基于小波分析的输液监控研究

王海旭，康 成

（1.四川信息职业技术学院，四川 广元 628000；2.捷克理工大学，捷克 布拉格 02101–02117）

0 引言

静脉输液中，输液过程的不合理不但会影响疗效，还会引起患者的不适甚至危及生命，若输液终了没有及时处理，会引起病人血液倒流到输液管，引起血栓等并发症。在各级医院中对于自动监控功能的输液系统有相当大的需求。目前的相关研究主要集中在以单片机作为控制器，红外二级对管作为传感器，ZigBee 无线网技术为系统的主要组成部分[1]，此类输液方式对于移动输液时的输液袋摆动、背景光线变化、药液黏稠度等情况下的误判率较高[2]，所以出现了文献[2]这样的并联多个二级对管的发明专利。本研究通过将压阻传感器做隔水处理，铺设于输液袋靠近输液口的内部，通过静态压力检测和输液瓶摆动时药液对传感器的动态压力变化，采用小波分析技术对震动信号进行变换，将细节系数作为特征值，同时设定合理的阈值判断有无产生输液瓶摆动。

1 传感器的选择

1.1 压阻传感器

图1 压阻传感器输入信号连接方式Fig.1.Piezoresistive sensor input signal connection mode

输液袋药液余量的压力检测是基本检测环节，而输液袋摆动时药液的动态压力检测是分析的关键。目前常用的此类传感器有压电式、压阻式等，也有将PVDF 压电式与光电原理结合起来的传感器[3]。实验中考虑到PVDF 压电传感器的静态信号和动态压力信号比较难以分离，故选用FSR-402 压阻传感器，该传感器可以对接触物表面进行静态和动态压力测量，可以较好地区分药液静态压力信号和动态压力信号，同时其工作温度在-25℃～70℃，对环境抗干扰能力强。如图1 所示。

1.2 USB 数据采集

数据采集卡（DAQ）是从传感器或变送器等设备收集数字量或模拟量信号的器件，如果说传感器相当于人的诸如皮肤等感知层，那么采集卡就相当于人的传输中枢——脊椎，而上位机就类似于人的大脑。本研究所采用的采集卡通过USB 数据线接入上位机，有16/8 路模拟输入通道，2 路模拟输出通道，6 路数字输入/输出通道，PWM 输入频率范围在1～1MHz，输出频率范围在1～1MHz，占空比为1%～99%，工作的温度范围在-20℃～70℃。如图2 所示。

图2 信号检测与处理工作原理图Fig.2.Signal detection and processing working principle diagram

信号采集实验。将采集卡通过USB 数据线连接至上位机，由上位机供应5V 的直流电源，同时从采集卡引出5V 线给FSR-402 供电。由于采集卡简化了增益编程的功能，模拟量的输入信号需先调整到0～3.3V 内，为了满足要求我们通过信号调理电路把较大的电压信号经过降压变换到0～3.3V 范围内，将FSR-402 串联一个10kΩ 的电阻，接入采集卡和传感器间的信号线用来向AD 输入变化的电压。如图3 所示将传感器隔水密封后铺设在输液口附近，由处理器对处理后的信号变化进行报警等工作[4]。

图3 输液袋报警系统线路实物图Fig.3.Physical map of infusion bag alarm system circuit

2 信号的小波变换与LabVIEW 处理

2.1 基于小波变换的信号处理

对比傅里叶变换要用大量的级数去拟合突变信号，经过小波变换，可以在处理震动这种瞬时变化的信号中提取出所需要的信息，在进行信号处理时，首先要离散化连续的小波信号。经过小波变换后可以分解得到信号的细节分量。下面是通过LabVIEW 实现小波变换所用到的滤波器[5]：

x[n]：离散的输入信号

g[n]：低通滤波器

h[n]：高通滤波器

↓Q：降采样滤波器

通过小波分解架构，如图4 所示，可以看到怎么进行小波变换：

图4 离散小波分解三层的阶层架构Fig.4.Discrete wavelet decomposition of three-layer hierarchy

架构中的第α 层：

通过LabVIEW 用到来自低通滤波器和高通滤波器，分别代表近似分量和细节分量，而细节分量代表信息的细节和差别[6-7]，在输液袋震动过程中，一旦药液波动对传感器产生动态压力，细节分量会出现明显的频谱信息，本研究用小波变换的细节分量作为特征值并设定合理的阈值来判断有无震动。

2.2 LabVIEW 软件采集与处理实验

通过设置把LabVIEW 提供的动态连接库函数将数据采集卡附有的.dll 库函数形式文件连接起来，实现对采集卡的控制和信号采集[8]。

分别设置高通滤波器序列值为-0.707 和0.707，低通滤波器的序列值设为0.707 和0.707，将输入信号分别与高低通滤波器卷积后再进行抽样分别得到细节分量和近似分量，若小波分解2 层，就将近似分量继续分解为高频细节分量和低频近似分量，如要继续分解以此类推[9]。如图5 所示。

图5 分别为给输液袋罐装水时传感器的电压幅值、小波分解图谱和细节分量变化Fig.5.They are the voltage amplitude,wavelet decomposition map and detail component changes of the sensor when filling water in the infusion bag

本文通过给输液袋缓慢罐装水来逆向模拟输液过程，并略微加快此过程，通过一系列实验可以看到，随着水量的增加，传感器电压幅值逐渐增大，细节分量为较小波动的负值，而水量减少时，细节分量为较小波动的正值。通过Matlab 进行小波分解后，可见低频段有较大的波动值，而高频段很少，可见在低频段的抗扰动能力不高。如图6所示。

图6 分别为晃动输液袋时传感器的电压幅值、小波分解图谱和细节分量变化Fig.6.They are the voltage amplitude,wavelet decomposition map and detail component changes of the sensor when the infusion bag is shaken

当晃动输液袋时，细节分量有较大幅值变化，并且有正负范围的波动。可以看到药液规律加减和晃动输液袋两类细节分量的较大差别，通过设定合理的阈值可以判断输液终了和输液袋的摆动。通过Matlab 进行小波分解后，可见低频段有一定的波动值，但相比罐装水时，低频段的波动值更小，可见近似分量更明显的存在于罐装水时。但高频部分没有出现明显变化，可能和软件选取的传感器采样频率有一定关系。总之，晃动输液袋相比于罐装水时，细节分量的明显变化有利于判断震动的产生。

3 研究总结

1）实验过程需要注意两个较大的影响因素，传感器设置的位置和水流的方向或落点可能会出现一定的差异，所以需多方位多角度的实验求均值会大大降低误差。罐装水时需避免有较大的波动，否则较大的突变会引起较大的细节分量的变化，会影响对震动的判断。

2）通过细节分量可以判断药液是在增加还是减少，当细节分量为较小波动的负值时，是不断增加药液状态，当细节分量为较小波动的正值时，是药液逐渐减少状态，而实际应用中，只可能是输液袋的药液不断减少，当电压幅值低于设定值进行输液终了报警并进一步阻断输液进程。如果作为特征值的细节分量超过我们设定的阈值，并且有较大的正负波动时，判断为有震动产生，此时产生报警提示病人不要剧烈移动；如果细节分量小于设定的阈值，则认为没有震动产生。