具有语音识别功能的智能麻醉药品注射泵及注射控制方法与流程

1.本发明属于医学领域，涉及语音识别与智能控制，具体涉及一种具有语音识别功能的智能麻醉药品注射泵及注射控制方法。


背景技术：

2.目前，医药注射系统使用的医用注射泵常采用一个单片机作为注射系统的控制中心，利用按键输入控制信号，通过串口通信将控制信号发送至单片机控制中心，单片机再经过信号处理向电机发送信号控制电机转动带动丝杆实现注射，此种注射操作控制方式虽然设计简单，节省成本，但是在实际的医疗过程中操作繁琐复杂，给医护工作者带来了工作压力和不便。
3.现行的医用注射泵在使用过程中，首先需要操作人员将医疗药物装配到注射卡槽中进行固定，并手动将丝杆的推注端固定至注射器的尾端，然后在操作面板上利用按键对药物种类、药物浓度、注射容积、注射时间等相关注射信息进行输入，最后确认注射信息后点击确认按键进行药物注射。此一操作过程看似简单明了，但是在实际的医疗救助过程中比较繁琐复杂，特别是在医护人手紧张，复杂的医疗救助注射过程中，此种注射方式操作弊端尤为明显，给医护人员带来巨大的操作和工作压力，也降低了医疗工作效率，并伴随医疗事故高发风险。且目前注射泵属于一次性注射目标任务，不具备患者生理参数和注射参数信息的记忆存储，这将带来一些弊端，首先不利于医疗机构对治疗患者的信息记录归档，其次不利于医护人员对患者病情进行分析总结，最后对于非一次性手术治疗患者再次进行手术药物注射不能实现快速治疗手段。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种具有语音识别功能的智能麻醉药品注射泵及注射控制方法，该注射泵能够实现系统的语音识别、语音交互、语音控制功能、记忆功能，并且可以实现系统的离线语音功能，既有效的保护了系统数据的安全性及隐私性，降低了医护人员的操作和工作压力，又降低按键误操作带来的医疗事故风险，提高了医疗工作效率。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
6.一方面，本发明给出了一种具有语音识别功能的智能麻醉药品注射泵，包括依次连接的语音输入模块、语音识别模块、语音控制模块、电机驱动控制模块、电机模块、助推器模块和注射器模块，还包括与语音控制模块相连接的忆阻记忆模块。其中；
7.语音输入模块，用于采集外部输入的语音信息并将其送至语音识别模块；语音信息包括：系统唤醒热词、患者个人信息、患者生理参数、麻醉药品参数及注射参数；
8.语音识别模块，包括与语音输入模块分别连接的语音唤醒单元、在线语音识别单元和离线语音识别单元，在线语音识别单元、离线语音识别单元分别连接语音唤醒单元；其中，语音唤醒单元用于在接收到唤醒热词后提示选择在线或离线语音识别，根据选择结果
进入在线语音识别单元或离线语音识别单元；在线语音识别单元、离线语音识别单元分别用于接收语音输入模块发送来的语音内容，对其进行在线或离线识别，并提示判断语音信息准确性，当得到肯定的判断结果即语音识别成功时，将识别结果发送给语音控制模块；否则提示重新进行语音录入；
9.语音控制模块，用于读取语音识别模块发送的语音识别结果；用于提示输入患者生理参数、麻醉药品参数及注射参数信息；用于将患者个人信息与自己的内部存储器存储的患者个人信息进行匹配，若匹配成功，则判断患者为非首次麻醉注射；否则，判断患者为首次麻醉注射；用于判断语音识别结果是否为忆阻器阻值信息，如果是忆阻器阻值信息，则判断患者为非首次麻醉注射；若语音识别结果为各个参数信息(即患者生理参数、麻醉药品参数及注射参数)，则判断患者为首次麻醉注射；用于当判断为患者为非首次麻醉注射时，将根据患者个人信息对应的忆阻器阻值信息向电机驱动控制模块发送控制指令；用于当判断为患者为首次麻醉注射时，根据各参数信息向电机驱动控制模块发送控制指令，同时根据各参数信息向忆阻记忆模块发送记忆指令得到忆阻记忆模块的忆阻器阻值，并将患者个人信息和忆阻器阻值存入内部存储器，待信息存储完毕，语音控制模块控制忆阻记忆模块复位。
10.忆阻记忆模块，用于根据语音控制模块发送的记忆指令得到患者个人信息对应的忆阻器阻值，并将其发送给语音控制模块。
11.电机驱动控制模块，用于根据语音控制模块发送的控制指令控制电机模块运转。
12.电机模块，采用步进电机，用于驱动助推器模块。
13.助推器模块，采用齿轮和丝杆组合，用于推进注射器；
14.注射器模块，采用注射器，用于在助推器模块的推动下进行注射。
15.进一步的，所述语音输入模块采用raspberry usb免驱动麦克风设备。
16.进一步的，所述语音唤醒单元采用snowboy离线语音唤醒模型。
17.进一步的，所述在线语音识别单元采用基于baidu api的线上语音识别，所述离线语音识别单元采用基于递归神经网络搭建的语音识别模型。
18.进一步的，所述语音控制模块采用broadcom bcm2711为主芯片的语音功能控制器。
19.进一步的，所述忆阻记忆模块采用忆阻器搭建忆阻记忆电路，所述忆阻记忆电路包括反向连接的忆阻器mr1和忆阻器mr2，其中，忆阻器mr1的正极设有开关s1、开关s3，忆阻器mr2的正极设有开关s2，忆阻器mr2的负极设有开关s4；开关s1、开关s2、开关s3、开关s4分别连接语音控制器模块。
20.进一步的，所述电机驱动控制模块采用l298n芯片电机驱动控制器。
21.另一方面，本发明还给出了一种具有语音识别功能的智能麻醉药品注射泵的注射控制方法，该方法采用上述本发明的注射泵进行注射控制，包括如下步骤：
22.步骤1：语音输入模块采集外部输入的语音信息(包括系统唤醒热词、患者个人信息)并将其送至语音识别模块；
23.步骤2：语音识别模块的语音唤醒单元实时接收唤醒热词，在接收到唤醒热词后提示选择在线或离线语音识别，根据选择结果进入在线语音识别单元或离线语音识别单元；在线语音识别单元或离线语音识别单元接收语音输入模块发来的患者个人信息，对其进行
在线或离线识别，并将识别结果发送给语音控制模块；
24.步骤3：语音控制模块提示判断语音信息准确性，当得到肯定的判断结果即语音识别成功时，语音控制模块将患者个人信息与自己的内部存储器存储的患者个人信息进行匹配，若匹配成功，则判断患者为非首次麻醉注射，进入步骤4；否则，判断患者为首次麻醉注射，进入步骤5；
25.步骤4：语音控制模块将自身的内部存储器记录的该患者个人信息对应的忆阻器阻值取出，进入步骤7；
26.步骤5：语音控制模块提示输入患者生理参数、麻醉药品参数及注射参数信息，在线语音识别单元或离线语音识别单元接收语音输入模块发送来的患者生理参数、麻醉药品参数及注射参数语音内容，对其进行在线或离线识别，系统提示判断语音信息准确性，当得到肯定的判断结果即语音识别成功时，将语音识别结果送至语音控制模块，进入步骤6，否则重新执行步骤5；具体的，可由系统语音播报识别结果，由医护人员判断播报内容的准确性；
27.步骤6：语音控制模块判断当前的语音识别结果是否为忆阻器阻值信息，如果是忆阻器阻值信息，则判断患者为非首次麻醉注射，执行步骤7；若语音识别结果为各个参数信息(即患者生理参数、麻醉药品参数及注射参数)，则判断患者为首次麻醉注射，执行步骤8；
28.步骤7，语音控制模块根据忆阻器阻值信息向电机驱动控制模块发送控制指令，执行步骤9；
29.步骤8，语音控制模块根据各参数信息向电机驱动控制模块发送控制指令，执行步骤9；同时，语音控制模块根据各参数信息计算得到记忆时间，根据记忆时间控制忆阻记忆模块，执行步骤10；
30.步骤9，电机驱动控制模块根据语音控制模块发送的控制指令控制电机模块运转，执行步骤11；
31.步骤10，忆阻记忆模块在语音控制模块的控制下开始记忆；待记忆结束后，接通电流检测器电路得到流经忆阻器的电流，语音控制模块读取忆阻器电流值，利用欧姆定律求解出忆阻器阻值，并将患者个人信息一同记录至内部存储器；记录完毕后，语音控制模块控制忆阻记忆模块复位；
32.步骤11，电机模块运转带动助推器模块推进注射器，完成注射。
33.进一步的，所述步骤7具体操作如下：语音控制模块根据忆阻器阻值信息，利用公式1计算得到忆阻器的导通时间变化量δt，然后对δt求倒数得到脉冲频率f，并将脉冲频率f作为控制指令发送给电机驱动控制模块：
[0034][0035]
在式(1)中个参数含义如下：
[0036]
mr
aim
：代表忆阻器的目标阻值，等于忆阻器阻值信息；
[0037]
x
int
：代表忆阻器的初始化掺杂层归一化厚度；
[0038]
δx：代表忆阻器的掺杂层归一化厚度变化量；
[0039]
mr
on
：代表忆阻器的开态电阻；
[0040]
mr
off
：代表忆阻器的关态电阻；
[0041]
δt：代表忆阻器的导通时间变化量；
[0042]
μv：代表忆阻器内杂质离子的平均迁移率；
[0043]
d：代表忆阻器阻变材料薄膜总厚度；
[0044]
i(t)：代表忆阻器内流通电流。
[0045]
进一步的，步骤8中，所述的语音控制模块根据各参数信息向电机驱动控制模块发送控制指令具体是指：语音控制模块根据各参数信息，利用公式2得到注射速度v，再通过注射速度v得到脉冲频率f，将该脉冲频率f作为控制指令发送给电机驱动控制模块；
[0046][0047]
式中：
[0048]
n：代表注射器的注射药物质量体重速度；
[0049]
m：代表注射器的注射药物质量速度；
[0050]
w：代表注射患者的体重；
[0051]
v：代表注射器的注射速度；
[0052]
c：代表注射器的注射药物浓度；
[0053]
f：代表步进电机接受的脉冲频率；
[0054]
r：代表注射器的半径；
[0055]
θ：代表步进电机的步距角；
[0056]
l：代表步进电机转动一圈丝杆的行程；
[0057]
d：代表步进电机的细分倍数；
[0058]
j：代表步进电机的减速比；
[0059]vmin
：代表注射目标最小精度体积要求。
[0060]
所述的语音控制模块根据各参数信息计算得到记忆时间，根据记忆时间控制忆阻记忆模块是指：语音控制模块根据各参数信息，利用公式2得到注射速度v，通过注射速度v得到脉冲频率f，将脉冲频率f求倒数得到通电时间变化量δt(即记忆时间)，根据记忆时间控制忆阻记忆模块。
[0061]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0062]
(ⅰ)本发明能够实现系统的离线语音唤醒功能，在电路接通电源后，对语音输入模块raspberry usb免驱动麦克风说出唤醒热词即可唤醒设备系统。采用离线语音唤醒能够有效地保护系统数据安全和隐私，防止系统数据被监听，避免设备被误操作。
[0063]
(ⅱ)本发明能够实现系统的语音识别、语音交互功能，在语音唤醒后，通过麦克风语音输入患者生理参数、麻醉药品参数及注射参数信息，以便于系统控制中心语音功能控制器获取重要的参数数据，之后通过用户确认语音输入信息的准确性。采用语音识别可有效降低医护人员的手动操作的压力，提高工作效率，并且确保注射信息的准确性，降低了医
疗事故的发生率。
[0064]
(ⅲ)本发明能够实现系统的语音控制功能，在确认语音输入的患者生理参数、麻醉药品参数及注射参数信息后，语音控制模块根据各个参数信息向电机驱动模块发送控制信号，电机驱动模块根据控制信号向步进电机发送脉冲信号，步进电机接受脉冲信号后开始转动，进而带动助推器模块推动注射器模块。采用语音控制既节省了人力资源，又方便有效的对系统进行管理与使用。
[0065]
(ⅳ)本发明能够实现病患信息及注射信息的记忆功能，在首次确认语音输入的患者生理参数、麻醉药品参数及注射参数相关信息后，语音控制模块根据各个参数信息向忆阻记忆模块发送记忆指令信号，忆阻记忆模块在接收到记忆指令后忆阻器的阻值开始变化，当忆阻记忆模块被断开供电时，忆阻器的阻值会保持断电瞬间的阻值大小，再对单个忆阻器通以阈值电压来获取忆阻器阻值，通过忆阻器的阻值大小来实现患者生理信息及注射信息的记忆功能。语音功能控制器通过读取忆阻记忆模块记录的忆阻器阻值和患者个人信息一同保存至语音功能控制器的内部存储器以便于医疗机构治疗信息采集。同时，在病患进行二次手术麻醉时，只需语音输入患者个人信息即可实现快速麻醉，无需再次语音输入患者生理参数、麻醉药品参数及注射参数信息。
附图说明
[0066]
图1是本发明的具有语音识别功能的智能麻醉药品注射泵的系统框图。
[0067]
图2是本发明中的忆阻器的结构示意图。
[0068]
图3是本发明的实施例的注射泵的原理图。
[0069]
图4、图5、图6是本发明的具有语音识别功能的智能麻醉药品注射方法的流程图的三个分流程图，其中，图5接图4，图6接图5，共同构成本发明的方法的整体流程。
[0070]
以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。
具体实施方式
[0071]
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0072]
实施例：
[0073]
遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例给出了一种具有语音识别功能的智能麻醉药品注射泵，包括依次连接的语音输入模块、语音识别模块、语音控制模块、电机驱动控制模块、电机模块、助推器模块和注射器模块，还包括与语音控制模块相连接的忆阻记忆模块。其中，系统唤醒热词、患者个人信息、患者生理参数、麻醉药品参数及注射参数作为语音输入模块待获取的语音数据。
[0074]
用户(即注射操作人员)准备麻醉药物注射之前需先确认待注射的患者个人信息、患者生理参数、麻醉药品参数及注射参数，本实施例实施一种待注射的麻醉药，但不只包含这一种注射药品及生理参数的注射信息。现准备对李某实施首次麻醉注射，患者个人信息为，待治疗患者姓名：李某，待治疗患者性别：男，待治疗患者年龄：36；患者生理参数为，待治疗患者身高：182cm，待治疗患者体重：85kg；麻醉药品参数为，麻醉药品名称：丙泊酚，麻醉药品浓度：4ug/ml，麻醉药品待注射体积：40ml；注射参数为，注射速度：20ml/h，注射精
度：
±
2％；以上作为语音输入模块待获取的语音数据。
[0075]
语音输入模块采用音频采集声卡设备。音频语言要求中文普通话，音频格式要求wav、单声道、位深16bit、采样率16k。本实施例中，语音输入模块采用raspberry usb免驱动麦克风设备。
[0076]
如图3所示，raspberry usb免驱动麦克风设备通过usb与语音功能控制器的usb3.0端口相连接，用户通过麦克风进行语音输入，麦克风将采集到的语音信息通过usb端口送至语音识别模块。
[0077]
语音识别模块包含语音唤醒单元、在线语音识别单元、离线语音识别单元，语音唤醒单元采用唤醒热词离线语音唤醒模型；在线语音识别单元采用http方式请求线上云端语音识别；离线语音识别单元采用基于人工神经网络搭建的语音识别模型。
[0078]
本实施例中，语音唤醒单元采用snowboy离线语音唤醒模型。
[0079]
如图4所示，本发明的语音识别功能的智能麻醉药品注射泵工作流程的启动必须先唤醒系统才能进行工作，语音唤醒单元要实现的语音唤醒功能采用snowboy离线语音唤醒模型来实现，在被激活前，语音唤醒模型处于等待被唤醒状态，当用户语音输入指定的snowboy唤醒热词，语音唤醒模型将被唤醒，则可进行后续语音识别操作，否则语音唤醒模型仍然处于等待被唤醒状态。本实施例选取snowboy作为唤醒热词，如需更改唤醒热词用户可进行自定义。
[0080]
在线语音识别单元采用基于baidu api的线上语音识别。
[0081]
如图4所示，snowboy唤醒模型被成功唤醒后，开启pyaudio录音功能，系统提示用户选择在线或离线语音识别，若用户选择在线语音识别，用户通过麦克风进行语音信息的录入，则录音内容被传送至基于baidu api的云端线上识别录音内容，当语音识别成功时，系统会通过音响播报语音识别内容，并且提示识别内容是否有误，若确认无误则将语音识别结果送至语音控制模块；当语音识别失败时，则提示请重新进行语音录入。本实施例选择在线语音识别方案时，首先将患者个人信息通过麦克风语音输入，在首次注射时，语音控制模块提示语音输入患者生理参数、麻醉药品参数、及注射参数；在将患者生理参数、麻醉药品参数、及注射参数通过麦克风语音输入后，用户确认播报的患者信息及各参数信息与输入信息一致，经baidu api在线语音识别返回结果存在4～7s的时间延时。
[0082]
离线语音识别单元采用基于递归神经网络搭建的语音识别模型。
[0083]
如图4所示，snowboy唤醒模型被成功唤醒后，开启pyaudio录音功能，系统提示用户选择在线或离线语音识别，若用户选择离线语音识别，用户通过麦克风进行语音信息的录入，则录音内容被传送至基于递归神经网络搭建的语音识别模型识别录音内容，当语音识别成功时，系统会通过音响播报语音识别内容，并且提示识别内容是否有误，若确认无误则将语音识别结果送至语音控制模块；当语音识别失败时，则提示请重新进行语音录入。本实施例选择离线语音识别方案下时，首先将患者个人信息通过麦克风语音输入，在首次注射时，语音控制模块提示语音输入患者生理参数、麻醉药品参数、及注射参数；在将患者生理参数、麻醉药品参数、及注射参数通过麦克风语音输入后，用户确认播报的患者信息及各参数信息与输入信息一致，经神经网络语音识别返回结果存在2～3s的时间延时。
[0084]
语音控制模块采用broadcom bcm2711为主芯片的语音功能控制器。
[0085]
如图3所示，语音功能控制器通过gpio口连接电机驱动控制器和忆阻记忆电路的
输入端，语音功能控制器的gnd端与电机驱动控制器和忆阻记忆电路的gnd端共地，通过gpio口向电机驱动器发送控制指令信号，并通过gpio口向忆阻记忆电路发送记忆指令信号，具体工作流程如图6所示。本实施例中，当语音功能控制器判断出患者为首次麻醉注射，语音功能控制器对各参数信息进行处理并将处理结果通过与电机驱动控制器输入端相连的gpio口发送控制指令，同时，通过与忆阻记忆电路相连的gpio口发送记忆指令。
[0086]
忆阻记忆模块采用忆阻器搭建忆阻记忆电路。
[0087]
单个忆阻器的结构如图2所示，当导通电流从忆阻器正向电极流入忆阻器时，忆阻器阻值逐渐减小，当导通电流从忆阻器反向电极流入时，忆阻器阻值逐渐增大；忆阻记忆电路包括反向连接的忆阻器mr1和忆阻器mr2，其中，忆阻器mr1的正极设有开关s1，开关s3，忆阻器mr2的正极设有开关s2，忆阻器mr2的负极设有开关s4；开关s1连接语音功能控制器的gpio8或者gnd，开关s3通过电流检测器连接语音功能控制器的gpio7；开关s2连接语音功能控制器的gpio6或者gnd，开关s4连接语音功能控制器的gnd。当语音功能控制器通过gpio口向忆阻记忆电路发送记忆指令时(开关s1接通gpio8且开关s2接gnd)，忆阻记忆电路开始记忆，忆阻器阻值开始变化，在断电瞬间(开关s1、s2都断开)忆阻器阻值恒定不变，即记忆结束，此时开关s3、s4都接通，语音功能控制器采集记忆结束后的忆阻器流通电流信息，通过欧姆定律求得忆阻器阻值，利用忆阻器阻值记录患者生理参数、麻醉药品参数、及注射参数信息，待忆阻器阻值信息采集完毕后，开关s3、s4都断开，并将患者个人信息和忆阻器阻值一同存储至语音功能控制器的内部存储器，具体工作流程如图6所示。本实施例选取同类型的hp忆阻器，忆阻器参数为mr
on
＝100ω，mr
off
＝16kω，d＝10-8
m，μv＝10-14
m2s-1
v-1
，且设定忆阻器mr1、mr2的初始阻值分别为mr1＝mr
off
＝16kω，mr2＝mr
on
＝100ω。在准备二次手术麻醉注射时(即非首次注射)，语音输入患者个人信息，待治疗患者姓名：李某，待治疗患者性别：男，待治疗患者年龄：36；语音识别成功后匹配到内部存储器对应患者个人信息待治疗患者姓名：李某，待治疗患者性别：男，待治疗患者年龄：36，忆阻器mr1阻值为14534.578ω；语音功能控制器利用忆阻器阻值信息向电机驱动控制器发送控制信号，最终实现与首次麻醉注射同样的注射效果。复位时，控制开关s1接gnd，s2接gpio6。
[0088]
电机驱动控制模块采用l298n芯片电机驱动控制器。
[0089]
一方面，l298n电机驱动控制器接受来自语音功能控制器发送的控制指令信号，另一方面，l298n电机驱动控制器根据接受到的控制指令向步进电机发送一定频率的脉冲信号。如图3所示，电机驱动控制器的输入端接受语音功能控制器gpio口的控制指令信号，电机驱动控制器的输出端接入步进电机控制其运转，具体工作流程如图6所示。本实施例通过l298n电机驱动控制器的ena、enb使能输入端控制步进电机的启停，通过in1、in2、in3、in4输入端接受语音功能控制器的控制信号，对应out1、out2、out3、out4输出2252hz的八拍四相脉冲信号控制步进电机以33r/min匀速转动。
[0090]
电机采用步进电机。
[0091]
如图3所示，步进电机的输入端接受电机驱动控制器输出端的脉冲信号后开始运转，一方面步进电机接受步进电机驱动控制器输送的脉冲信号，根据脉冲信号频率的改变，步进电机的转速将做出相应的变化；另一方面步进电机带动助推器模块推动注射器模块工作，最终实现药品的注射，具体工作流程如图6所示。本实施例采用两相四线步进电机，iso 13485质量体系认证的50ml药用注射器，在接受脉冲信号后匀速运转，通过齿轮带动丝杆推
进注射器以19.8ml/h注液速度注射麻醉药品，最终超时73s注射完40ml全部丙泊酚麻醉药品。