一種基於機器視覺的醫療輸液速度監測與控制裝置的製作方法

2023-10-17 15:05:19 1

專利名稱：：一種基於機器視覺的醫療輸液速度監測與控制裝置的製作方法
技術領域：
：本實用新型屬於醫療器械領域，具體涉及一種基於機器視覺的醫療輸液速度監測與控制裝置，該裝置可以配合醫療輸液器械使用，是一種用於醫院輸液的輔助醫療設備。
背景技術：
：靜脈輸液是臨床治療的一項常用給藥治療技術,是利用輸液管內的液體壓強比人體靜脈血管內液體壓強大的原理，將藥液通過導管直接輸入到人體靜脈。在輸液過程中，液體進入病患靜脈的速度直接影響到藥物對病患的治療效果，速度過快，可能會導致病患中毒，嚴重時可至心力衰竭；速度過慢則可能發生藥量不夠或無謂地延長輸液時間，使治療效果受影響，增加醫務人員的工作量，同時給患者帶來不便。目前，醫院中常規臨床輸液普遍採用傳統的掛瓶輸液的方式。掛瓶輸液需要醫護人員用眼睛觀察，同時，需要醫護人員憑經驗和直覺根據醫囑和病患的情況手工來調整液滴速度。在傳統的手動調節方式下，輸液速度不易精確控制，調整誤差大，並且在輸液過程中速度還可能會出現波動。此外，傳統的輸液方式需要醫護人員人工觀測藥物的剩餘量，以便在藥物用完時及時結束輸液過程。若醫務人員疏忽，沒有在藥物用完時及時停止，極有可能造成病人出現回血現象，而且，在傳統的輸液方式下，為避免在輸液過程中因意外情況造成輸液異常(如針頭脫出或堵塞)，往往需要病人自己或者陪同人員或者醫護人員時刻進行監視，這無疑會給病人增加痛苦，給病人家屬以及醫護人員增加負擔。為克服手工輸液方式存在的上述缺陷，市面上出現了一些檢測和控制輸液速度的裝置，但是這些裝置都不十全十美，要麼技術上還有欠缺，要麼是成本偏高。輸液速度的檢測和控制從實現的技術手段上需要考慮一些因素，其中包括(1)輸液流速的有效檢測。由於輸液的速度受藥液的濃度，導管材料特性及管壁光滑程度的影響，如何有效地檢測流速是一個需考慮的囡素。(2)輸液流量精度的控制。如何達到控制流速的精度要求又能適當地控制設備的成本，也是一個需考慮的因素。(3)輸液流量裝置尺寸的控制。目前普遍採用的裝置尺寸略微偏大，有些甚至採用分離裝置實現，如何能改變結構，縮小裝置尺寸也是一個值得考慮的因素。目前，關於醫用輸液速度檢測和流量控制的專利也有很多，如公開號為CN2875460的專利文獻採用了紅外光收發器件，利用液體內對光具有折射的原理來對液體進行檢測，這樣的檢測方法具有易實現的優點，但紅外光收發裝置容易受外界輻射源的幹擾，且在莫非氏滴管上的安裝紅外檢測設備工藝要求高，並對安裝精確度有很高的要求。一旦滴管處於歪斜狀態，傳感器就不能準確地檢測到下落的液滴。此外，還有部分專利文獻中採用了稱重原理作為限流裝置，雖然該方法原理簡單，易實現，但由於不同廠家生產的輸液瓶和輸液袋所採用的材料和工藝的不同，其重量存在著差異，從而對測量精度產生了一定的影響。如果每次設置時需要對重量參數做初始化處理，則增加了操作的複雜性。另外市場上也存在一些輸液泵之類的設備，但因價格昂貴，大多僅限於在高端重症監護室(ICU)或手術室(OR)使用。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種基於機器視覺的醫療輸液速度監測與控制裝置，該裝置能較準確地檢測和控制輸液的速度，並能對無藥液狀態等輸液過程中可能出現的異常情況做出報警提示，有助於病人對藥物的吸收和減少醫護人員的護理工作量。本實用新型提供的基於機器視覺的醫療輸液速度監測與控制裝置，其特徵在於該裝置包括圖像採集裝置、參數輸入裝置、數據處理器、數據顯示裝置、滴速控制裝置和報警提示裝置；參數輸入裝置、數據顯示裝置和報警提示裝置安裝在殼體的面板上，圖像採集裝置、數據處理器和滴速控制裝置固定在殼體內部，殼體上設置有通孔，圖像採集裝置位於滴速控制裝置的上方；圖像採集裝置用於採集輸液管的滴筒內滴液的圖像數據，將採集的圖像數據傳輸給數據處理器；參數輸入裝置用於接收用戶的輸入，並將接收的信息分別傳送給數據處理器；數據處理器用於接收圖像採集裝置傳送來的圖像數據，根據接收到的圖像數據計算藥液的實時滴速，還接收參數輸入裝置傳送來的期望滴速數據，並將其傳輸給數據顯示裝置，同時向數據顯示裝置傳送要求將其顯示給用戶的控制指令；數據處理器將期望滴速數據和實測滴速數據進行比較和分析，得出兩者之間的大小關係的信息，並根據該信息產生是否要求改變滴速的控制指令和/或相應的報警提示的控制指令，將控制指令分別發送給滴速控制裝置和報警提示裝置；數據顯示裝置用於接收數據處理器傳送來的控制指令以及數據信息等，並按照控制指令將接收到的數據信息顯示給用戶；滴速控制裝置通過驅動電路與數據處理器相連，用於接收數據處理器傳送來的控制指令以及實測滴速與期望滴速差的絕對值數據信息，並按照該指令以及數據信息對滴速進行調整；報警提示裝置用於接收數據處理器傳送來的控制指令，並按照該控制指令產生相應的報警提示信息。本實用新型裝置使用時，將輸液滴管卡在採集罩背板和含有圖像採集裝置的採集罩中間，這樣可保證圖像採集裝置和滴管的距離和角度不變，同時將採集罩背板正對圖像採集裝置的一面塗成單一顏色，使攝像頭採集的圖像具有單色的背景，可以減少複雜的背景噪音對採集信息的幹擾。通過數據採集模塊的快速地連續採集含液滴信息的圖像數據，用以避免液滴漏檢問題。單色的背景便於從圖像數據中分析液滴形態從而進行準確計數，即便滴筒發生了傾斜，藥液的密度和顏色發生了變化都不會對計數裝置的計數精度產生影響。此裝置設計上採用單側採樣的方式進行圖像採樣，以便於使用時的安裝。本實用新型能較普遍採用的紅外傳感器有更高的點滴輸液計數準確性和可靠性，從而提高輸液流量的控制精度，在一定程度上解決了紅外傳感器的不足。圖1為本實用新型基於機器視覺的醫療輸液速度監測與控制裝置的結構示意圖；圖2為本實用新型裝置配合輸液滴管使用的示意圖；圖3為本實用新型實施例所使用的圖像採集裝置的結構示意圖；圖4為本實用新型實施例所使用的滴速控制裝置的結構示意圖-,圖5為本實用新型實施例的工作流程圖。具體實施方式如圖1和圖2所示，本實用新型基於機器視覺的醫療輸液速度監測與控制裝置包括圖像採集裝置l、參數輸入裝置2、數據處理器3、數據顯示裝置4、滴速控制裝置5、報警提示裝置6、以及用於將上述裝置與數據處理器集成在一起的殼體7。參數輸入裝置2、數據顯示裝置4和報警提示裝置6安裝在殼體7上。殼體7上設置有通孔，用於輸液管8從中穿過。圖像採集裝置l、數據處理器3和滴速控制裝置5固定在殼體7內部，圖像採集裝置1位於輸液管的滴筒的一側，滴速控制裝置5位於滴筒下方。圖像採集裝置1用於採集輸液管8的滴筒內滴液82的圖像數據，將採集的圖像數據傳輸給數據處理器3中的圖像處理模塊31。參數輸入裝置2用於接收用戶的輸入，並將接收的信息分別傳送給數據處理器3中的數據顯示模塊32和數據分析模塊33。其中，用戶輸入的參數包括用戶期望的藥液滴速(期望滴速)，還可以包括其他用戶感興趣的信息。參數輸入裝置2可以是鍵盤或按鍵輸入電路或其他能接收用戶輸入信息的設備，該裝置通過數據線與數據處理器3相連。數據處理器3用於接收圖像採集裝置1傳送來的圖像數據信息以及參數輸入裝置2傳送來的數據信息(期望滴速)，並對圖像數據信息進行處理計算出藥液的實時滴速，通過對這兩個滴速進行分析，產生相應的數據顯示信息、滴速控制信息以及報警提示信息，並將這些控制信息分別傳送給數據顯示裝置4、滴速控制裝置5以及報警提示裝置6。數據處理器3包括圖像處理模塊31、數據顯示模塊32、數據分析模塊33、報警提示模塊34以及滴速控制模塊35，該數據處理器3可以是微控制器晶片或DSP處理器或其它能夠運行上述各模塊的數據處理設備。其中，圖像處理模塊31用於接收圖像採集裝置1傳送來的圖像數據，根據接收到的圖像數據計算藥液的實時滴速，並將計算的實時滴速信息傳送給數據顯示模塊32和數據分析模塊33，其中，計算藥液的實時滴速的方法如下首先，根據圖像處理的方法檢測出運動的滴液，可用到的檢測的方法有幀間差法、背景差法以及光流法等，然後，對檢測到的當前滴液和前一滴滴液之間的時間間隔進行記錄，最後，根據記錄的時間間隔計算出當前滴液的實時滴速。數據顯示模塊32用於接收參數輸入裝置2和圖像處理模塊31傳送來的數據，並將其傳輸給數據顯示裝置4，同時向數據顯示裝置4傳送要求將其顯示給用戶的控制指令。數據分析模塊33用於接收參數輸入裝置2傳送來的數據(期望滴速)和圖像處理模塊31傳送來的數據(實測滴速)，並對兩者進行比較和分析，得出兩者之間的大小關係的信息，並將該信息傳送給滴速控制模塊35，同時將實測滴速與某些事先設定的參數進行比較，得出實測滴速與這些參k的大小關係的信息，並將該信息傳送給報警提示模塊34，其中，事先設定的參數可代表如下意義醫護人員期望的滴速、藥液快滴完了的滴速、出現針頭脫出的滴速、出現針頭堵塞的滴速或其他可能對病人身體造成傷害或造成醫療事故的一些滴速值。報警提示模塊34用於接收數據分析模塊33傳送來的實測滴速與某些事先設定的參數的大小關係的信息，並根據該信息產生相應的報警提示的控制指令，將該控制指令發送給報警提示裝置6，如若接收到數據分析模塊33傳送來的信息為實測滴速大於醫護人員期望的滴速，則向報警提示裝置6發送要求以蜂鳴聲來進行報警提示的控制指令，其中，蜂鳴聲代表的信息為實測滴速超過了醫護人員期望的滴速。滴速控制模塊35用於接收數據分析模塊33傳送來的實測滴速與期望滴速的大小關係的信息，並根據該信息產生是否要求改變滴速的控制指令，並將控制指令傳送給滴速控制裝置5，若要求改變滴速，則將實測滴速與期望滴速差的絕對值也傳送給滴速控制裝置5。產生控制指令的方法可以優選如下方式若接收到的是實測滴速比期望滴速小的信息，則產生要求使滴速增快的控制指令，若接收到的是實測滴速比期望滴速大的信息，則產生要求使滴速減慢的控制指令，若接收到的是實測滴速與期望滴速相等的信息，則產生不必改變滴速的控制指令。數據顯示裝置4用於接收數據顯示模塊32傳送來的控制指令以及數據信息等，並按照控制指令將接收到的數據信息等顯示給用戶。數據顯示裝置4可以是LED數碼管或液晶顯示屏或其他能顯示數據的設備，該裝置通過數據線與數據處理器3相連。滴速控制裝置5與數據處理器3通過驅動電路相連，滴速控制裝置5用於接收滴速控制模塊35傳送來的控制指令以及實測滴速與期望滴速差的絕對值等數據信息，並按照該指令以及數據信息來控制電機的動作，最終實現對滴速進行調整，達到使實測滴速和期望滴速相同或接近的目的。報警提示裝置6用於接收報警提示模塊34傳送來的控制指令，並按照該控制指令產生相應的報警提示信息。報警提示裝置6採用可以發聲/可以發光/可以產生電信號，或其他能直接/間接引起人們注意力的設備，其中，發聲的設備可以是蜂鳴器，也可以是揚聲器等；發光設備可以是LED燈，也可以是普通燈等;可以產生電信號的設備可以是無線電發射裝置，這種電信號可以被安裝在護士室的無線電接收裝置接收，並以一定的形式提醒值班的護士，該報警提示裝置6通過數據線與數據處理器3相連。下面再分別舉例對圖像採集裝置1、以及滴速控制裝置5的具體構成作更詳細的描述。包括攝像頭ll、採集罩12、採集罩背板13以及光源14。採集罩背板13與採集罩12分別位於輸液管的兩側的位置。攝像頭11固定於採集罩12內，用於攝取感興趣滴管內圖像數據並將數據通過數據線傳輸到數據處理器3中的圖像處理模塊31中；採集罩12用於固定攝像頭ll，在攝像頭採集輸液滴筒內的圖像數據時，採集罩保持攝像頭到滴筒的距離不變；採集罩背板13塗成單色(塗成黑色效果會更好)，使攝像頭採集的有用的信息內容不受或少受背景的幹擾，提高採集內容的有用性。光源14安裝在採集罩12的一側，用於調節攝像頭ll拍攝畫面的亮度，以保證拍攝圖像的清晰度，根據具體情況也可以不使用光源。如圖4所示，滴速控制裝置5包括電機51、連軸器52、滾珠絲槓53、絲槓螺母54、調速棒55以及滴管固定架56。滴管固定架56用於固定滴管81，使得滴管81受調速棒55的擠壓時不會發生傾斜。電機51和滾珠絲槓53通過連軸器52相連，絲槓螺母54固定在滾珠絲槓53上，絲槓螺母54和調速棒55相連。電機51運動時，通過連軸器52帶動滾珠絲槓53旋轉，滾珠絲槓53的旋轉又帶動絲槓螺母54向左/右運動，絲槓螺母54向左/右運動促使調速棒55相應地向左/右移動，達到使藥液滴速減小/增大的目的。在使用該裝置時，首先將本裝置通過殼體7上方的固定支架72固定在輸液支架合適的位置上，同時將輸液管8也固定在輸液支架上，醫護人員設置初始滴速為極小值，並開始給病人輸液，同時，啟動本裝置，通過參數輸入裝置2輸入期望滴速值，裝置即可開始對輸液過程中的輸液滴速進行自動計算、顯示，同時，還能對輸液滴速進行精確控制/調整，此外，裝置在監測到可能有危險情況發生時，可以自動報警。實施例下面對本實用新型的實施作進一步具體的說明，本實用新型適用於具有莫非氏滴管的普通輸液醫療器具。該實施例中，使用該裝置對一個患有心臟病的兒童進行輸液治療，用戶的要求包括期望輸液滴速為20滴/分鐘，同時，在輸液的過程中可以利用該裝置對輸液滴速進行檢測，若實際測量到的輸液滴速與期望的滴速(20滴/分鐘)不同時，該裝置可以自動對滴速進行調整，以和期望的滴速(20滴/分鐘)達到相同或接近。此外，用戶認為在輸液過程中滴速為4-20滴/分鐘為正常狀態，貝lj，若在輸液過程中，出現下表表1中所列情況之一時，該裝置可以通過發出不同的聲音來向用戶進行報警提示，其中，每種聲音類型代表了不同的意義(不同的報警內容):表1各種不同的需要進行報警提示的情況tableseeoriginaldocumentpage11如圖3所示，利用塑料加工採集罩12和採集罩背板13，採集罩背板13與採集罩12分別位於輸液管8的兩側的位置，攝像頭11和光源14固定在採集罩12的內部，可調焦鏡頭從採集罩12的圓孔露出朝向輸液滴筒，光源14採用白色光源，可根據需要放置在採集罩12內部的合適的位置。攝像頭ll連有數據線，數據線的另一端與圖像處理器3相連接。採集罩背板13正對著輸液滴筒的一面塗成黑色。如圖4所示，利用塑料加工滴管固定架56，使得輸液管8下端的滴管81受調速棒55的擠壓時不會發生傾斜。電機51和滾珠絲槓53通過連軸器52相連，絲槓螺母54固定在滾珠絲槓53上，絲槓螺母54和調速棒55相連。電機51運動時，通過連軸器52帶動滾珠絲槓53旋轉，滾珠絲槓53的旋轉又帶動絲槓螺母54向左/右運動，絲槓螺母54向左/右運動促使調速棒55相應地向左/右移動，從而增加/減小對輸液管壁的壓力，以此進行輸液流量/滴速的控制。電機51通過驅動電路與數據處理器3相連。本實施例中，步進電機51順時針/逆時針旋轉1圈代表使調速棒55向左/右移動1釐米，相應地，滴速1分鐘內減小/增大1滴。如圖5所示，輸液速度監測與控制裝置的工作流程為(1)輸液設備以及本裝置的安裝以及初始化設置。將本裝置通過固定支架72固定在輸液支架的合適位置，輸液管8也固定在輸液支架上，同時，設置初始滴速為極小值。(2)醫護人員通過參數輸入裝置2輸入藥液的期望滴速20滴/分鐘，並將該期望滴速傳送給數據顯示模塊32和數據分析模塊33;(3)攝取滴筒內的圖像。利用攝像頭12對滴筒內的圖像進行實時拍攝，將拍攝的實時圖像數據傳輸給圖像處理模塊31;(4)利用圖像處理的方法計算藥液的實時滴速。計算滴速的具體步驟和方法如下(4.1)圖像預處理。預處理包括對每幀圖像進行對比度增強以及降噪等一系列處理，處理的方法可用一般的對比度增強以及降噪的圖像處理方法；(4.2)提取背景圖像。使用幀間差分以及二值幀差掩膜的方法得到標準(穩定不變)的背景圖像；(4.3)分割出運動的滴液。所用到的方法為背景消減法，即用當前幀圖像減去步驟(4.2)提取的背景圖像；(4.4)計算實時滴速。根據記錄得到用上述方法檢測到當前滴液和前一滴滴液之間的時間伺隔為12秒(0.2分鐘)，則計算出滴液的實時滴速(實測滴速)為5滴/分鐘。(5)顯示實時滴速和期望滴速等信息。數據顯示模塊32接收步驟2和步驟(4.4)分別傳送來的期望滴速20滴/分鐘和實測滴速5滴/分鐘後，將這兩個數據以及要求顯示這兩個數據的控制指令傳送給數據顯示裝置4，數據顯示裝置4將這兩個數據顯示給用戶。(6)分析期望滴速和實測滴速，產生並發送控制指令(包括報警提示指令和滴速控制指令)和數據信息。具體步驟和方法如下(6.1)數據分析模塊33接收步驟2和步驟(4.4)分別傳送來的期望滴速20滴/分鐘和實測滴速5滴/分鐘；(6.2)分析實測滴速5滴/分鐘與幾個事先設定的參數(0、4滴/分鐘、20滴/分鐘、40滴/分鐘)的大小關係，發現5滴/分鐘在輸液的正常狀態(20-40滴/分鐘)範圍之內，則產生並向報警提示裝置6發送不要求產生報警提示的控制指令。(6.3)經分析發現實測滴速5滴/分鐘小於期望滴速20滴/分鐘後，產生要求增大滴速的控制指令，並將該指令以及實測滴速5滴/分鐘與期望滴速20滴/分鐘差的絕對值15發送給滴速控制裝置5。(7)產生報警提示信息，調整藥液滴速。報警提示裝置執行步驟(6.2)產生的指令，不向用戶發出報警提示信息；滴速控制裝置5執行步驟(6.3)產生的指令，驅動電機51逆時針旋轉一定的圈數(如15圈，)，電機51的運動最終使得調速棒向右運動15釐米，減小了調速棒55對滴管81的擠壓，從而達到使1分鐘內通過滴管81的流量增大15滴左右的目的。(8)若醫護人員想改變期望滴速，則重複上述步驟(2)-(7)，否則，重複上述步驟(3)-(7)。在約1小時後，步驟(4)計算出藥液的實時滴速為0，此後，步驟(6)分析得到這一實時滴速0不在正常滴速4-20滴/分鐘的範圍之內，得出可能是藥液快滴完了的結論，則報警提示裝置以蜂鳴聲產生報警提示信息，以引起醫護人員的注意，提醒醫護人員此位病人需要拔針了或需要換藥液了。權利要求1、一種基於機器視覺的醫療輸液速度監測與控制裝置，其特徵在於該裝置包括圖像採集裝置(1)、參數輸入裝置(2)、數據處理器(3)、數據顯示裝置(4)、滴速控制裝置(5)和報警提示裝置(6)；參數輸入裝置(2)、數據顯示裝置(4)和報警提示裝置(6)安裝在殼體(7)的面板上，圖像採集裝置(1)、數據處理器(3)和滴速控制裝置(5)固定在殼體(7)內部，殼體(7)上設置有通孔，圖像採集裝置(1)位於滴速控制裝置(5)的上方；圖像採集裝置(1)用於採集輸液管的滴筒內滴液的圖像數據，將採集的圖像數據傳輸給數據處理器(3)；參數輸入裝置(2)用於接收用戶的輸入，並將接收的信息分別傳送給數據處理器(3)；數據處理器(3)用於接收圖像採集裝置(1)傳送來的圖像數據，根據接收到的圖像數據計算藥液的實時滴速，還接收參數輸入裝置(2)傳送來的期望滴速數據，並將其傳輸給數據顯示裝置(4)，同時向數據顯示裝置(4)傳送要求將其顯示給用戶的控制指令；數據處理器(3)將期望滴速數據和實測滴速數據進行比較和分析，得出兩者之間的大小關係的信息，並根據該信息產生是否要求改變滴速的控制指令和/或相應的報警提示的控制指令，將控制指令分別發送給滴速控制裝置(5)和報警提示裝置(6)；數據顯示裝置(4)用於接收數據處理器(3)傳送來的控制指令以及數據信息等，並按照控制指令將接收到的數據信息顯示給用戶；滴速控制裝置(5)通過驅動電路與數據處理器(3)相連，用於接收數據處理器(3)傳送來的控制指令以及實測滴速與期望滴速差的絕對值數據信息，並按照該指令對滴速進行調整；報警提示裝置(6)用於接收數據處理器(3)傳送來的控制指令，並按照該控制指令產生相應的報警提示信息。2、根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於圖像採集裝置(1)包括攝像頭(11)、採集罩(12)、採集罩背板(13)以及光源(14);採集罩背板(13)與採集罩(12)分別位於殼體通孔兩側的位置；攝像頭(11)固定於採集罩(12)內，採集罩背板(13)為單色，光源(14)安裝在採集罩(12)的一側。3、根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於滴速控制裝置(5)包括電機(51)、連軸器(52)、滾珠絲槓(53)、絲槓螺母(54)、調速棒(55)以及滴管固定架(56);電機(51)和滾珠絲槓(53)通過連軸器(52)相連，絲槓螺母(54)固定在滾珠絲槓(53)上，絲槓螺母(54)和調速棒(55)相連，滴管固定架(56)和調速棒(55)分別位於殼體通孔的二側，並且位置相對。專利摘要本實用新型屬於醫療器械領域，為一種基於機器視覺的醫療輸液速度監測與控制裝置，包括圖像採集裝置、參數輸入裝置、數據處理器、數據顯示裝置、滴速控制裝置和報警提示裝置；數據處理器包括圖像處理模塊、數據顯示模塊、數據分析模塊、報警提示模塊和滴速控制模塊。本實用新型採用圖像處理的方法計算輸液的速度，穩定可靠，解決了目前普遍應用的紅外光檢測方法存在的易受外界輻射源幹擾和利用稱重原理檢測時由於輸液瓶/袋重量不一造成的檢測不精確、操作複雜的問題。該裝置能自動調整輸液速度使之和輸入的期望滴速相同/相近，還能對無藥液或/和其他輸液過程中出現的異常情況發出報警，為病人減輕痛苦，為醫護人員減輕工作量，可減少醫療事故的發生。文檔編號G05B19/048GK201110955SQ20072008883公開日2008年9月3日申請日期2007年12月7日優先權日2007年12月7日發明者代四廣,宏劉,宋恩民,寧潘申請人:華中科技大學