一种医用悬浮床的称重系统和方法与流程

本发明属医用悬浮床的技术范畴。特指采用六个拉压力传感器，应用样条小波理论滤除噪声；专家系统处理体重信号，辅助患者补液的医用悬浮床。

背景技术：

感染是烧伤外科重要课题，烧伤患者的创面为细菌生长提供良好培养基，适宜温湿度更有利于细菌在创面上的大量繁殖。医用悬浮床的使用可以有效降低创面感染率和加速创面修复。医用悬浮床包括控制系统、冷却系统、高温加热消毒系统、称重系统，以及包含高效进风过滤器、加温干燥器、高压风机、微孔透气扩散板(pe材质)、矽沙、专用滤单的悬浮流体系统。运用流体力学原理，预处理的洁净压缩空气，通过床体底部含有大量微孔(直径4-25μm)，且与床底等面积的透气扩散板均匀的向上喷射，穿过并托起上床体内盛有的大量细小矽沙(直径70-140μm，矽沙的总质量≈600kg)，在其表面形成类似水“沸腾”的状态，大量的“沙泡”不停向上翻滚，向上产生浮力。这些矽沙表面覆盖有网孔直径为35μm的专用滤单，以阻止矽沙穿过，患者躺于其上接受治疗。悬浮床内矽沙流化形成的浮力可减轻患者床单位体表面积和创面所承受的压力；干热的空气可透过滤单倾泻到创面上，使滤单上微生物细胞干燥失活，同时加速患者创面干燥结痂；患者的渗液被矽沙吸收后凝为结块，下沉到床底的筛网上，阻止了细菌和患者体表的进一步接触，为烧伤创面的愈合提供良好的条件。

医用悬浮床基本分为两类：一类为砂流体悬浮床；一类为多方位气动悬浮床。两者比较，前者核心部件需消耗大量原材料，加工工艺复杂，技术难度低；后者不需要用固体颗粒，加工工艺相对简单，但技术门槛高，以美国为首的主要生产制造商开发多方位气动悬浮床属该类产品。根据我国国情，医用悬浮床研发晚、技术难度较低的砂流体悬浮床较适合我国以及中等水平国家推广应用。进口产品有美国hillrom生产的clinitronⅱ型流体悬浮治疗仪，美国kcl生产的空气射流悬浮床，以及荷兰的redactron悬浮烧伤治疗床；国内宁波登煌医疗器材有限公司生产的医用悬浮床市场占有率较高，采用砂流体。

一般医用悬浮床设有称重装置，包括四个称重传感器，安装在支架四个角下方，用来采集支架、槽体和病人的重量，重量信号经a/d转换，送cpu处理并显示，可以测得患者的体重值。基于人体工学理论，应用《人体工程学图解》数据，人体卧床时，只采样头部和脚部设的4个称重传感器信号，测力点远离人体主要重量的施力点，导致测量精度下降，故需在此增设2个称重传感器。鉴于一般医用悬浮床有各种扰动因素，导致称重数据有较大的误差。护理人员对烧伤患者补液时，不敢用误差较大的称重数据。但患者体重改变需及时补液，导致护理人员必须長时间的密切关注。烧伤患者长时间躺在持续高热气流和干燥滤单上，机体水分被大量蒸发，正常的生理如厕则进一步加剧水分丢失。群体性烧伤事件中，医护人员数量不够，大量的清创工作，易发生补液不及时；患者的水电解质不平衡，将引发患者高渗性脱水，危急生命。因此，需要精确到毫升补液的患者，躺在动态的悬浮床上，精确的体重变化显示和及时的补液报警，显得尤为必要。

悬浮床称重时夹杂着各种扰动，大致可分为：(1)烧伤患者体液的丢失和挥发引起体重变化。这种变化过程极为缓慢，表征为低频信号。动态称重硬件平台中传感器、a/d转换电路等存在各种电子元件，产生高频信号。有用的低频信号和干扰的高频信号夹杂，不易获取准确称重信号。为满足临床需求，需消除称重信号中高频噪声。信号消噪处理实际上是一个信号滤波处理。小波分析优于fourier分析，它在时域和频域同时具有良好的局部化性质。其原理，设{vj}j∈z是l²(r)的一个多分辨分析，wj是vj在vj+1中的正交补空间。令pj和qj分别是l²(r)到vj和wj上的正交投影。设有信号f(t)∈l²(r)，经仪器测得的含有噪声的信号为pjf∈vj，则有

用小波变换对信号进行分解的过程，就是依次把信号中的各种频率成分从高向低逐步分离为不同的频带的过程。对b样条尺度函数和小波函数ψ而言，其频带分别近似为[-π,π]和[-2π,-π]u[π,2π],因此，qjf频带范围近似为[-2^j+1π,-2^jπ]u[2^jπ,2^j+1π]。如果要滤掉噪声的频率位于qjf频带方位，则只需在信号重构过程中将qjf设为零。根据需要，还可用小波包分解，将qjf进一步分解。(2)承重支架形变、患者浮动和砂体流动产生的干扰。一般医用悬浮床体、矽砂和患者总重较重，约1吨，长2.25m，特别是患者的臀部和床体中间处承重压力大，仅有四个角有支点，支架中间处易变形、下凹；患者还会随着流化的砂产生一定幅度的运动；床的整体水平度、气流方向、病人重心等都有一定的扰动。各种干扰导致现有称重系统的误差较大。

烧伤总面积大于30％体表面积或ⅲ度烧伤面积大于10％体表面积。或总面积不足31％，但有下列情况之一者：全身情况严重或有休克者；有复合伤或合并伤(如严重创伤、化学中毒等)；中、重度吸入性损伤的患者。婴幼儿头面烧伤超过5％。临床上诊断为重度烧伤。降低重度烧伤患者医疗事故发生概率的三点举措：立足现有悬浮床结构，增设患者臀部两个高精度拉压力传感器，实时采集原始数据。运用样条小波分析的方法，消除原始数据的噪声，输出满足临床要求的、误差在允许范围内的称重信号。根据临床需求，临床辅助单元能在设定的时间范围内，判断患者体重增、减量，给出相应的声光报警，以及内设的专家系统，判断补液或调整补液速度。医用悬浮床的称重系统和方法较有代表性的知识产权成果综述如下：

·发明专利“医用悬浮床高精度称重装置”(cn201120215066.4)，提出一种降低称重误差的医用悬浮床高精度称重装置，采用四个称重传感器，安装在支架与称台之间，用来承受秤台、槽体和病人的重量，将所测信号送cpu单独处理，分别把模拟量数字化，可以测量病人体重。

·发明专利“双恒层流医用悬浮床”(cn201410598290.4)，提出一种双恒层流医用悬浮床，能够提供恒温恒湿环境的封闭仓体和能够自下而上提供恒温恒湿环境，保证病人的背面和正面适宜治疗环境的湿度、温度，且具备移动功能的独立疗养空间。装有杀菌组件，保证了病人在洁净环境下治疗。

上述有益探索，有一定的参考价值，但探索成果仍存局限。因此，有必要立足现有研究成果、在医用悬浮床的称重系统和可用性上作深入的研究。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种医用悬浮床的称重系统和方法。

系统由床底座单元、拉压传感器支架单元、矽沙支撑系统、矽沙储存仓、主控模块和通信模块组成；拉压传感器支架单元包括毎组2个拉压传感器、三组共6个拉压传感器的原始重量数据采集点；矽沙储存仓附设隔绝矽砂和患者直接接触的滤单，滤单借助硅胶压条进行固定；

拉压传感器支架单元包括6个拉压传感器，型号yp-l1/200kg，以及固定传感器的支架组成，其中一个拉压传感器固定在床头右侧支架的支点处、一个拉压传感器固定在床中右侧支架的支点处、一个拉压传感器固定在床尾右侧支架的支点处、一个拉压传感器固定在床尾左侧支架的支点处、一个拉压传感器固定在床中左侧支架的支点处、一个拉压传感器固定在床头左侧支架的支点处，且6个拉压传感器处于同一水平面；

悬浮床沿袭现有的主流悬浮床结构，增设了床体中间2个拉压传感器。获得因支架中间变形而丢失的数据，得到称重数据更全面、更准确。

所述的拉压传感器模拟信号处理以24位a/d转换器hx711芯片为核心，电源与hx711脚1、脚16相连；三极管q1基极与hx711脚2相连，q1发射极与电容c1一端相连，c1的另一端与地相连；q1集电极、拉压传感器脚1、r1的一端、c2的一端与hx711脚3相连；r1的另一端、r2的一端与hx711脚4相连；r2另一端、c2的另一端、c3的一端与hx711脚5相连且接地；c3的另一端与hx711脚6相连；c4一端、r3一端与hx711脚7相连，r3的另一端与拉压传感器脚3相连；r4的一端、c4的另一端与hx711脚8相连，r4的另一端与拉压传感器脚4相连；端子di201与hx711脚12相连，相应接入主控单元atmega128脚60；端子do201与hx711脚11相连，相应接入主控单元atmega128脚36。为便于叙述，其余传感器在主控单元输入端为di202、di203、di204、di205、di206；输出端为do202、do203、do204、do205、do206，亦采用24位a/d转换器hx711芯片，外围电路类同。

所述的主控模块以atmega128芯片为核心，atmega128脚60、59、58、57、56、55分别与端子di201、di202、di203、di204、di205、di206相连；atmega128脚36、37、38、39、40、41分别与端子do201、do202、do203、do204、do205、do206相连；主控模块经通信模块与监控中心相连。

所述的拉压传感器将原始的重量数据传入mcu，采用基于样条小波去噪的悬浮床称重分析法，包括以下步骤：

(1)采集悬浮床称重信号；

(2)存储悬浮床称重信号；

(3)采集的称重数据去噪处理后提取悬浮床称重数据；

(4)对t分钟和t+15分钟时刻悬浮床称重信号提取，差值送mcu处理。

所述步骤(3)包括以下步骤：

(3-1)对原始悬浮床称重信号以层数为4层进行小波分解，得到小波高频层和小波低频层；

(3-2)在第2层小波低频层利用通用阈值对原始悬浮床称重信号进行滤除：

对待处理的信号点s,选择k步长的领域范围；

以s点为基准点制k个模式，分别计算各个模式的领域范围内数据绝对值的算术平均值，选出其中的最大平均值作为s点特征值，以s点特征值替代s点的原始幅值；

将替代后的s点特征值与通用阈值进行比较，当s点特征值大于通用阈值时，信号点全部保留原始幅值；当s点特征值小于或等于通用阈值时，对信号点进行置零；

k为自然数，k的最大值取值为信号脉宽的一半；

通用阈值σ的计算公式为：

σ为噪声标准方差，n为信号的长度；

算术平均值计算公式为：

(3-3)将小波高频层直清零，对高频噪声和50hz工频噪声进行滤除；

(3-4)重构得到提取的原始悬浮床称重信号，作为下一步原始悬浮床称重信号的输入信号。

所述医用悬浮床称重系统的称重数据辅助临床补液的应用方法，其特征在于包括如下步骤：

1)接通悬浮床电源，核查悬浮床专家系统的运行记录，称重系统实时显示未悬浮状态的重量，包括上床体、颗粒料重量，开启风机系统，称重系统实时显示悬浮状态的重量，该状态下对称重系统清零后，把患者放到悬浮床上，称重系统显示患者、部分输液皮管以及所缚纱布重量，设该时间点为t0,重量为g0；经δt后至t0+δt(临床一般设定δt为15分钟)，重量增至g0+δg(临床一般设定δg为500克)；

2)称重系统读g0，设定δt和δg值；

3)判断δg正负；

3-1)判断δg为正时；

3-1-1)输液增加，是，绿灯亮，返回3)；否，进入3-1-2；

3-1-2)鼻饲增加，是，绿灯亮，返回3)；否，进入3-1-3；

3-1-3)进食，是，绿灯亮，返回3)；否，进入3-1-4；

3-1-4)进水，是，绿灯亮，返回3)；

3-2)判断δg为负时；

3-2-1)创面蒸发，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

创面渗血，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

创面渗液，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

呕吐，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

大便，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

小便，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

出汗，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

气切蒸发，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

vsd引流，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

透析，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

4)医护人员确认，报警有效，补液；返回3)。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

本系统在患者的臀部，即床体中间处增设两个高精度拉压传感器，避免失去占据人体主要重量的中间位臀部的信号。原始采样重量数据，通过样条小波分析方法处理，进一步消除其中的噪声与干扰，输出满足临床要求的、误差在允许范围内的称重信号。专家系统则根据临床需求，能在设定的时间范围内，判断患者体重增、减量，给出相应的声光报警。医护人员根据内设的流程，判断补液或调整补液速度。得益于高精度的称重系统和悬浮床专家系统，能有效协助医护人员及时补液，防止患者失液过多休克死亡，降低医护人员的工作强度和工作压力，消除医疗事故的隐患。

附图说明

图1是医用悬浮床的主视图与俯视图；

图2是高精度拉压传感器a/d转换电路图；

图3是主控单元电路图；

图4是未经样条小波去噪的信号图；

图5是经样条小波去噪的信号图；

图6是称重信号流程图；

图7是悬浮床专家系统的工作模式流程图。

图中，床底座单元100、拉压传感器支架单元200、全砂支撑系统300、储存砂仓400，硅胶压条500；主控模块600和通信模块700，第1个拉压传感器201和其支点21、第2个拉压传感器202和其支点22、第3个拉压传感器203和其支点23、第4个拉压传感器204和其支点24、第5个拉压传感器205和其支点25、第6个拉压传感器206和其支点26；第1个拉压传感器输入主控单元信号端di201、第2个拉压传感器输入主控单元信号端di202第3个拉压传感器输入主控单元信号端di203、第4个拉压传感器输入主控单元信号端di204、第5个拉压传感器输入主控单信号端di205、第6个拉压传感器输入主控单元信号端di206；主控单元输给第1个拉压传感器信号端为do201、主控单元输给第2个拉压传感器信号端为do202、主控单元输给第3个拉压传感器信号端do203、主控单元输给第4个拉压传感器信号端do204、主控单元输给第5个拉压传感器信号端do205、主控单元输给第6个拉压传感器信号端do206。

具体实施方式

如图1所示，系统由床底座单元100、拉压传感器支架单元200、矽沙支撑单元300、矽沙储存仓400、主控模块600和通信模块700组成；拉压传感器支架单元200包括毎组2个拉压传感器、三组共6个拉压传感器的原始重量数据采集点；矽沙储存仓400附设隔绝矽砂和患者直接接触的滤单，滤单借助硅胶压条500进行固定；

拉压传感器支架单元200包括6个拉压传感器，型号yp-l1/200kg，以及固定传感器的支架组成，其中拉压传感器201固定在床头右侧支架的支点21处、拉压传感器202固定在床中右侧支架的支点22处、拉压传感器203固定在床尾右侧支架的支点23处、拉压传感器204固定在床尾左侧支架的支点24处、拉压传感器205固定在床中左侧支架的支点25处、拉压传感器206固定在床头左侧支架的支点26处，且拉压传感器201、拉压传感器202、拉压传感器203、拉压传感器204、拉压传感器205和拉压传感器206处于同一水平面；

悬浮床沿袭现有的主流悬浮床结构，增设了床体中间拉压传感器202和床体中间拉压传感器205。借助增设床体中间拉压传感器，获得占据人体主要重量的中间位臀部的信号，得到称重数据更全面、更准确。

2、如图2所示，所述的拉压传感器201模拟信号处理以24位a/d转换器hx711芯片为核心，电源与hx711脚1、脚16相连；三极管q1基极与hx711脚2相连，q1发射极与电容c1一端相连，c1的另一端与地相连；q1集电极、拉压传感器201脚1、r1的一端、c2的一端与hx711脚3相连；r1的另一端、r2的一端与hx711脚4相连；r2另一端、c2的另一端、c3的一端与hx711脚5相连且接地；c3的另一端与hx711脚6相连；c4一端、r3一端与hx711脚7相连，r3的另一端与拉压传感器201脚3相连；r4的一端、c4的另一端与hx711脚8相连，r4的另一端与拉压传感器201脚4相连；端子di201与hx711脚12相连，相应接入主控单元atmega128脚60；端子do201与hx711脚11相连，相应接入主控单元atmega128脚36。为便于叙述，其余传感器在主控单元输入端为di202、di203、di204、di205、di206；输出端为do202、do203、do204、do205、do206，亦采用24位a/d转换器hx711芯片，外围电路与拉压传感器201类同。

3、如图3所示，主控模块600以atmega128芯片为核心，atmega128脚60、59、58、57、56、55分别与端子di201、di202、di203、di204、di205、di206相连；atmega128脚36、37、38、39、40、41分别与端子do201、do202、do203、do204、do205、do206相连；主控模块600经通信模块700与监控中心相连。

4、如图4、图5所示，拉压传感器将原始的重量数据传入mcu，采用基于样条小波去噪的悬浮床称重分析法，包括以下步骤：

(1)采集悬浮床称重信号；

(2)存储悬浮床称重信号；

(3)对原始悬浮床称重信号进行去噪处理后提取悬浮床称重信号；

(4)对t分钟和t+15分钟时刻悬浮床称重信号提取，差值送mcu处理。

所述步骤(3)包括以下步骤：

(3-1)对原始悬浮床称重信号以层数为4层进行小波分解，得到小波高频层和小波低频层；

(3-2)在第2层小波低频层利用通用阈值对原始悬浮床称重信号进行滤除：

对待处理的信号点s,选择k步长的领域范围；

以s点为基准点制k个模式，分别计算各个模式的领域范围内数据绝对值的算术平均值，选出其中的最大平均值作为s点特征值，以s点特征值替代s点的原始幅值；

将替代后的s点特征值与通用阈值进行比较，当s点特征值大于通用阈值时，信号点全部保留原始幅值；当s点特征值小于或等于通用阈值时，对信号点进行置零；

k为自然数，k的最大值取值为信号脉宽的一半；

通用阈值σ的计算公式为：

σ为噪声标准方差，n为信号的长度；

算术平均值计算公式为：

(3-3)将小波高频层直清零，对高频噪声和50hz工频噪声进行滤除；

(3-4)重构得到提取的原始悬浮床称重信号，作为下一步原始悬浮床称重信号的输入信号。

5、如图6、图7所示，一种使用医用悬浮床称重系统的称重数据辅助临床补液的应用方法，包括如下步骤：

1)接通悬浮床电源，核查悬浮床专家系统的运行记录，称重系统实时显示未悬浮状态的重量，包括上床体、颗粒料重量，开启风机系统，称重系统实时显示悬浮状态的重量，该状态下对称重系统清零后，把患者放到悬浮床上，称重系统显示患者、部分输液皮管以及所缚纱布重量，设该时间点为t0,重量为g0；经δt后至t0+δt(临床一般设定δt为15分钟)，重量增至g0+δg(临床一般设定δg为500克)；

2)称重系统读g0，设定δt和δg值；

3)判断δg正负；

3-1)判断δg为正时；

3-1-1)输液增加，是，绿灯亮，返回3)；否，进入3-1-2；

3-1-2)鼻饲增加，是，绿灯亮，返回3)；否，进入3-1-3；

3-1-3)进食，是，绿灯亮，返回3)；否，进入3-1-4；

3-1-4)进水，是，绿灯亮，返回3)；

3-2)判断δg为负时；

3-2-1)创面蒸发，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

创面渗血，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

创面渗液，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

呕吐，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

大便，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

小便，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

出汗，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

气切蒸发，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

vsd引流，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

透析，是，报警，红灯亮，进入4)；否，返回3)；

4)医护人员确认，报警有效，补液；返回3)。