基于LoRa无线通信技术的膀胱功能监护方法与流程

基于lora无线通信技术的膀胱功能监护方法
技术领域
1.本发明涉及一种膀胱功能监护方法，具体而言，涉及一种基于lora无线通信技术的膀胱功能监护方法。


背景技术：

2.目前市面上的膀胱扫描仪和膀胱容量测量仪等等，一部分是使用普通压力传感器，一部分使用超声波技术测量，但是都只能测量膀胱体积或者剩余积液容积，并且每次测量都需要重新操作仪器，不能直观的实时监护以及多台同时控制测量，而且只能作为简单的辅助诊疗的仪器，并不具有很强的临床实用性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于lora无线通信技术的膀胱功能监护方法，实现了膀胱疾病初步辅助治疗和实时监护，并在膀胱病人日常安全监护上有较大临床应用价值。
4.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
5.一种基于lora无线通信技术的膀胱功能监护方法，上位机和手持移动终端分别与床旁终端设备通过lora通信模块进行双向无线数据传输，床旁终端设备正常工作后，输入病人信息并发送至上位机和手持移动终端，上位机和手持移动终端通过lora通信模块继续通过床旁终端设备轮流查询病人数据，同时获取多位病人的实时信息，并且在上位机显示界面显示多个病人的膀胱压力曲线图。
6.进一步来看，所述双向无线数据传输包括上位机和手持移动终端通过lora通信模块发送指令，所述床旁终端设备根据所述指令返回对应的数据，其中，所述指令包括：
7.膀胱内压查询指令，所述床旁终端设备的传感器模块采集膀胱内压信号，经所述床旁终端设备内部进行计算处理后得到膀胱内压数据，所述床旁终端设备返回所述膀胱内压数据；
8.查询病人信息指令，所述床旁终端设备返回患者信息数据；以及，
9.轮询指令，所述床旁终端设备返回轮询数据。
10.进一步来看，所述膀胱内压信号经床旁终端设备内部进行计算处理包括对所述膀胱内压信号进行ad转换和计算处理后得到所述膀胱内压数据。
11.作为本发明的一种优选技术方案，所述计算处理方法包括将所述膀胱内压数据通过转换算法转换为腹腔内压数据。
12.作为本发明的一种优选技术方案，所述床旁终端设备将所述腹腔内压数据通过lora通信模块发送到上位机和手持移动终端。
13.作为本发明的一种优选技术方案，还包括预测算法：将所述监测数据通过基于3次方k最近邻(knn，k-nearestneighbor)分类算法的小样本回归建模实现膀胱和/或腹腔内压的预测。
14.作为本发明的一种优选技术方案，所述转换算法包括，测量膀胱压力值x，则当前腹腔压力值f(x)由四个函数式表示：
[0015][0016][0017][0018][0019]
其中,c为惩罚系数，
[0020]
a为拉格朗日乘子，
[0021]
ξi和为引入的松弛变量，
[0022]
松弛变量根据函数式4选择，函数式4中，p(t)为膀胱压力值，v(t)为腹腔压力值，b、c为常数且b c＝1，若b≥c则松弛变量为v1(t)-v0(t)，若b＜c则选择松弛变量为v2(t)-v1(t)。
[0023]
作为本发明的一种优选技术方案，还包括通过时间信息对压力数据进行二次优化，即对于相同的压力值pi＝pj＝pk＝p即，分别别为在第i，j，k时刻采集到的患者膀胱内压值)，处理成pi＝p,pj＝(j-i)*δp,pk＝(k-i)*δp，其中δp为对应不同患者的积液增长速度对应的压力值的变化速度。
[0024]
本发明的有益效果是：
[0025]
1、上位机和手持移动终端与床旁终端设备通过lora无线通信模块进行双向无线数据传输。床旁终端设备正常工作之后，开始输入病人信息并发送至上位机和手持移动终端，上位机和手持移动终端通过lora无线通信模块继续通过床旁终端轮流查询病人数据的方式，同时获取多位病人的实时信息，并且在上位机电脑显示界面显示多个病人的膀胱压力曲线图。当病人的膀胱压力到达设置的阈值时，床旁终端会自动打开夹管阀进行排尿，并且发送警报信号给上位机和手持移动终端提醒医生或者护士。在排尿之后，床旁终端会监测到腹腔内压值并通过lora无线通信模块发送到上位机和手持移动终端。上位机也可以通过记录夹管阀的闭合时间或者分析腹腔内压的数据来判断病人的病情变化。
[0026]
2、本发明的核心部分是通过lora无线通信模块实现单节点对多节点的信息传输和控制。由一台上位机和手持移动终端可以控制和传输数据给多台床旁终端设备。床旁终端设备通过高精度高灵敏度的压力传感器采集到数据之后，通过我们经过对比分析在医院采集的大量数据之后，得到的优化算法公式进行数据优化，并通过lora无线通信模块传输给上位机和床旁终端设备显示屏上。在使用中，上位机和手持移动终端可以通过10s(可自定义)轮流查询数据的方式，对所有床旁终端设备进行查询数据和接收指令，例如，上位机
和手持移动终端通过lora无线通信模块透传模式，向所有床旁终端设备设备发送“no.1_querydata”，所有床旁终端设备进行指令解析，然后1号床旁终端设备通过lora无线通信模块向上位机和手持移动终端发送算法优化后的数据，如“no.1_dataxxxxxxxx”，其他床旁终端设备等待各自的指令，接收到其他床旁终端设备的专属指令时不会响应。因为lora无线通信模块使用的是透传的工作模式，我们可以通过专门的软件配置lora无线通信模块的参数，如信道和地址，使只有主机模块，即上位机和手持移动终端可以收到所有床旁终端设备的信号和向所有床旁终端设备发送指令，床旁终端设备发送的数据只有上位机和手持移动终端可以收到，其他床旁终端设备不会收到，以免造成系统混乱。这些都是依赖lora无线通信模块和独有的通信协议，也是本系统的特色之一。
[0027]
3、膀胱压力-腹腔压力转换方法的关键在于核函数、惩罚系数和松弛变量的选择。从原始数据上看，自然充盈的原始数据是一个非线性的曲线，并且模型最终结果的因素较多。本算法分别针对数据特点选用较宽收敛域的径向基核函数(rbf)和能够拟合多参数约束的多项式核函数分别进行实验。
[0028]
4、惩罚系数和松弛变量的选取则依据聚类分析的结果进行优化选择。首先由于不同年龄段患者之间的膀胱容量区别较大，是首要的影响因素。我们先根据年龄划分递进的三组区间，少年、中年和老年。然后对不同区间的患者数据基于统计模型的多参数拟合进行数据的聚类分析。
[0029]
5、我们通过拟合后的灌注法数据用作基本约束条件，使得自然充盈采集的压力数据能够对应到灌注法的积液值上，然后在通过时间信息对压力数据进行二次优化，这样就通过灌注法的数据实现了对自然充盈数据的标定，并且经过二次时间约束，使得每一个压力值都能对应到相对准确的积液值，完成了数据集的特征优化。
[0030]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
[0031]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0032]
图1为基于lora无线通信技术的膀胱功能监护方法流程示意图。
[0033]
图2为基于lora无线通信技术的膀胱功能监护方法一种优选实施方式流程示意图。
[0034]
图3为基于lora无线通信技术的膀胱功能监护系统工作流程示意图。
[0035]
图4为基于lora无线通信技术的膀胱功能监护系统示意图；
[0036]
图5为床旁终端设备结构示意图；
[0037]
图6为床旁终端设备面板结构示意图；
具体实施方式
[0038]
为了完全理解本发明，将参考附图描述本发明的优选实施例。可以以各种形式修改本发明的实施例，并且本发明的范围不应被解释为限于下面详细描述的实施例。提供本
发明的实施例是为了使本领域技术人员能够更全面地理解本发明。因此，可以夸大附图中的元件的形状等，以便强调更清楚的解释。应注意，在附图中，相同的构件由相同的附图标记表示。此外，省略了可能由本发明的主旨不必要地模糊的已知功能和配置的详细描述。
[0039]
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
[0040]
参照图1至图3所示，一种基于lora无线通信技术的膀胱功能监护方法，上位机和手持移动终端分别与床旁终端设备通过lora通信模块进行双向无线数据传输，床旁终端设备正常工作后，输入病人信息并发送至上位机和手持移动终端，上位机和手持移动终端通过lora通信模块继续通过床旁终端设备轮流查询病人数据，同时获取多位病人的实时信息，并且在上位机显示界面显示多个病人的膀胱压力曲线图。
[0041]
进一步来看，所述双向无线数据传输包括上位机和手持移动终端通过lora通信模块发送指令，所述床旁终端设备根据所述指令返回对应的数据，其中，所述指令包括：
[0042]
膀胱内压查询指令，所述床旁终端设备的传感器模块采集膀胱内压信号，经所述床旁终端设备内部进行计算处理后得到膀胱内压数据，所述床旁终端设备返回所述膀胱内压数据；
[0043]
查询病人信息指令，所述床旁终端设备返回患者信息数据；以及，
[0044]
轮询指令，所述床旁终端设备返回轮询数据。
[0045]
进一步来看，所述膀胱内压信号经床旁终端设备内部进行计算处理包括对所述膀胱内压信号进行ad转换和计算处理后得到所述膀胱内压数据。
[0046]
作为本发明的一种优选技术方案，所述计算处理方法包括将所述膀胱内压数据通过转换算法转换为腹腔内压数据。
[0047]
作为本发明的一种优选技术方案，所述床旁终端设备将所述腹腔内压数据通过lora通信模块发送到上位机和手持移动终端。
[0048]
作为本发明的一种优选技术方案，还包括预测算法：将所述监测数据通过基于3次方k最近邻(knn，k-nearestneighbor)分类算法的小样本回归建模实现膀胱和/或腹腔内压的预测。
[0049]
上位机和手持移动终端与床旁终端设备通过lora无线通信模块进行双向无线数据传输。床旁终端设备正常工作之后，开始输入病人信息并发送至上位机和手持移动终端，上位机和手持移动终端通过lora无线通信模块继续通过床旁终端轮流查询病人数据的方式，同时获取多位病人的实时信息，并且在上位机电脑显示界面显示多个病人的膀胱压力曲线图。
[0050]
本发明的核心部分是通过lora无线通信模块实现单节点对多节点的信息传输和控制。由一台上位机和手持移动终端可以控制和传输数据给多台床旁终端。床旁终端通过高精度高灵敏度的压力传感器采集到数据之后，通过我们经过对比分析在医院采集的大量数据之后，得到的优化算法公式进行数据优化，并通过lora无线通信模块传输给上位机和床旁终端显示屏上。
[0051]
在使用中，上位机和手持移动终端可以通过10s(可自定义)轮流查询数据的方式，对所有床旁终端进行查询数据和接收指令，例如，上位机和手持移动终端通过lora无线通信模块透传模式，向所有床旁终端发送“no.1_querydata”，所有床旁终端进行指令解析，然后1号机通过lora无线通信模块向上位机和手持移动终端发送算法优化后的数据，如“no.1_dataxxxxxxxx”，其他床旁终端等待各自的指令，接收到其他床旁终端的专属指令时不会响应。因为lora无线通信模块使用的是透传的工作模式，我们可以通过专门的软件配置lora无线通信模块的参数，如信道和地址，使只有主机模块，即上位机和手持移动终端可以收到所有床旁终端的信号和向所有床旁终端发送指令，床旁终端发送的数据只有上位机和手持移动终端可以收到，其他床旁终端不会收到，以免造成系统混乱。这些都是依赖我们的lora无线通信模块和独有的通信协议，也是本系统的特色之一。
[0052]
膀胱内压数据转换为腹腔内压数据的转换算法：
[0053]
1.试验数据采集
[0054]
自然充盈采集实验：自然充盈实验的数据主要用于积液预测建模的训练与测试。对象主要为icu或者住院需要长期留置导尿管引流的患者。通过所研制的智能膀胱压力监测设备实时采集压力值，并每隔固定时间对患者进行排空操作，同时记录好相应数据，预计采集200例以上，完成数据库的建立，为设备的研制提供数据支撑。数据库应包含参数有患者年龄、性别、每小时排出量、每小时压力值及压力值变化量及排出积液容积和尿液比重，清醒患者存在胀痛感时的膀胱压力值。记录数据格式如下表。
[0055]
表1患者膀胱压力-容积信息表
[0056][0057][0058]
2.腹腔内压数学模型构建
[0059]
本技术的腹腔内压测量方法就是把预测的相关性原则作为基础，把影响预测目标的各因素找出来，然后找出这些因素和预测目标之间的函数关系的近似表达,并且用数学的方法找出来。在利用样本数据对其模型估计参数，并且对模型进行误差检验。如果模型确定，就可以用模型对因素的变化值进行预测。
[0060]
假设有一样本集为：(y1,x1),
…
,(yi,xi),其中x为实时膀胱压力值p(t),y为当前腹腔压力值v(t)，回归函数线性方程表示如下：
[0061]
f(x)＝w
t
x b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0062]
这样就得到了膀胱压力和膀胱积液容积的初始构造函数，其中(w和b分别为初始模型参数)。通过函数的最小值找到最佳回归函数为：其中c为惩罚系数，ξi和为引入的松弛变量，采用合适的核函数，引入拉格朗日乘子ai和约
束条件(τ(t)为腹腔压力的概率预测函数式-6中详细说明)：
[0063][0064]
，采用线性判别分析求解可以得到
[0065]
本技术的腹腔内压测量方法的关键在于核函数、惩罚系数和松弛变量的选择。从原始数据上看，自然充盈的原始数据是一个非线性的曲线，并且模型最终结果的因素较多。本算法分别针对数据特点选用较宽收敛域的径向基核函数(rbf)和能够拟合多参数约束的多项式核函数分别进行实验。
[0066]
惩罚系数和松弛变量的选取则依据聚类分析的结果进行优化选择。首先由于不同年龄段患者之间的膀胱容量区别较大，是首要的影响因素。我们先根据年龄划分递进的三组区间，少年、中年和老年。然后对不同区间的患者数据基于统计模型的多参数拟合进行数据的聚类分析。根据表1数据，我们拟通过得到患者的压力变化速度δv。考虑到δv的个体特异性，拟合多参数初始关联方程如下：
[0067]
δv＝αf(s(i)) βf(a(i)) rf(mv(i))＝f(s(i),a(i),mv(i))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0068]
其中(s(i),a(i),mv(i)分别为性别、年龄、和患者生理参数相对于腹腔内压的影响函数)进而可以得到同一采样时间节点上的实时膀胱内压值p对应在当前腹腔内压范围v的概率值τ，概率函数如下：
[0069][0070]
其中b、c为常数且b c＝1，v0(t),v1(t),v2(t)分别为统一采样时间点上患者腹腔内压波动范围的最小值、平均值和最大值；
[0071]
其中α、β、r分别表示患者年龄、性别、病理因素对δp(压力变化速度)的影响因子，通过一定样本的采用样条插值函数的最小二乘线性拟合和聚类分析可以得到α、β、r的值。根据α、β、r的值，设计不同的惩罚系，如果α较大，说明本年龄区间内还是年龄对积液的影响较大，那么在本区间内的收敛域已经足够大，所以我们选择较小的惩罚系数c，以满足精度。如果β或r较大，则选择较大的惩罚系数c，以尽量满足本年龄区间内的泛化能力。而松弛变量的选择则根据式(6)若b≥c则松弛变量选择v1(t)-v0(t)，若b小于c则选择松弛变量为v2(t)-v1(t)。这样就完成了c和ξi和的求解。
[0072]
特征优化的关键问题在于，一方面，如何让压力值与积液值对应上；另一方面因为积液值总是缓慢增加的趋势，而压力会出现波动，怎样才能对于输入的压力相同的特征点预测出不同的积液值。
[0073]
为解决这两个关键问题，我们通过拟合后的灌注法数据用作基本约束条件，使得自然充盈采集的压力数据能够对应到灌注法的积液值上，然后在通过时间信息对压力数据进行二次优化，即对于相同的压力值pi＝pj＝pk＝p(分别别为在第(i j k)时刻采集到的患
者膀胱内压值)，处理成pi＝p,pj＝(j-i)*δp,pk＝(k-i)*δp，其中δp为根据式(5)中对应不同患者的积液增长速度对应的压力值的变化速度。这样就通过灌注法的数据实现了对自然充盈数据的标定，并且经过二次时间约束，使得每一个压力值都能对应到相对准确的积液值，完成了数据集的特征优化。这样就完成了式3中输入值x的优化，结合前面获得的c和ξi和进而最后根据式-4求得式3中的w和b。
[0074]
参照图4至图6所示，一种基于lora无线通信技术的膀胱功能监护系统，包括：上位机10，其具有第一lora通信模块11、处理器及第一显示器；至少一台床旁终端设备20，所述床旁终端设备20包括，通过导尿管接口接入的传感器模块21，用于采集膀胱内压信号，ad采集模块22，用于将所述传感器模块21采集的信号进行数字转换，mcu模块23，用于计算处理所述数字信号，以及第二lora通信模块24，用于接收所述第一lora通信模块11发出的指令，以及将mcu模块计算处理的结果发送至所述第一lora通信模块11。
[0075]
作为本发明的一种实施方案，还包括手持移动终端30，其具有第三lora通信模块31、处理器、及第三显示器，所述第二lora通信模块24用于接收所述第三lora通信模块31发出的指令，以及将mcu模块计算处理的结果发送至所述第三lora通信模块31。
[0076]
整套系统由上位机10、多台床旁终端设备20和手持移动终端30三部分部分组成。上位机10即为护士站的医用电脑，安装所开发的上位机膀胱功能监测软件，通过usb插入lora主机模块，同时与多个床旁终端20或者护士手中的终端30进行数据交互和指令收发，并在上位机10界面上显示相关参数和数据，其中包括患者基本信息、实时膀胱内压曲线、腹腔内压以及风险提示等。
[0077]
手持移动终端30为所开发的基于安卓的移动设备，内置lora通信模块，便于护士携带。
[0078]
对于膀胱病人的实时安全监护主要临床应用在icu病房中，在全天的实时监护中，本系统可以通过上位机或手持移动终端轮询的方式，使床旁终端设备连续记录数据并通过lora无线通信传输到上位机或手持移动终端，并且在床旁终端设备显示屏上和上位机界面都可以显示出病人膀胱内压的实时曲线图，方便医生了解病人膀胱状态情况和病情发展趋势。
[0079]
进一步来看，所述床旁终端设备20还包括设置在导尿管上的夹管阀25，夹管阀25由所述mcu模块23控制开启或关闭。
[0080]
其中，传感器模块21与夹管阀25都设置在床旁终端设备20壳体外的导尿管上。
[0081]
本系统采用医院认可的高精度高灵敏度的传感器实时采集数据，不仅能测量膀胱内压，还能测量腹腔内压，而且当膀胱内压达到设定的阈值，能自动引导病人排尿，有针对性的进行辅助诊疗和主动干预治疗。
[0082]
作为本发明的一种实施方案，所述床旁终端设备20还包括存储模块26，连接于所述mcu模块23，用于存储膀胱内压信号的阈值，并通过mcu模块将实时数据与所述阈值进行比较，进而控制所述夹管阀的开启或关闭；报警模块27，连接于所述mcu模块23，档膀胱内压信号大于所存储的阈值时发出警报。
[0083]
作为本发明的一种实施方案，所述床旁终端设备20还包括第二显示器28，用于显示膀胱内压数据；按键模块29，用于设置所述床旁终端设备20。
[0084]
作为本发明的一种实施方案，所述mcu模块将所述监测数据与内置于所述床旁终
端设备的存储模块中存储的膀胱内压信号阈值进行比较，若所述监测数据大于等于所述阈值，则所述mcu模块控制开启夹管阀进行排尿，并发送警报信号给所述上位机和手持移动终端。
[0085]
当病人的膀胱压力到达设置的阈值时，床旁终端会自动打开夹管阀进行排尿，并且发送警报信号给上位机和手持移动终端提醒医生或者护士。在排尿之后，床旁终端会监测到腹腔内压值并通过lora无线通信模块发送到上位机和手持移动终端。上位机也可以通过记录夹管阀的闭合时间或者分析腹腔内压的数据来判断病人的病情变化。
[0086]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。