基于Arduino的患者多参数监控

基于微控制器（Arduino Uno）的患者心率、温度和输液监控系统

摘要

住院患者通常需要进行健康监测，包括心率、体温和静脉输液使用水平这三个参数。这三个参数被用作患者重要健康状况发展的指示。体温不仅是一个人健康的指标，而且与心脏功能也有一定关联，即当体温偏离正常身体状态时，会影响心脏向全身泵血的速度。为解决这一问题，研究人员旨在开发一种针对患者的心率、体温和静脉滴注三参数监控系统。该系统还设计有在监测参数出现异常情况时发出声音警示指示器的功能。根据测试结果可以得出结论，该设备能够通过心率、体温和输液使用水平这三个参数显示患者健康状况发展的指标。

1. 引言

科技的发展如今已迅速进步，其中之一便是生物医学领域的技术发展。然而，医院或门诊所的患者健康监控系统通常仍以传统方式进行[1]。护士或医生需要进入患者病房检查患者的健康进展。对于城市地区护士和医生数量充足的医院或门诊所而言，这不会成为问题[2]。但对于农村地区医务人员较少且设施有限的医院或门诊所来说，这却是一个问题，因为护士和医生在监测患者健康时不得不从一个房间奔波到另一个房间[3]。如果患者数量较多而医务人员数量不足，这种监控过程将耗费大量时间，并可能危及那些需要医生和护士优先直接治疗的患者[4]。

住院患者通常需要进行健康监测，包括心率、体温和静脉输液使用水平这三个参数。这三个参数被用作患者重要健康状况发展[5]的指征。测量体温是必要的，因为体温不仅是人体健康状况的指标，而且与心脏功能也有一定关联，即当体温偏离正常身体状态越多时，就越会影响心脏泵血的快慢[6]。需要使用静脉滴注监测装置，是因为输液作为代谢辅助液体具有重要作用，若输液更换不及时或输液滴速出现异常，可能带来致命风险，甚至导致特定病情患者死亡[7]。

因此，我们需要一种能够协助护士和医生监测患者健康状况发展情况的方法，以确定哪些患者需要优先给予特殊治疗。可采用的方法是基于微控制器的患者远程监护。远程监护方法是现有远程医疗方法的一部分。通过远程监护，可以远程进行患者健康的监测过程，而无需前往患者所在地点[8]。

2. 方法论

在本研究中，作者采用了原型模型研究方法。在原型模型中，所构建系统的创建过程将被结构化[9]。制作过程中必须经过几个阶段，即需求收集、设计和评估。如果最后阶段表明所创建的系统不完善或仍存在缺陷，则该系统将被重新评估，并从头开始重新经历整个过程[10]。

a. 需求收集

在此过程中，研究人员通过采访相关人员和直接观察，以数据形式收集当前灯光控制存在问题的需求。之后，研究人员对出现的问题进行阐述，以获得解决问题的方法，并构思出所需工具的大致方案。需求收集还涉及工具制作过程中所需的各类组件。

b. 设计

该过程是设计工具以解决在Tenayan Raya社区卫生中心创建患者心率、体温和输液监测系统问题的阶段。设计内容包括工具的工作方式、工具工作流程、编码设计以及一系列工具的设计，直至以原型制作的形式制造出工具。

c. 评估

在完成以原型形式设计工具的过程后，下一阶段是对患者心率、体温和输液监测系统进行评估。包括评估这些工具是否运行良好，是否能够成为解决方案，或是否需要对监测系统进行制作或改进。

3. 结果与讨论

设计心率传感器电路

在设计心率传感器时，需要使用一种能够通过血液循环检测心率的传感器，该传感器利用光和光学传感器实现，所使用的传感器为脉搏传感器（pulsesensor）或心率监测传感器（heart rate monitoring），该传感器放置于指尖，通过血液循环中的脉搏信号作为输入。脉搏传感器两个引脚输出的模拟数据随后连接至Arduino A0引脚，供ATMega328微控制器进行进一步处理。

设计体温传感器电路

在设计该体温传感器时，使用DS18B20组件可定义为一种电子元件，其功能是将接收到的温度变化转换为电学量的变化。DS18B20温度传感器可将温度变化转换为输出端的电压变化。DS18B20温度传感器工作时需要+5伏特的直流电压源和60微安的直流电流消耗，该传感器安装在腋下或手腕等身体部位。该组件具有3个引脚连接到Arduino ATMega238，其中1号引脚为电源，2号引脚连接到A2引脚，3号引脚为接地。

输液滴速传感器电路设计

在输液滴速传感器电路的设计中，第一阶段通过使用光电二极管作为红外LED反射的光接收器来监测输液滴速水平，并配有额外的输液传感器放大器，包括使用三电位器调节灵敏度以及采用ICLM324作为稳压器以保持输出为0‐5伏特。随后连接LED指示灯作为指示装置，该串联电路安装在输液室位置，输液瓶产生的每一滴液体将依次通过电路中已安装的44个输液室，是否有光通过将产生模拟数据，计算结果将被发送并处理至Arduino Uno的11号引脚。

心率测试

脉搏传感器是一种用于无创监测心率的医疗设备。从光电容积描记仪输出的心脉信号是一种电压的模拟波动。指尖脉搏传感器具备早期脉搏传感器的原始信号放大特性，并将脉搏波归一化到V/2附近（电压中点）。传感器脉冲响应光强度的相对变化。如果照射在传感器上的光保持恒定，信号值将固定在或接近512（ADC范围的中点）。光线越多，信号越高；相反，光线不足时信号则降低。绿色LED反射回传感器的光会随着每次读取的心率而发生变化。

根据上图中脉搏传感器测试的结果，事实是人体每次心跳的强度并不相同，因为许多因素会影响它，包括正常和非健康的身体状况，因此每次实验的波形图和bpm结果都会有所变化。使用i2C LCD用户界面进行脉搏传感器测试的结果如下表所示：

测试	BPM计算	结果
1	105	正常
2	101	正常
3	105	正常
4	102	正常

测试 DS18B20 温度传感器

配备防水功能的DS18B20温度传感器，带有直径为6mm的不锈钢管，电缆长度为100cm，内部包含温度传感器。DS18B20可提供9到12位（可配置）的数据。由于每个DS18B20传感器都有唯一的硅序列号，因此可以在一条总线上安装多个DS18B20传感器。这使得可以从多个位置获取温度读数。使用该传感器时需要额外的一个4.7k电阻作为数据线从vcc的上拉。

DS18B20传感器规格使用的温度范围为：‐55至125°C（‐67°F至+ 257 °F）。通过单线接口选择9到12位分辨率——仅需一个数字引脚即可实现芯片上唯一的64位ID通信。± 0.5°C精度，适用于‐10°C至+85 °C。工作电源/数据电压为3.0V至5.5V。使用Nextion LCD作为用户界面的 DS18B20温度传感器测试结果如下图所示。

输液滴速传感器测试

基于上图中使用光电二极管作为光接收器、由红外LED反射的输液滴传感器的测试，该测试利用光电二极管在接收或未接收红外LED光线后产生的模拟数据输入，通过计算输液液体滴的每次折射结果，得到下表中的测试数据。

测试滴	结果
1	成功
2	成功
3	成功
4	成功

4. 结论

根据系统设计结果以及对心率传感器、温度和输液滴速水平这三个参数进行测试与分析的结果，在i2C LCD用户界面上显示，可以得出以下结论：该设备能够通过心率、体温和输液水平三个参数显示患者健康状况发展的指标。该监控系统在其中一个参数出现异常情况时，配备有声音指示警告功能。该监控设备无法在i2C LCD用户界面上显示患者数据历史。根据参考源以及本次i2C LCD实验，存在一个缺点，即无法显示和发送小数数值数据（小数的值），如温度设置图像显示中所示。虽然可以通过将数值数据更改为文本或字符串的方式来操纵数据，但这仅能在显示上进行数据操纵，而无法进行计算数学运算。