本發(fā)明涉及生物醫(yī)藥領(lǐng)域，特別涉及一種基于組合卡爾曼濾波的智能輸液監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

靜脈輸液是醫(yī)療護(hù)理中一項(xiàng)重要的治療技術(shù)，因其給藥迅速、療效快、刺激小，臨床應(yīng)用十分普遍，特別是急救、疾病治療等情況下，更是必不可少的治療措施。

目前普遍使用的靜脈輸液工具仍然是傳統(tǒng)的莫菲輸液器。輸液時(shí)需要將輸液瓶（袋）懸掛在輸液架上，高于患者的穿刺部位，利用勢(shì)差將藥液輸入患者體內(nèi)，護(hù)士憑借肉眼觀察莫菲氏管中單位時(shí)間內(nèi)的液滴數(shù)來估計(jì)輸液滴速，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)輸液器上的滑輪來控制輸液速度。傳統(tǒng)的輸液過程往往長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)，在這過程中需要有人關(guān)注輸液瓶?jī)?nèi)液體的變化，因?yàn)橐坏┹斠和戤厸]有及時(shí)更換藥液或取出輸液針頭，就會(huì)發(fā)生回血現(xiàn)象，發(fā)生醫(yī)療事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅到患者的生命。輸液過程中一般由本人及其家屬和醫(yī)護(hù)人員采用人工監(jiān)護(hù)的方法，觀測(cè)其輸液滴速、輸液時(shí)間和剩余藥液，給患者本人及其家屬和醫(yī)護(hù)人員帶來很大的精神負(fù)擔(dān)。

目前，市場(chǎng)上已有幾款不同的輸液監(jiān)測(cè)或報(bào)警設(shè)備。但大多輸液監(jiān)測(cè)設(shè)備采用了單一的傳感器來對(duì)輸液速度和藥液余量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感器一旦失效會(huì)造成輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)或報(bào)警，容易引發(fā)醫(yī)療事故。中國(guó)實(shí)用新型專利說明書CN 201220328064中公開了一種組合式輸液監(jiān)測(cè)裝置，同時(shí)采用重力傳感系統(tǒng)和紅外傳感系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸液速度并在輸液快結(jié)束時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。如果在使用時(shí)，重力傳感系統(tǒng)或紅外傳感系統(tǒng)之一失效，該輸液監(jiān)測(cè)裝置仍可繼續(xù)工作，不影響輸液過程的監(jiān)測(cè)功能和報(bào)警功能。

另外，在上述輸液監(jiān)測(cè)裝置中，只有當(dāng)重力傳感器實(shí)效時(shí)，該系統(tǒng)才會(huì)切換使用紅外傳感器采集到的數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。輸液監(jiān)控系統(tǒng)始終采用其中一路傳感器采集的數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而并未將兩路傳感器數(shù)據(jù)做比較和修正。因此，系統(tǒng)只保證了傳感器監(jiān)測(cè)通道的冗余性，但和傳統(tǒng)單通道傳感器相比，該輸液監(jiān)測(cè)裝置的精度并未得到提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述問題，提出一種基于組合卡爾曼濾波的智能輸液監(jiān)測(cè)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種基于組合卡爾曼濾波的智能輸液監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

⒈采用重力傳感器采集輸液容器包括其內(nèi)藥液和附件的毛重量信號(hào)，微處理器在k時(shí)刻對(duì)所述毛重量信號(hào)進(jìn)行分析得到毛重量W₁，經(jīng)過一個(gè)時(shí)間周期，微處理器在k+1時(shí)刻對(duì)所述毛重量信號(hào)進(jìn)行分析得到毛重量W₂，微處理器通過計(jì)算得到k時(shí)刻由重力傳感器所測(cè)得的輸液速度Z₁ (k)；

⒉采用紅外傳感器采集在輸液過程中輸液容器或輸液管中藥液的下落信號(hào)，當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到液滴下落時(shí)會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，微處理器在k時(shí)刻分析上兩次脈沖信號(hào)之間的時(shí)間差，通過計(jì)算得到k時(shí)刻由紅外傳感器所測(cè)得的輸液速度Z₂ (k)；

⒊將重力傳感系統(tǒng)測(cè)得的輸液速度數(shù)據(jù)Z₁ (k)通過重力傳感系統(tǒng)的局部卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波分析，得到k時(shí)刻重力傳感系統(tǒng)的最優(yōu)估計(jì)輸液速度V₁ (k)和最優(yōu)估計(jì)輸液速度的協(xié)方差P₁ (k)；

⒋將紅外傳感系統(tǒng)測(cè)得的輸液速度數(shù)據(jù)Z₂ (k)通過紅外傳感系統(tǒng)的局部卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波分析，得到k時(shí)刻紅外傳感系統(tǒng)的最優(yōu)估計(jì)輸液速度V₂(k)和最優(yōu)估計(jì)輸液速度的協(xié)方差P₂ (k)；

⒌將上述兩組最優(yōu)估計(jì)輸液速度V₁(k)、V₂(k)和最優(yōu)估計(jì)輸液速度的協(xié)方差P₁(k)、P₂(k)傳遞給全局濾波器。全局濾波器完成信息的最優(yōu)綜合，得到k時(shí)刻全局最優(yōu)估計(jì)的輸液速度V_m(k)。

本發(fā)明的方法，先利用兩個(gè)局部卡爾曼濾波器同時(shí)分別處理重力傳感器和紅外傳感器測(cè)得的輸液速度信息，并根據(jù)重力傳感系統(tǒng)和紅外傳感系統(tǒng)各自的狀態(tài)方程和測(cè)量方程來進(jìn)行卡爾曼濾波，輸出建立在局部測(cè)量基礎(chǔ)上的k時(shí)刻輸液速度的最優(yōu)估計(jì)結(jié)果及其估計(jì)協(xié)方差V_i(k)、P_i(k) ( i=1,2)，然后傳遞給全局濾波器。全局濾波器完成信息的最優(yōu)綜合，形成k時(shí)刻全局最優(yōu)估計(jì)的輸液速度V_m(k)。

本發(fā)明的有益效果為，這種組合卡爾曼濾波器將重力傳感器和紅外傳感器采集到的輸液速度信息各自進(jìn)行卡爾曼濾波后再進(jìn)行全局融合，輸出全局最優(yōu)估計(jì)的輸液速度值。與傳統(tǒng)的輸液監(jiān)測(cè)裝置相比，這種基于組合卡爾曼濾波的智能輸液監(jiān)測(cè)方法明顯提高了監(jiān)測(cè)精度。這種組合卡爾曼濾波器基于信息融合技術(shù)，利用卡爾曼濾波方法，將多個(gè)傳感器采集到的輸液信息利用起來，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得出全局最優(yōu)估計(jì)輸液速度，解決以前多通道傳感器輸液監(jiān)測(cè)裝置輸液速度監(jiān)測(cè)精度低的問題。

附圖說明

圖1為一種基于組合卡爾曼濾波的智能輸液監(jiān)測(cè)方法流程圖。

圖2為采用組合卡爾曼濾波器對(duì)智能輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)例數(shù)據(jù)處理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)和附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

在如圖1所示，重力傳感器1實(shí)時(shí)采集輸液容器包括其內(nèi)藥液和附件的毛重量信號(hào)，微處理器在k時(shí)刻對(duì)所述毛重量信號(hào)進(jìn)行分析得到毛重量W₁，經(jīng)過一個(gè)時(shí)間周期，微處理器在k+1時(shí)刻對(duì)所述毛重量信號(hào)進(jìn)行分析得到毛重量W₂，實(shí)時(shí)計(jì)算輸液容器中輸液速度Z₁(k)=( W₁- W₂)/(ρ×t₁)，其中ρ為輸液液體的密度。

紅外傳感器2測(cè)定輸液滴管中藥液滴速，當(dāng)莫菲試管中有液體滴下時(shí)，紅外傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，微處理器在k時(shí)刻分析上兩次脈沖信號(hào)之間的時(shí)間差τ，由于每次下落液滴的體積相同均為0.05mL，由此可計(jì)算得到其輸液速度Z₁(k)=0.05/τ。

微處理器3和4分別將重力傳感器1和紅外傳感器2測(cè)得的輸液過程信息通過計(jì)算得到輸液速度測(cè)量值Z₁(k)、Z₂(k)。將輸液速度測(cè)量值Z₁(k)通過局部卡爾曼濾波器5進(jìn)行分析，得到k時(shí)刻重力傳感系統(tǒng)8的最優(yōu)估計(jì)輸液速度V₁(k)和最優(yōu)估計(jì)輸液速度的協(xié)方差P₁(k)；將輸液速度測(cè)量值Z₂(k)通過局部卡爾曼濾波器6進(jìn)行分析，得到k時(shí)刻紅外傳感系統(tǒng)9的最優(yōu)估計(jì)輸液速度V₂(k)和最優(yōu)估計(jì)輸液速度的協(xié)方差P₂(k)；將上述兩組最優(yōu)估計(jì)輸液速度和最優(yōu)估計(jì)輸液速度的協(xié)方差通過全局濾波器7進(jìn)行全局融合得到k時(shí)刻全局最優(yōu)估計(jì)的輸液速度V_m(k)。以上過程的具體計(jì)算方法如下所示。

局部卡爾曼濾波器5和局部卡爾曼濾波器6的狀態(tài)方程為：

其中、為k+1時(shí)刻和k時(shí)刻系統(tǒng)真實(shí)的輸液速度。A、B為系統(tǒng)的控制參數(shù)，由于我們預(yù)計(jì)輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的流速基本保持不變且該預(yù)測(cè)模型為一維模型，故將A、B取恒值1。W(k)為k時(shí)刻系統(tǒng)的過程噪聲，一般假設(shè)為高斯白噪聲，其協(xié)方差為Q。

局部卡爾曼濾波器5和局部卡爾曼濾波器6的測(cè)量方程為：

其中Z_i(k)為k時(shí)刻傳感器系統(tǒng)測(cè)得的輸液速度值，H是系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)，由于測(cè)量系統(tǒng)始終保持不變且該測(cè)量模型為一維模型，故將H 取恒值1，C(k)為k時(shí)刻系統(tǒng)測(cè)量噪聲，一般假設(shè)為高斯白噪聲，其協(xié)方差為R。

局部卡爾曼濾波器5和局部卡爾曼濾波器6的算法如下：

上式計(jì)算k+1時(shí)刻的輸液速度預(yù)測(cè)值的協(xié)方差P_i (k+1/k)，式中P_i (k)是k時(shí)刻的輸液速度V_i(k)最優(yōu)估計(jì)值的協(xié)方差，A^T為A的轉(zhuǎn)置矩陣，其值仍為1。

上式計(jì)算k+1時(shí)刻的最優(yōu)估計(jì)輸液速度值V_i (k+1)，式中K_i (k+1)為k+1時(shí)刻的卡爾曼增益，卡爾曼增益的計(jì)算方式在下式給出，Z_i(k+1)為k+1時(shí)刻的系統(tǒng)輸液速度的測(cè)量值，V_i (k)是k時(shí)刻的輸液速度最優(yōu)估計(jì)值。

上式計(jì)算k+1時(shí)刻的卡爾曼增益K_i (k+1)，式中P_i (k+1/k)為k+1時(shí)刻的輸液速度預(yù)測(cè)值協(xié)方差，H^T為H的轉(zhuǎn)置矩陣，其值仍為1。

上式計(jì)算k+1時(shí)刻的最優(yōu)估計(jì)輸液速度的協(xié)方差P_i (k+1)。經(jīng)過分散化并行運(yùn)算的局部卡爾曼濾波器5和6的處理，分別得到由重力傳感器1和紅外傳感器2采集到的輸液速度信息局部最優(yōu)估計(jì)及其協(xié)方差V_i(k)，P_i(k)（i=1,2）。

將V_i(k)，P_i(k)在全局濾波器7中按下式進(jìn)行融合，全局融合結(jié)果為：

V_m(k)為輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)k時(shí)刻的全局最優(yōu)估計(jì)輸液速度值。

要精確描述重力傳感系統(tǒng)8和紅外傳感系統(tǒng)9的狀態(tài)方程和測(cè)量方程，以上算法中關(guān)鍵環(huán)節(jié)是Q、R的確定。Q、R的選擇對(duì)卡爾曼濾波器5和6的精度有直接影響，如果Q值選取過大，則濾波在過去觀測(cè)量上的加權(quán)衰減就過快，導(dǎo)致的后果是濾波不能很好地利用已有的測(cè)量信息，從而降低了濾波器的精度；反之，如果Q值選取過小，使濾波在過去觀測(cè)量上的衰減過慢，隨著濾波的遞推，將會(huì)引進(jìn)越來越大的模型噪聲，從而使濾波誤差越來越大?？柭鲆?i>K達(dá)到穩(wěn)態(tài)的快慢取決于Q和R的比值，Q/R此值越大，最優(yōu)估計(jì)值達(dá)到穩(wěn)態(tài)就越快。所以系統(tǒng)的測(cè)量方程所描述的測(cè)量環(huán)節(jié)的精度，也一定要和系統(tǒng)匹配得當(dāng)。

實(shí)施例

下面結(jié)合附圖，以Matlab軟件仿真結(jié)果為例進(jìn)一步說明本發(fā)明。

利用重力傳感器1和紅外傳感器2分別連續(xù)采集100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，假設(shè)系統(tǒng)采樣周期為1s，真實(shí)的輸液速度為恒定值50 μL/s，對(duì)輸液速度的初始估計(jì)值為45 μL/s，重力傳感系統(tǒng)8和紅外傳感器9的狀態(tài)方程和測(cè)量方程的噪聲協(xié)方差Q=4×10^-4，R=1。重力傳感系統(tǒng)和紅外傳感系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)分別經(jīng)過各自的卡爾曼濾波器5和6進(jìn)行濾波，然后將輸出建立在局部測(cè)量基礎(chǔ)上的輸液速度的最優(yōu)估計(jì)結(jié)果及其估計(jì)協(xié)方差V_i(k)、P_i(k) (i=1,2)，傳遞給全局濾波器5。全局濾波器完成信息的最優(yōu)綜合，形成全局系統(tǒng)的全局最優(yōu)估計(jì)輸液速度值V_m(k)。

V_m(k)輸出結(jié)果如圖2的虛線所示，雖然重力傳感器8和紅外傳感器9的測(cè)量值Z₁(k)、Z₂(k)的噪聲很大，但組合卡爾曼濾波的全局最優(yōu)估計(jì)輸液速度V_m(k)逐漸逼近了真實(shí)輸液速度。此組合濾波器能夠?qū)ο到y(tǒng)狀態(tài)量做較好的估計(jì)，即系統(tǒng)能夠有效地消除在輸液過程中重力傳感器1和紅外傳感器2產(chǎn)生的測(cè)量誤差，能完成輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組合測(cè)速功能，提供較精確的靜脈輸液速度信息。

由具體實(shí)施例可知，本發(fā)明提出了一種基于組合卡爾曼濾波的智能輸液監(jiān)測(cè)方法，這種組合卡爾曼濾波器將重力傳感器和紅外傳感器采集到的輸液速度信息各自進(jìn)行卡爾曼濾波后再進(jìn)行全局融合，輸出全局最優(yōu)估計(jì)的輸液速度值。與傳統(tǒng)的輸液監(jiān)測(cè)裝置相比，該組合卡爾曼濾波器的精度有著明顯的提高。這種組合卡爾曼濾波器基于信息融合技術(shù)，利用卡爾曼濾波方法，利用多個(gè)傳感器采集到的輸液信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得出全局最優(yōu)估計(jì)輸液速度，解決以前多通道傳感器輸液監(jiān)測(cè)裝置輸液速度監(jiān)測(cè)精度低的問題。

另外需要說明的是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的原理方法范圍內(nèi)的多種簡(jiǎn)化、變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容。