状态，时间窗口向前滑动1s，即接收1s新的数据，将扰动状态实时输出到终端，再返回至步骤4)，进行新的原始输液数据处理。反之，则当前输液瓶1和医用输液器处于静止或匀速输液过程，时间窗口不滑动，直接进行步骤6)；

步骤6)：液面的衰减式震荡引起相位曲线衰减式震荡，在本发明装置中，一次液滴滴落引发的相位曲线的系列突变峰通常为2～3个，峰的绝对高度逐次衰减。对步骤4)中的带通滤波后的跳频归零数据进行二阶平稳小波变换，得到对应的近似参数、一阶细节参数和二阶细节参数；

步骤7)：对二阶细节参数进行以Coiflet-2作为小波基的自适应平稳小波除噪后，获得除噪后的二阶细节参数，对近似参数、一阶细节参数和除噪后的二阶细节参数进行重建后，获得去噪后的重建信号；

步骤7)具体为：

首先，通过SURE方法从二阶细节参数中自适应选择能最小化风险函数的阈值参数，根据阈值参数确定预阀值，再对预阀值进行缩放后得到除噪阀值，具体通过以下公式进行设置：

其中，D₂[n]为二阶细节参数D₂的第n项，SURE(D₂[n])表示二阶细节参数D₂的第n项的量化的风险，N表示二阶细节参数中项数的总数，D₂为二阶细节参数，σ为噪声方差，th_SURE(D₂)为二阶细节参数的除噪阀值；

接着，获得除噪阀值后，采用硬阀值法对二阶细节参数进行处理，获得去噪后的二阶细节参数，具体通过以下公式进行设置：

其中，D_{2_co}(n)为去噪后的二阶细节参数的第n项；

最后，利用小波反变换对近似参数、一阶细节参数、去噪后的二阶细节参数进行重建，获得去噪后的重建信号。

步骤8)：对去噪后的重建信号进行快速傅里叶变换，根据快速傅里叶变换后的重建信号是否存在周期性冲击串并结合步骤5)中的判断结果，判断当前输液瓶1和医用输液器处于匀速输液过程或者静止过程，同时最大幅值冲击串对应的频率为当前输液频率；对于匀速输液过程的去噪后的重建信号，其傅里叶变换的结果曲线应该出现周期性的冲击串，若傅里叶变换的结果曲线的幅值均小于300(即曲线平稳，无冲击函数)，可判断处于静止过程。而对于静止过程的去噪后的重建信号，其傅里叶变换的结果曲线不会出现明显周期性冲击串，时间窗口向前滑动1s，即接收1s新的数据，将静止过程实时输出到终端，返回至步骤4)，进行新的原始输液数据处理。

使用快速傅里叶变换判断当前输液频率以及状态的原理具体为：

周期序列

即周期性滴液状态下，相位曲线的周期性波动会在频域上显现无限等间距的冲击函数。即匀速输液过程的频域曲线上会存在无限个冲激函数，且冲激函数的峰值随着谐波次数的增加不断的衰减。

步骤9)：将步骤6)中小波变换得到的二阶细节参数与对应时间构成的二维数据矩阵视为二阶细节-时间曲线A，对二阶细节-时间曲线A进行包络滤波 Envelope Filter处理后，得到平滑的二阶细节-时间曲线B；采用自适应阀值法对二阶细节-时间曲线A进行处理，判定对应的各个波峰并提取各个波峰对应的时间；采用直接阀值法对平滑的二阶细节-时间曲线B进行处理，判定对应的各个波峰并提取各个波峰对应的时间；根据步骤8)中的当前输液频率，选择二阶细节-时间曲线A或平滑的二阶细节-时间曲线B对应的各个波峰的时间并作为药液滴下落的时间；一般而言，高滴速下自适应阀值法较为准确，低滴速下直接阀值法较为准确。

采用自适应阀值法对二阶细节-时间曲线A进行处理，判定对应的各个波峰并提取各个波峰对应的时间，使用代价函数对阈值进行处理获得的代价参数自适应收敛于当前输液频率，具体通过以下公式进行设置：

threshold_final1＝th_k

k＝argmin{Cost(th_i)}

peaks＝get_peak_above(th_i)

其中，peaks表示在第i个阀值th_i下对二阶细节-时间曲线A进行处理后得到的峰值数目，T表示刷新周期，fre表示当前输液频率，Cost表示利用代价函数对第i个阀值th_i进行处理后的代价参数，threshold_final1为自适应阀值法的最终阀值，利用代价函数对自适应阀值法的最终阀值进行处理后的代价参数最小；th_k表示自适应阀值法的最终阀值对应的第k个阀值；get_peak_above(th_i)表示在第i个阀值th_i下对二阶细节-时间曲线A的峰值进行确定并且累加峰值的数目， i表示阀值th_i的序号，具体实施中，对二阶细节-时间曲线A的最大峰值进行等间隔采样后获得多个离散的预设阈值，按顺序对多个离散的预设阈值进行编号，阀值th_i为其中的一个预设阈值；

采用直接阀值法对平滑的二阶细节-时间曲线B进行处理，判定对应的各个波峰，具体通过以下公式进行设置：

threshold_final2＝0.5×|Peak_max|

其中，threshold_final2表示直接阀值法的阈值，Peak_max表示平滑的二阶细节 -时间曲线B的最大波峰的峰值。

步骤10)：将时间窗口10s中当前药液滴下落的时间与当前输液频率、当前的输液状态保存；读取UHF RFID标签芯片9内存储的当前输液的输液药品名称和输液瓶容量，在终端显示并监测当前输液瓶1和医用输液器的输液速度、输液状态和剩余输液时间。接收1s新的数据，也即时间窗口向前移动1s，返回步骤4)开始新一轮循环处理。

终端显示内容信息示例如下：

药品ID:甲硝唑葡萄糖注射液1g/200mL

正常输液状态速度59.2滴/分钟

在17:53:12 17:54:09发生滴落此滴速下预计14分钟后输液完成

本发明利用RFID反射相位对附近介质变化敏感的特性，设计可贴在滴管上的相位优化的RFID标签，并将其放置于滴管的液位变化区域。输液器药液滴落引发的液面震荡直接调制RFID的信息载波，通过RFID阅读器远程读取其载波相位变化，继而计算处理监控输液过程。具有方式新颖，结构简单，成本低，应用范围广等特点，可用于精确用药监控和需要监控液体表面震动变化的其它相似工业用途。

本发明所述的输液监控方法还满足用于同时监控多个输液器的应用场景或要求。由于RFID标签的廉价性与RFID读写器可同时对多个标签进行读写的特性，本发明可以在部署简单、成本较低的前提下满足高负载的密集型监控需求。

Claims (10)

1.一种基于UHF RFID的输液过程监控装置，其特征在于，包括无源RFID载波相位探测模块和RFID载波相位计算模块；无源RFID载波相位探测模块和RFID载波相位计算模块通过UHF射频波段无线连接；无源RFID载波相位探测模块包括输液瓶(1)、医用输液器和相位优化的RFID标签(4)；输液瓶(1)与医用输液器相连，输液瓶(1)中的药液以药液滴(3)的形式流至医用输液器的滴管(2)中，相位优化的RFID标签(4)贴在滴管(2)的侧面并且相位优化的RFID标签(4)的下边缘与滴管内存留的药液(5)的液面齐平；RFID载波相位计算模块包括平板天线(6)、UHF RFID读写器(7)和服务器(8)；平板天线(6)与UHF RFID读写器(7)通过同轴馈线相连接，UHF RFID读写器(7)与服务器(8)通过双绞线相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于UHF RFID的输液过程监控装置，其特征在于，所述相位优化的RFID标签(4)包括相位优化的RFID标签天线和UHF RFID标签芯片(9)；UHF RFID标签芯片(9)安装在相位优化的RFID标签天线中，相位优化的RFID标签天线包括T型阻抗匹配环(10)和天线臂，T型阻抗匹配环(10)设置在天线臂的中部，T型阻抗匹配环(10)中安装有UHF RFID标签芯片(9)；

所述天线臂包括探测天线臂的测量区(11)、探测天线臂的折叠线区(12)和非探测天线臂(13)，探测天线臂的测量区的一端与非探测天线臂(13)相连，探测天线臂的测量区的另一端与探测天线臂的折叠线区(12)相连，安装有UHF RFID标签芯片(9)的T型阻抗匹配环(10)的两端分别与探测天线臂的测量区(11)和非探测天线臂(13)相连，其中探测天线臂的测量区为直线天线，直线天线的下边缘与滴管内存留的药液(5)的液面齐平。

3.根据权利要求1所述的一种基于UHF RFID的输液过程监控装置，其特征在于，所述UHF RFID读写器(7)为兼容国际RFID读写协议的具有多个跳频频点的RFID读写器，UHFRFID读写器(7)的输出信号包含相位优化的RFID标签(4)的反射信号强度、反射信号相位、当前发射信号频率和时间戳信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于UHF RFID的输液过程监控装置，其特征在于，所述输液瓶(1)和医用输液器处于正常输液状态，正常输液状态包含静止过程、调节流速的扰动过程和匀速输液过程。

5.根据权利要求1所述的一种基于UHF RFID的输液过程监控装置，其特征在于，所述服务器(8)为安装有RFID载波相位信息计算软件模块的x86计算机或其他架构微机系统。

6.一种应用于权利要求1-5任一所述输液过程监控装置的基于UHF RFID的输液过程监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：输液瓶(1)和医用输液器处于静止过程，RFID载波相位计算模块中的服务器(8)不断接收UHF RFID读写器(7)发送的RFID信息，服务器(8)将接收的RFID信息作为初始输液数据并保存；

步骤2)：对初始输液数据进行相位突变和相位基准处理后，获得当前UHF RFID读写器7所有频点的相位基准；

步骤3)：开启并调节医用输液器的调速阀门，使得输液瓶(1)和医用输液器处于匀速输液过程，RFID载波相位计算模块不断接收的RFID信息并作为原始输液数据，并保存；

步骤4)：对原始输液数据进行相位突变处理后，再根据步骤2)中的当前UHFRFID读写器7所有频点的相位基准对相位突变处理后的原始输液数据进行跳频归零处理，获得跳频归零数据；再对跳频归零数据依次进行数据重采样和利用带通IIR滤波器进行带通滤波，获得带通滤波后的跳频归零数据；

步骤5)：计算带通滤波后的跳频归零数据的样本熵，根据样本熵是否发生突变式下降以确定是否当前处于扰动状态；

步骤6)：对步骤4)中的带通滤波后的跳频归零数据进行二阶平稳小波变换，得到对应的近似参数、一阶细节参数和二阶细节参数；

步骤7)：对二阶细节参数进行自适应平稳小波除噪后，获得除噪后的二阶细节参数，对近似参数、一阶细节参数和除噪后的二阶细节参数进行重建后，获得去噪后的重建信号；

步骤8)：对去噪后的重建信号进行快速傅里叶变换，根据快速傅里叶变换后的重建信号是否存在周期性冲击串并结合步骤5)中的判断结果，判断当前输液瓶(1)和医用输液器处于匀速输液过程或者静止过程，同时周期性冲击串最大幅值点对应的频率为当前输液频率；

步骤9)：将步骤6)中小波变换得到的二阶细节参数与对应时间构成的二维数据矩阵视为二阶细节-时间曲线A，对二阶细节-时间曲线A进行包络滤波处理后，得到平滑的二阶细节-时间曲线B；采用自适应阀值法对二阶细节-时间曲线A进行处理，判定对应的各个波峰并提取各个波峰对应的时间；采用直接阀值法对平滑的二阶细节-时间曲线B进行处理，判定对应的各个波峰并提取各个波峰对应的时间；根据步骤8)中的当前输液频率，选择二阶细节-时间曲线A或平滑的二阶细节-时间曲线B对应的各个波峰的时间并作为药液滴下落的时间；

步骤10)：将当前药液滴下落的时间与当前输液频率、当前的输液状态保存；根据UHFRFID标签芯片9内存储的当前输液药品名称和输液瓶容量，在终端显示并监测当前输液瓶(1)和医用输液器的输液速度、输液状态和剩余输液时间。

7.根据权利要求6所述的一种基于UHF RFID的输液过程监控方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：

2.1)对初始输液数据进行相位突变处理，获得对应的相位突变归零数据，具体通过以下公式进行设置：

其中，当初始输液数据中的相位发生溢出突变，公式中取加号，当初始输液数据中的相位发生过零突变，式中取减号；

2.2)对相位突变归零数据进行相位基准处理，获得当前UHF RFID读写器7所有频点的相位基准。

8.根据权利要求6所述的一种基于UHF RFID的输液过程监控方法，其特征在于，所述根据步骤2)中的当前UHF RFID读写器7的相位基准对相位突变处理后的原始输液数据进行跳频归零处理，获得跳频归零数据，通过以下公式进行设置：

其中，

为在当前频点f下的跳频归零相位，

为相位突变处理后的原始输液数据在当前频点f下的相位，

为当前UHF RFID读写器7在当前频点f下的相位基准。

9.根据权利要求6所述的一种基于UHF RFID的输液过程监控方法，其特征在于，所述步骤7)具体为：

首先，通过SURE方法从二阶细节参数中自适应选择能最小化风险函数的阈值参数，根据阈值参数确定预阀值，再对预阀值进行缩放后得到除噪阀值，具体通过以下公式进行设置：

其中，D₂[n]为二阶细节参数D₂的第n项，SURE(D₂[n])表示二阶细节参数D₂的第n项的量化的风险，N表示二阶细节参数中项数的总数，D₂为二阶细节参数，σ为噪声方差，th_SURE(D₂)为二阶细节参数的除噪阀值；

接着，获得除噪阀值后，采用硬阀值法对二阶细节参数进行处理，获得去噪后的二阶细节参数，具体通过以下公式进行设置：

其中，D_{2_co}(n)为去噪后的二阶细节参数的第n项；

最后，利用小波反变换对近似参数、一阶细节参数、去噪后的二阶细节参数进行重建，获得去噪后的重建信号。

10.根据权利要求6所述的一种基于UHF RFID的输液过程监控方法，其特征在于，所述采用自适应阀值法对二阶细节-时间曲线A进行处理，判定对应的各个波峰并提取各个波峰对应的时间，具体通过以下公式进行设置：

threshold_final1＝th_k

k＝arg min{Cost(thi)}

peaks＝get_peak_above(thi)

其中，peaks表示在第i个阀值th_i下对二阶细节-时间曲线A进行处理后得到的峰值数目，T表示刷新周期，fre表示当前输液频率，Cost表示利用代价函数对第i个阀值th_i进行处理后的代价参数，threshold_final1为自适应阀值法的最终阀值，利用代价函数对自适应阀值法的最终阀值进行处理后的代价参数最小；th_k表示自适应阀值法的最终阀值对应的第k个阀值；get_peak_above(thi)表示在第i个阀值th_i下对二阶细节-时间曲线A的峰值进行确定并且累加峰值的数目，i表示阀值th_i的序号；

所述采用直接阀值法对平滑的二阶细节-时间曲线B进行处理，判定对应的各个波峰，具体通过以下公式进行设置：

threshold_final2＝0.5×|Peak_max|

其中，threshold_final2表示直接阀值法的阈值，Peak_max表示平滑的二阶细节-时间曲线B的最大波峰的峰值。

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